0 引言

海底综合信息网是指以海底光缆或海底电缆为主干传输通道，由单个或多个水下信息节点构成的网络，具有水下信息感知、传输、处理及应用等功能，包括现有海底通信网、海底警戒网、海底观测网等网络的全部功能，其具有多学科、跨领域的特点，是实现海底信息综合传输、一体化管理的重要方式。

我国是广袤的海洋国家，拥有约 18 400 km 的海岸线，海洋资源十分丰富。当前，我国主要建有海底通信网，但海底警戒网和海底观测网的建设还处于试验阶段。随着国际形势日益严峻，我国的海底通信、观测和预警都面临着严酷考验。适时建设一个大规模、高可靠、资源共享的海底综合信息网，对维护国家领海主权和海洋利益，开发海洋资源，提升经略海洋能力具有十分重要的意义。

1 国内外海底信息网发展现状

目前，海底信息网主要包括海底通信网、海底警戒网和海底观测网等，各个网络独立建设，互不相通。其中海底通信网是指用于信息传输的海底光缆通信系统，实现跨洋、大陆与岛屿之间的通信。全世界已建 410 多条海底光缆通信系统，总长度超过 1 400 000 km，可绕地球 35 圈。海底警戒网主要通过在特定海域布放水听器（阵列），用于水下目标的识别和定位，并通过海底光缆将相关信息传输至岸基站进行分析处理。美国自冷战期间就开始建设的水声监测系统（SOSUS），是已知比较成熟的海底预警探测网络^[1]，其通过海底电缆连接到岸基站，海缆长度达 30 000 n mile。海底观测网主要通过海缆连接各种科学仪器，采集分析海底物理、化学和生物等参量，从而实现对特定海域海洋环境的长期、连续、实时原位观测，主要应用于海洋资源开发、防灾减灾、科研等民用方面。

1.1 国外海底观测网发展现状

日本于 2011 年建成密集海底海啸和地震网络 （DONET），堪称是世界上最精密的地震海啸观测网，如图1（a）所示；2016 年在 DONET 网基础上建成 DONET2 网，同年建成海沟海底地震海啸观测网 （S-NET）是目前全球规模最大的海底信息网络^[2]，如图1（b）所示。DONET 网以恒流馈电模式，用于近岸网络供电，供电和通信能力弱，主要支持地震仪和压力计用于自然灾害监测，扩展能力有限。

加拿大建设的金星海底试验网（VENUS）和海王星海底观测网（NAPTUNE）（如图2 所示）是当时世界上的技术领先、规模最大的海底综合观测系统^[3]。2013 年，加拿大将上述 2 个网络合并，组建了加拿大海洋网络（ONC），实现了对海底环境和海洋生物的实时观测^[4]。ONC 将近岸尺度的 VENUS 和区域尺度的 NEPTUNE 相结合，是有缆海底观测网，海底主基站集成了海底分支器的功能，无分支海缆；采用恒压馈电模式，供电和通信能力强大，可灵活扩展各类海底仪器。

美国主导的大洋观测计划（OOI）于 2016 年建设成功并投入使用，其主要由区域网、近岸网和全球网 3 大部分组成，如图3 所示。与 ONC 相同，采用恒压馈电模式，高压变换器应用功率管串联变换器，输出功率高达 20 kW；整个观测网由 83 个实验平台、加载 830 多个仪器组成；最重要的区域网为固定式海底观测网，配有 7 个接驳盒，海缆总长度达到 900 km，主要用于观测水圈、海气界面和海底生物等环境和生物运动过程。

欧洲 2004 年开启海底观测网（ESONET）计划，2007 年建成 ESONET-CA 计划，2011 年建成 ESONET-NoE 计划^[5]，计划在全球 10 个海区建立有缆海底观测网，用于气候、生物多样性、环流、地震、海啸、板块运动等方面的观测；2007 年开始建设的欧洲多学科海底观测网（EMSO）计划，针对不同海域开展不同学科的深入研究，如图4 所示；为深入研究大洋环流对北极地区海洋生态环境的影响，2013 年开始建设北冰洋 FARM 系统。该观测系统兼具有缆和无缆 2 种模式，采用有中继的恒压馈电模式，跨不同海区，观测网发展的平台多，包括早期移动平台和长期有缆观测平台，众多国家参与其中。

