海底觀測網主要包括岸基站、海底供電系統、海底通信系統和儀器設備，具有供電、通信、監控和授時4大基礎功能。供電和通信兩大系統將陸上岸基站和海底觀測設備連接起來，構成海陸之間雙向高速的“數據傳送帶”和持續的“能量傳輸帶”，緊密耦合在海底主基站（主接駁盒）、海底設備適配器（SIIM，次接駁盒）、光電復合通信海纜、海底中繼器和分支器等物理載體中。海底觀測網的典型結構如圖1所示。大規模海底廣域觀測網通常超過500 km，具有多個海底主基站、海底中繼器和分支器；150 km以內的小規模海底觀測網一般采用無中繼通信系統。

海底觀測網岸基站是陸地基礎設施與海底基礎設施之間的樞紐。岸基站通常有兩路獨立的電力輸入、后備發電機組和不間斷電源提供可靠供電，安裝有高壓饋電設備（PFE）、光通信端站設備（SLTE）、海底線路監視器（SLM）、精確授時設備、數據緩存服務器、電能監控程序（PMACS）和網絡管理程序（NMS）等軟硬件。

海底觀測網采用跨洋通信系統中廣泛應用的標準海纜，其在25年使用壽命內的安全耐電壓典型值為DC 10 kV，具有多種鎧裝保護結構。海底觀測網通常采用單極直流輸電，其岸基站、海底主基站和分支器安裝接地/海電極，通過海水形成供電回路，而海底中繼器則用于放大光信號。

海底主基站是海底觀測網中最核心、最復雜的組網裝備，負責接入若干海底觀測平臺，實現高壓直流電能降壓變換和分配、高速光電信號轉換傳送、數據匯聚交換和時間同步，監控所有內部和外部負載的運行狀態，通過故障診斷和隔離實現自動保護。目前典型海底主基站的最高工作電壓為10 kV、最大處理功率為10 kW，線路側總通信帶寬為10 Gb/s，具備8個海底設備適配器接口。海底主基站一般布放在沉積和沖刷緩慢、平坦穩定的地質結構上。

海底供電系統是海底觀測網設計的關鍵，主要有直流恒壓和直流恒流2種饋電模式。核心電力裝置主要是岸基站PFE、海底主基站的高壓變換器、海底分支器的電切換模塊、海底中繼器和分支器的供電模塊。與小功率、封閉型的跨洋通信系統等專用海底網不同，海底觀測網需接入盡可能多的各類儀器設備，需要采用大空間尺度的電力電子化高壓直流供電系統，實現高壓直流電能變換和故障直流電流斷路。由于海纜對地電容大，因此海底觀測網不適合采用交流輸電。

目前海底供電系統常用的簡單拓撲為鏈式和兩端供電式。其中，鏈式為無備用結線，兩端供電式為有備用結線。國際上綜合性中大功率的海底觀測網及試驗網均優選直流恒壓饋電，個別小功率的地震海嘯觀測網和試驗網采用直流恒流饋電。在恒壓饋電模式中，PFE輸出為可調恒定電壓，海底供電系統采用單極負高壓直流輸電，海底主基站、中繼器和分支器適應寬電壓、大電流輸入，海底主基站通過接海陰極與岸灘接海陽極構成海水供電回路。在恒流饋電模式中，PFE輸出為恒定電流，海底供電系統一般采用雙端供電，海底主基站、中繼器和分支器采用串聯方式以恒定電流取電。

恒壓饋電模式被世界上絕大多數供電系統所采用，包括海底油氣生產系統，其穩定可靠、供電效率高、靈活可擴展和拓撲適應性強。對于有備用結線的海底供電系統，在海纜突發接地短路時，恒壓供電系統將短時停運，持續數分鐘至十數分鐘的故障診斷和隔離過程后，再重新恢復運行。若需進一步提高海纜短路故障時的數據連續性，有兩個解決方案：一是為每個海底主基站安裝一定容量的儲能電池，維持其短時不間斷供電；二是在海底分支器或集成分支器功能的海底主基站里，安裝高壓直流斷路器。

封閉型跨洋通信系統采用0.65~1.1 A雙端恒流供電系統，利用串聯穩壓管獲取小功率電能。其在海纜單點短路時，故障點與兩個PFE重新構成回路，PFE調節輸出電壓，海纜故障點成為電極，可短時維持數據傳輸。但故障發生時，恒流節點可能因電網潮流波動而暫停運行。診斷和定位故障點后，須切換PFE輸出極性、隔離故障海纜段，期間海底觀測網部分或全部系統將短時停運，與恒壓饋電模式類似。恒流饋電模式的供電效率較低、拓撲適用性弱、擴展性差，而兩端供電系統在海纜短路故障時刻的數據連續性較好，但在開路故障下仍有較大隱患。

