何成波，吳學智

（海軍工程大學 電子工程學院，湖北 武漢 430033）

0 引 言

隨著光通信技術的發(fā)展進步，光纖通信已經成為有線通信領域最重要的通信方式，在全世界被廣泛應用。自1988年，世界第一條跨洋海底光纜建成以來，截至2018年初，全球已投入使用的海底光纜超過448條，總長度達120萬公里[1]，2018-2020年還有26條，總長度超過26萬公里的國際海纜在建或計劃建設。海底光纜通信系統(tǒng)的發(fā)展給海底觀測網帶來了新的活力。2005年-2015年，人們加強了位于英屬哥倫比亞的加拿大NEPTUNE，美國俄勒岡州和華盛頓州的海洋觀測計劃區(qū)域范圍節(jié)點（OOI RSN），以及日本東海岸的DONET系統(tǒng)的建設。海底蘊藏了豐富的礦物和油氣資源，海洋是各國海軍角逐的主戰(zhàn)場，所以海底觀測網在軍事領域和民用領域都意義重大，其發(fā)展水平是一個國家綜合實力的重要標志。世界各主要國家都非常重視海底觀測網的建設。我國具有內海和邊海共約470萬平方公里的水域面積，一萬八千多公里的海岸線，海底觀測網建設對我國家發(fā)展意義非凡，國家《“十三五”國家信息化規(guī)劃》在 “陸?？仗煲惑w化信息網絡工程”中提出“推動海洋綜合觀測網絡由水面向水下和海底延伸”，明確要求推進海基網絡設施建設[2]。

1 纜系海底科學觀測網簡介

1.1 纜系海底科學觀測網簡介

海底觀測網是指通過安裝在海底光纜通信系統(tǒng)的各類觀測傳感器/儀器來監(jiān)測海底物理、化學、地質等參量以及生物過程的?；W絡設施，主要由岸基遠程控制中心、海底光電復合纜（即有中繼海底光纜通信系統(tǒng)）、海底觀測傳感器/儀器及相應適配器組成。海底觀測網總體結構如圖1所示[3]。通常按照主要基礎設施的功能把海底觀測網劃分為通信系統(tǒng)和電力系統(tǒng)，提供了通信、監(jiān)控、授時和供電的主要功能。

圖1 海底觀測網總體物理結構

1.2 國內外典型海底觀測網簡介

1.2.1 國外觀測網簡介

自20世紀90年代，世界上主要海洋強國開始建設了海底觀測站，到本世紀初進一步發(fā)展為海底科學觀測網。

（1）美國

20世紀末期美國開始建設基于海底光纜的海底科學觀測站。1996年美國建設了長期生態(tài)觀測站（Long-term Ecosystem Observatory at 15 meters，LEO-15）[4]，并于2005年進行了重大升級[5]。1997年又建設了夏威夷水下地學觀測站（Hawaii Undersea Geo Observatory，HUGO）[6]。2000 年在埃德加頓南岸建立了馬薩葡萄園島海岸觀測站（Martha’s Vineyard Coastal Observatory，MVCO）[7]。隨后21世紀初又建立蒙特利灣海底長期三分量地震臺站（MOBB），燈塔海洋研究計劃Ⅰ期錨系觀測網（LORI-Ⅰ），MARS（Monterey Accele-rated Research System）系統(tǒng)[8]，LORI-Ⅱ有纜觀測網等規(guī)模比較小的觀測設施。2011年美國開始建設安裝OOI海底觀測網（Ocean Observatories Initiative）[9]，并于2016建成使用。美國OOI觀測網作為世界上最先進的海洋觀測網，擁有共有47類傳感器構成了759個傳感器，分布在大西洋和太平洋的南北半球[10]，總體上可分為分為區(qū)域網（Regional Scale Nodes，RSN）、 近 岸 網（Coastal Scale Nodes，CSN）和全球網（Global Scale Nodes，GSN）三大部分。其中區(qū)域網RSN是基于海底光纜的觀測網，海底光纜總長度為900 km，敷設最大深度為3 000 m，提供了最大200 kW的總功率和240 Gbit/s的通信總帶寬，近岸網CSN和全球網GSN主要是采用錨系和水下機器人等檢測方式。

（2）加拿大

2006年2月加拿大在維多利亞和溫哥華附近淺海建立了，水深300 m以內的金星海底觀測網 （Victoria Experimental Network Under The Sea，VENUS）[11]，主要用于試驗和教學。加拿大西北太平洋時間序列觀測網（North-East Pacific Time-Series Underwater Networked Experiment，NEPTUNE）位于胡安·德富卡板塊的北部[12-13]，于2009年12月正式運行。該觀測網擁有主干海光纜800 km，分支海光纜120 km，以及5個海底觀測站[14]，提供了60 kW的總功率和10 Gbit/s的通信帶寬，并通過海底光纜網絡和全深度錨系系統(tǒng)觀測水下17米至2660米深度海洋信息。