总的来说，国外海底观测网建设比较早，规模比较大，发展比较成熟，已经逐步建立起覆盖整个欧洲、美洲海域的海洋探测和观测体系框架，并通过数据整合与共享，为海洋生态、环境和资源的可持续管理提供有效服务。

1.2 国内发展现状

我国海底信息网建设起步较晚，相关技术研究基础相对薄弱。其中海底通信网的建设相对比较成熟，其它网络建设虽取得了一些成果，但仍处于示范试验阶段。

2008 年，浙江大学建设了 ZERO 海底观测网系统。2009 年，同济大学建立了小衢山海底观测试验站，采用双层铠装海底光电复合缆连接水密接插头，实现了通信传输和能源供给；2011 年，在小衢山基础上又建设了环型观测网^[6]，水深较浅。 2011 年，海洋仪器仪表研究所开展了海底观测网络岸边实验，对组网通信能力进行了验证^[7]。同年 4 月，浙江大学研发的 ZERO 系统在美国 MARS 系统上成功并网试验 6 个月，成为国内第 1 个应用于水下接驳盒节点的观测网^[8]。2015 年，为了实现对我国边缘海域的立体、综合、实时、高分辨率观测，同济大学建设了东海海底观测网。2016 年，中科院声学研究所在海南三亚建成南海海底观测试验系统。目前我国正在东海和南海建设国家海底科学观测网，线路长度达约 2 300 km，计划 2025 年完成。我国台湾地区在海峡东部建设了妈祖观测网（MACHO）观测网，如图5 所示，搭载了海啸压力计、CTD、水听器等仪器设备，主要用于地震海啸预警、海底火山和洋流的监测，实现灾害预警和防灾减灾。但连接的海底传感器数量、种类较少，没有化学传感器。

国内海底观测网主要集中在浅海区，在深海区的观测网建设刚刚起步，连接传感器较少，观测目标比较单一，还没有建立立体综合的观测平台。下一步需积极参与全球海洋立体观测网建设，特别是深远海海底观测探测能力建设，拓展海洋观测探测业务领域，构建完善技术业务体系，发展自主创新的海洋观测装备保障体系。

2 海底综合信息网

2.1 网络组成及功能

海底综合信息网主要由岸基站和水下部分组成。

岸基站是整个网络的控制管理中枢，主要由数据处理设备、通信设备、供电设备、故障监测设备等组成，实现对数据汇总处理，并为水下系统提供供电、通信、监控和授时等功能。

水下部分主要由海缆、接驳盒、连接组件和科学仪器组成。海缆为光电复合海缆，负责水下的信息传输和电能传送。接驳盒分为主接驳盒（海底主基站）和次接驳盒，主接驳盒主要功能是进行水下能源和信息的中继和分配，可通过分支器、分支海缆连接次接驳盒，进行灵活扩展；次接驳盒主要用于搭载水下传感设备。科学仪器是水下信息网的末端神经，包括各种水下传感、观测设备。

海底综合信息网各个海底网络之间关系可用通信子网和资源子网的关系形容。海底通信网为通信子网，既具有传统海底通信网的通信功能，为陆地和海岛用户提供信息传输，又能为海底观测网和海底警戒网提供信息传输和电能供给；海底观测网、海底警戒网等网络为资源子网，在海底通信网上通过接驳盒连接各类科学仪器，采集所需的传感信息。

2.2 网络拓扑结构

海底综合信息网主干网一般可采用链型、树型、环型或网格等拓扑结构^[9]。主干网通过分支单元或接驳单元与多个分支海底光缆相连，分支海底光缆通过接驳单元连接各传感器或传感阵列。

链型和环型拓扑结构一般是海底综合信息网建设起步阶段考虑的拓扑类型，但其抗毁性生存性相对较差。网格拓扑结构是海底综合信息网建设发展的必然趋势，如图6 所示。网络建议采取分步建设、由点到面，可先建设链式结构，而后逐步拓展为网格状网络；在建设初期要提前做好顶层设计与规划，预留接口，既要充分考虑网络的功能性、经济性，又要考虑可靠性与可拓展性，才能保证网络建设的循序渐进。

