有纜海底觀測(cè)系統(tǒng)進(jìn)展及發(fā)展建議

宋雨澤 ,李紅志 ,喬正明 ,薛彩霞 ,2 ,李 超 ,2 ,趙文璇

(1.國(guó)家海洋技術(shù)中心,天津,300112;2.自然資源部海洋觀測(cè)技術(shù)重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室,天津,300112;3.天津大學(xué) 建筑工程學(xué)院,天津,300072)

0 引言

有纜海底觀測(cè)系統(tǒng)是將海洋觀測(cè)監(jiān)測(cè)調(diào)查儀器安裝在海底,采用海底光電復(fù)合纜(電纜)向海底觀測(cè)系統(tǒng)供應(yīng)電能和收集信息,實(shí)現(xiàn)對(duì)海洋環(huán)境全天候、長(zhǎng)期、連續(xù)的自動(dòng)觀測(cè)。有纜海底觀測(cè)系統(tǒng)觀測(cè)范圍包括海底地殼深部、海底表面、海水水體及海面,觀測(cè)內(nèi)容涉及物理、化學(xué)、地質(zhì)和生物等多學(xué)科領(lǐng)域,該系統(tǒng)可應(yīng)用于海洋基礎(chǔ)科學(xué)研究、資源與能源勘探開發(fā)利用、海洋災(zāi)害預(yù)報(bào)預(yù)警、海洋環(huán)境保護(hù)以及航海與軍事海洋環(huán)境保障等領(lǐng)域,為科研和生產(chǎn)提供資源與能源的開發(fā)與利用,為海洋預(yù)報(bào)、海洋防災(zāi)減災(zāi)、海洋科學(xué)理論重大突破提供試驗(yàn)平臺(tái)和技術(shù)支撐[1]。

有纜海底觀測(cè)系統(tǒng)利用光電復(fù)合纜(電纜)傳輸電能和獲取海洋環(huán)境數(shù)據(jù)信息,可將各種海洋觀測(cè)、監(jiān)測(cè)、調(diào)查儀器設(shè)備聯(lián)網(wǎng)進(jìn)行數(shù)據(jù)匯集,其功能打破了傳統(tǒng)海床基觀測(cè)系統(tǒng)、潛標(biāo)觀測(cè)系統(tǒng)、移動(dòng)觀測(cè)系統(tǒng)受制于能源和通信限制不能長(zhǎng)時(shí)序獲取海洋數(shù)據(jù)的劣勢(shì),實(shí)現(xiàn)了海洋環(huán)境長(zhǎng)期、實(shí)時(shí)、連續(xù)的原位觀測(cè)[2-4]。有纜海底觀測(cè)系統(tǒng)在大規(guī)模組網(wǎng)傳感器后,即組成了復(fù)雜的海底觀測(cè)網(wǎng)絡(luò)。海底觀測(cè)網(wǎng)絡(luò)的提出和實(shí)施,使得大范圍、長(zhǎng)時(shí)間、連續(xù)、立體的海洋觀測(cè)成為可能,為深入了解地球內(nèi)部的地質(zhì)演變過(guò)程、海洋宏觀尺度物理化學(xué)變化、地震監(jiān)測(cè)、海嘯預(yù)報(bào)等科學(xué)研究提供了一種全新的研究途徑[5-7]。

1 有纜海底觀測(cè)系統(tǒng)組成

典型的有纜海底觀測(cè)系統(tǒng)組成如圖1 所示,由岸基站、光電復(fù)合纜(電纜)、主接駁盒、次接駁盒和科學(xué)儀器平臺(tái)組成。

圖1 有纜海底觀測(cè)系統(tǒng)組成Fig.1 Composition of cabled seafloor observation system

1.1 岸基站

岸基站負(fù)責(zé)海底觀測(cè)系統(tǒng)的供電、電能管理、數(shù)據(jù)匯集處理、狀態(tài)顯示和存儲(chǔ)分發(fā)。岸基站配備直流電源,可將交流動(dòng)力電轉(zhuǎn)換為海底觀測(cè)系統(tǒng)需要的高壓直流電,并通過(guò)海底光電復(fù)合纜(電纜)傳輸至水下主接駁盒,為主次接駁盒及其前端傳感器供電。岸基站配備有電能監(jiān)控系統(tǒng),可實(shí)時(shí)監(jiān)控海底觀測(cè)網(wǎng)各設(shè)備的電流和電壓,及時(shí)發(fā)現(xiàn)并隔離故障。部署在岸基站服務(wù)器上的軟件系統(tǒng)具備分析處理觀測(cè)數(shù)據(jù)、存儲(chǔ)和數(shù)據(jù)發(fā)布功能[8]。

1.2 光電復(fù)合纜(電纜)