海底觀測網高速雙向數據傳輸主要采用陸地傳送網、接入網和跨洋通信等成熟技術。對于多節點海底廣域觀測網，海底通信系統采用有中繼波分復用系統（DWDM或CWDM），每個海底主基站與岸基站之間通過不同的光信號波長來傳輸數據。

對于節點數較少的中小型海底觀測網，海底通信系統一般采用無中繼系統，各個海底主基站與岸基站之間可通過海纜中不同的光纖對來傳輸數據。在環網拓撲中，當某段海纜光纖出現故障，則各海底主基站在故障方向上的數據傳輸業務都將中斷，業務數據需通過另一方向上的無故障路由傳送至岸基站。

海底觀測設備一般為DC 48/24/12 V供電，采用EIA RS-232/485/422串行通信或10/100/1000 Base-T(X)/FX以太網通信。海底設備適配器是海底主基站標準接口與各種觀測設備非標接口之間的轉換媒介，負責從中壓到低壓的電能變換以及通信接口與協議的轉換。

供電穩定對于海底觀測網可靠運行至關重要。海底觀測網采用的電力電子化高壓直流供電系統可控性強、響應快速，具有強非線性和小信號意義下的恒功率負載特性，在源、荷或線路擾動下易產生電磁失穩和高頻震蕩，具有非常獨特的暫穩態特性。由于海纜存在較大的電阻和感抗，其為特殊的直流弱電網，負荷對供電系統的影響大，海纜電壓降落和波動遠大于陸地電網。

海底供電系統是時刻受到擾動的非線性動力系統，其穩定性是指在正常運行情況下維持平衡狀態且受到擾動后可恢復到合適平衡狀態的特性。其靜態穩定的實質是系統能夠在小擾動下保持某個運行穩態；其暫態穩定是指系統在某個運行穩態下受到大擾動后，經過暫態過程能恢復到原穩態或過渡到新穩態。系統若線路電壓或電流不斷振蕩，導致無法運行，則不穩定。

由眾多變換器組成的海底電力電子化供電系統的動態特性極為復雜，即使所有變換器能在其允許范圍內獨立穩定運行，互連之后也可能導致系統失穩或性能異變。海底電力結線、電壓等級和功率分布、海纜分布參數及高壓變換器性能參數等，均可能影響電磁時間尺度上的電壓穩定性。為提高海底觀測網供電系統運行穩定性，Howe等提出合理設計海底變換器的輸入濾波器，Harris等則提出在海底變換器的輸入側并聯調節器。

電能變換器將數千伏以上的高壓直流電降壓變換為海底觀測平臺所需的數百伏中壓直流電，是海底主基站的關鍵裝置，須在極端惡劣的海底環境下長期高可靠運行，是世界上實際應用中最高電壓的海底電力電子裝置。為耐高水壓和強腐蝕性，高壓變換器通常封裝在體積受限的鈦合金耐壓腔體中。為提高電能變換效率、降低熱損，高壓變換器采用基于電力電子功率器件的高頻開關直流變換技術，實現緊湊體積和高功率密度。

10多年來，國內外研究了海底高壓變換器的兩種可行方案，即多模塊組合和多功率管串聯，來實現10 kV到375 V的直流變換。目前，加拿大西北太平洋時間序列觀測網（NEPTUNE）、美國蒙特雷灣加速研究系統（MARS）、日本海底地震海嘯密集觀測網（DONET）等采用多模塊組合變換器，而美國海洋觀測計劃（OOI）則采用功率管串聯變換器。其中，日本DONET采用的變換器為1.1 A小電流恒流輸入，功率約500 W。

美國宇航局噴氣推進實驗室提出將50個低壓雙管正激模塊通過輸入輸出串并聯組合，采用同占空比控制策略，實現10 kV/10 kW高壓直流變換。該變換器對模塊和器件參數的一致性有較高要求。為提高可靠性，“N+M”冗余的多模塊組合變換器須實現各模塊電壓和功率動態均衡，并通過故障檢測與隔離電路實現主被動容錯控制，使得在任意不超過M個模塊失效時仍能正常運行。相比多模塊組合變換器，功率管串聯變換器的結構更簡單。美國OOI采用的功率管串聯變換器將20個低壓功率管串聯后作為高壓模塊使用，輸出功率高達20 kW，同濟大學研究并驗證了功率管串聯變換器的可行性。