3 关键技术

3.1 远程供电技术

远程供电就是由岸基站供电设备将电能通过海缆输送到海底接驳单元，为水下各节点的仪器供电，其核心部件主要是岸基远供设备（PFE）、海缆和海底变换器。

远程供电系统鉴于海底电缆电阻和感抗较大，会降低系统电能传输效率和供电稳定性，一般采用直恒流供电方式，宜采用岸基两端或多端同时供电^[10]，并通过对供电模块的合理布局和灵活组网提高系统供电的可靠性。岸基供电设备应具备大功率、恒流输出能力，电流输出稳定，可满足小电流、高电压的输电需求，可多台串联使用，并具备自动均流、均压功能，同时需要具有远程监控功能，对电能传输过程实现远程监测、分析与控制。水下供电设备主要有恒流/恒流、恒流/恒压、恒压/ 恒压 3 类转换模块，并具有过流、过压保护功能。岸基远程供电设备一般输出±2~10 kV 直流电压，通过骨干网传输至各节点接驳盒处，主接驳盒进行 DC-DC 直流转换，将几千伏的直流高压转换为几百伏中压，次接驳盒将几百伏中压转换成多种低压电源，供科学仪器使用。

3.2 接驳盒技术

接驳盒是构建海底信息网的关键件及重要件，是岸基设备与水下各个传感单元的重要连接节点，其能为水下信息网提供多功能、通用平台，集信息传输、电能传送和转换、接口规范转换、安全监控等功能于一体，同时具有分支和连接作用^[11]。

海底接驳盒设计时，需重点考虑以下因素：

1）电源转换。主接驳盒一般采用高压直流 （DC）供电，利用海水作为电流回路，海底负荷并联供电；次接驳盒多采用双极供电，即通过 2 根导线实现供电传输，岸端通过交直流变换将 220 V 交流（AC）变为合适的高压直流电源，满足水下电源传输的功率要求。

2）端口设置。岸基与主干网的接驳盒之间可通过光纤实现数据信息传输。主接驳盒中光信号转换为电信号，再通过交换机或路由器选择千兆或百兆的下行网络，次接驳盒可配置端口选择 10 Mbit/s 或 100 Mbit/s 的传输速率，或实现串行通信。接驳盒内部传输各种监控信息，采用的协议有：RS232、 RS485 或以太网^[12]。

3）防腐与密封。接驳盒内的各种光电模块、传感器等设备一般需安装固定在水下密封舱体中，为防止海底各种腐蚀现象导致密封破坏，因此舱体需满足海底水压密封、耐腐蚀等环境要求。为了保证舱体具有防腐性、耐压性和密封性，舱体可选用不锈钢或钛合金材料，密封结构采用成熟的 O 型圈密封结构^[13]。

4）远程故障监测。为了保证海底信息网的安全可靠运行，需要在接驳盒内部设置电压、电流、温度、绝缘、渗水等监控装置，实现对水下设备的远程监测与控制，及时了解接驳盒中水下装置的运行情况以及中间电压、电流的稳定情况^[14]。

5）湿插拔技术。采用水下湿插拔技术，通过水下机器人（ROV）完成主接驳盒与海缆、主接驳盒与次接驳盒、接驳盒与水下探测设备的安装操作，是保证水下系统具备可实施性、维护及升级的必要条件^[15]。

3.3 水下科学仪器

水下科学仪器主要是用于水下探测感知的各种传感器，是实现实时监测海底环境的关键设备，可根据应用领域和实际需求搭载。水下传感器可谓种类繁多、日新月异，涉及声波、光学及电磁等多种技术。目前，已成功应用于海底观测的科学仪器主要有：海水密度、声速梯度、温度、盐度、二氧化碳等测量仪、海流计、散射计、浊度计、水压计、磁力仪、海底地震仪、海平面压力测量仪、声学多普勒海流剖面仪、阴离子分析仪、光纤水听器阵列、水下摄像机等。