光電復(fù)合纜(電纜)負(fù)責(zé)水下電能傳輸和數(shù)據(jù)通信,是有纜海底觀測(cè)系統(tǒng)和整個(gè)海底觀測(cè)網(wǎng)的“血管”和“神經(jīng)”[9]。通常情況下,深遠(yuǎn)海海底觀測(cè)網(wǎng)海纜必須采用光電復(fù)合纜來(lái)實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)通信和電能傳輸,而近岸海底觀測(cè)網(wǎng)也有應(yīng)用光電復(fù)合纜或電纜來(lái)實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)通信和電能傳輸?shù)墓δ堋?/p>

1.3 接駁盒

接駁盒是有纜海底觀測(cè)系統(tǒng)水下部分的核心,具備中繼和電能分配功能,按照電能變換層級(jí)可以將接駁盒劃分為主接駁盒和次接駁盒。一般來(lái)說(shuō),受限于水下光電連接器造價(jià)較高、電磁干擾影響接駁盒控制系統(tǒng)等因素,光電復(fù)合纜在進(jìn)入主接駁盒前往往需要先進(jìn)入光電分離艙[10],將光纖和電纜分開,光電分離后的纜線通過(guò)光電分離艙的后蓋,水密光、電連接器分別與主接駁盒連接。主接駁盒將岸基站供電電源的高壓直流電轉(zhuǎn)換為次接駁盒的輸入電壓,通過(guò)主接駁盒電水密連接器和水密電纜與次接駁盒連接,實(shí)現(xiàn)電能和數(shù)據(jù)的傳輸。通常情況下,一般采用水下遙控機(jī)器人(remote operated vehicle,ROV)通過(guò)插拔水密連接器實(shí)現(xiàn)主、次接駁盒的連接。次接駁盒的主要功能是中繼和分配,通過(guò)次接駁盒將主接駁盒輸送過(guò)來(lái)的電能轉(zhuǎn)換為適用于科學(xué)傳感器的電壓。應(yīng)用區(qū)域分布較廣的有纜式海底觀測(cè)系統(tǒng)在主接駁盒或海纜中會(huì)配備中繼器和分支器,用于海底數(shù)據(jù)通信信號(hào)放大和海底觀測(cè)系統(tǒng)分支。

1.4 科學(xué)儀器平臺(tái)

科學(xué)儀器平臺(tái)可以根據(jù)應(yīng)用領(lǐng)域搭載觀測(cè)、監(jiān)測(cè)、調(diào)查、物探和生物化學(xué)科學(xué)傳感器,如聲學(xué)多普勒流速剖面儀(acoustic Doppler current profiler,ADCP)、波潮儀、溫鹽深傳感器(conductive-temperature-depth,CTD)、海底地震儀(ocean bottom seismometer,OBS)、多參數(shù)水質(zhì)儀、聲吶以及水下顯微成像儀等,科學(xué)儀器平臺(tái)通過(guò)水密電纜與次接駁盒連接,實(shí)現(xiàn)了各類數(shù)據(jù)、圖像和視頻的實(shí)時(shí)連續(xù)觀測(cè)。

2 國(guó)外發(fā)展現(xiàn)狀

世界各國(guó)對(duì)于海底觀測(cè)的重視程度逐漸加強(qiáng),自20 世紀(jì)八九十年代開始,美國(guó)、加拿大、日本、歐洲等發(fā)達(dá)國(guó)家和地區(qū)先后投入大量經(jīng)費(fèi)建設(shè)海底觀測(cè)系統(tǒng)。海底觀測(cè)系統(tǒng)也從有纜海底觀測(cè)試驗(yàn)系統(tǒng)逐步發(fā)展為區(qū)域海底觀測(cè)網(wǎng)絡(luò)、大型海底觀測(cè)網(wǎng)絡(luò),由單一的海嘯、地震、水文觀測(cè)要素逐漸擴(kuò)展為物理、化學(xué)、生物、地球物理和地質(zhì)等多要素綜合觀測(cè),兼顧科學(xué)研究和軍事海洋領(lǐng)域應(yīng)用。如近年來(lái)建成的美國(guó)海洋觀測(cè)計(jì)劃(ocean observation initiative,OOI)體系下的區(qū)域海底觀測(cè)網(wǎng),加拿大海洋觀測(cè)網(wǎng)(ocean networks Canada,ONC)、日本海溝海底地震海嘯觀測(cè)網(wǎng)(seafloor observation network for earthquakes and tsunamis along the Japan Trench,S-net)均屬區(qū)域性海底觀測(cè)網(wǎng)。

