浙江大学学报(工学版)

浙江大学学报(工学版), 2026, 60(2): 248-259 doi: 10.3785/j.issn.1008-973X.2026.02.003

能源工程、机械工程

通感一体海洋网络技术综述

刁奕文,, 许人东, 胥国祥, 樊玉成, 印炜, 黄豪彩,

1. 浙江大学 海洋学院，浙江 舟山 316021

2. 江苏省海洋信息技术与装备创新中心，江苏 苏州 215223

3. 江苏亨通华海科技股份有限公司，江苏 常熟 215537

Review of SMART subsea network systems

DIAO Yiwen,, XU Rendong, XU Guoxiang, FAN Yucheng, YIN Wei, HUANG Haocai,

1. Ocean College, Zhejiang University, Zhoushan 316021, China

2. Jiangsu Marine Information Technology and Equipment Innovation Center, Suzhou 215223, China

3. Jiangsu Hengtong Marine Cable Systems Limited Company, Changshu 215537, China

通讯作者: 黄豪彩，男，教授. orcid.org/0000-0001-8096-0439. E-mail：hchuang@zju.edu.cn

收稿日期: 2025-03-4  

基金资助: 2024年度长三角科技创新共同体联合攻关计划项目（2024CSJGG2600）.

Received: 2025-03-4  

Fund supported: 2024年度长三角科技创新共同体联合攻关计划项目（2024CSJGG2600）.

作者简介 About authors

刁奕文（2001—），男，硕士生，从事海洋工程与技术研究.orcid.org/0009-0000-7363-7094.E-mail：yiwendiao@zju.edu.cn , E-mail：yiwendiao@zju.edu.cn

摘要

现有的海洋观测手段存在诸多局限. 通感一体海洋网络技术通过在海底通信光缆中集成温度、压力、加速度等核心传感器，构建兼具通信与科学监测功能的全球观测网络，以极低的增量成本实现对深海环境变量的全球长期原位观测，显著提升海洋自然灾害预警能力，展现出变革性的科技潜力和广阔的应用前景. 为此，介绍通感一体网络技术的原理、关键设备选型及项目实施方案，聚焦该技术在不同领域的应用，探讨可持续发展因素，为未来发展提供指导性建议.

关键词： 通感一体海洋网络技术 ; 海底通信光缆 ; 深海观测 ; 气候变化 ; 海洋自然灾害 ; 地震海啸预警

Abstract

Existing ocean observation methods face significant limitations. The science monitoring and reliable telecommunications (SMART) subsea network integrates key sensors, including temperature, pressure, and acceleration, into submarine communication cables to establish a global observation network that combines telecommunications with scientific monitoring. Long-term in-situ observation of deep-sea environmental variables is enabled globally at a minimal incremental cost, while marine natural hazard early warning capabilities are significantly enhanced, demonstrating transformative technological potential and broad application prospects. The technical principles, key equipment selection, and project implementation strategies of the SMART cable were introduced, focusing on its applications across various fields. Additionally, the sustainability factors were evaluated, and strategic recommendations for future development were provided.

Keywords： science monitoring and reliable telecommunications (SMART) subsea network ; submarine telecommunication cables ; deep-sea observation ; climate change ; marine natural hazards ; earthquake and tsunami early warning

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刁奕文, 许人东, 胥国祥, 樊玉成, 印炜, 黄豪彩. 通感一体海洋网络技术综述. 浙江大学学报(工学版)[J], 2026, 60(2): 248-259 doi:10.3785/j.issn.1008-973X.2026.02.003

DIAO Yiwen, XU Rendong, XU Guoxiang, FAN Yucheng, YIN Wei, HUANG Haocai. Review of SMART subsea network systems. Journal of Zhejiang University(Engineering Science)[J], 2026, 60(2): 248-259 doi:10.3785/j.issn.1008-973X.2026.02.003

海洋幅员辽阔，占地球总表面积的70.8％，其环境错综复杂，在气候变化、生态循环、地质变迁方面起着举足轻重的作用，其蕴含的丰富资源也对人类社会生产活动有深远影响[1-2]. 然而，海平面上升、海啸、地震和海底滑坡等自然灾害的破坏力强大，持续威胁着沿海生态系统与人类社会安全. 全球海平面上升[3-6]由全球变暖导致的极地冰盖和冰川的逐渐融化[7]以及水柱热膨胀[8]引发，将造成低地国家和沿海城市大量人口迁移，增加城市基础设施的成本[9-10]. 海啸是由海底地震[11]、火山爆发、海底滑坡产生的破坏性海浪，在几小时内就能横跨大洋，到达海岸时形成每隔数分钟一次的水墙，摧毁堤岸，淹没陆地，夺走生命，造成财产损失. 研究海洋科学、监测海洋活动、预防海洋灾害已经成为人类与自然和谐共处的重要任务[12].

