基于海底观测网络技术的小型近岸海底监测站
季胜强 张锋 张志峰 谢凯 杜宗印
【摘 要】海底观测网络是一种新型的海洋观测方式，能够实现对海底长期、实时、原位的观测。目前在中国科学院深海科学与工程研究所，依托其理环境和优势，以海底观测网络技术为基础，建立一套小型近岸海底监测站。海底监测站对近岸海洋环境进行实时监测，同时为海洋科学仪器和设备的研究测试提供平台，包括各种海洋物理、化学传感器、水下摄像机、水下机器人、浮标等，便于其与海底观测网络的组网对接。本文主要介绍了小型近岸海底监测站的组成及关键技术，海底监测站的建成对海底观测网络组网有着重要的意义。
【关键词】海底观测网络;海底监测站;实时监测;组网对接
1 前言
国外的海底观测网络从上世纪九十年代就开始建设，主要的观测系统有：美国LEO-15海洋生态观测系统、夏威夷H2O观测系统、美国MARS海底观测系统、加拿大VENUS和NEPTUNE观测系统、日本的DONET等。
国内，在2009年，同济大学在东海小衢山建立了中国第一个近海观测站，但离真正意义上的具有可扩展、大规模的观测网仍有很大差距[1]。在国家高新技术研究发展计划的支持下，浙江大学从2007 年开始进行了通用性海底观测网接驳盒技术研究[2]，并实现了直流2 kV与10 kV 供电的主接驳盒样机和375 V供电的次接驳盒样机[3]，于2010 年9 月份在中国东海进行了10 kV 海底观测系统的浅海海试[4]，于2011年4 月至10月在美国加利福尼亚州的蒙特雷湾进行了次接驳盒与美国MARS观测网联网对接试运行[5]，均取得了成功。从2012 年开始，中国多所院校联合攻关大规模海底观测网技术，在南海和东海分别建立应用型观测网。在2013年5月，中国科学院在南海三亚附近建立了一个2 km长的示范性海底观测网。2016年9月，国家高新技术研究发展计划海洋技术领域海底观测网试验系统重大项目，由中国科学院声学研究所牵头，浙江大学、中天海洋系统有限公司、中天科技海缆有限公司、同济大学、中国海洋大学、清华大学等多家单位参与建设的南海海底观测网络试验系统，成功完成了在中国南海的海上布放、深海组网接驳测试、海底持续观测等建设任务。
小型近岸海底监测站是一种简化的单个海底观测网络节点，其接口定义、供电、通讯协议均与南海海底观测网络试验系统保持一致。由于海洋施工风险大、成本高，海底监测站为南海海底观测网络试验系统提供了可靠的组网接驳测试平台。
2 系统架构
小型近岸海底监测站系统架构主要包含三个部分：岸基远程監控和供配电系统、电能传输与通讯链路、以及海底电能与通讯接驳系统，结构示意图如图1所示。从拓扑结构上可划分为电能网络和通讯网络。
电能网络由岸基供电电源开始，经传输缆向节点提供375V直流恒压电能供给，在节点光电分离器中进行光电分离，后进入节点接驳盒，经节点接驳盒内部电能变换，为各类科学仪器提供不同电压等级和功率需求的直流恒压，其供电网络示意图如图2所示。
通讯网络由岸基光电交换机开始，经传输缆中的光纤与节点组成通讯网络，为每个节点提供2-4根光纤，在节点内部将光通讯转换为电通讯，以提供给节点接驳盒控制器和外接科学仪器，其通讯网络如图3所示。
其中：
（1）岸基站包含直流供电电源、岸基电源监测管理系统、远程监控系统、光电交换机和光电分离器等，主要功能包含：1）为水下设备提供直流恒压供电;2）对水下节点接驳盒进行远程状态监测和接驳控制;3）与科学仪器进行远程通讯，以获取监测数据;4）对岸基主电源和UPS电源的工作状态进行监控，如电压、电流、温度、电池剩余电量等。
（2）传输缆采用双芯光电复合缆，主要功能为提供系统电能供给和光通讯传输的链路;
（3）节点接驳盒为水下工作站主要转接平台，主要功能包含：1.光电分离2.中低压电能变换;3.系统内部状态监测;4.与岸基建立通讯网络，并将光通讯转换为电通讯;5.对科学仪器提供不同电压等级的电力支撑和多协议的通讯接口。
（4）科学仪器为外接搭载系统，可从节点接驳盒获得不同等级的恒压供给和百兆通讯转接。
3 系统组成
3.1 岸基站
岸基站是整个海底监测站的控制中心，具有独立的隔离电源供配电设备，为整个网络提供持续的电能供给;具有远程监控与运行管理服务器，可实现所有水下设备的实时监测和远程控制，保障水下设备的正常运行;同时，建立本地数据库和大容量数据服务系统，可实现网络中的所有监测数据的流转、存储、分析和可视化，并最终实现与用户终端的数据交互。
3.1.1 岸基直流电源
海底监测站建设采用定制化恒压岸基直流电源，实现220V AC到400V DC的转换，最大电流10A，为整个系统提供有效地直流恒压电能供给。
3.1.2 UPS电源
UPS电源为海底监测站建设提供供电的安全保障，保证系统在人为或外界环境导致岸基电源断开或损坏的情况下，整个系统能够正常工作。UPS电源主要包括主机和电量存储蓄电池。
3.1.3 岸基电源监控系统
岸基电源监控系统主要是海底监测站的能源管理中心，实现对水下设备的电能供给调配、岸基电源运行状态监控，以及电能供给故障告警功能，具有高可靠性和实时性。主要包括岸基电源监控与管理系统、岸基站运行状态监控系统和基站供配电应急响应系统。
3.1.4 远程监控系统