2.1 美國(guó)OOI

2016 年,美國(guó)OOI 全面建成使用,包括區(qū)域網(wǎng)(regional scale nodes,RSN)、近岸網(wǎng)(coastal scale nodes,CSN)、全球網(wǎng)(global scale nodes,GSN)三大部分。其中RSN 為最主要的一部分,為有纜式海底觀測(cè)網(wǎng),RSN 投資金額接近1.5 億美元,位于東太平洋胡安·德富卡板塊 (Fuan de Fuca),定位為板塊尺度觀測(cè)網(wǎng),主要針對(duì)觀測(cè)水圈、海氣界面和海底生物圈的各種過(guò)程。該系統(tǒng)由華盛頓大學(xué)負(fù)責(zé)運(yùn)行,光電復(fù)合纜總長(zhǎng)度900 km,配備7 個(gè)海底主接駁盒,布設(shè)于3 000 m 水深位置,每個(gè)海底主接駁盒功率為8 kW[11]。

2.2 日本 S-net

繼地震海嘯密集海底網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)(dense oceanfloor network system for earthquakes and tsunamis,DONET)后,日本于2015 年建成了S-net,該觀測(cè)網(wǎng)總長(zhǎng)度5 700 km,為直流恒流供電模式,由6 大系統(tǒng)組成,每個(gè)觀測(cè)系統(tǒng)包括800 km 海纜和25 個(gè)地震海嘯觀測(cè)點(diǎn),每個(gè)觀測(cè)系統(tǒng)由2 個(gè)岸基站進(jìn)行供電和數(shù)據(jù)接收。該系統(tǒng)的布設(shè)加強(qiáng)了日本對(duì)地震和海嘯的預(yù)警能力[12-15]。

3 國(guó)內(nèi)發(fā)展現(xiàn)狀

國(guó)內(nèi)有纜海底觀測(cè)系統(tǒng)的研發(fā)自本世紀(jì)初開始起步,典型的以同濟(jì)大學(xué)東海小衢山海底觀測(cè)系統(tǒng)、浙江大學(xué)摘箬山島海底觀測(cè)系統(tǒng)、中國(guó)科學(xué)院聲學(xué)研究所南海海底觀測(cè)網(wǎng)試驗(yàn)系統(tǒng)、臺(tái)灣東部海域電纜式海底地震儀及海洋物理觀測(cè)系統(tǒng)建設(shè)計(jì)劃(marine cable hosted observatory,MACHO)等近岸小型海底觀測(cè)系統(tǒng)為代表。隨著有纜海底觀測(cè)系統(tǒng)技術(shù)日趨成熟,我國(guó)在2017 年適時(shí)啟動(dòng)了“國(guó)家海底科學(xué)觀測(cè)網(wǎng)項(xiàng)目”,在我國(guó)東海和南海構(gòu)建大型海底科學(xué)觀測(cè)網(wǎng),以提升我國(guó)海洋科學(xué)基礎(chǔ)研究能力。

3.1 同濟(jì)大學(xué)海底觀測(cè)網(wǎng)

2009 年,同濟(jì)大學(xué)在東海小衢山建立了中國(guó)第1 個(gè)海底有纜試驗(yàn)站,位于洋山國(guó)際深水港東南約20 km 的小衢山島附近。試驗(yàn)站采用雙層鎧裝海底光電復(fù)合纜連接水密接插頭,實(shí)現(xiàn)能源自動(dòng)供給和通信傳輸?shù)?。利用安裝在海洋平臺(tái)上的光伏電池為試驗(yàn)站提供不間斷的能源供應(yīng)。現(xiàn)場(chǎng)海洋觀測(cè)數(shù)據(jù)通過(guò)光電復(fù)合纜傳輸?shù)狡脚_(tái)后,經(jīng)碼分多址(code division multiple access,CDMA)無(wú)線網(wǎng)絡(luò)實(shí)時(shí)發(fā)送到實(shí)驗(yàn)室服務(wù)器[16-17]。2017 年,由同濟(jì)大學(xué)牽頭的“國(guó)家海底科學(xué)觀測(cè)網(wǎng)項(xiàng)目”[18]正式立項(xiàng),該項(xiàng)目計(jì)劃在我國(guó)東海和南海關(guān)鍵海域建設(shè)基于光電復(fù)合纜連接的海底科學(xué)觀測(cè)網(wǎng),實(shí)現(xiàn)對(duì)我國(guó)邊緣海典型海域從海底到海面全方位、綜合性、實(shí)時(shí)的高分辨率立體觀測(cè)[19-21]。

3.2 臺(tái)灣MACHO 海底地震及海洋物理觀測(cè)系統(tǒng)

2011 年,臺(tái)灣地區(qū)建成MACHO 海底地震及海洋物理觀測(cè)系統(tǒng),該系統(tǒng)在宜蘭縣向東南外海鋪設(shè)了1 條全長(zhǎng)45 km 的海底光電復(fù)合纜,并在約300 m 深的海底設(shè)置1 個(gè)科學(xué)觀測(cè)節(jié)點(diǎn),連接OBS、海嘯壓力計(jì)、CTD 與水聽(tīng)器等儀器設(shè)備,加強(qiáng)地震與海嘯活動(dòng)的監(jiān)測(cè),并長(zhǎng)期提供海洋科學(xué)觀測(cè)數(shù)據(jù)[22]。

