基于海底觀測網(wǎng)絡(luò)技術(shù)的小型近岸海底監(jiān)測站

季勝強(qiáng) 張鋒 張志峰 謝凱 杜宗印

【摘 ?要】海底觀測網(wǎng)絡(luò)是一種新型的海洋觀測方式，能夠?qū)崿F(xiàn)對(duì)海底長期、實(shí)時(shí)、原位的觀測。目前在中國科學(xué)院深?？茖W(xué)與工程研究所，依托其理環(huán)境和優(yōu)勢，以海底觀測網(wǎng)絡(luò)技術(shù)為基礎(chǔ)，建立一套小型近岸海底監(jiān)測站。海底監(jiān)測站對(duì)近岸海洋環(huán)境進(jìn)行實(shí)時(shí)監(jiān)測，同時(shí)為海洋科學(xué)儀器和設(shè)備的研究測試提供平臺(tái)，包括各種海洋物理、化學(xué)傳感器、水下攝像機(jī)、水下機(jī)器人、浮標(biāo)等，便于其與海底觀測網(wǎng)絡(luò)的組網(wǎng)對(duì)接。本文主要介紹了小型近岸海底監(jiān)測站的組成及關(guān)鍵技術(shù)，海底監(jiān)測站的建成對(duì)海底觀測網(wǎng)絡(luò)組網(wǎng)有著重要的意義。

【關(guān)鍵詞】海底觀測網(wǎng)絡(luò);海底監(jiān)測站;實(shí)時(shí)監(jiān)測;組網(wǎng)對(duì)接

1 前言

國外的海底觀測網(wǎng)絡(luò)從上世紀(jì)九十年代就開始建設(shè)，主要的觀測系統(tǒng)有：美國LEO-15海洋生態(tài)觀測系統(tǒng)、夏威夷H2O觀測系統(tǒng)、美國MARS海底觀測系統(tǒng)、加拿大VENUS和NEPTUNE觀測系統(tǒng)、日本的DONET等。

國內(nèi)，在2009年，同濟(jì)大學(xué)在東海小衢山建立了中國第一個(gè)近海觀測站，但離真正意義上的具有可擴(kuò)展、大規(guī)模的觀測網(wǎng)仍有很大差距[1]。在國家高新技術(shù)研究發(fā)展計(jì)劃的支持下，浙江大學(xué)從2007 年開始進(jìn)行了通用性海底觀測網(wǎng)接駁盒技術(shù)研究[2]，并實(shí)現(xiàn)了直流2 kV與10 kV 供電的主接駁盒樣機(jī)和375 V供電的次接駁盒樣機(jī)[3]，于2010 年9 月份在中國東海進(jìn)行了10 kV 海底觀測系統(tǒng)的淺海海試[4]，于2011年4 月至10月在美國加利福尼亞州的蒙特雷灣進(jìn)行了次接駁盒與美國MARS觀測網(wǎng)聯(lián)網(wǎng)對(duì)接試運(yùn)行[5]，均取得了成功。從2012 年開始，中國多所院校聯(lián)合攻關(guān)大規(guī)模海底觀測網(wǎng)技術(shù)，在南海和東海分別建立應(yīng)用型觀測網(wǎng)。在2013年5月，中國科學(xué)院在南海三亞附近建立了一個(gè)2 km長的示范性海底觀測網(wǎng)。2016年9月，國家高新技術(shù)研究發(fā)展計(jì)劃海洋技術(shù)領(lǐng)域海底觀測網(wǎng)試驗(yàn)系統(tǒng)重大項(xiàng)目，由中國科學(xué)院聲學(xué)研究所牽頭，浙江大學(xué)、中天海洋系統(tǒng)有限公司、中天科技海纜有限公司、同濟(jì)大學(xué)、中國海洋大學(xué)、清華大學(xué)等多家單位參與建設(shè)的南海海底觀測網(wǎng)絡(luò)試驗(yàn)系統(tǒng)，成功完成了在中國南海的海上布放、深海組網(wǎng)接駁測試、海底持續(xù)觀測等建設(shè)任務(wù)。

