海底观测网络系统技术方案报告.docx

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海底观测网络系统技术方案报告

海底观测网络系统技术方案报告

目录

1概述3

2需求描述及分析3

2.1需求描述3

2.2需求分析4

3总体设计4

3.1整体方案4

3.2系统架构5

3.2.1水下部分6

3.2.2岸基部分6

3.3海底观测网特点7

3.3.1“网格化”布设海底观测网7

3.3.2海底观测网预留标准接口7

3.3.3结合国情建设海底观测网络7

4关键技术8

4.1海底接驳盒技术8

4.2电能供给技术（高压直流输电）8

4.3海底工程布设技术8

5技术指标9

5.1节点技术指标9

5.2接口技术指标10

1概述

海洋覆盖了70.8%的地球表面，平均深度约达3800m，对全球环境和气候变化影响巨大。

开展海洋研究，离不开海洋观测。

国际上主要通过三种平台对海洋进行观测，一是通过科学考察船，二是采用卫星遥感技术，三是建立海底网络，对海洋进行实时原位的观测，随时接收海底的信息。

传统海洋学研究方式主要是乘船从海面和用卫星从空中观测海洋，只能获取零星数据或只能观测表层水体，无法长期观测深海。

随着科技发展，载人深潜器和各种水下机器人被用于深海探测，获得了海底热液发现等重大科学成果，但仍无法长期蹲守深海。

浮标和潜标在长期海洋观测中发挥了重要作用，但受能量或通信带宽的限制。

海洋科学迫切需要通过长期、实时和高分辨率的原位过程观测来揭示深海大洋的运行机理。

海底观测网是一个大范围海底覆盖的基础,有了观测网,观测设备或者观测点将不在是一个孤立的点,不同位置的同一研究内容可以容易的得到比较和分析，新的观测点将容易的加入进观测网,真正的具备如同岸基一样网的概念。

海底观测网实现了能源供应和信息传送的网络化,使得观测网可以长期的,持续的工作。

电能将不再受自带电源能量的限制,信息将更方便的发送至岸基，可以方便的观测实时的信息,及时得到第一手资料，特别是对于原位观测系统有特别的价值和意义。

因此近年来发达国家纷纷提出计划或投入巨资建设本国的大规模缆系观测网，并研制多种在线式海洋仪器。

我国起步略晚，缺乏长期立体观测深海大洋的装备，但也研制出了多种深海探测或采样仪器。

在此基础上，目前国内同济大学、浙江大学、上海交通大学和中国海洋大学等单位合作开展缆系观测网关键技术及其原位观测仪器的研究。

2需求描述及分析

2.1需求描述

海底观测网通过光电复合海缆连接海底科学节点和海岸控制基站，将电力系统和通信系统直接从陆地延伸到海底，海陆间同时进行电能传输和双向通信，可解决大量科学仪器在海底长期运行面临的海量数据传输和持续电能供给两大难题，可实现从海底直接对特定区域深海大洋的物理、化学、生物和地质等过程进行高分辨率的原位实时观测。

海底观测网，可布放在浅海海底对水位、海流剖面、海底温度、盐度等环境要素海洋环境进行定点、长期、连续监测。

并可根据需要增加其它测量仪器或传感器扩展监测参数。

系统可配置声学调制解调器，将水下监测数据通过缆线发送到陆地基站，实现监测数据的实时传输。

2.2需求分析

通过需求描述可将需求分析概述为以下几点：

a）实现向海床基科学仪器提供不间断供电和实时通讯；

b）实现科学仪器实时数据采集；

c）实现岸基与仪器设备交互式控制与管理；

d）实现永久性基础海底网络；

e）实现简单快速地科学仪器更换。

3总体设计

3.1整体方案

海底观测网络一般由岸基站（Shorestation）、互联网络（Network）、光纤光缆（cable）、接驳盒（node）、各种传感器（sensors）和各种功能观测设备等组成。

岸基站是整个海底观测网的控制单元，负责控制整个网络的正常运行，并为海底观测设备输送高压电能，也是数据传输的终点，负责接收最终的观测数据。

光纤光缆用于通信，负责各设备之间的联接和信号传输。

接驳盒是水下的中枢部分，它不仅为信号处理、控制和管理提供一个集中的站点，同时也为观测设备模块提供接口（可借助水下机器人ROV在海底接驳盒上直接对观测设备插座模块进行热插拔），还为海底观测网络电能的低功耗输送、转换、分配及管理提供手段。

传感器大多分布在海底各个观测设备上，是实验数据的主要获取途径。

海底观测网的总体示意图如图1所示。

图1海底观测网总体示意图

3.2系统架构

本技术方案将整个海底观测网络系统划分为两个部分，包括水下部分和岸基部分，其总体框架如图2所示：

岸基部分

水下部分

图2系统总体框架

其中，水下部分的部署包括：

节点（Node）、设备接口模块（SIIM/JunctionBoxes）、海洋观测设备平台、远程光纤数传电缆四部分。

岸基部分包括：

岸站（ShoreStation）、数据管理及存储系统（DMAS）、网络控制中心（NOC）三部分。

其典型系统结构如图3所示：

图3典型系统结构

3.2.1水下部分

a）水下网络节点（Node）

直接与主供电通讯电缆连接，将375V/1200V/10kV转换为375V，分配给8个水下电源接口单元，将高速光纤通讯网络分配给8个接口单元，每个接口单元独立开关，每个接口单元有电源消耗和接地故障监测功能，每个接口单元具备水下热插拔功能。