3.3 南海海底觀測(cè)網(wǎng)試驗(yàn)系統(tǒng)

2016 年,中國(guó)科學(xué)院聲學(xué)研究所在南海海域建成了南海海底觀測(cè)網(wǎng)試驗(yàn)系統(tǒng),通過(guò)光電復(fù)合纜為深海觀測(cè)平臺(tái)提供能源供給和通信傳輸鏈路,實(shí)現(xiàn)南海區(qū)域海底環(huán)境多參數(shù)實(shí)時(shí)、連續(xù)觀測(cè)。海底觀測(cè)系統(tǒng)離岸距離約200 km,搭載CTD 與ADCP,可實(shí)時(shí)采集觀測(cè)數(shù)據(jù)[23-24]。

3.4 中國(guó)海洋大學(xué)海洋牧場(chǎng)有纜海底觀測(cè)系統(tǒng)

近年來(lái)中國(guó)海洋大學(xué)組織研制了單節(jié)點(diǎn)式有纜海底觀測(cè)系統(tǒng),該系統(tǒng)主要依托海洋牧場(chǎng)養(yǎng)殖平臺(tái)開展近距離海洋環(huán)境在線監(jiān)測(cè),具備水質(zhì)、溫鹽以及視頻攝像等要素的在線觀測(cè)能力,并在山東省多個(gè)海洋牧場(chǎng)進(jìn)行了示范應(yīng)用。通過(guò)獲取的水下牧場(chǎng)圖像為漁業(yè)養(yǎng)殖提供技術(shù)支持,在海洋牧場(chǎng)水質(zhì)監(jiān)測(cè)與漁業(yè)災(zāi)害防治領(lǐng)域起到了科學(xué)示范作用[25]。

3.5 國(guó)家海洋技術(shù)中心蓬萊近岸海底觀測(cè)系統(tǒng)

2007 年以來(lái),國(guó)家海洋技術(shù)中心在國(guó)家“863”計(jì)劃、國(guó)家海洋公益性行業(yè)科研專項(xiàng)、海洋可再生能源專項(xiàng)支持下,開始研制有纜海底觀測(cè)系統(tǒng)。從初期短距離直流60 V 供電的單節(jié)點(diǎn)模式,逐步發(fā)展到220 V 交流輸電和375 V 直流輸電雙節(jié)點(diǎn)(類主、次接駁盒)并與海床基觀測(cè)平臺(tái)組網(wǎng)模式,由雙節(jié)點(diǎn)組網(wǎng)模式逐漸發(fā)展為多節(jié)點(diǎn)海底接駁盒(主、次接駁盒)組網(wǎng)。2018 年,國(guó)家海洋技術(shù)中心在國(guó)家海洋公益性行業(yè)專項(xiàng)的支持下,在山東蓬萊近海海域建立了水下長(zhǎng)期在線生態(tài)環(huán)境定量監(jiān)測(cè)系統(tǒng)。該系統(tǒng)由1 套主接駁盒和2 套次接駁盒組成了一整套海底環(huán)狀觀測(cè)網(wǎng)絡(luò)。系統(tǒng)掛載了水文、水質(zhì)、地震以及視頻觀測(cè)等多源傳感器,并對(duì)單極負(fù)壓供電技術(shù)、電能轉(zhuǎn)換及狀態(tài)監(jiān)控、海底接駁等關(guān)鍵技術(shù)進(jìn)行了試驗(yàn)驗(yàn)證。經(jīng)過(guò)多年的發(fā)展基本具備了有纜海底觀測(cè)系統(tǒng)研發(fā)及組網(wǎng)能力。

4 國(guó)內(nèi)外技術(shù)進(jìn)展對(duì)比

目前,美國(guó)、加拿大、日本等西方國(guó)家均已建成并運(yùn)行有區(qū)域級(jí)海底觀測(cè)網(wǎng),組網(wǎng)了大量的多源傳感器,并在離岸千米級(jí)公里開展了業(yè)務(wù)應(yīng)用。國(guó)內(nèi)海底觀測(cè)系統(tǒng)研發(fā)起步雖然較晚,但經(jīng)過(guò)十余年的發(fā)展,已逐漸由單一海底觀測(cè)系統(tǒng)發(fā)展至系統(tǒng)組網(wǎng),在一定程度上已經(jīng)具備了組網(wǎng)海底觀測(cè)系統(tǒng)的能力,并啟動(dòng)了區(qū)域級(jí)海底觀測(cè)網(wǎng)的建設(shè)工作。但在技術(shù)發(fā)展過(guò)程中,也存在一定的差距,如亟需突破高精度、高穩(wěn)定性的海洋傳感器和水下濕插拔連接器等關(guān)鍵核心技術(shù),國(guó)內(nèi)外主要技術(shù)進(jìn)展比較見(jiàn)表1。