小型近岸海底監(jiān)測站是一種簡化的單個(gè)海底觀測網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)，其接口定義、供電、通訊協(xié)議均與南海海底觀測網(wǎng)絡(luò)試驗(yàn)系統(tǒng)保持一致。由于海洋施工風(fēng)險(xiǎn)大、成本高，海底監(jiān)測站為南海海底觀測網(wǎng)絡(luò)試驗(yàn)系統(tǒng)提供了可靠的組網(wǎng)接駁測試平臺(tái)。

2 系統(tǒng)架構(gòu)

小型近岸海底監(jiān)測站系統(tǒng)架構(gòu)主要包含三個(gè)部分：岸基遠(yuǎn)程監(jiān)控和供配電系統(tǒng)、電能傳輸與通訊鏈路、以及海底電能與通訊接駁系統(tǒng)，結(jié)構(gòu)示意圖如圖1所示。從拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)上可劃分為電能網(wǎng)絡(luò)和通訊網(wǎng)絡(luò)。

電能網(wǎng)絡(luò)由岸基供電電源開始，經(jīng)傳輸纜向節(jié)點(diǎn)提供375V直流恒壓電能供給，在節(jié)點(diǎn)光電分離器中進(jìn)行光電分離，后進(jìn)入節(jié)點(diǎn)接駁盒，經(jīng)節(jié)點(diǎn)接駁盒內(nèi)部電能變換，為各類科學(xué)儀器提供不同電壓等級(jí)和功率需求的直流恒壓，其供電網(wǎng)絡(luò)示意圖如圖2所示。

通訊網(wǎng)絡(luò)由岸基光電交換機(jī)開始，經(jīng)傳輸纜中的光纖與節(jié)點(diǎn)組成通訊網(wǎng)絡(luò)，為每個(gè)節(jié)點(diǎn)提供2-4根光纖，在節(jié)點(diǎn)內(nèi)部將光通訊轉(zhuǎn)換為電通訊，以提供給節(jié)點(diǎn)接駁盒控制器和外接科學(xué)儀器，其通訊網(wǎng)絡(luò)如圖3所示。

其中：

（1）岸基站包含直流供電電源、岸基電源監(jiān)測管理系統(tǒng)、遠(yuǎn)程監(jiān)控系統(tǒng)、光電交換機(jī)和光電分離器等，主要功能包含：1）為水下設(shè)備提供直流恒壓供電;2）對(duì)水下節(jié)點(diǎn)接駁盒進(jìn)行遠(yuǎn)程狀態(tài)監(jiān)測和接駁控制;3）與科學(xué)儀器進(jìn)行遠(yuǎn)程通訊，以獲取監(jiān)測數(shù)據(jù);4）對(duì)岸基主電源和UPS電源的工作狀態(tài)進(jìn)行監(jiān)控，如電壓、電流、溫度、電池剩余電量等。

（2）傳輸纜采用雙芯光電復(fù)合纜，主要功能為提供系統(tǒng)電能供給和光通訊傳輸?shù)逆溌?

（3）節(jié)點(diǎn)接駁盒為水下工作站主要轉(zhuǎn)接平臺(tái)，主要功能包含：1.光電分離2.中低壓電能變換;3.系統(tǒng)內(nèi)部狀態(tài)監(jiān)測;4.與岸基建立通訊網(wǎng)絡(luò)，并將光通訊轉(zhuǎn)換為電通訊;5.對(duì)科學(xué)儀器提供不同電壓等級(jí)的電力支撐和多協(xié)議的通訊接口。