远程监控系统主要是通过岸基服务器对水下节点及科学仪器的运行进行监控管理。主干网络采用光纤通信方式，完成接驳盒大量数据到海岸基站的传送。网络规范通信协议采用TCP/IP协议组以及自定义协议通信（通信帧格式、内容等自定义的通信协议）。远程监控系统主要由三部分组成，第一部分为岸基服务器，第二部分为光交换机与主干光纤传输线，第三部分为水下节点接驳盒系统。
3.2 光电复合缆
光电复合缆作为海底观测网络的关重件，实现岸基电能的传输，为水下的接驳盒、海底观测平台仪器和器件的正常工作提供必要的电力能源[6]，并通过光纤实现数据的双向传输，将控制指令下行，将观测数据连续、长期、实时地上行到海岸基站。光电复合缆主要由光纤、不锈钢管、钢丝、双铜导体、聚乙烯绝缘层等材料组成，通过特定的结构设计和制造工艺形成的海底光电复合缆在海底观测网络中起着信息传输和电能供给的作用。
3.3节点接驳盒
接驳盒是水下的中枢部分，它不仅为信号的处理、控制和管理提供了一个集中的站点，同时为海底监科学仪器提供了接口，还为海底观测网络电能的低功率输送、转换、分配与管理提供了可能。海底接驳技术是海底监测站中的重中之重，它主要解决海底电能与信号传输、分配与管理等任务。节点接驳盒主要包括三大功能模块组成，一是光电分离模块，二是水下电源转换模块，三是水下节点监控模块。
3.3.1 光电分离
海底监测工作站水下光电分离通过节点接驳盒直接实现，在接驳盒腔体内完成光电复合缆的光路和电路的分开，保证水下设备供电、控制及通讯的功能正常。
3.3.2 水下電源转换
水下节点电源转换模块实现岸基电源输送的400V恒压转换为科学仪器可用的电压，能够实现400VDC稳压输出、DC400V/DC48V的转换，共包括6路48VDC输出和2路400VDC输出，每路输出功率最大可达400W。同时，电源转换模块能实现对每路输出进行通断控制，具备短路和过流保护功能。
3.3.3 水下节点监控
节点接驳盒通过内部水下节点监控模块可实现对腔体内部电压电流、温湿度、烟雾及漏水等运行状态的监控，保证水下节点接驳盒运行的可靠性。
3.3.4 节点外框架
节点接驳盒采用三角式布放架，采用316不锈钢材料加工制作，设计应用水深300米。由主体框架、防沉降板、防拖网盖板、弯曲限制器安装板和水密缆固定结构组成。其中，主体框架作为主要成立结构采用自上而下一体式稳固结构，并使用ANSYS有限元进行了受力分析[7]，在关键固连位置加装三角肋板提高结构稳定性，可实现最大限度上的轻便型与稳定性。防沉降板采用玻璃钢结构，在降低整体结构重量的基础上，提高防沉降板的抗压性能。弯曲限制器安装板一方面用以安装弯曲限制器，另一方面作为主干缆连接主要受力点，可将承受拉力均匀分布至主体框架中，提高布放时的稳定性和回收时的抗弯性能。水密缆固定结构采用陪绑绳加卸扣形式，提高抗拉性能的同时，保证维护过程中便于拆卸操作。
3.3.5 科学仪器接口
海底传输系统的实现是海洋开发技术发展的基本条件，海底传输用水密电连接器及其组件是确保海底通信的基础[8-9]。节点接驳盒作为海底监测站水下平台，为科学仪器提供8路供电及通讯接口，分别采用干/湿插拔水密组件实现，其中湿插拔2路，干插拔6路。并且每个接口对应使用电压与通讯协议。电压输出分400V、48V等等级电压，适用通讯协议接口含RJ45、RS232、RS485等标准接口及定制接口等。
4 结语
位于中国科学院深海科学与工程研究所的小型近岸海底监测站的建立，具有如下意义：
（1）小型近岸海底监测站是海底观测网络技术的一次简易化应用，有利于该项技术日后的大规模生产和应用;
（2）小型近岸海底监测站为南海海底观测网络试验系统接驳组网提供了良好的科学测试平台，有利于保障接驳组网的可靠性;
（3）小型近岸海底监测站长期稳定运行，能实时获取海洋水质、水温、气象等参数，将极大推进不同时间和特殊气候条件下的海洋物理、化学、环境的研究。
参考文献：
[1]许惠平，张艳伟，徐昌伟，等. 东海海底观测小衢山试验站[J]. 科学通报，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]卢汉良，李德骏，杨灿军，等. 深海海底观测网络水下接驳盒原型系统设计与实现[J]. 浙江大学学报，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.
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[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]李志强，张俊华. 光电复合缆在接入网中的应用[J]. 电信工程技术与标准化，2012（3）：22–26.
[7]王国强.实用工程数值模拟技术及其在 ANSYS 上的实践[M].西北工业大学出版社，1999.
[8]寇秉成.潜水连接器中的电缆密封.光纤与电缆及其应用技术[J]，1992（3）：32-36
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（作者单位：中天海洋系统有限公司）
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