现有海洋观测技术仍存在系统性局限：传统观测手段（如科考船、载人潜水器）要求科研人员随船考察，受限于航次周期和天气状况，难以实现持续的全球观测[13]. 遥控水下机器人（remotely operated vehicle, ROV）或自主式水下机器人（autonomous underwater vehicle, AUV）可以深入海洋进行无人观测或采样[14]，但受限于脐带长度或电池容量，观测持续时间较短. 卫星遥感能提供大范围的海表数据，但受分辨率和穿透能力的限制[15]，无法观测深层海洋的参数. 地转海洋学实时观测阵（array for real-time geostrophic oceanography, ARGO）系统为海洋温盐剖面研究提供了大量数据，该系统的精度较高，但垂向观测范围最深为2 km[16]，无法全面反映全球深海环境的动态变化.

自20世纪90年代起，人类先后建立了数十个不同规模的海底观测网络[17-21]. 这种新型观测手段，可以持续、实时获取离岸几百至数千千米内海底的原位数据. 此类观测网络因投资巨大而难以大面积部署. 为了实现各类监测功能，观测网络装备的有源电子器件很多，给长期运行带来了巨大挑战[22]，海洋环境也使得维修难度大大增加，维护成本高昂. 海底观测网络蒙特雷加速研究系统（Monterey accelerated research system, MARS）在2001年进行可能性分析后，2007年开始布放，2008年在首次运行时出现故障，历时半年才修复并投入正常运行[23].

海洋科学研究所需的深海关键数据存在显著数据缺口[24]，深海的长期连续观测数据覆盖率不足5%[25]. 海底光缆通信与科学感知一体化融合网络技术（science monitoring and reliable telecommunications subsea network, SMART subsea network, 以下称为通感一体海洋网络技术）应运而生，该技术将多目标参数传感器集成于商用海底通信光缆中，使得光缆兼具通信数据传输与科学感知功能，进而组建全球化的通信-感知一体化水下网络. 该技术有望为海洋科学研究填补关键数据空白，对推动海洋科技进步和社会可持续发展具有重要意义. 本文介绍通感一体海洋网络技术在当前研究中的关键突破与具体实施，聚焦该技术在海洋环境监测、自然灾害预防中的应用进展，讨论其发展面临的挑战以及未来发展方向.

1. 通感一体网络

海底观测网具有重要的科学价值，其主要布设于陆地的近海，且建设成本高昂. 例如东北太平洋时间序列海底网络试验（North-East Pacific time-series undersea networked experiments, NEPTUNE）花费1.4亿美元布设[26]，后期复杂的运维工程需要的费用支持更多. 相比之下，商用海底通信光缆系统自1866年起步以来，凭借其传输距离长、通信容量大与服役寿命长等核心优势，已发展成为全球信息通信的骨干网络. 该系统中采用的光电复合缆技术，能够实现大容量信息和电力同时无干扰传输. 全球现役的海底光缆已超过400条，总长度突破1.20×106 km[27]，承担着95%以上的国际通信业务[28]. 可见，电信行业的基础设施具有作为海洋观测系统基础的潜力. 与此同时，随着5G技术的广泛部署，全球向数字化经济和智能化社会发展，国际流量的持续增长推动海底光缆工程持续创新，电信行业也亟须技术突破以支撑未来演进需求.

You[26]的研究表明，庞大的全球跨洋通信光缆网络为海洋环境监测提供了新的可能，退役或检修的第一代光纤电复合缆花费每条2 000~5 000美元进行迁移和改装就能重新用于科学用途. 美国地震学研究联合会（incorporated research institutions for seismology, IRIS）的地球物理和海洋物理-跨洋电缆项目(geophysical and oceanographysical-trans ocean cable, GeO-TOC) [29]使用由美国国际电话电报公司AT&T和日本KDDI电信公司联合捐赠的退役TPC-1型通信电缆途搭载海底地震仪，设备被安装在关岛和日本之间，用于监测太平洋中的地震信号. 海底通信光缆系统的主干线路每隔几年，次要线路每隔10~15 a会进行检修、更换或扩展. Howe等[30]提出通感一体海洋网络技术的概念，提倡将多科学目标传感器集成的目标从退役或检修的通信系统推广至现有及未来规划中的海底通信光缆中，以期构建全球范围的、兼具高精度实时监测与通信功能的海底网络[31]. 相比单一用途的原位海底观测网，通感一体海洋网络具有更低的增量成本、更广泛的覆盖范围和更成熟可靠的技术支撑. 联合国的国际电信联盟、世界气象组织、教科文组织政府间海洋学委员会牵头成立联合推进工作组（joint task force, JTF），明确了通感一体海洋网络技术作为全球海洋观测系统（global ocean observing system, GOOS）新组成部分的潜力，努力推进该技术的实现[32]. 在海洋学和海洋气象学联合技术委员会、政府间海委会协调小组-太平洋海啸预警系统以及全球海洋观测合作伙伴组织的支持下[33-34]，JTF开始制定解决科学、工程、法律和法规合规性问题的方案，在全球协调部署，逐步启动多个区域试点项目以验证技术，并为未来计划进行资金募集[35].