表1 國(guó)內(nèi)外有纜海底觀測(cè)技術(shù)進(jìn)展對(duì)比Table 1 Comparison of cabled seafloor observation technology progress at home and abroad

5 有纜海底觀測(cè)系統(tǒng)關(guān)鍵技術(shù)分析

從有纜海底觀測(cè)系統(tǒng)功能組成來(lái)看,系統(tǒng)包括岸基站、光電復(fù)合纜、接駁盒(主、次)和科學(xué)儀器集成平臺(tái),系統(tǒng)開發(fā)過(guò)程中涉及到供電技術(shù)、接駁盒結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)、狀態(tài)監(jiān)控及故障診斷隔離技術(shù)、信息傳輸與管理等關(guān)鍵技術(shù)。

5.1 供電技術(shù)

現(xiàn)階段,海底觀測(cè)系統(tǒng)在國(guó)際上通用的是單極負(fù)壓直流供電模式。采用此種供電方式原因如下:岸基站通過(guò)光電復(fù)合纜對(duì)海底接駁盒進(jìn)行供電,傳統(tǒng)的輸電形式分為交流系統(tǒng)和直流系統(tǒng)。相比直流輸電,長(zhǎng)距離交流輸電中電纜容抗較大,容易導(dǎo)致無(wú)功功率損耗,需要串聯(lián)電容補(bǔ)償器以消除無(wú)功損耗。海底觀測(cè)系統(tǒng)供電采用直流輸電形式不受容抗和感抗的影響,只考慮電阻損耗即可。另一方面,因交流輸電功率與相位角關(guān)聯(lián),當(dāng)供電系統(tǒng)有擾動(dòng)時(shí),供電功率不穩(wěn)定,同時(shí)長(zhǎng)距離輸電將增加阻抗,降低輸送功率,為提高供電系統(tǒng)穩(wěn)定性必須串聯(lián)電容補(bǔ)償減少阻抗,增加串聯(lián)電容將增加輸電線路成本。綜上,海底觀測(cè)系統(tǒng)采用直流輸電可以降低能量損耗和成本。

直流輸電系統(tǒng)分為單極供電和雙極供電。單極供電模式利用1 根電纜和海水組成回路,結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單,雙極供電是通過(guò)2 根線纜分別傳輸電能。從穩(wěn)定性上來(lái)講,雙極供電穩(wěn)定性較好,若1 根線纜發(fā)生故障可以通過(guò)單極供電實(shí)現(xiàn)輸電。由于雙極供電需要2 根電纜,應(yīng)用于長(zhǎng)距離海底觀測(cè)系統(tǒng)上,不具備成本優(yōu)勢(shì),一般在近岸短距離時(shí)可采用雙極供電模式。單極供電采用單導(dǎo)體線纜不但可以降低海纜成本,同時(shí)也降低了線路的損耗[26]。單極供電分為正極性供電和負(fù)極性供電,海底觀測(cè)系統(tǒng)一般采用負(fù)極性供電,負(fù)極性供電采用海水作為正極,單根電纜作為負(fù)極,即在海底接駁盒上設(shè)置陰極(鍍鉑鈦材質(zhì)),岸基站設(shè)置陽(yáng)極(高硅鉻鐵),實(shí)現(xiàn)單極負(fù)壓供電,這種供電模式可以避免正壓供電導(dǎo)致海底接駁盒成為陽(yáng)極,出現(xiàn)機(jī)械結(jié)構(gòu)快速腐蝕的問(wèn)題。

從供電形式上區(qū)分,直流供電還分為恒流供電和恒壓供電,2 種供電形式在國(guó)內(nèi)外海底觀測(cè)系統(tǒng)均有應(yīng)用,也具有各自的優(yōu)缺點(diǎn)。例如,恒流供電模式抗故障能力較強(qiáng),如海纜出現(xiàn)短路故障,電流恒定不變可以保障海底接駁盒和后端觀測(cè)儀器正常工作;恒壓供電模式對(duì)于海底觀測(cè)系統(tǒng)的擴(kuò)展有較強(qiáng)優(yōu)勢(shì),適合大規(guī)模海底觀測(cè)網(wǎng)應(yīng)用,但抗故障能力較弱。比較2 種供電模式各自特點(diǎn),從擴(kuò)展海底觀測(cè)網(wǎng)應(yīng)用范圍角度考慮,直流恒壓供電系統(tǒng)在大規(guī)模海底觀測(cè)網(wǎng)建設(shè)上更具優(yōu)勢(shì)。