（4）科學(xué)儀器為外接搭載系統(tǒng)，可從節(jié)點(diǎn)接駁盒獲得不同等級(jí)的恒壓供給和百兆通訊轉(zhuǎn)接。

3 系統(tǒng)組成

3.1 岸基站

岸基站是整個(gè)海底監(jiān)測站的控制中心，具有獨(dú)立的隔離電源供配電設(shè)備，為整個(gè)網(wǎng)絡(luò)提供持續(xù)的電能供給;具有遠(yuǎn)程監(jiān)控與運(yùn)行管理服務(wù)器，可實(shí)現(xiàn)所有水下設(shè)備的實(shí)時(shí)監(jiān)測和遠(yuǎn)程控制，保障水下設(shè)備的正常運(yùn)行;同時(shí)，建立本地?cái)?shù)據(jù)庫和大容量數(shù)據(jù)服務(wù)系統(tǒng)，可實(shí)現(xiàn)網(wǎng)絡(luò)中的所有監(jiān)測數(shù)據(jù)的流轉(zhuǎn)、存儲(chǔ)、分析和可視化，并最終實(shí)現(xiàn)與用戶終端的數(shù)據(jù)交互。

3.1.1 岸基直流電源

海底監(jiān)測站建設(shè)采用定制化恒壓岸基直流電源，實(shí)現(xiàn)220V AC到400V DC的轉(zhuǎn)換，最大電流10A，為整個(gè)系統(tǒng)提供有效地直流恒壓電能供給。

3.1.2 UPS電源

UPS電源為海底監(jiān)測站建設(shè)提供供電的安全保障，保證系統(tǒng)在人為或外界環(huán)境導(dǎo)致岸基電源斷開或損壞的情況下，整個(gè)系統(tǒng)能夠正常工作。UPS電源主要包括主機(jī)和電量存儲(chǔ)蓄電池。

3.1.3 岸基電源監(jiān)控系統(tǒng)

岸基電源監(jiān)控系統(tǒng)主要是海底監(jiān)測站的能源管理中心，實(shí)現(xiàn)對(duì)水下設(shè)備的電能供給調(diào)配、岸基電源運(yùn)行狀態(tài)監(jiān)控，以及電能供給故障告警功能，具有高可靠性和實(shí)時(shí)性。主要包括岸基電源監(jiān)控與管理系統(tǒng)、岸基站運(yùn)行狀態(tài)監(jiān)控系統(tǒng)和基站供配電應(yīng)急響應(yīng)系統(tǒng)。

3.1.4 遠(yuǎn)程監(jiān)控系統(tǒng)

遠(yuǎn)程監(jiān)控系統(tǒng)主要是通過岸基服務(wù)器對(duì)水下節(jié)點(diǎn)及科學(xué)儀器的運(yùn)行進(jìn)行監(jiān)控管理。主干網(wǎng)絡(luò)采用光纖通信方式，完成接駁盒大量數(shù)據(jù)到海岸基站的傳送。網(wǎng)絡(luò)規(guī)范通信協(xié)議采用TCP/IP協(xié)議組以及自定義協(xié)議通信（通信幀格式、內(nèi)容等自定義的通信協(xié)議）。遠(yuǎn)程監(jiān)控系統(tǒng)主要由三部分組成，第一部分為岸基服務(wù)器，第二部分為光交換機(jī)與主干光纖傳輸線，第三部分為水下節(jié)點(diǎn)接駁盒系統(tǒng)。

3.2 光電復(fù)合纜

光電復(fù)合纜作為海底觀測網(wǎng)絡(luò)的關(guān)重件，實(shí)現(xiàn)岸基電能的傳輸，為水下的接駁盒、海底觀測平臺(tái)儀器和器件的正常工作提供必要的電力能源[6]，并通過光纖實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)的雙向傳輸，將控制指令下行，將觀測數(shù)據(jù)連續(xù)、長期、實(shí)時(shí)地上行到海岸基站。光電復(fù)合纜主要由光纖、不銹鋼管、鋼絲、雙銅導(dǎo)體、聚乙烯絕緣層等材料組成，通過特定的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)和制造工藝形成的海底光電復(fù)合纜在海底觀測網(wǎng)絡(luò)中起著信息傳輸和電能供給的作用。