2. 技术方案与具体实施

2.1. 核心传感器

全球海洋观测系统的核心概念是在全球海洋范围内进行基本海洋变量（essential ocean variables, EOV）[36]的监测. GOOS官网[37]列出的部分EOV如表1所示. 作为GOOS全面深海观测战略的重要组成部分，通感一体海洋网络技术的首要任务是通过传感器实现对EOV的高精度、高时空分辨率监测，并无缝地纳入该系统数据库[38]. 所有通感一体海洋网络技术必须配备以下3种核心传感器，以满足最简单、最基本的观测需求.

表 1   部分基本海洋变量

Tab.1  Part of essential ocean variables

物理化学生物与生态系统
温度溶解氧浮游动植物的生物量与多样性
海底压力叶绿素鱼类的分布和丰度
海表高度无机碳微生物的生物量与多样性
盐度悬浮颗粒物硬珊瑚的覆盖率与组成
海表热通量营养物质红树林的覆盖率与组成

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1）温度传感器. 该传感器用于监测深海温度，为研究气候变化和海洋环流动力提供数据基础. 如南极的深海底层水因全球变暖吸收大量热量[39]，导致海平面上升. Smeed等[40]发现大西洋经向翻转环流（Atlantic meridional overturning circulation, AMOC）和南大西洋经向翻转环流（South Atlantic meridional overturning circulation, SAMOC）的变化与海洋温度、海气热通量和海平面的变化有关，这表明全深度海洋环流特征对调节区域和全球气候非常重要. 相比现有的深海温度观测手段，通感一体网络的温度传感器能够提供更高的空间和时间分辨率，其空间分辨率约为50 km，远优于ARGO系统的500 km[41]和分辨率更低的跨洋阵列系泊系统[42-44]. 在时间分辨率上，通感一体网络可以实现实时、连续监测，相比ARGO系统10~15 d的观测频率和全球海洋船载水文调查计划（global ocean ship-based hydrographic investigations program, GO-SHIP）每10 a的跨洋水文断面观测航次更具优势[45].

2）压力传感器. 该传感器用于测量海底压力，改善海洋环流估计、辅助卫星测量和提供海啸预警. 当通感一体网络的SMART海缆横跨整个大洋盆时，通过测量的海底压力（ocean bottom pressure, OBP）计算沿线的压力梯度（该数据直接反映该深度的洋流输运情况）来推算AMOC上层和深层环流[46-48]的主要地转分量. 布设在不同纬度的SMART海缆将海洋划分为多个区域，通过OBP计算跨区地转输运，实现对各个海洋盆地长期质量变化的量化. OBP观测可以精细化辅助卫星观测技术. 在重力场测量方面，OBP观测数据相较于数值模型校正方法[49-50]，可以更好地减少重力恢复及气候实验（gravity recovery and climate experiment, GRACE）[51]和重力恢复与气候实验后续任务（gravity recovery and climate experiment follow-on, GRACE-FO）[52]卫星因水平积分效应导致的短尺度过程混叠误差和由近岸水文过程带来的测量误差. 在预测海平面上升方面，OBP观测数据结合卫星测高技术，能够精准解析不同的驱动因素. 相较于传统潮位计观测，该方法可以区分出是冰盖融化引起的质量变化，还是海水升温引起的热膨胀效应，从而提高海平面上升的预测可靠性. OBP观测数据还可用于解析季节性或更长时间尺度[53-54]上的全球潮汐变化过程（如以往因内波、混合层流和沿海边缘波等海表“地球物理噪声”[55]难以分辨的M2分潮振幅0~0.5 cm的季节性变化[56]），改进正压潮汐模型. 压力传感器可以进行海啸原位监测，提高海啸的近场预警能力和远场预报准确性，监测海啸异常激发机制. 相较于现役的海啸评估和报告深海传感器（deep-ocean assessment and reporting of tsunamis, DART）系统，在全球布设通感一体网络，可以将深海海啸监测点从70个[57]增加到数百甚至上千个，更准确地评估远场海啸的威胁[58]. 在全球范围内布设5条节点间隔500 km的SMART海缆组网后，3个以上节点检测到海啸的时间从2.1 h缩短至1.6 h，检测速度提高了24%. [59]，显著增强了1 000 km以上海啸警报的准确性，减少了误报和不必要的疏散，降低了社会经济成本[60]. 近场海啸通常在地震发生10 min内迅速抵达沿岸，DART 系统因布设位置较远，难以及时分离震后初期混杂的地震信号与海啸信号，限制了近场海啸的预警能力. 通感一体网络可以获得实时的高采样率海底压力数据，通过频率滤波技术有效分离地震信号与海啸信号，从而弥补现有系统在近场海啸监测中的盲区，提高沿海社区的预警效率和应对能力[61]. 海啸预警的另一挑战是确定海啸的触发机制. 大约72%的海啸由大型海底地震引发的海床形变引起，传统的海啸预警系统（如太平洋海啸预警中心）主要基于地震震级和震中位置来发布预警，容易导致由海底滑坡、火山喷发造成的海啸因地震震动较弱未被及时识别[62]. OBP传感器可监测海底滑坡和断层破裂模式[63]，优化有限断层模型[64]，识别地震震级无法解释的海啸异常激发机制，弥补传统海啸监测在触发机制识别上的盲区[65-66].