目前,國(guó)內(nèi)外較為通用的有纜海底觀測(cè)系統(tǒng)(網(wǎng)絡(luò))岸基站供電電壓為10 kV 或2 kV(長(zhǎng)距離輸電適用),供電電壓依據(jù)離岸距離確定,也有部分輸電距離較短的近岸海底觀測(cè)系統(tǒng)采用—375 V 直流輸電。電能輸送至水下后通過(guò)光電分離和電能變換為接駁盒數(shù)據(jù)采集監(jiān)控及后端多源傳感器供電。

5.2 接駁盒結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

接駁盒結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)即接駁盒的密封、耐壓、散熱設(shè)計(jì),抗傾覆設(shè)計(jì),防腐蝕設(shè)計(jì),防生物附著設(shè)計(jì)以及防漁業(yè)拖網(wǎng)設(shè)計(jì)。其中,密封耐壓設(shè)計(jì)是海底接駁盒性能的基礎(chǔ)性保障。在散熱設(shè)計(jì)方面,因高壓(超高壓)至中低壓轉(zhuǎn)變過(guò)程中,約10%的電能轉(zhuǎn)變?yōu)闊崮?特別是在超高壓輸電過(guò)程中,接駁盒艙內(nèi)溫度會(huì)較高,極易導(dǎo)致艙內(nèi)機(jī)電元器件壽命減損。為解決艙內(nèi)散熱問(wèn)題,目前海底觀測(cè)系統(tǒng)按照電能損耗分析,可以借助接駁盒機(jī)械結(jié)構(gòu)、艙體和海水構(gòu)成熱通路及時(shí)散熱;對(duì)于超高壓供電大規(guī)模海底觀測(cè)網(wǎng),則多采用電源艙沖油浸泡配合使用氣體補(bǔ)償器解決電源艙散熱問(wèn)題[26-27]。

5.3 狀態(tài)監(jiān)控及故障診斷隔離技術(shù)

接駁盒通過(guò)長(zhǎng)距離的海纜連接下一級(jí)設(shè)備,擴(kuò)展設(shè)備種類眾多,容易發(fā)生短路等故障,同時(shí),接駁盒供電也面臨諸多故障。大部分故障是由不同系統(tǒng)的接駁導(dǎo)致,所以在各個(gè)獨(dú)立的接駁端口進(jìn)行故障診斷和隔離可有效降低故障對(duì)整個(gè)系統(tǒng)的影響,盡可能提高接駁盒供電整體可靠性。采用模塊化設(shè)計(jì)的接駁盒,盡可能對(duì)每一部分進(jìn)行狀態(tài)監(jiān)控和故障隔離,是保障快速查找故障原因的有效途徑。例如,接駁盒最常見(jiàn)的供電故障主要包括過(guò)壓故障、過(guò)流故障和接地故障[28-29],當(dāng)監(jiān)測(cè)到接駁盒內(nèi)部某一路供電異常故障情況時(shí),通過(guò)遠(yuǎn)程監(jiān)控可以自動(dòng)強(qiáng)制供電隔離,保障其他傳感器和供電線路正常工作[30]。

5.4 信息傳輸和管理

對(duì)通信及控制信號(hào)的處理、貯存、傳輸與管理是接駁盒的關(guān)鍵任務(wù),海底觀測(cè)系統(tǒng)通過(guò)前端傳感器獲取觀測(cè)、監(jiān)測(cè)和調(diào)查數(shù)據(jù),這些傳感器數(shù)據(jù)通過(guò)水密接插件傳送至接駁盒,由接駁盒存儲(chǔ)和處理后,發(fā)回岸基站;同時(shí)控制信號(hào)通過(guò)光電復(fù)合纜傳輸?shù)胶５捉玉g盒中,由海底接駁盒中的管理和控制主控電路模塊、通信模塊進(jìn)行處理,最后將可用的控制信號(hào)通過(guò)水密接插件分別傳輸?shù)礁鱾€(gè)傳感器中,從而實(shí)現(xiàn)信息傳輸和管理工作。

6 有纜海底觀測(cè)系統(tǒng)應(yīng)用場(chǎng)景和衍生服務(wù)分析

有纜海底觀測(cè)系統(tǒng)與海床基座底觀測(cè)系統(tǒng)的最大區(qū)別是可在線獲取海洋數(shù)據(jù),在科學(xué)研究、海洋觀測(cè)、水下探測(cè)及目標(biāo)識(shí)別、生態(tài)預(yù)警監(jiān)測(cè)以及海洋牧場(chǎng)漁業(yè)養(yǎng)殖等方面具有顯著的優(yōu)勢(shì),系統(tǒng)可依托海上工程平臺(tái)、岸基海洋觀測(cè)站點(diǎn)建設(shè),具備多源傳感器擴(kuò)展的功能。