3.3節(jié)點(diǎn)接駁盒

接駁盒是水下的中樞部分，它不僅為信號(hào)的處理、控制和管理提供了一個(gè)集中的站點(diǎn)，同時(shí)為海底監(jiān)科學(xué)儀器提供了接口，還為海底觀測網(wǎng)絡(luò)電能的低功率輸送、轉(zhuǎn)換、分配與管理提供了可能。海底接駁技術(shù)是海底監(jiān)測站中的重中之重，它主要解決海底電能與信號(hào)傳輸、分配與管理等任務(wù)。節(jié)點(diǎn)接駁盒主要包括三大功能模塊組成，一是光電分離模塊，二是水下電源轉(zhuǎn)換模塊，三是水下節(jié)點(diǎn)監(jiān)控模塊。

3.3.1 光電分離

海底監(jiān)測工作站水下光電分離通過節(jié)點(diǎn)接駁盒直接實(shí)現(xiàn)，在接駁盒腔體內(nèi)完成光電復(fù)合纜的光路和電路的分開，保證水下設(shè)備供電、控制及通訊的功能正常。

3.3.2 水下電源轉(zhuǎn)換

水下節(jié)點(diǎn)電源轉(zhuǎn)換模塊實(shí)現(xiàn)岸基電源輸送的400V恒壓轉(zhuǎn)換為科學(xué)儀器可用的電壓，能夠?qū)崿F(xiàn)400VDC穩(wěn)壓輸出、DC400V/DC48V的轉(zhuǎn)換，共包括6路48VDC輸出和2路400VDC輸出，每路輸出功率最大可達(dá)400W。同時(shí)，電源轉(zhuǎn)換模塊能實(shí)現(xiàn)對(duì)每路輸出進(jìn)行通斷控制，具備短路和過流保護(hù)功能。

3.3.3 水下節(jié)點(diǎn)監(jiān)控

節(jié)點(diǎn)接駁盒通過內(nèi)部水下節(jié)點(diǎn)監(jiān)控模塊可實(shí)現(xiàn)對(duì)腔體內(nèi)部電壓電流、溫濕度、煙霧及漏水等運(yùn)行狀態(tài)的監(jiān)控，保證水下節(jié)點(diǎn)接駁盒運(yùn)行的可靠性。

3.3.4 節(jié)點(diǎn)外框架

節(jié)點(diǎn)接駁盒采用三角式布放架，采用316不銹鋼材料加工制作，設(shè)計(jì)應(yīng)用水深300米。由主體框架、防沉降板、防拖網(wǎng)蓋板、彎曲限制器安裝板和水密纜固定結(jié)構(gòu)組成。其中，主體框架作為主要成立結(jié)構(gòu)采用自上而下一體式穩(wěn)固結(jié)構(gòu)，并使用ANSYS有限元進(jìn)行了受力分析[7]，在關(guān)鍵固連位置加裝三角肋板提高結(jié)構(gòu)穩(wěn)定性，可實(shí)現(xiàn)最大限度上的輕便型與穩(wěn)定性。防沉降板采用玻璃鋼結(jié)構(gòu)，在降低整體結(jié)構(gòu)重量的基礎(chǔ)上，提高防沉降板的抗壓性能。彎曲限制器安裝板一方面用以安裝彎曲限制器，另一方面作為主干纜連接主要受力點(diǎn)，可將承受拉力均勻分布至主體框架中，提高布放時(shí)的穩(wěn)定性和回收時(shí)的抗彎性能。水密纜固定結(jié)構(gòu)采用陪綁繩加卸扣形式，提高抗拉性能的同時(shí)，保證維護(hù)過程中便于拆卸操作。

