海底观测网规划

9.3.1 国外研究进展

针对观测网的实质性研究和应用主要始于21世纪初，近年来各个主要发达国家均在大力发展本国的大规模观测网，目前国外一些规模大小不等的观测网已经启动运行。从海洋表面或外面的短暂考察，发展到进入海洋内部进行原位的连续观测，代表着海洋科学在21世纪里的根本变革。1999年和2009年，先后举行了两次“海洋观测国际大会”（Ocean Obs' 99和Ocean Obs'09）交流海洋观测的科学和技术。第一次有30个国家350位专家参加，会后发表了“大洋观测新时期”的报告；第二次有36个国家600多位专家参加，出版了会议文集和会议总结“大洋信息为社会服务：使利益持久，让潜力兑现”（Fischer et al.，2010）。世纪之交，美国科学基金会发起组织了“十年委员会”，目的是评估“未来十年里发现和认识海洋科学最重要和最有希望的机会”。“十年委员会”在广泛征求2000多位科学家的意见最终形成了《新千年的海洋科学》，特别突出了建设“长期海洋观测网”的必要性，认为几乎每一项科学目标的实施都含有对长期观测的需求，认为缺乏对海洋广泛分布、相对连续的长序列观测，是我们理解大洋和全球气候的长期趋势和周期变化最主要的障碍之一，也是对我们理解地震、火山爆发和海底滑坡等突发事件的最主要障碍之一。20世纪末，在美国总统的直接参与下，美国联邦政府和地方政府、军界、科技教育界、企业界广泛合作，制定了一项面向21世纪的海洋观测网计划。在广泛调研的基础上，形成了一份题为《美国建立一个永久性集成化海洋观测网的计划》的建议报告，该建议报告获国会批准并已付诸实施。

观测网出现之前，科学家对深海的观测手段除了船基调查外，主要依靠深海定点锚系。观测网的前身是海底观测站，均建设于20世纪末，主要有美国的长期生态观测站（Long-term Ecosystem Observatory at 15 meters，LEO-15；Schofield，2002）、夏威夷水下地学观测站（Hawaii Undersea Geo-Observatory，HUGO；Duennebier，2002）、夏威夷2号观测站（Hawaii-2 Observatory，H2O；Petitt，2002）、马萨葡萄园岛海岸观测站（Martha's Vine-yard Coastal Observatory，MVCO；Austin，2002）等。相对观测网，观测站的特点是结构较简单，为封闭式设计、供电能力和通信带宽极为有限，因此只能支持少量低功耗传感器，使得其功能较为单一，灵活性和扩展性较差。

随着技术的不断发展，海底观测站逐渐发展为小规模观测网，比较典型的有美国MARS （Massion，2006）、加拿大维多利亚海底试验网（Victoria Experimental Network Underthe Sea，VENUS；Dewey，2007）和美国ALOHA观测网（Howe，2015）。除了自身的科学目标以外，这些小规模观测网也是大规模观测网组网设备的试验场所。由美国蒙特雷湾海洋研究所负责管理的MARS观测网如图9-19所示，其主缆长约52km，具有一个带8个湿插拔接口的海底主基站，布放点水深约为891m，采用-8k VDC左右电压源供电，最大输出功率为9k W，数据通信总带宽为1Gb/s，每个接口可提供375V或48V直流电和100Mb/s通信带宽，于2009年开始运行（Massion，2006）。加拿大维多利亚大学负责管理的VENUS有两条独立的海缆：一条海缆长约3km，采用-400VDC左右电压源供电，通信总带宽为1Gb/s，只有一个水深95m处的海底主基站，于2006年开始运行；另一条海缆长约40km，采用-1.2k VDC左右电压源供电，通信总带宽为1Gb/s，拥有分别在水深175m和300m处的两个海底主基站，于2008年开始运行。美国夏威夷大学负责管理的ALOHA观测网位于Oahu岛北部100km处，水深4800m，于2011年开始运行。由于ALOHA观测网采用的退役海缆内含有需恒流供电的光中继器，因此其采用该中继器允许的、较其正常工作电流稍高的1.6A恒流源供电，可提供约1200W总电能和100Mb/s通信带宽（Howe，2015）。加拿大维多利亚大学负责管理的VENUS观测网如图9-20所示。其位于温哥华岛南端，包含两条独立的海缆：一条海缆长约3km，具有水深95m的单节点，位于Saanich湾，输电电压为-400VDC；一条海缆长约40km，位于Georgia海峡，具有水深分别为175m和300m的两个节点，输电电压为-1.2k VDC。通信带宽为1Gbps，于2008年开始运行。ALOHA观测网于2002年获得美国NSF资助，于2011年6月将设备布放至4728m深海。其采用1.6A恒流供电，目前海底负载为1280W，供电电压800V。电流型变换器在恒功率模式下不稳定，因此需要安装主动电流旁路装置来消耗多余的电能，从而保持输电稳定，可见这种恒流模式的电能损耗较大。