3）三轴加速度传感器. 该传感器用于捕捉海底地震的运动信号，有助于更快、更准确地进行地震测量和预警. 全球地震网络（global seismographic network, GSN）中大部分的地震仪和强震动仪器是陆基设备，海洋地区的地震波传播路径数据不足，通过全球3D地震波层析成像技术计算震源位置常受到方位角覆盖不足的影响[67]. 如果在北太平洋沿线铺设SMART海缆，该地区的地震波数据量将增加300%[68]，能够填补海洋地震观测的空白，优化3D地震波层析成像技术[69-70]，提高远震定位能力. 在全球范围内布设5条节点间隔500 km 的SMART海缆组网后，5个以上节点检测到地震的平均时间从144 s减少到114 s，检测速度提高了21%，显著提高了震级估算精度[71]，加快了地震和海啸预警响应.

为了实现商业光缆的工业标准化生产装配和规模化部署，每条光电复合缆上须配备相同的核心传感器，且保证它们在最严苛的海域海况下都能稳定工作，这对传感器的技术性能和可靠性要求极高. JTF在2012年就传感器技术研究向富士通、华为海洋网络和耐克森等公司寻求合作[72]，保密期限过后将系统功能要求[73]和湿演示的结果[74]以报告的形式于2015年发布在官网上[75]，报告中包含了JTF建议的传感器具体性能参数，以满足全球一致的深海观测需求. JTF官网给出的温度传感器、压力传感器和三轴加速度传感器的性能指标分别如表2、表3和表4所示. 值得注意的是，压力传感器的测量迟滞性和重复性都需要不超过±0.005%量程，三轴加速度传感器的幅度响应应为工作频率的±1%，线性度应为量程的±1%.

表 2   温度传感器性能指标

Tab.2  Performance indicators of temperature sensor

参数数值
量程/℃−5~+35
初始精度/℃±0.001
稳定性/(℃·a−1)0.002
采样率/Hz0.1
采样分辨率/bit34

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表 3   压力传感器性能指标

Tab.3  Performance indicators of pressure sensor

参数数值
量程/MPa0~73
超压耐受性/MPa84
精度/mm±1
稳定期后的最大允许漂移/(kPa·a−1)2
本底噪声/(Pa2·Hz−1)0.14
采样率/Hz20
采样分辨率/bit32
补偿传感器采样率/Hz20
补偿传感器采样分辨率/bit24

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表 4   三轴加速度传感器性能指标

Tab.4  Performance indicators of three-axis acceleration sensor

参数数值
量程/g±1.5
频率响应/Hz0.1~2000
谐振频率/Hz＞2000
交叉轴灵敏度/%<1
噪声密度/(g·Hz−0.5)≤2.0×10−9
采样率/Hz400
采样分辨率/bit24

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2.2. 附加传感器

在满足以上3种核心监测功能的同时，通感一体网络还可根据布设海域的特点和研究需求选装其他传感器，以支持更广泛的科学研究和应用. 通感一体网络的大多数节点位于深海海底，具有可靠稳定的声传播条件，可接入主动和被动声学仪器进行监测[76]. 例如，被动声学传感器可用于监测精确的降雨量（降雨量对于全球水文循环研究至关重要[77]），该技术已于系泊设备和ARGO浮标上得到验证[78]. 被动声学传感器还可用于海洋哺乳动物研究[79]，如识别北极露脊鲸呼叫信号，划定季节性禁航区以减少船舶撞击风险. 分布式声学传感（distributed acoustic sensing, DAS）[80]利用瑞利散射原理，可将海底光缆转化为连续的传感器阵列，实现沿光缆全线的振动监测. 研究显示，DAS能够在跨越超过100 km的光纤长度上稳定运行[81]. 相比之下，接入如固定/移动声层析仪器[82]的主动有源声学仪器难度较大，但其能够反演布站大范围区域内的水文信息，为海洋动力过程研究提供高分辨率数据支持. 通感一体网络的数据还能够与其他学科融合，应用于多个领域. 例如，通过监测海水温度与浮游生物密度，优化金枪鱼捕捞季的规划，增加渔获量；结合卫星遥感数据，优化海洋保护区规划，增加碳汇能力；集成甲烷传感器监测海底油气泄漏，部署生物传感器追踪微塑料分布，提升海洋生态安全；监测深海采矿区的沉积物扩散，确保海底采矿实时符合国际海底管理局的环保标准. 多输入多输出（multi-input multi-output, MIMO）作为6G通信的关键技术[83]，能够在同一平台上共享相同的频谱资源，同时实现水下目标探测与通信任务[84]. 通感一体网络节点可作为水下基地，为搭载MIMO探测通信一体化系统[85]的AUV提供充电和数据接入服务，AUV探测到的目标数据可实时无线接入通感一体网络，以支持节点周边区域的大范围无人探测任务[86].