3.3.5 科學(xué)儀器接口

海底傳輸系統(tǒng)的實(shí)現(xiàn)是海洋開發(fā)技術(shù)發(fā)展的基本條件，海底傳輸用水密電連接器及其組件是確保海底通信的基礎(chǔ)[8-9]。節(jié)點(diǎn)接駁盒作為海底監(jiān)測站水下平臺(tái)，為科學(xué)儀器提供8路供電及通訊接口，分別采用干/濕插拔水密組件實(shí)現(xiàn)，其中濕插拔2路，干插拔6路。并且每個(gè)接口對(duì)應(yīng)使用電壓與通訊協(xié)議。電壓輸出分400V、48V等等級(jí)電壓，適用通訊協(xié)議接口含RJ45、RS232、RS485等標(biāo)準(zhǔn)接口及定制接口等。

4 結(jié)語

位于中國科學(xué)院深?？茖W(xué)與工程研究所的小型近岸海底監(jiān)測站的建立，具有如下意義：

（1）小型近岸海底監(jiān)測站是海底觀測網(wǎng)絡(luò)技術(shù)的一次簡易化應(yīng)用，有利于該項(xiàng)技術(shù)日后的大規(guī)模生產(chǎn)和應(yīng)用;

（2）小型近岸海底監(jiān)測站為南海海底觀測網(wǎng)絡(luò)試驗(yàn)系統(tǒng)接駁組網(wǎng)提供了良好的科學(xué)測試平臺(tái)，有利于保障接駁組網(wǎng)的可靠性;

（3）小型近岸海底監(jiān)測站長期穩(wěn)定運(yùn)行，能實(shí)時(shí)獲取海洋水質(zhì)、水溫、氣象等參數(shù)，將極大推進(jìn)不同時(shí)間和特殊氣候條件下的海洋物理、化學(xué)、環(huán)境的研究。

參考文獻(xiàn)：

[1]許惠平，張艷偉，徐昌偉，等. 東海海底觀測小衢山試驗(yàn)站[J]. 科學(xué)通報(bào)，2011，56（22）：1839-1845.XU Huiping，ZHANG Yanwei，XU Changwei，et al. Coastal seafloor observatory at Xiaoqushan in the East China Sea[J]. Chinese Science Bulletin，2011，56（22）：1839-1845.

[2]盧漢良，李德駿，楊燦軍，等. 深海海底觀測網(wǎng)絡(luò)水下接駁盒原型系統(tǒng)設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)[J]. 浙江大學(xué)學(xué)報(bào)，2010，44（1）：8-13. LU Hanliang，LI Dejun，YANG Canjun，et al. Design and implementation of underwater junction box prototype system for deep seafloor observatory network[J]. Journal of Zhejiang University，2010，44（1）：8-13.

[3]CHEN Yanhu，YANG Canjun，LI Dejun，et al. Study of a DC power system for a multi-node cabled ocean observatories system[J]. Journal of Zhejiang University Science C，2012，13（8）：613-623.

[4]CHEN Yanhu，YANG Canjun，LI Dejun，et al. Study on 10kVDC powered junction box for cabled ocean observatory system[J]. China Ocean Engineering，2013，27（2）：265-275.

[5]CHEN Yanhu，YANG Canjun，LI Dejun，et al. Design and application of a junction box for cabled ocean observatories[J]. Marine Technology Society Journal，2012，46（3）：50-63

[6]李志強(qiáng)，張俊華. 光電復(fù)合纜在接入網(wǎng)中的應(yīng)用[J]. 電信工程技術(shù)與標(biāo)準(zhǔn)化，2012（3）：22–26.

[7]王國強(qiáng).實(shí)用工程數(shù)值模擬技術(shù)及其在 ANSYS 上的實(shí)踐[M].西北工業(yè)大學(xué)出版社，1999.

[8]寇秉成.潛水連接器中的電纜密封.光纖與電纜及其應(yīng)用技術(shù)[J]，1992（3）：32-36

[9]許曉冬，薛萍，朱一未，等.光電綜合水密連接器的研制[J].光纖與電纜及其應(yīng)用技術(shù)，2010（3）：12-15.

（作者單位：中天海洋系統(tǒng)有限公司）