在科學(xué)研究方面,我國(guó)海域遼闊,具有海陸相互作用強(qiáng)、泥沙含量高、海水渾濁度大、生態(tài)災(zāi)害頻發(fā)、地球動(dòng)力活躍、資源豐富、海底災(zāi)害多和人類活動(dòng)影響大的特點(diǎn),通過(guò)傳統(tǒng)的岸海空天觀測(cè)平臺(tái)難以獲取第一手原位觀測(cè)資料,應(yīng)用有纜海底觀測(cè)系統(tǒng),可有效針對(duì)海陸物質(zhì)交換與生態(tài)效應(yīng)、海水運(yùn)動(dòng)與海底穩(wěn)定性、海域碳循環(huán)過(guò)程、海底地震與海底流體研究、板塊構(gòu)造、多尺度動(dòng)力過(guò)程與能量物質(zhì)輸送機(jī)理、天然氣水合物的形成演化機(jī)理及其生態(tài)環(huán)境效應(yīng)、海洋多尺度動(dòng)力過(guò)程、海底沉積過(guò)程、海洋聲場(chǎng)變化規(guī)律研究等海洋基礎(chǔ)科學(xué)開展研究。

在海洋地震、海嘯、地質(zhì)監(jiān)測(cè)應(yīng)用方面,通過(guò)應(yīng)用有纜海底觀測(cè)系統(tǒng)組網(wǎng)地震、海嘯(壓力)傳感器,可實(shí)時(shí)對(duì)海嘯、地震進(jìn)行監(jiān)測(cè)和預(yù)警,有益于提升我國(guó)預(yù)警自然災(zāi)害的能力。

在生態(tài)預(yù)警監(jiān)測(cè)方面,有纜海底觀測(cè)系統(tǒng)可針對(duì)滸苔、綠潮、赤潮、水母、毛蝦等致災(zāi)海洋生物聚集引發(fā)的海洋環(huán)境污染、核電站冷源取水口堵塞等相關(guān)生態(tài)災(zāi)害進(jìn)行在線監(jiān)測(cè),相較航次調(diào)查、無(wú)人機(jī)遙測(cè)等手段,更具優(yōu)勢(shì)。

在海洋觀測(cè)方面,通過(guò)有纜海底觀測(cè)系統(tǒng)可獲取剖面海流、波浪、潮位、溫、鹽等連續(xù)實(shí)時(shí)的海洋動(dòng)力要素,為長(zhǎng)期離岸海洋觀測(cè)數(shù)據(jù)的獲取提供了新的途徑。

數(shù)字化和智能化是未來(lái)海洋觀測(cè)領(lǐng)域的重要發(fā)展方向。通過(guò)有纜海底觀測(cè)系統(tǒng)獲取的原位觀測(cè)數(shù)據(jù)衍生的服務(wù)產(chǎn)品種類較多,在應(yīng)用方面可以通過(guò)物理海洋數(shù)值模式進(jìn)行海洋預(yù)報(bào),對(duì)致災(zāi)海洋生物、海冰的漂移路徑進(jìn)行預(yù)測(cè)分析;通過(guò)機(jī)器學(xué)習(xí)構(gòu)建生態(tài)災(zāi)害預(yù)警模型;在智慧水利、智慧水文、水源地監(jiān)測(cè)中構(gòu)建泥沙輸移動(dòng)力學(xué)模型和水質(zhì)預(yù)測(cè)模型等,服務(wù)于經(jīng)濟(jì)社會(huì)發(fā)展。

7 我國(guó)有纜海底觀測(cè)系統(tǒng)關(guān)鍵技術(shù)突破方向

相較于美國(guó)、加拿大、日本等先進(jìn)的區(qū)域海底觀測(cè)系統(tǒng),我國(guó)有纜海底觀測(cè)系統(tǒng)的研發(fā)還存在一定的差距,應(yīng)著重從以下3 個(gè)方面開展突破:

1) 突破水下濕插拔連接器技術(shù)壁壘。我國(guó)科技人員經(jīng)過(guò)多年的科技攻關(guān),基本實(shí)現(xiàn)了水密干插拔連接器的國(guó)產(chǎn)化。但濕插拔連接器目前是海洋領(lǐng)域核心“卡脖子”技術(shù),國(guó)內(nèi)海底觀測(cè)系統(tǒng)應(yīng)用的濕插拔連接器主要生產(chǎn)商為西門子公司和ODI 公司的產(chǎn)品,亟需加大自主研發(fā)科技攻關(guān)力度和投入,加速推進(jìn)水下濕插拔連接器國(guó)產(chǎn)化進(jìn)程,避免我國(guó)深海探測(cè)核心器件受制于人。

2) 開發(fā)適用于長(zhǎng)期工作的高可靠性水下傳感器技術(shù),延長(zhǎng)水下傳感器維護(hù)周期。有纜海底觀測(cè)系統(tǒng)及網(wǎng)絡(luò)長(zhǎng)期布設(shè)在海底環(huán)境中,較岸站設(shè)備、浮標(biāo)觀測(cè)設(shè)備的維護(hù)存在維護(hù)成本高、作業(yè)難度大的風(fēng)險(xiǎn),開發(fā)適用于海底環(huán)境的高可靠性、維護(hù)周期長(zhǎng)、高穩(wěn)定性的傳感器是未來(lái)海底觀測(cè)傳感器的發(fā)展趨勢(shì)。