海底觀測網運行工況復雜多變，對于突發故障難以及時維修。為保障海底觀測網運行穩定可靠，須從存在誤差和噪聲干擾的供電狀態數據中，分析系統真實運行狀態，預測系統運行趨勢和風險，進行負載管理、故障診斷和隔離。而海底節點呈離散稀疏分布，狀態監測點遠少于陸地電網，可觀測性低、數據余度小，給海底遠程監控與運行健康管理帶來挑戰。

海底觀測網主要有正常運行、故障處理和啟動/重啟3種模式。海底供電系統所有狀態必須維持在穩定閾值內，而重載快速變化是失穩的主要風險，因此提高電壓穩定性的主要控制策略是切負荷、隔離故障和調節PFE輸出參數。海底分支器內的多組斷路器均有閉合、斷開和接地3種狀態，可控制各支路兩兩連通或隔離，以及各支路連接至接地極。基于海底分支器或集成分支器功能的海底主基站，可實現海纜分段繼電保護，大大提高海底觀測網的運行可靠性。

相比海底組網裝備，長距離海纜的故障診斷難度更大。海纜電學故障主要包括低阻接地故障、高阻接地故障、閃絡故障和開路故障，光學故障主要是光纖斷路或光損異常。海纜故障定位主要分為阻抗分析法和行波法。小型無中繼系統可采用行波法定位故障，長距離有中繼系統須采用阻抗法分析故障。美國的華盛頓大學以及中國的海軍工程大學、同濟大學、浙江大學和中國科學院沈陽自動化研究所等單位研究了海底觀測網的電能監控軟硬件，提出海纜故障定位算法，有望實現稀疏感知下的運行健康監測，進一步提高海底觀測網的運行可靠性。

海底光纖通信系統可分為有中繼系統和無中繼系統。在海底廣域觀測網中，中繼器負責放大遠距離傳輸的光信號，分支器可實現光分插復用，多個海底主基站可共享同一光纖對的容量。小型海底觀測網采用無中繼系統，分支器可為每個海底主基站分配獨立光纖。需要注意的是，綜合性海底廣域觀測網不論采用恒壓饋電還是恒流饋電，均需改進傳統恒流模式供電的中繼器和分支器，使兩者能滿足寬電壓范圍、大電流下運行的需求。

海底觀測網通常采用簡單網絡時間協議（SNTP）、網絡時間協議（NTP）和精確時間同步協議（PTP），使得分布式節點之間具有統一的時鐘基準。其中，NTP的時間同步精度為毫秒級，而PTP的時間同步精度為微秒級。基準和備用主時鐘模塊安裝在岸基站時間服務器上，通過全球衛星定位系統實現與協調世界時（UTC）保持一致。從時鐘模塊安裝在海底主基站內，通過海底通信系統與岸基站主時鐘同步時鐘，并可通過秒脈沖和日期時間信號（1PPS+TOD）為儀器設備授時。

海底觀測網安全運行的外部風險和環境影響較大，運行安全在線監測技術是其長期可靠服役的重要保障，是從“事后維修”到“視情維護”的基礎。中國近海海域商船活動繁忙，漁業捕撈作業頻繁，且有的海域水動力性強、地質穩定性弱，存在沉積物的沖刷和淤積。同時，中國陸架海域多為活動性沙波，而陸架殘留砂平原區在強臺風作用期間，海底表層會遭受擾動。由于海底環境極端惡劣、系統維修難，為確保海底觀測網安全運行，需實時監測和動態評估其外部風險因素，預測其可能遭受的外力破壞風險。

基于船舶靜動態信息，可感知海底觀測網路由通道的海面船舶實時態勢，分析船舶拖網、拋錨、擱淺等動態行為特征，建立船舶危險行為模型、風險判定策略、預警指標閾值，評估危害海底觀測網運行安全的外部風險因素。Marzuki等基于監督學習算法，分析漁船軌跡特征，識別非法捕魚行為。張振鵬等采用有限元計算分析了錨害對海纜機械結構變形和絕緣層性能的影響。Rivet等利用海纜光纖，基于分布式聲學傳感（DAS）技術，識別船舶及其軌跡。通過海底裝備運行位姿和周界環境動態監測，結合海面船舶實時態勢感知，可預測海底設施可能遭受的外力破壞和故障風險。

海底觀測和深空探測相似，都是遠離人類生存環境，因此適合利用智能機器人去執行任務。水下機器人為自容式供電，電池能量密度是制約其續航能力的關鍵因素。通過連接至觀測網的海底接駁塢，常駐式機器人可原位充電、上傳數據和下載指令，將其機動性與海底觀測網持續供電和高速通信的優勢結合，在原位蹲守觀測的基礎上主動出擊探測，可進一步擴展海洋觀測的空間尺度，提高自適應觀測能力。此外，常駐式機器人可對海底高風險設施持續開展預防式周期巡檢和輕量維護，對可能存在的異常提供預警，降低海底設施停運風險。