图9-19 典型的小规模 观 测 网 （www. mbari.org/mars）

图9-20 加拿大NEPTUNE观测网示意图（www.oceannet-works.ca）

目前世界上已初步建成的较大规模观测网主要有三个：加拿大西北太平洋时间序列观测网（North-East Pacific Time-Series Underwater Networked Experiment，NEPTUNE；Barnes，2013）、美国海洋观测计划（Ocean Observatory Initiative，OOI）的区域网部分（Cowles，2010）和日本地震海啸密集海底网络系统（Dense Oceanfloor Network System for Earthquakes and Tsunamis，DONET；Kaneda，2010）。此外，日本海沟海底地震海啸观测网（Seafloor observation network for earthquakes and tsunamis along the Japan Trench， Snet）即将建成（Kanazawa，2013），欧洲多学科观测网（European Multidisciplinary Seafloor Observatory，EMSO）也正在建设中（Person，2015）。其中，美国OOI区域网早期和NEP-TUNECanada统称为NEPTUNE观测网，原计划用数千千米的光电复合通信海缆，覆盖北美太平洋岸外的整个胡安·德富卡板块，将数千个海底观测设备联网，对水层、海底和地壳进行长期实时观测（Delaney，2000）。

加拿大NEPTUNE观测网位于胡安·德富卡板块北部，其示意图见图9-20，于2009年正式启用，其具体科学命题有板块动力学、气候变化、海洋生产力、海洋资源、突发事件和自然灾害等。NEPTUNE观测网的海缆长度约为920km（主干缆约800km、分支缆约120km），观测范围从水下17m至2660m，将科学数据实时传回陆地后存储到数据库中，并向公网发布，其数据系统和监控系统均在Web2.0环境下开发。为提高供电和通信的可靠性，NEPTUNE观测网设计为环型拓扑，采用最高-10k VDC电压源供电，通信总带宽为10Gb/s。NEPTUNE观测网现有5个海底主基站，可至少再扩展5个海底主基站（包括Mid-dle Valley），每个海底主基站可提供的最大功率约为9k W，并拥有6个仪器平台接口（Barnes，2015；图9-21，图9-22）。

图9-21 NEPTUNE观测网的电力系统结构

美国OOI观测网位于胡安·德富卡板块中南部，其示意图见图9-23（a），可分为区域网 （RSN）、近岸网（CSN）和全球网（GSN）三大部分，用于长期高分辨率地观测关键海洋参数，其主要科学主题是海气交换、气候变化、大洋循环、生态系统、湍流混合、水岩反应、洋中脊的各种过程、地球内部构造和地球动力学等（Delaney， 2015）。其中，CSN和GSN主要采用锚系和水下机器人等观测工具，而RSN为观测网，是OOI中技术难度最大的部分。由于经费暂时缩减，RSN的结线方式从网型、环形直至当前的链形，海底节点数随之减少，拓扑结构随之简化，待未来不断扩展。现阶段RSN总长约为900km，将采用最高-10k VDC电压源供电，通信总带宽为10Gb/s至40Gb/s，共在3000m水深范围内布设7个海底主基站，每个海底主基站可提供的最大功率为8k W，其示意图如图9-23（b）所示。RSN的主干海缆分成两条：一条经过中板块通到主轴火山节点；另一条通过水合物区连接俄勒冈长久阵列。