2.3. 搭载部件选型

向传统海底通信光缆网络中系统集成传感器，是通感一体海洋网络技术的目标. 为了不影响系统原有功能，要求集成传感器没有特殊的处理或部署方法，并且足够可靠. 95%的传感器至少可以正常运行10 a. 除了传感器，还须添加配套的数字信号处理、嵌入式处理器、光纤收发器、交换机和电源等配套功能元件，须综合考虑将传感器集成在海底通信光缆网络中的何种器件. 在跨洋通信光缆系统中，每间隔50~150 km会配备中继器进行光放大. Lentz等[87]提出在中继器中集成传感器，以实现对全球主要海域的基本全覆盖观测. 中继器的压力外壳为直径30 cm、长60~120 cm的圆柱形，内部可供安装的空间为3 000~4 000 cm3. 温度和压力传感器与环境接触，须安装在中继器压力外壳的外部. 如图1所示，温压传感器有2种安装方案. 1）安装在压力外壳的外部，钟形端盖的内部；这种安装方案可能要修改钟形端盖以提供足够的体积，或者开发更紧凑的传感器. 2）将传感器放置在距离中继器10~15 m的果核形吊舱中，供电和信号传输线缠绕在主缆上. 当压力传感器的漂移率远大于应变累积的长期速率时，会对测量产生影响. 基于海底观测网多年的经验积累，已有多项原位校准技术可用于消除压力传感器的长期漂移. 自重测试仪方法通过定期将测量源在外部压力和自重测试仪之间切换，来校准部署在海底的压力传感器[88]；Wilcock等[89]提出的A-0-A 方法，使用仪器外壳的内部压力作为参考压力代替自重测试仪，进一步减少了空间占用，但该改进装置依然无法装入中继器内. 在已进行的各项验证实验中，使用的仍然是未经校正的石英压力传感器. 三轴加速度计安装在中继器外壳内. 温度传感器和三轴加速度传感器输出模拟信号，压力传感器输出频响信号，这3类信号均由数字信号处理模块转化为数字信号. 嵌入式处理器集成这类传感器的数据并将其格式化.

图 1

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图 1   传感器的2种安装方式

Fig.1   Two sensor mounting options


地震和海啸预警有时效性，这要求通感一体网络的数据在检测到的一分钟甚至几秒钟内传送至岸基. 核心传感器采集的原始数据总速率如表5所示，其中fs、n、Rb分别为采样率、分辨率和比特率. 加入数据包封装和协议开销后，假设网络中有175个中继器串联，则传输测量数据所需的总带宽约为4 Mb/s. Fouch等[90]建议使用光纤收发器将数据由电信号转换成光信号，使用交换机整合上一节点的数据包后，通过光电复合缆中的光纤向下一节点的中继器传输数据. 这种方法的优点：单节点容量可达1 GB，传输速率可达100 Mb/s，以太网芯片组支持精确时间协议，可为岸基接收的数据添加时间戳[87]. 运营中的跨洋海底光缆通信系统的光纤芯数多为2~8对，面对2010年来增长了12倍的全球互联网流量，单芯光纤容量已逼近香农极限，通感一体网络的数据接入将进一步加剧带宽压力. 为了应对这一挑战，未来的海底光缆系统将引入空分复用（space division multiplex, SDM）[91]技术，以突破容量瓶颈，同时有效降低数据传输成本.