由于海底環境特殊，接觸式輸能通信采用的濕插拔連接器操作難度大、插拔次數有限，海底接駁塢通常采用更為可靠的非接觸式電磁感應耦合及諧振技術（CPT），將能量和信息穿透海水介質傳輸給水下機器人。海底CPT技術的優點是無短路風險，且對接過程可由水下機器人自主完成，其缺點是能量傳輸效率遠低于濕插拔連接器，存在額外的發熱損耗。

目前國內外的研究主要針對單個魚雷型AUV的“漏斗型”接駁塢，其與水下機器人之間的結構耦合穩定要求較高，存在輸能范圍有限、抗干擾能力弱等問題。國內外海底接駁塢總體上處于實驗室階段，尚未在工程上開展長期應用。

海底組網裝備需要在高水壓、強腐蝕、強導電的極端環境下長期服役，且近海海域存在高外力風險、強水動力、重度生物附著污損等風險。除開展多學科優化、可靠性測試、環境適應性試驗、規范化海上試驗外，還亟需研究海水長期耦合下的海底復雜裝備性能退化與失效機理，實現海底極端環境超長期服役設施的全生命周期管理。同時，基于模塊化、型譜化和流程化的原則，建立海底復雜裝備研發、生產制造、測試試驗和質量管理體系。

為提高可靠性和容錯能力，海底主基站和海底設備適配器具備遠程電能監控和通信網絡管理功能，具備輸入輸出浪涌保護、過壓與欠壓保護、過流與短路保護、雷擊與磁暴保護、過溫與漏水保護以及安全預警等功能。根據實際布放海域情況，海底主基站具有整體式和分體式兩種結構類型。海底主基站和海底設備適配器在淺海應用時，框架結構應設計為具有防拖網、抗錨害和防沉降能力。針對海底環境特點，應采用耐海水腐蝕的金屬材料和重防腐蝕防污損涂裝，來設計耐壓密封結構和機電集成散熱結構，以提高海底組網裝備的運行壽命。

20世紀末，美國開始探索基于海底光電纜的近岸海底觀測站，包括長期生態觀測站（LEO-15）、夏威夷水下地學觀測站（HUGO）、夏威夷-2號觀測站（H2O）、馬薩葡萄園島海岸觀測站（MVCO）等。這些單節點海底觀測站供電和通信資源極有限，擴展性差，只支持少量低功耗傳感器。

進入21世紀，各類小型海底觀測網快速發展，如加拿大維多利亞海底試驗網（VENUS）、美國MARS和寡營養長期生態觀測網（ALOHA）、意大利NEMO-SN1觀測網、挪威AWIPEV-COSYNA觀測網和LoVe觀測網、西班牙OBSEA觀測網、愛爾蘭智能港灣觀測網等。此外，法國、德國、瑞典、希臘、阿曼、土耳其等均有小型海底觀測網建設。其中，NEMO-SN1通過長約25 km的海纜接入“中微子望遠鏡”NEMO，獲得電能并實現數據傳輸。這些小型海底觀測網的規模通常不超過150 km，采用鏈式結線單端供電、樹型拓撲無中繼通信，可靈活擴展多個觀測節點，大大增強了供電和通信能力，推動了大功率海底原位實驗裝置的發展，從而大幅提高了海洋觀測能力。同時，它們還作為海底廣域觀測網儀器設備和新技術的試驗場所。除利用退役海纜建設的ALOHA采用恒流模式饋電外，其他絕大多數小型海底觀測網均采用恒壓模式饋電。部分典型小型海底觀測網基本參數如表1所示。