图9-22 NEPTUNE观测网的通信系统结构

图9-23 美国OOI观测网示意图（www. oceanleadership.org）

（a）总体组成；（b）区域网部分

2003年，日本海洋科技界提出建造大规模的先进实时海底区域监测网（Advanced Real-time Earth monitoring Network in the Area，ARENA），计划采用网型拓扑覆盖整个日本周围海域，海缆长达3600km，每50km布放1个海底主基站，共有4个海岸基站和66个海底主基站，具有良好的容错能力、可扩展性和可维护性（Shirasaki，2003）。ARENA观测网甚至计划未来延伸至阿留申群岛并连接至NEPTUNE观测网，从中国东海延伸至菲律宾海，后因财政问题被搁置。由于日本处在板块之交和俯冲带上的大地震多发区，针对其地理特点凝聚观测目标后，后又提出在日本以南海域分期建造DONET观测网，主要用于地震、海啸等自然灾害的监测和预警。DONET观测网于2011年完成第一期DONET1，具有1个海岸基站、5个海底主基站和20个观测节点，目前第二期DONET2也已基本完成，具有两个海岸基站、7个海底主基站和29个观测节点，并在DONET1上增加了两个观测节点，如图9-24（a）所示（Kawaguchi，2015）。由于海底负荷较为单一，DONET观测网采用恒流供电，最高供电电压约为3k V，其观测节点之间相距只有15～20km，地震仪、压力计等多种仪器分布较为密集，能够精确监测不同程度的地震、海啸和板块形变等（Kawaguchi，2015）。此外，2011年东京大地震后，日本立项建设的S-net观测网也即将全部建成并投入使用，其具有6个海岸基站，共150个相距30～50km的地震海啸观测节点，海缆总长达5700km，规模超过原ARENA观测网，采用DONET类似的组网技术，如图9-24（b）所示（Kanazawa，2015）。S-net网由六大系统组成，每个系统包括800km缆线和25个观测站（只有海沟轴外侧系统长达1600km），观测站之间南北相距约50km，东西相距约30km，做到每个M7.5级的地震源区有一个观测站。每个观测网的缆线有两个登陆站，可从两个方向为光电缆提供高压电源和接收信息，其目的是保证当缆线发生故障时，观测网仍能继续运行。每个观测站设有直径34cm、长226cm的地震仪和海啸仪，装在抗腐蚀、耐高压的铍铜质容器中。测水压的海啸仪具有很高的灵敏度，能够识别1mm的水位变化。S-net为目前全球规模最大的海底地震海啸观测网，其规模是现有NEPTUNECanada和OOIRSN等综合性观测网的数倍，但仪器种类单一、个数相对较少，且几乎完全为封闭式设计，因此其实际海底总负荷反而比NEPTUNECanada和OOIRSN要至少小一个数量级。进一步的计划是与大洋钻探计划（IODP）相结合，在日本南边岸外的“南海海沟”完成深钻，建立井下地球物理观测站，进一步与观测网相连接。

欧洲的观测网最初源自高能物理研究，称为“中微子望远镜”，用于探测和追踪来自宇宙的中微子。近十年来，主要由意大利地球物理与火山学研究所围绕其自治式观测站GEOSTAR系列推动欧洲观测网的发展（Favali，2006）。基于GEOSTAR技术的NEMO-SN1是欧洲第一个准观测网，其通过长约25km的海缆与中微子观测网NEMO联网，而并未连接至陆地（Favali，2006）。21世纪初欧洲提出的EMSO观测网计划包含十多个观测子网，将覆盖北冰洋、大西洋、地中海和黑海等，其科学目标是监测岩石圈、生物圈、水圈以及自然灾害等（Person，2015）。EMSO观测网的最大水深超过5000m，初步估计海缆总长达5000km以上，其示意图如图9-25。因各种原因，EMSO观测网的进展相对缓慢。