3.4 时间同步技术

与陆地通信不同，海底通信只能够由岸基通过卫星同步的方式进行时间校准，将标记一定精度的时间信息同步到海底各科学仪器。为实现海底信息的精确时间同步，可以釆用组合方式授时的方法^[9]，按需采用多种技术手段，建立海洋时空基准网。岸基主时钟可使用北斗/GPS 双模块授时技术作为时间基准，实现时间同步。同时，利用网络时间同步技术将基准时间通过海底光缆传递到水下信息网的各个节点，实现水下仪器设备的时间同步。

3.5 布放与维护技术

众所周知，海洋工程施工难度大、风险高，同时多种人为和自然因素（如：锚挂、拖网、地震、海啸等）都会威胁水下设备的正常工作，甚至将其破坏，亟需提高海底综合信息网水下设备的生存性和安全性。因此，必须加强水下设备的布放及维护施工技术研究。海底光缆根据水深不同，一般采用表面敷设（深海）或埋设（浅海）的施工方式。埋设施工的方法主要有水喷式埋设、多刀犁式埋设和 ROV 冲埋等，埋设深度不小于 3 m（视底质情况）。接驳盒作为海底综合信息网的核心组件之一，将其安全、可靠地安装在深海海底也是布放过程中一项十分关键的步骤。采用先进的布缆船及布放设备技术不但有利于接驳盒的布放，而且会推进其应用与技术发展。例如具备动力定位功能的海缆船、水下机器人及深海声学释放等设备的使用，可有效地解决接驳盒水下湿插拔操作、深海布放与打捞维修等难题^[13]。

海底观测网的长期安全运行受到外部环境影响较大，近海商业活动频繁、海底地质情况不稳定，都会给观测网造成破坏，需要对海底观测网的运行状态进行实时监控，对近、远海海缆进行故障诊断，基于国内外目前常用的故障定位算法，实现海缆运行健康监测；同时，对海洋环境条件进行监测和分析，确定预警阈值和风险策略，预测海缆可能遭受的风险；并在海底分支器设置断路器，保证正常运行、故障维修等状态的切换，实现海缆的分段保护。

3.6 信息传输技术

随着我国海洋开发逐步从近海走向远海，海洋信息传输需要大容量长距离海底传输系统。目前，大容量长距离的数据传输主要采用以光纤为介质通信系统。海底光缆通信系统分为“无中继”和“有中继”2 大类。无中继海缆通信系统在水下无有源的中继器，但可以有无源的光放大单元^[16]。无中继海底光缆通信系统在采用了编码方式、掺铒光纤放大器（EDFA）、拉曼放大器（RAMAN）、遥泵光放（ROPA）、前向纠错（FEC）、色散补偿（DCM） 等一系列先进技术后，结合采用超低损耗光纤的无中继距离可超过 600 km。有中继系统，是指海缆系统中含有 1 个或多个水下有源中继器，岸基站的 PFE 通过有中继海光缆中的铜导体给中继器供电，供电模式为高压恒流。中继器主要采用掺饵光纤放大技术，需要泵浦源、掺饵光纤及波分复用器^[17]。考虑到维修余量，有中继海底光缆通信系统一般每隔 80 km 左右布放 1 个水下中继器。当前国际最先进的中继器最大可容纳 32 对光纤，每对光纤均可承载上波和下波。海底光缆通信系统采用密集波分复用（DWDM）技术和光分插复用（OADM）分支器，可大幅提高传输容量。

4 结束语

海底综合信息网承担着水下通信、目标探测、水文气象信息采集等任务，是人类研究探索和开发利用海洋环境的关键，是一个国家综合实力的重要体现。当前我国各种水下网络建设仍处于初期发展阶段，未形成统一的技术路线，增加了成本和资源的消耗，影响网络安全运行和维护^[18]。因此，随着我们认知和探索海洋能力不断提高，构建集海底通信、海底警戒、海底观测等功能于一体的海底综合信息网，实现水下多网融合，互联互通、资源共享，是水下信息网络发展的必然趋势。

参考文献