表 5   传感器数据带宽

Tab.5  Sensor data bandwidth

数据源fs/Hzn/bitRb/(bit·s−1)
X轴加速度400249 600
Y轴加速度400249 600
Z轴加速度400249 600
温度0.1242.4
压力2024480
原始数据总速率——29 282.4

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电源模块为传感器和其他配套电路模块供电，并与中继器内大约15 kv的高压进行电压隔离. 可以使用DC-DC变压器提供电压转换，也可以使用光纤供电技术[92]隔绝30~70 kV的电压. Samara Data和Ocean Specialists公司合作的海底数据系统（subsea data systems, SDS）[93]获得美国国家科学基金会的小企业创新研究（small business innovation research, SBIR）计划和戈登和贝蒂·摩尔基金会的支持，开发中继器原型机，以帮助新喀里多尼亚-瓦努阿图地区进行通感一体网络的布设. 中继器内部安装了大量有源电子器件，其散热依赖于散热器与衬在压力外壳内的聚乙烯绝缘体之间的热传导机制. 即使将所有数据处理单元集成为1~2块电路板，仍须确保电路板布局不占据原有有源组件的散热路径，还应避免引发电晕放电的锐边设计[87]. 在封闭的压力外壳上安装温度和压力传感器须进行结构改动，并开孔以供电和信号传输线通过，此举将破坏外壳的完整性，导致其可靠性急剧下降. 各电信供应商的中继器功能相似，但机械配置和制造工艺会存在差异，因此这些设计必须中继器制造商的开发团队的参与. 考虑到以上因素对系统性能、可靠性和兼容性的影响，将传感器集成到中继器仍面临着极大的工程挑战，很多科学研究机构正在考虑在其他器件上集成传感器的可能性.

分支器（branching unit，BU）的核心功能是将光缆分支一分为二，向不同目的地传输，构造多节点网络拓扑，避免重复布放导致的资源浪费. BU有1个主缆输入端，2个分缆输出端，同时为光纤对和高压电导体提供路由功能. 相比中继器，选择BU集成具有以下优势. 1）除了电源可倒换分支器、可选择分支器等特殊用途分支器以外，绝大多数工程用分支器是无源的，内部不含电子器件且具有大量富余空间，无需考虑信号干扰、散热管理和电磁隔离问题，极大降低了集成难度. 2）分支器直接把1条分缆的接口改为温压传感器接口，无需在压力外壳上进行额外的开孔设计和密封性处理，具有天然的结构优势，便于大批量工业生产. 江苏亨通华海科技股份有限公司在双缆并行压铠结构的可埋设型分支器[94]的基础上，提出新的传感器集成方案. 这种分支器采用双缆并行压铠结构，2条分缆合用1个抗弯器，大大缩小了整体尺寸，减轻了敷设的难度. 该公司目前已成功研制出SMART Box[95]样机，并计划于在2028年于东海进行2000 m海试，以验证其在深海环境下的稳定性和测量精度.

3. 模拟与实际工程应用

通过观测系统模拟实验（observing system simulation experiments, OSSEs）来估计通感一体网络全球布放后的改进. Irrgang等[96]将模拟的通感一体网络1 a的OBP测量值同化到马克斯普朗克研究所海洋模型（max Planck institute ocean model, MPI-OM）中，改善了整体动态模式. 研究表明，在印度洋、太平洋和大西洋的OBP模拟中均方根误差分别减少了40%、20%和20%，对墨西哥湾流和黑潮的模拟也更加准确. Renninger-Rojas等[97]使用1/24°的耦合模拟数据融合已有的ARGO和GO-SHIP数据，构建估算环流与气候-麻省理工学院通用环流（estimating the circulation and climate of the ocean-MIT general circulation model, ECCO-MITgcm）高分辨率模型，对垂向深度覆盖0~6 000 m的50个剖面层进行相关性计算和伴随灵敏度分析. 观测系统模拟实验评估通感一体网络对水深大于2 000 m的几个重点海域EOV观测改进程度，确定其布放优先次序. 印度洋的苏门答腊-爪哇俯冲带是全球最活跃的地震和海啸区域之一，历史上曾发生多次大规模地震和灾难性海啸，如2004年的苏门答腊-安达曼地震、2010年的孟塔瓦伊地震、2018年的帕卢地震等. Salaree等[59]模拟在苏门答腊-爪哇海沟外侧沿线布设1条装备核心传感器、长约8 000 km的SMART海缆，评估其对海啸和地震监测能力的提升效果. 针对矩震级（moment magnitude, MW）7.8~9.3的6种可能震级的大地震，P波的中位检测时间和定位时间分别减少约7和12 s，地震发生后的20 s内，至少2个节点检测到P波，10个节点检测到S波. 模拟58种的海啸波中，苏门答腊区域和爪哇区域的滑坡海啸分别在10和20 min内可被至少4个节点检测到.