表1  部分典型小型海底觀測網基本參數

目前國外已建成數個有中繼海底廣域觀測網，代表性的主要有加拿大NEPTUNE、美國OOI和日本DONET。21世紀初，日本海洋科技界曾提出建造先進實時海底區域監測網（ARENA），計劃采用網型拓撲覆蓋整個日本周圍海域，海纜長達3600 km，每50 km布放1個海底主基站，共有4個岸基站和66個海底主基站，但其因技術和經費問題未建設。圖2為典型海底廣域觀測網的示意圖。加拿大NEPTUNE位于東太平洋Juan de Fuca板塊北部，設計支持10個海底主基站。其中，一期布放的5個海底主基站位于17~2660 m水深范圍。美國OOI位于Juan de Fuca板塊中南部，一期分成兩條海纜，從淺水到3000 m水深范圍內布設了7個海底主基站。上述兩個海底觀測網采用基本相同的關鍵技術，主要區別是前者的海底主基站與分支器通過分支海纜連接，而后者的海底主基站則集成了海底分支器的功能，無分支海纜。加拿大NEPTUNE和美國OOI面向綜合性海洋觀測，采用恒壓饋電模式，供電和通信能力強大，可靈活擴展各類海底儀器。日本DONET側重地震海嘯監測，采用恒流饋電模式，供電和通信能力弱，主要支持地震儀和壓力計用于自然災害監測，擴展能力有限。較為特殊的是日本海溝海底地震海嘯觀測網（S-net），其觀測節點集成至鈹銅耐壓腔體內，隨海纜布放、敷埋，功率極小、無擴展性，類似SMART Cable系統。同時，歐洲多學科海底觀測系統（EMSO）正在建設中，其由數個海底系統組成，覆蓋北冰洋、大西洋、地中海和黑海等歐洲大陸周邊廣闊海域。其中，規劃的葡萄牙CELTNET觀測網海纜長度約1500 km，而塞浦路斯海嘯預警系統（TWERC）海纜總長約為900 km，均為恒壓饋電有中繼系統。典型海底廣域觀測網基本參數如表2所示。

相比國外發達國家，中國海底觀測網研究和建設起步略晚。國內涉海單位已基本完成關鍵技術積累和組網裝備研制，中國各邊緣海均有小型海底試驗網運行。同濟大學、浙江大學和中國科學院沈陽自動化研究所等單位研究了海底觀測網的核心組網裝備。其中，同濟大學主持研制的第二代海底觀測網核心組網裝備如圖3所示，總體指標與國際先進產品相當，且具有更大功率和更高功率密度。

在上海市科學技術委員會（簡稱上海市科委）資助下，同濟大學牽頭建設的中國第一套海底觀測試驗系統“東海海底觀測小衢山實驗站”于2009年建成并投入運行，并在2010年記錄了智利大地震引發海嘯對東海近岸的影響。在“十一五”“863”計劃資助下，同濟大學牽頭聯合多家涉海高校合作研究了海底長期觀測網試驗節點關鍵技術，研制的國內首個海底觀測節點在美國MARS上成功進行了中國首次深海長期并網試驗。在“十二五”“863”計劃和上海市科委的資助下，同濟大學和中國科學院聲學研究所分別牽頭、聯合國內高校和科研院所建設的東海和南海海底觀測試驗網，于2015年和2017年啟動海試和試運行。“十三五”期間，同濟大學牽頭、中國科學院聲學研究所共建的“海底科學觀測網”國家大科學工程正式立項，目前正在建設中，將在中國東海和南海典型海域實現從海底、水層到海氣界面的長期實時立體綜合觀測。

此外，中國臺灣地區已建成小型的“媽祖”海底觀測網（MACHO），其海纜長約45 km。一個海底主基站位于水深300 m處，安裝有寬頻地震儀、短周期地震儀、海嘯計、鹽溫深儀和水聽器等觀測儀器。

海底觀測網是現代海洋技術的集大成者，是海洋研究的革命性工具。海底廣域觀測網是智慧海洋系統的關鍵基礎設施，在建設海洋強國進程中具有重要的戰略地位。海底觀測網可廣泛應用于全球變化、海底過程和海陸作用等重大前沿基礎科學研究，可為海洋災害預警、資源能源開發、環境監測保護和國防安全警戒提供強有力的支撐。

經過10多年的發展，中國海底觀測網技術獲得了重大突破，基本達到世界先進水平，但總體上與國外最高水平仍存在差距。在基礎理論上，需進一步加強海底極端環境超長期服役的復雜工程可靠性理論研究，建立海底觀測網從元器件和原材料到整個系統的全生命周期可靠性管理體系。在關鍵技術上，由于海洋常駐裝備的創新鏈條很長，往往十年磨一劍，資源投入大、研發周期長，須產學研用協同來促進發展。

同時，應充分發揮海底觀測網持續大功率供電和高速通信的優勢：一是發展常駐式移動觀測平臺和無線拓展觀測平臺，與海底觀測網充分結合，擴展觀測的空間尺度，實現自適應海洋觀測；二是面向凝練的科學問題，發展相應的海底原位智能實驗室，有計劃地獲得時間序列海洋環境要素；三是實現多種儀器設備自主協同的交互式海洋觀測，并加強海量數據分析方法的研究，不斷提高科學應用和經濟社會效益。