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海洋强国:我国制造业的又一新机遇

军民融合科技创新资讯平台2018-10-25 17:11:35

来源:全象有数


海底观测网:海洋信息化建设重要途径

海底观测网是21 世纪海洋信息化建设重要途径。其基本原理为:在海底铺设水下光电缆,沿光电缆设置多个海底观测模块,搭载相关仪器设备和传感器,构建网络上的一个个“节点”。其中,仪器设备和传感器采用以收集数据,光电缆则将数据传回岸上观测站,以便科研人员分析。


海底观测网布局图(来源:NEPTUNE)


与其他的海面船只观测和卫星遥感观测相比,海底观测网具有诸多优势,能实现对海洋环境全天候、长期、连续、实时的自动观测,探测范围广阔、探测内容全面,应用涉及面多等,是21 世纪海洋信息化建设最重要的途径。


海底观测各系统优缺点 

(来源:凤凰网,《加拿大海底科学长期观测网的研究进展》)


按组网方式,可将海底观测网分为海底光电复合缆连接和无海底线缆连接。按总体结构,海底观测网可分为开放式和封闭式两类。总体上,开放式观测网较封闭式观测网, 实现难度更大、技术风险和工程风险更高。


海底观测网分类 

(来源:《缆系海底观测网研究进展》)


海底观测网的无线缆和线缆组网方式 

(来源:OOI)


海底观测网军民融合发展潜力巨大。海底观测网的建设具有深远的战略意义,一方面,通过布放在各处的水下仪器设备探寻海洋蕴藏的丰富资源,为及时、详尽、广泛地了解海洋瞬时动态提供资料;有利于发展海洋渔业及海面交通导航定位;监测海洋环境气候变化,预测各类海难的发生来防灾减灾。 


另一方面,海底观测网也是国防安全和权益保障的重要基础。作为水下反潜系统的重要组成,海底观测网能够实现对潜艇、潜航器等水下武器的监测、定位,可提供预警探测、指挥控制等综合信息传输服务;可对海洋军事情报和军事活动进行监听和侦察, 确保国家权益不受侵犯。


海底观测网军民融合 

(来源:《海底观测系统建设的作用与意义》)


全球海底观测网规模发展,欧美领先

世界海底观测网的发展经历了三个阶段:从结构简单、单一功能的单节点海底观测站到小规模观测网,再至大规模观测网。


海底观测网发展历程及典型代表 

(来源:NOAA,《海底监测技术之海底观测网络》)


美国OOI 观测网是目前技术最成熟的海底观测网,于2000 年开始立项,海缆总长超过900km,项目一次性投入4.34亿欧元,每年运行维护费用5500 万欧元。目前,该项目已正式启动运行,通过连接互联网,即可实现对特定海洋全天候长期观测。


美国OOI计划建设历程

(来源:The Consortium for Ocean Leadership)


美国OOI海底观测网每年经费投入(百万美元)

(来源:NSF)


我国海底观测网建设发展迅速


国家高度重视


海底观测网作为我国发展海洋经济、维护国家权益、迈向海洋强国的重要前提,是国家重要战略发展方向。早在2012年,政府发布的《国家重大科技基础设施建设中长期规划(2012-2030年)》中,就将海底观测网的建设放在16 项优先安排的重大科技基础设施的首项。


我国海底观测网相关利好政策 

(来源:国务院,国家科技部,海洋局)


民用领域正处于快速成长期


我国海底观测网技术成熟,多方合作共促发展。我国于2007 年开始海底观测网相关技术研究,由于国家高度支持,发展快速,至今经历了关键技术验证、小范围建设及使用、规模化海底观测网建设三个阶段。初步形成以政府为首、由科研机构牵头,企业积极参与沟通协作模式,共同推动海底观测网向前发展。


国内海底观测网的阶段性发展


国内海底观测网协作模式

(来源:《国内外海底观测网络的建设进展》)


2017年5月,国家“十二五”重大科技基础设施建设项目-“国家海底科学观测网” 正式被批复建立。项目建设周期为5年,总投资逾21亿元。


我国海底观测网项目建设 

(来源:《国内外海底观测网络的建设进展》)


国内海底观测网产业链市场达千亿


海底观测产业链主要包括岸基站、接驳盒(分主、次接驳盒两种)、垂直观测仪器平台(包括垂直锚系、剖面仪)、各式传感器、水下机器人、移动观测平台(包括水下滑翔器、自主水下航行器及相应坞站等)以及将各个部分连接在一起的海底线缆。


海底观测网核心组件

(来源:Consortium for Ocean Leadership,OOI,中科院南海海洋研究所)


海底观测网的价值构成(运行维护额外计算) 

(来源:根据OOI 等资料)


据国际上各大海底观测网设计,一般服役寿命在25年以上,按此寿命期限总体测算,未来我国海底观测网市场空间广阔,25年累计市场空间总额超2800亿元。


我国海底观测网长期市场空间价值 

(来源:根据OOI 项目资料)


接驳盒

接驳盒是海底变电、信息集中的重要枢纽。一方面,用以实现电能转换和分配功能, 将岸基站传输的高压电能经过变压处理,传送至海底各个观测仪器。另一方面,能将观测仪器的信号集中处理和调度,实时传送海量数据到岸基站。


美国OOI 海底观测网的接驳盒及内部原理示意图 

(来源:OOI,WHOI)


接驳器的技术关键点包括防水密封、水下热插拔、电能转换分配、数据通信、舱体电子芯片散热等。


海底接驳盒关键技术要求

(来源:《海洋技术教程》)