3) 發(fā)展與研究海洋觀測(cè)大數(shù)據(jù)處理技術(shù),利用人工智能實(shí)現(xiàn)觀測(cè)數(shù)據(jù)的深度挖掘,通過(guò)數(shù)據(jù)衍生服務(wù)助力海洋經(jīng)濟(jì)產(chǎn)業(yè)發(fā)展。當(dāng)今世界是信息爆炸的時(shí)代,開展海洋觀測(cè)數(shù)據(jù)和海底觀測(cè)數(shù)據(jù)的多源異構(gòu)融合,充分運(yùn)用人工智能等技術(shù)手段拓展海洋大數(shù)據(jù)應(yīng)用領(lǐng)域,從而服務(wù)于海洋防災(zāi)減災(zāi)、科學(xué)研究等領(lǐng)域。

8 發(fā)展建議

海底有纜觀測(cè)系統(tǒng)作為海洋觀測(cè)的第三大平臺(tái)[31],愈來(lái)愈受到世界先進(jìn)海洋國(guó)家的高度重視。我國(guó)在發(fā)展過(guò)程中,需要充分借鑒國(guó)外的先進(jìn)經(jīng)驗(yàn),為國(guó)家海洋權(quán)益維護(hù)、海洋防災(zāi)減災(zāi)、海洋生態(tài)環(huán)境保護(hù)與修復(fù)、海洋資源開發(fā)利用等提供高質(zhì)量的科學(xué)數(shù)據(jù)支撐。

1) 加強(qiáng)我國(guó)有纜海底觀測(cè)系統(tǒng)發(fā)展規(guī)劃和頂層設(shè)計(jì)。立足國(guó)家當(dāng)前和未來(lái)對(duì)有纜海底觀測(cè)系統(tǒng)的宏觀需求,制定有纜海底觀測(cè)系統(tǒng)發(fā)展戰(zhàn)略規(guī)劃和實(shí)施計(jì)劃,適應(yīng)新需求和技術(shù)發(fā)展趨勢(shì),加強(qiáng)海底有纜在線觀測(cè)和岸基、海基、空基等傳統(tǒng)觀測(cè)手段的深入融合,把有纜海底觀測(cè)系統(tǒng)發(fā)展納入國(guó)家海洋觀測(cè)網(wǎng)發(fā)展規(guī)劃和業(yè)務(wù)化海洋觀測(cè)體系。借鑒國(guó)外有纜海洋觀測(cè)系統(tǒng)發(fā)展經(jīng)驗(yàn),不斷更新和完善需求論證,持續(xù)優(yōu)化有纜觀測(cè)系統(tǒng)頂層設(shè)計(jì),提升觀測(cè)能力。

2) 加強(qiáng)有纜海底觀測(cè)儀器裝備的原創(chuàng)性基礎(chǔ)性創(chuàng)新。提高儀器設(shè)計(jì)、結(jié)構(gòu)、材料及輔助通用(通信、能源、防護(hù))等基礎(chǔ)技術(shù)的自主創(chuàng)新能力,實(shí)現(xiàn)核心技術(shù)自主可控,形成具有自主特色的高可靠性、低功耗及低成本的拳頭產(chǎn)品。加快技術(shù)與應(yīng)用的結(jié)合,實(shí)現(xiàn)應(yīng)用需求和產(chǎn)品優(yōu)化的快速迭代。

3) 研發(fā)不同需求下的差異化有纜在線監(jiān)測(cè)裝備。加強(qiáng)產(chǎn)學(xué)研用的聯(lián)合互動(dòng),對(duì)儀器開發(fā)、應(yīng)用推廣、維護(hù)服務(wù)等各個(gè)階段給予支持,針對(duì)不同場(chǎng)景的應(yīng)用需求,研發(fā)差異化有纜在線監(jiān)測(cè)裝備[25]。加強(qiáng)國(guó)際合作與交流,積極參與全球有纜海底觀測(cè)計(jì)劃,提升我國(guó)在全球海洋觀測(cè)領(lǐng)域的影響力。

4) 拓展有纜海底觀測(cè)數(shù)據(jù)應(yīng)用領(lǐng)域。系統(tǒng)開展有纜海底數(shù)據(jù)采集匯聚、融合分析和智能挖掘,建立有纜海底在線觀測(cè)數(shù)據(jù)庫(kù)和專題保障系統(tǒng),開發(fā)海洋高質(zhì)量數(shù)據(jù)產(chǎn)品以滿足不同海上活動(dòng)需求。