除了数值模拟验证外，通感一体网络技术已进入实际部署和应用阶段. 全球范围内已有多个试点项目进行现场湿演示，部分地区已完成初步布设，还有多个规划中的工程正在推进. 未来，随着技术的不断优化和行业合作的深化，通感一体网络在全球的应用将进一步扩大. 在地中海，距离西西里岛东部海岸25 km，水深2 100 m处有的欧洲多学科海底和水柱观测站（European multidisciplinary seafloor and water column observatory, EMSO），水下光电复合缆从卡塔尼亚港延伸到海底，并分成2个分支. 2019年，由意大利研究部资助的InSEA[98]项目将核心传感器集成到现有光缆的3个电信中继器中，用于验证通感一体网络的可行性，为EMSO设施增强EOV的观测能力. 这是个铺设SMART海缆的原型证明，集成核心传感器的水下电信光缆可以以商业标准的方式部署，同时可提供高质量的数据[99]. 在东大西洋，葡萄牙计划启动新大陆-亚速尔群岛-马德拉岛（new continent-Azores-Madeira, CAM-2）环形通感一体网络工程，使用SMART海缆替换现有的老化电信电缆，全长3 700 km，预计2026年完工. 在西太平洋，由于靠近太平洋盆地周围地震活跃的“火圈”，瓦努阿图经常发生大地震及其引发的海啸. JTF规划布设穿过岛国瓦努阿图和新喀里多尼亚间俯冲带的SMART海缆，在新赫布里底/瓦努阿图海沟两侧各有1个智能中继器[100]，为此地区提供宝贵的海啸预警能力，更好地了解该俯冲带的地球物理特征，该项目的估计成本为2 000万美元. 在印度洋，印度尼西亚所处位置是全球最活跃的地震带之一，易受到构造地震、火山爆发和水下滑坡引发的远场和近场海啸的威胁. 印尼技术评估和应用部门从2020年初开始规划SMART-CBT（cable-based tsunami）项目，计划在望加锡海峡部署海底光缆监测系统[101]，连接东加里曼丹和西苏拉威西马木朱，该系统将集成地震与海啸传感器，为沿海地区提供更快速、精准的预警信息，增强灾害防御能力. 在南极，为了填补AMOC的观测数据缺口[102]，加拿大海洋网络公司（ocean networks Canada, ONC）与西班牙高等科研理事会合作，于2024年在利文斯顿岛的西班牙胡安·卡洛斯一世站布设了自主海底观测站，并连接到 SMART海缆，以补充从智利南部到南极洲的通感一体网络部署. 该站点装备的核心传感器每30 min记录一次数据，每3 h通过铱星通信系统发送到ONC数据管理中心进行质量控制.

极地地区冰融增加导致的海洋环流变化是影响地球气候调节的关键问题. 南极绕极流（Antarctic circumpolar current, ACC）是世界上唯一与地球上所有其他洋流都有关联的洋流. 美国国家科学基金会（national science foundation, NSF）提议，从新西兰出发布设SMART海缆连接南极洲罗斯海的麦克默多基地[103]，该缆具有太比特级的联网能力，可以消除研究人员、教育工作者当前面临的带宽限制和基于卫星通信的高延迟，提供南极底层水温和水量、南大洋ACC、和区域海平面上升等重要的极地气候变化指标. 该项目已完成NSF的科学研讨会和桌面研究. 智利政府也计划从威廉姆斯港布设SMART海缆，穿越德雷克海峡到乔治王岛，项目正在进行可行性研究[104]. 在北极，JTF目前正在考虑在以下2个主要项目中增添核心传感器和DAS[105]的可能. 1）Far North Digital公司和True North Global Networks发起远北光纤（far north fiber）项目，计划建设长约14 000 km的海底光缆，连接日本和欧洲，途经西北航道，并在阿拉斯加设置登陆点；在欧洲，计划在挪威、芬兰和爱尔兰登陆. 2021年12月，Cinia公司和ARTERIA Networks公司加入合作联盟. 2）北极地连接（Polar connect）：光缆将从挪威北部经过格陵兰岛北部，越过北极，到达日本和韩国，由北欧和波罗的海国家研究教育网络支持组织NORDUnet推动. 该项目不仅将为极地通信提供高效、低延迟的连接，也是展示配备传感器和DAS技术的大型综合系统的绝佳机会.

4. 可持续发展因素

4.1. 社会经济效益

联合国大会于2017年12月正式宣布，将2021~2030年定为“联合国海洋科学促进可持续发展十年”，以支持改善海洋健康，确保海洋科学促进海洋的可持续发展. 作为联合国教科文组织政府间海洋学委员会认可的海洋十年行动之一[106]，通感一体网络技术不仅可以进行科学监测和灾害预警，还能带动蓝色经济和良好的社会效益. 通感一体网络提供了支持蓝色经济的技术进步，世界银行将其定义为“通过几乎无处不在的参数传感来跟踪海洋的健康状况和气候变化的潜在影响后果，在保护海洋生态系统健康的同时，可持续地利用海洋资源促进经济增长、改善生计和就业”[107]. 适度的改造下，人类可以充分利用海底通信行业的所有资源，优化海洋资源的开发与管理，造福社会；在传统电信光缆上集成传感器可以创造新的市场机遇[108]，吸引非传统用户，实现经济的可持续增长.