图9-24 日本防灾观测网（Kanazawa，2015）

（a）DONET 观测网（www.jamstec.go.jp/do-net）；（b）S-net观测网示意图（由六大系统150个站组成）

图9-25 欧洲EMSO观测网示意图（www. emso-eu.org）

9.3.2 国内研究进展

从2005年起，我国开始注意国外观测网的进展（汪品先，2005）。从“十五”末期开始，同济大学就在国内率先提出观测网的概念和科学需求，发表和编辑了大量相关论文、宣传资料，并积极与国际上已建成观测网的单位建立实质性良好合作关系。此外，同济大学还在校内联合海洋、电信、机械、生命和土木等学院的综合力量，组建了同济大学海洋科技中心，并在上海市科委的支持下，成立了上海海洋科技研究中心（筹），其目标就是实现科学和技术的紧密结合，积极推动观测网的建设。2008年和2011年，两届观测网国际研讨会在同济大学召开，交流国际上建设观测网的经验，探讨我国建设观测网的方向。2012年，第一届海底观测科学大会在同济大学召开，交流国内外海底观测的科研成果和经验，研讨我国观测网的关键科学问题和实施战略，探索适于我国海域特色和实际需求的建设之路。

“十一五”期间，在国家“863”计划重点课题的资助下，同济大学联合浙江大学、上海交通大学和中国海洋大学等单位开展了观测网关键技术的研究和组网设备的研制，研制的国内首个海底观测节点在美国MARS观测网上成功进行了为期6个月的深海并网试验（图9-26；彭晓彤，2011）。此次海试是我国自主研发海底观测节点关键技术的首次深海试验，也是严格遵循MARS网接入标准，并在国际观测网上进行的首次实战演练，同时此次试验也是MARS网上首次接入由外方研制关键节点及观测设备开展的海试（图9-27）。此次试验的成功使得中国的深海观测跨出了实质性的第一步，为我国深海观测网技术的发展和下一步观测试验网的建设积累宝贵的经验。2009年4月，同济大学建成了我国第一套海底观测试验系统——东海海底观测小衢山实验站，位于洋山国际深水港东南约20km的小衢山岛附近，在2010年记录到智利大地震引发海啸对东海近岸的影响（张艳伟，2011）。该项目的建设，为我国2009年12月在美国旧金山成为国际海底观测联盟创始国之一打下了基础。同期，中国科学院在黄海、东海、西沙和南沙布放了少量长期观测浮（潜）标，在南海布设了数十千米长不需高压电的海底光纤观测阵列。

观测网的海底核心组网装备主要有海底主基站、观测设备平台和安装有中继器/分支器的海缆等。同济大学研制的一种海底主基站和一种观测设备平台分别如图9-28和图9-29所示。其中，海底主基站主要包含海底高压直流变换器和海底控制与通信系统两大功能单元，以及包括海缆终端光电分离器、外部负载湿插拔连接器、接海阴极和防拖网结构等功能模块；观测设备平台主要由SIIM和若干科学传感器/仪器组成，按实际科学需求设计的具体形态多种多样，满足接口规范要求的SIIM之间还可级联来进一步扩展观测范围。海底主基站与仪器平台之间以及SIIM与某些独立布放的观测仪器之间，通常采用可通过ROV在海底直接操作的湿插拔连接器进行连接，实现相互间供电和通信的接驳，如图9-30所示。

图9-26 中国观测网技术在美国MARS深海并网试验

图9-27 我国自主研发海底观测节点关键技术的首次深海试验

（a）MARS观测网配置示意图；（b）布放前MBARI水池试验；（c）从Western Flyer布放；（d）布放在蒙特雷湾海底

图9-28 同济大学研制的一种海底主基站

图9-29 同济大学研制的一种观测设备平台

图9-30 一种湿插拔连接器及ROV的海底操作

值得一提的是，我国台湾地区近年提出并已开始建设妈祖（MArine Cable Hosted Observa-tory，MACHO）观测网，如图9-31所示。由于台湾位于琉球俯冲带和马尼拉俯冲带之间的环太平洋地震带上，将近70%的地震分布在陆地地震网以外的海域中，因此MACHO观测网的初期目标为监测外海地震、海底山崩引起的海啸和紧邻台湾的南冲绳海槽海底火山活动，实现灾害预警和防灾减灾，而长期目标为监测各种海洋要素（Hsu，2007）。MACHO观测网的一期工程启动于2011年，海缆长约为45km，输电电压约为-1k VDC，有一个位于水深300m处的海底主基站，安装有宽频地震仪、短周期地震仪、海啸计、盐温深仪和水听器等观测仪器。未来MACHO观测网将逐渐延伸海缆至约450km，形成环型拓扑，并将增加至4个海底主基站。

图9-31 我国台湾地区 MACHO 观测网（scweb.cwb.gov.tw/macho-web）