（3）日本

2003年日本提出了新型實時海洋觀測網（Advanced Real-Time Earth Monitoring Network in the Area，ARENA）的提案，重點用于海底地震、火山、海嘯以及后期能源開發(fā)的研究，目前也在向海洋生物、水聲監(jiān)測、海洋動力環(huán)境等研究方向擴展。2006年日本開始建設地震海嘯密集海底觀測網絡（Dense Oceanfloor Network system for Earthquakes and Tsunamis，DONET）[15]，用于日本東南方向海域地震監(jiān)測和海嘯預警。該觀測網又包括DONET1和 DONET2海底觀測網。DONET1于2011年建設完成，由5個科學節(jié)點連接22各觀測點，DONET2于2016年建設完成，由7個科學節(jié)點連接29各觀測點。這些觀測節(jié)點平均間距為15到20 km，從而覆蓋了近岸到海槽的廣大區(qū)域[16]。2011年日本東北部太平洋海域強烈地震引發(fā)的海嘯災難，促使日本于2013年開始建設了日本海溝海底地震海嘯觀測網（即S-net網）。S-net網在日本東邊海岸和日本海溝之間，每間隔30 km埋設了共150個帶有地震儀和海嘯計的傳感觀測節(jié)點，總計覆蓋約25萬平方公里的海域，是迄今為止規(guī)模最大的海底光纜觀測網絡[17]。

（4）歐洲

20世紀末，歐洲國家開始建立自己的觀測網。2004年歐洲國家開啟了歐洲海底觀測網（European Sea Observatory NETwork，ESONET）計劃，在大西洋、地中海、北冰洋等海域精選海域建設了十多個多功能的海底觀測網，使用了約5 000 km的海底光纜。每個觀測子網都有各自方向。迄今為止，有ESONET有英國、德國、法國、意大利等14個歐洲國家，50多家機構和企業(yè)，約300名科學家、工程師和技術人員參與其中[18]。ESONET包括2002年至2007年，建成的ESONET-CA計劃， 2007年至2011年建設的ESONET-NoE計劃，以及2007年開始建設的EMOS（European Multidisciplinary Seafloor Observatory）計劃[19]，針對不同海域，進行多學科和跨學科的研究。

1.2.2 國內觀測網簡介

我國海底觀測網研究建設工作起步較晚，總體上可分為三個階段：2006年至2009年是關鍵技術驗證階段，2009年至2016年是小范圍建設試驗階段，自2017年開始進入規(guī)模化建設階段，形成了政府為首、科研機構牽頭，企業(yè)積極參與配合協(xié)作的模式，推動我國海底觀測網快速發(fā)展。2006年，同濟大學在上?？莆馁Y助下開始了海底觀測網技術科研攻關，2011年，浙江大學等研制的ZERO系統(tǒng)與美國MARS海底觀測網絡并網試驗[20]和山東省科學院海洋儀器儀表研究所開展的海底觀測網絡岸邊實驗[21]，標志我國海底觀測網絡技術的已達實用要求。

東海方向，同濟大學于2009年，在洋山國際深水港東南約20 km的小衢山島附近建成了東海海底聯(lián)網觀測小衢山試驗站[22]。2011年，在小衢山試驗站的基礎上，又布設了總長度約750 km的環(huán)型觀測網，主要以多普勒聲學海流儀、濁度儀監(jiān)測海洋信息用于科學研究[23]。2015年，牽頭實施的十二五“863”計劃組成東海淺海海底觀測網[24]。

南海方向，2009年10月，在海南陵水附近海域開始布設了我國第一條海底光纖探測系統(tǒng)。2012年，科技部依托陵水基地建設我國首個“南海海底觀測網試驗系統(tǒng)”[25]。目前該海底觀測網已經完成100 km左右的建設，最大水深1700 m。2013年，南海首個海底觀測示范系統(tǒng)在三亞建成[24]。該系統(tǒng)主要由2 km的海底光纜連接3套觀測設備構成，規(guī)模較小，但功能相對完整。

2017年3月，國家發(fā)改委正式批復了《海底科學觀測網國家重大科技基礎設施項目建議書》。同濟大學統(tǒng)籌協(xié)調，在我國東海和南海關鍵海域建設基于海底光纜連接的海底科學觀測網，實現(xiàn)全天候、實時和高分辨率的多維度立體綜合觀測，用以開展科學研究和國內外交流[26]。