4.2. 法律制度

1982年颁布的联合国海洋法公约确立了海洋通信的法律框架，海底电信光缆拥有国际法中的特权地位，反映了其作为基本公益物的地位[109]. 由此可见，在法律程序方面，通感一体网络的部署和维护所受限制远少于 ARGO 浮标系统，为其全球化推广提供了良好的法律保障.

4.3. 数据管理

通感一体网络的数据将通过光缆传输到岸基进行存储和分发，JTF正在倡导FAIR[110]数据共享准则，鼓励对压力和地震等对预警系统至关重要的数据实现即时、开放、自由访问. 对于解算过的特定地球物理数据，可以接入现有的全球数据库，以提升数据共享效率. 对于海平面数据，可接入全球海平面观测系统（global sea level observing system, GLOSS）；对于地震数据，可接入美国地震学研究联合会数据管理中心、NOAA国家环境信息中心或欧洲集成数据中心[111]；对于预警系统的实时数据，可接入世界气象组织全球电信系统，并且应以如SeedLink的公认格式进行处理和传输，以便与现有数据存储系统兼容，减少数据整合成本.

4.4. 成本估算

JTF根据海底通信光缆系统和传感器组的已知成本，结合估算了在全球广泛布设通感一体网络的预期费用. 预期费用大致可分为3个类别：开发、部署、和运维[112]. 开发费用是总预算中最小的一部分，只在头几年产生，包括设计参考样机的成本、制造演示系统的成本和支持系统供应商交付的非经常性成本等，每年大约300万美元. 每个智能中继器的费用为20.7万美元，随着交付数量和经验的增加，成本将下降到每年17.5万美元，部署成本也随之从每年600万美元升至3 650万美元. 预计2040年将实现全球全面部署，届时退役率将与部署率持平. 运维费用包括程序管理、数据传输和数据处理费用，约占年度部署成本的10%，约为每年350万美元. 综合计算可知，每年的总费用约为3 000万美元，考虑10%的通货膨胀，25年间的总费用为7.6亿美元[107]. 相比之下， ARGO项目4 000个浮标每年的维护费用约为3 200万美元，海洋观测设施倡议（ocean observatories initiative, OOI）项目在制造阶段花费约为4亿美元，每年的运营成本约为4 400万美元，都远高于通感一体网络的花费. DART计划预算为每年2 700万美元，相当于横跨太平洋地区的通感一体网络的增量成本，但通感一体网络一次部署便可以提供25a无需维护的原位采样.

4.5. 财务资助

许多地区多边开发银行和基金会已表示向通感一体项目提供资金支持. 亚洲开发银行支持在Manatua电缆上集成传感器，以应对库克群岛、纽埃、萨摩亚和塔希提岛等登陆点严重暴露在海啸和气候变化风险下. 美洲开发银行（Inter-American Development Bank, IADB）同样表示兴趣，联合国教科文组织政府间海洋学委员会-联合国海洋与海洋法问题开放式非正式磋商进程（intergovernmental oceanographic commission-United Nations open-ended informal consultative process on oceans and the law of the sea, IOC-ICP）和太平洋海啸预警与减灾系统（Pacific tsunami warning and mitigation system, PTWS）正在为IADB编写报告，以便利参与. JTF也正在与大型的基金会接触，以拉取资金援助.

5. 总结与展望

随着全球海洋经济的蓬勃发展，海洋科技的创新已成为推动国家战略和产业升级的重要引擎，也是促进人类命运共同体建设的重要推手. 通感一体海洋网络技术作为现代海洋信息化建设的新兴技术，已从理论验证逐步走向区域试点，证明了以低廉的增量成本改造海底通信基础设施是可行且高效的，展现了该技术在海洋环境监测和提升自然灾害预警能力中的变革性潜力和巨大优势[113]. 通感一体海洋网络技术更深远的价值在于重塑人类与海洋的互动方式——提高人类对海洋的了解水平，并提升人类预测海洋未来演变的能力，使被动应对灾害转向主动预警，资源从掠夺转向可持续管理. 通感一体海洋网络技术面临的最大挑战是如何说服电信运营商支持智能电缆的布设. 海底通信系统是重大投资，任何运行中的中断都可能带来巨大的经济损失，很多运营商仍持谨慎态度，不愿意承担潜在的风险. 未来，伴随6G通信、人工智能技术的快速进步，通感一体海洋网络也将迎来前所未有的创新机遇[114]. 例如开发防生物污损涂层，提升深海传感器的寿命；使用边缘计算与AI算法处理通感一体网络的海量数据，降低传输成本；开发移动端应用，允许渔民、船员上传目击数据交叉验证，推动公众科学的发展；在技术创新、政策协调、企业支持与公众教育的协同推进下，建成覆盖全球海底的“海洋物联网”，成为智慧海洋、智能航运、海洋资源勘探与生态保护等领域的坚实基础支撑.

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