b）设备接口模块（SIIM）

向所有设备提供电源，将所有设备的数据输出协议转换为统一的以太网数据格式。

c）海洋观测设备平台

海洋观测仪器按所测要素分类可以划分成4大类，即海洋物理性质观测仪器、海洋化学性质观测仪器、海洋生物观测仪器、海洋地质及地球物理观测仪器。

d）远程光纤数传电缆

连接系统水下各部件、水下部分与陆地部分。

3.2.2岸基部分

a）岸站（ShoreStation）

为所有水下设备提供电源，进行光纤信号与电信号的相互转换，通过网络与数据管理及存储系统建立联系。

b）数据管理及存储系统（DMAS）

是岸基控制与管理系统的重要组成部分,是用户与海洋仪器之间的纽带,是整个海底观测网络的数据交换与存储中心。

c）网络控制中心（NOC）

把分布在不同地理区域的计算机与专门的外部设备用通信线路互联成一个规模大、功能强的网络系统,从而使众多的设备可以方便地互相传递信息,共享硬件、软件。

3.3海底观测网特点

3.3.1“网格化”布设海底观测网

现有的海底观测网中往往都是单条主缆构成，这就要求主缆要有极高的可靠性，现在的措施主要是加铠、掩埋等方式，但无法从根本上解决“主缆脆弱”的问题。

如果采用“井”字形网格化主缆，整套系统不是单独的一个主缆，而是由多条主缆形成网格化布设。

这样，即使其中一条或几条主缆损伤后，整个系统仍然可以通过剩余主缆进行通讯和供电，而不会对整个系统产生致命影响，因此可靠性将大大提高。

3.3.2海底观测网预留标准接口

我国有很长的海岸线，依据不同的功能需求，将建设各种各样的海底观测网。

因此，在观测网建立之初就需要设计一个标准数据接口（不管是硬件接口还是软件接口，海底接口还是水面接口），用于方便后期所有网络的接入和数据的共享。

和平时期主要用于经济建设，战时可水下预警防御。

3.3.3结合国情建设海底观测网络

我国渤海、黄海、东海海域的大部分属浅海，水深一般在100m以下，南海水深大部分超过100m。

鉴于这种特殊的海底地形，海底观测网的建设需要因地制宜，根据使命任务需求和具体实际，从北到南建立相应的海底观测网络系统。

由于海底观测网络工程庞大、投入高，因此建设中应考虑军民结合、平战结合，军队国防系统和国民经济相关部门、科研院所、高校等通力合作，共同攻关，充分发挥海底观测网络的建设效益。

4关键技术

4.1海底接驳盒技术

海底接驳是海底观测网络技术中的重中之重，主要解决海底电能与信号传输、分配与管理等重大技术问题。

海底接驳盒是对电能和数据信号进行集中转换和处理的中间环节，是海底观测网络中的重要单元，包括三大功能模块，一是电能转换、分配模块，二是信号处理、存贮和通信模块，三是观测设备插座模块。

接驳盒一般由高压转中压电源腔、中压转低压电源腔、控制腔以及光电分离腔组成。

4.2电能供给技术（高压直流输电）

电能是从岸基站通过海底电缆输送到海底的，输送电缆有一根主电缆与海底接驳盒相连。

因为交流电的容抗对电能损耗大，所以为了在海底远距离传输电能，一般采用高压直流输电方式，主干缆输送电压一般在千伏量级甚至更高，有利于减少电能的损耗。

电能供给技术也是海底观测网络建设必须重点突破的关键技术。

4.3海底工程布设技术

海底系统的铺设和维修被世界各国公认为复杂的大型工程。

如何保障海底铺设的工程质量以及对海底网络的常态化维护，是当前海底网络系统建设中的难题，海底工程布设成为须重点研究解决的关键技术之一。

水深小于200m海域的浅海缆线铺设一般采用埋设方式，而在深海则采用直接敷设。

目前水力喷射式埋设是主要的埋设方法，埋设设备的底部有几排喷水孔，平行分布于两侧，作业时，每个孔同时向海底喷射出高压水柱，将海底泥沙冲开，形成海缆沟；铺设设备上部有一个导缆孔，用来引导电缆（光缆）到海缆沟底部后，由海底流将冲沟自动填平。

敷设时敷缆机一般靠海缆自重敷设在海底表面。

5技术指标

5.1节点技术指标

a）输入

1kV~10kV直流高压

2xSM单模光纤，用于千兆以太网

2xSM单模光纤，用于RS-232

b）输出

8个ODI热拔插水下接头

带电流、电压和接地故障保护监测的分压器

8x360VDCat8A100BaseTEthernet

c）通信

带远程可编程能力的控制计算机；TCP/IP命令；UDP数据链

d）机械性能

节点基站上有水下拔插光、电接头

3000m耐压

50Kg（水中重量）（压力舱可拆）

25年设计寿命

图4节点结构

5.2接口技术指标

a）输入

300～400VDC，最多10KW

1根或多根单模光纤以太网或100BaseT以太网

最长10Km电缆，带ODI水下拔插接头

b）输出

10个Seacon水面拔插防水接头，有电流、电压和接地故障监测

c）供电接口：

最多10个15VDC,24VDC或48VDC，功率75W

1个48VDC，功率600W

最多3个400VDC接口，电流15A

d）通信接口：

最多4个RS232/422/485接口，波特率230KBps

最多10个100BaseT以太网接口

e）通信

带远程可编程能力的控制计算机；TCP/IP命令，UDP通讯链

f）机械性能

2205不锈钢或钛压力容器

3000msw，20年设计寿命

图5SIIM/JB的结构