2 海底科學觀測網拓撲應用研究

2.1 國內外海底科學觀測網拓撲結構

海底觀測網拓撲結構根據其主干海底光纜網絡結構一般分為線型、環(huán)型、總線型、樹型等拓撲結構。美國OOI觀測網為線型結構[27]，加拿大的NEPTUNE[13]和日本的DONET[15]和S-net[28]為環(huán)型結構，而日本的ARENA[29]為網型結構。歐洲ESONET是由不同海域的區(qū)域網組成，并非完整的區(qū)域性觀測網絡[18]。國內同濟大學建設的小衢山試驗站為單點系統(tǒng)[22]，東海海底觀測網為環(huán)型結構[23]。南海的早期建設的觀測系統(tǒng)為線型結構[24-25]。國內外普遍采用了線型和環(huán)型，基本滿足了科學觀測網絡的需求，但隨著海洋資源進一步開發(fā)，人為因素造成海底光纜阻斷事件逐年增加，簡單拓撲結構的海底光纜通信可靠性已經大不如前，更加自愈性更強的拓撲結構是下一步發(fā)展的重點。2018年12月25日，據《俄羅斯報》報道，俄羅斯已經開始測試“狀態(tài)-6”無人核潛艇（海洋多用途武器系統(tǒng)，俄羅斯軍隊稱之為“波塞冬”核動力水下無人潛航器）。這無疑又開啟了水下戰(zhàn)場軍備競賽，海洋觀測網絡必然在“矛”與“盾”的較量中得到大力發(fā)展。水聲通信是當前觀測海洋深處的水下無線傳感器網絡主要通信手段[30]。水聲通信的衰減是隨頻率指數(shù)上升，且?guī)捳俾实?，距離有限。聲波的頻率在可1 kHz時可以傳幾十甚至上百公里，10 kHz時可傳十多公里，100 kHz時只能傳幾百米，1 MHz時就只能傳幾米[31]。因此我們需要柵格化的海底光纜通信系統(tǒng)，支撐海底觀測網絡。

2.2 海底科學觀測網的拓撲設計

柵格是指將空間分割成有規(guī)律的，大小均勻緊密相鄰的網格陣列。文獻[32]提出了正三角形和正方形單元格的柵格化方案，通過仿真，當觀測區(qū)域寬度大于100 km時，正方形單元格柵格具有更優(yōu)秀覆蓋效率[33]。本文提出基于正方形單元格柵格化海底光通信的科學觀測網拓撲，如圖2所示。這種拓撲以柵格化的海底光纜通信網為基礎，在一級節(jié)點上接駁二級節(jié)點和無線接入節(jié)點，其中一級節(jié)點布設在海底，二級節(jié)點布設在海底地面之下，海底，或者和無線接入節(jié)點一起根據需要在不同水深布設。由二級節(jié)點接駁觀測設備，實現(xiàn)海底光纜通信網區(qū)域內觀測的全覆蓋，無線接入節(jié)點實現(xiàn)水下潛航器、移動觀測設備等接入從而實現(xiàn)海底地下到海洋水面之間的立體水體觀測，根據布設的觀測設備實現(xiàn)對海洋物理、地質、化學、生物等信息的觀測，在軍事領域實現(xiàn)警戒網。本文提出的拓撲結構的優(yōu)勢有：

（1）柵格化的拓撲結構使海底觀測網設備節(jié)點有冗余的接入線路，從而大幅提高海底觀測網絡的健壯性。

（2）在一級節(jié)點上接駁水聲無線接入節(jié)點可以滿足移動觀測設備和無人潛航器等水下移動單元的通信需求，擴大移動觀測節(jié)點布放和觀測范圍，擴展了海底觀測網絡的功能。

（3）參照陸上光纜通信網絡建設，可以預見海底光纜通信網必然作為基礎設施得到大力發(fā)展，柵格化拓撲結構的海底光纜通信網為海底通信提供寶貴的路由資源。

（4）以海底光纜通信網為基礎為海底科學觀測網和水聲通信網提供高通信帶寬、遠程供電能源、水下設備接駁技術。符合信息傳輸網、預警探測網和傳感器網絡的“三網合一”發(fā)展要求[34]，具有較大的發(fā)展升級空間。

圖2 基于柵格化海底光通信網的海底觀測網拓撲示意圖

3 總結與展望

海底觀測技術是人類研究探索和開發(fā)利用海洋的關鍵技術，是一個國家綜合實力的重要體現(xiàn)。近年來，美國、日本、加拿大和歐洲等國都建立了自己的海洋監(jiān)測系統(tǒng)。我國的海底觀測技術起步較晚，經過十多年的發(fā)展，目前我國已經初步具備了從海底觀測網基礎材料研究到海底觀測的接駁技術、信息傳輸技術、控制技術的工程應用，相關技術已達到國際先進水平。

海底科學觀測技術是海洋科學發(fā)展的新興技術，雖然已經實際應用多年，但仍然是各國研究的熱門技術，發(fā)展前景依然廣闊。

（1）隨著光通信技術的發(fā)展，海底光纜工程建設技術進一步成熟，海底觀測網絡將向網格化發(fā)展，其通信能力、規(guī)模、以及健壯性都將進一步提升。

（2）光纖傳感技術具備容量大、傳輸距離遠、低能耗傳感、多參數(shù)傳感等優(yōu)點成為今年來研究應用的熱門傳感技術，可以預見，下一步分布式光纖傳感技術也將廣泛應用于海底觀測網絡。

（3）海底觀測技術在海洋科學研究，海洋開發(fā)利用，防災減災，國防安全等領域發(fā)揮著極大的作用。我國作為一個擁有約470萬平方公里水域面積海洋大國，海上國土安全防御對于海底觀測網的需求十分迫切。加之，海底觀測網絡前期建設投入巨大，軍民融合是我國海底觀測網發(fā)展的必然趨勢。