我国海底接驳盒技术完备,初步具备量产能力。国内接驳盒装置研发的主要单位有浙江大学、上海交通大学、同济大学、中科院沈阳自动化所等,众多科研院所通过大量的工作已取得一定的研究成果。 


我国海底接驳盒市场潜力大。接驳器占海底观测网总价值比的22%。根据我们的测算,未来25 年,我国海底观测网市场空间约2800亿元,以此推测,我国海底接驳盒未来市场空间达616亿元左右。


传感器及传感器搭载平台

传感器是海底观测获取实时数据的核心装备,应用于海底各个平台。可以获取包括地震波、声波、盐度、温度、深度、实时视频、海水流速、地磁、二氧化碳、PH 值等物理、化学、生物、地质等信息。以美国OOI 观测网为例,使用了近50 种不同传感器,总数量近千个。


美国OOI海底观测网中三大部分核心传感器比重


美国OOI海底观测网中核心传感器类型分布

(来源:OOI)


海底观测网核心传感器列表 

(来源:OOI)


海底传感器及传感器搭载平台市场空间广阔。据预测,未来25年,我国海底观测网市场空间约2800亿元,其中传感器及传感器搭载平台占比45%,以此推测未来海底传感器市场空间达1260亿元左右。


海底线缆

海底线缆是实现电力传输和信息数据通信的重要载体。在海底观测网中,各部分接驳盒、传感器、观测仪器设备等,除了少部分采用无线声学联系外,基本是都是通过海底线缆进行连接。此外,海底线缆还被广泛应用于通信网络、电力网络、海上石油开发、海上风电等诸多领域。


海底线缆应用领域

(来源:中国信息产业网,电缆网,百度百科)


按照功能,海底线缆可分为三类,海底光缆、海底电缆、海底光复合线缆。其中, 海底光复合线缆技术含量高,难度大。也是未来的主要发展趋势。 


海底光电复合线缆构造一般如下:光纤布置在骨架护套中,护套槽内填满油膏或弹性塑料体形成纤芯,纤芯周围用高强度的钢丝绕包,钢丝外围是铜管,用于传输电力。最外层还需采用聚乙烯的外皮包覆。


海底光电复合线缆

(来源:《海底观测系统》)


我国海底线缆技术先进,具备国际竞争力。高端线缆方面,在“863 计划”重大项目“海洋观测网试验系统”中,浙江大学和中国电子科技集团第二十三研究所联合中天科技共同攻关“深海光电复合缆与湿插拔接口技术”, 实现了重要技术突破。目前,我国国内海缆供应商已进军国际市场,中天科技、华为海洋、亨通光电等屡获国外大订单,具备国际竞争力。同时,“一带一路”的战略实施也将为我国海缆行业发展带来新机遇。


近年国内海缆供应商海外项目

(来源:新浪新闻,搜狐新闻等)


国内海缆主要制造商

(来源:中天科技官网,亨通光电官网等)


我国海底线缆产业进入爆发期,海底观测网建设带来广阔市场空间。根据中国电线电缆网,2017 年至2018 年国内海底光缆市场年规模有望快速增长到20 亿元左右。海底线缆占海底观测网总价值比的18%。根据我们的预测,未来我国海底观测网市场约2800 亿,以此测算,未来25 年海底线缆市场空间广阔,约达504 亿元,将为海底线缆市场发展注入新动力。


深海机器人ROV

深海机器人ROV 是实现海底观测网安装维护的重要设备。海底观测仪网的工作环境为深海数千米海底,想通过装备耐压潜水服的人来完成是不现实的,因此需要ROV 用以替代人来实现海底线缆布网、设备安装连接以及维修。除此之外, 全球范围内ROV 还被广泛用于被广泛应用于海岸警卫、海事、海关、核电、水电、海洋石油、渔业、海上救助等各个领域。


ROV关键技术的要求

(来源:《ROV 在海洋科学科考中的发展现状及应用》)


美国OOI 海底观测网中使用的ROV 及水下拔插操作 

(来源:OOI)


欧、美、日ROV 技术领先。目前,世界上的海洋强国如美国、俄罗斯、日本、英国和法国等都先后开发不同型号的ROV,用于不同的任务和不同的工作深度,其中美国、英国、日本的水下机器人技术世界领先。


全球ROV市场份额分布

(来源:Infield Systems,ROBOTFISH)


我国ROV 技术世界领先,产业尚未成规模。我国ROV 的研究始于七十年代末1985 年12 月,我国第一台水下机器人“海人一号”样机首航成功。近二十年来,我国的水下机器人研究有了飞速发展,目前已攻克各项关键技术,能够制造大中小型各种ROV,总体性能达到世界领先水平。但我国ROV 产业尚未成熟,行业仍处萌芽阶段,未来有待加快发展。


我国ROV发展历程

(来源:ROBOTFISH,百度百科,上海交通大学)


根据Douglas-Westwood 预测,2015 年至2019 年期间,全球ROV 市场达142 亿美元,同比增长19%。5 年间,ROV 数量将由983 台增长至1176 台,其中55%用于石油钻井,29%用于施工建造。 


我国海底观测网市场空间约2800 亿元,其中安装费用占比15%,以此推测未来海底观测网安装市场空间达420 亿元。ROV 是海底观测网安装的核心设备,我们认为未来海底观测网的建造将为我国ROV 市场带来新增长点。


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