《Journal of Marine Science and Engineering》：Submarine Cables: State of the Art and Future Challenges
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海底电缆在水下和水文领域发挥着至关重要的作用。它们是各国及各大陆之间海量数据传输的关键基础设施，是实现全球互联互通共同目标的基石。然而，这些电缆因众多威胁其完整性的因素而高度脆弱。近年来，相关威胁日益严峻，事故可能导致完全或部分通信中断，引发互联网瘫痪和供电中
海底电缆在水下和水文领域发挥着至关重要的作用。它们是各国及各大陆之间海量数据传输的关键基础设施，是实现全球互联互通共同目标的基石。然而，这些电缆因众多威胁其完整性的因素而高度脆弱。近年来，相关威胁日益严峻，事故可能导致完全或部分通信中断，引发互联网瘫痪和供电中断。在水下领域内部，一个新的域正在兴起：海床域已成为地缘政治上至关重要的区域，其中铺设的基础设施保护对全球安全至关重要。地缘政治和水文空间数据的分析是路径工程中降低风险的基本要素。本综述旨在呈现海底电缆演变的场景，并强调其作为连接多个地点的水下结构的战略作用。
论文主体内容总结
1. 引言
海底电缆最早可追溯至1851年英法之间的首条成功电报电缆。1866年，跨大西洋电报电缆实现可靠商用，标志着持续跨大西洋电报通信的开端。古塔胶作为天然绝缘材料被引入，因其优异的电绝缘性能和耐海水性成为早期海底电报电缆的主要绝缘材料，直至合成聚合物如聚乙烯的出现。1891年伦敦至巴黎间首次实现海底电话通信。迄今为止，各类海底电缆安装总长度估计超过350万公里。海底光纤电缆构成全球数字通信的骨干，据国际电信联盟估算承载超过99%的国际数据流量。海底电力电缆则在电能传输中发挥关键作用，支持海上可再生能源整合、国家电网互联及岛屿供电。电缆生命周期涵盖设计、制造、安装、运行、检测维护及最终退役等相互关联的阶段，每个阶段都带来特定的技术、环境和运营挑战。人类活动尤其是渔业作业、船舶锚泊是对现代海底电缆最显著的外部威胁。
2. 综述方法
本研究采用结构化批判性综述方法，辅以文献计量分析。在Scopus数据库中进行结构化检索，覆盖2000-2026年期间，限定为英文发表的论文、综述和会议论文。经过筛选，保留200篇Scopus索引出版物用于文献计量分析。使用VOSviewer软件进行关键词共现分析，识别出五个主要主题聚类：第一类涉及海底电缆技术、动态电缆行为、疲劳、振动和数值建模；第二类关注力学性能和结构行为；第三类聚焦光纤电缆系统、检测技术；第四类涉及电缆材料和绝缘系统；第五类关联海底电力电缆及其结构设计。
3. 海底电缆类型学
海底电缆可按功能分为三类：海底电力电缆用于电能传输，包括中压电缆、高压交流电缆和高压直流电缆；海底光纤电缆实现高容量数据传输；混合电缆在同一结构中结合电力和数据传输。海底电力电缆的设计取决于预期应用、工作电压和安装条件。海底光纤电缆的主要类型包括轻型电缆、轻型保护电缆、单铠装电缆、双铠装电缆和岩石铠装电缆，选择依据水深、海床特性和外部机械危害风险。从力学角度分为静态电缆和动态电缆，静态电缆通常铺设在或埋入海床，动态电缆连接浮式结构物并承受持续的循环载荷。此外还出现了配备集成传感器的智能电缆、用于流动保障的加热电缆以及复合脐带缆等专用系统。
4. 海底电缆的设计、生产与环境影响
海底电缆的设计旨在保护信息传输部件免受水、压力、波浪、海流及其他自然力的影响。设计第一步是评估电缆容量以确定合适的导体尺寸，常基于有限元法等数值方法进行分析。环境方面，回收废弃海底电缆可能扰动海床、导致沉积物再悬浮并损害生物体，因此通常更倾向于将电缆留在原位，因为它们可以成为容纳多种海洋生物的结构。材料与技术方面，海底电力电缆由导体层、绝缘层、同心中性线、光纤、径向屏障外护套、螺旋铠装层、填充层及内外护套层组成。所用材料包括铜或铝导体、交联聚乙烯绝缘、聚丙烯填料、钢铠装和高密度聚乙烯护套。海底光纤电缆中心为光学芯，内含若干单模光纤，周围环绕供电导体、水屏障层、电绝缘层，浅水应用中增加钢线铠装层，外层为聚乙烯或聚丙烯护套。爆炸焊接技术可用于制造异种金属过渡接头，如水下电缆穿透器组件中铜或铝与钢的连接。
5. 安装
海底电缆安装需精心规划，考虑电缆特性、路线特征和安装机械能力。安装阶段包括临时路线选择、电缆设计、主管部门授权、路线勘测、电缆敷设船安装、安装后检查及通知主管部门。电缆敷设船是任何布缆作业的核心，全球仅有少数几艘完全装备且高度专业化的大型电力电缆安装船。电缆通常存储在转台、卷盘或电缆鼓上，通过张力机、绞车、滚轮和下水槽等专用设备逐步部署。近岸区域使用电缆埋设机将电缆埋入海床以防损坏。存在各种软件工具用于模拟和设计海底电缆路线，如MakaiPlan和MakaiLay，可实现实时监控和控制安装操作。
6. 海底电缆的失效
电缆故障可分为外部干扰、内部退化和操作失误。对于海底通信电缆，主要失效原因是外部人为活动，特别是渔业作业和船舶锚泊。其他机制包括铠装腐蚀、自由悬跨、绝缘老化和接头失效。自然灾害如地震和海啸虽较少发生但后果严重。对于英国海上风电场的出口和阵列间电力电缆，安装相关缺陷占记录故障的46%，其次是制造缺陷占31%、设计相关故障占15%和外部损伤占8%。近年来，海底电缆的建设和安全引起政策制定者日益增长的关注，因为海底通信电缆承载超过99%的国际数据流量，支撑每日约10万亿美元的金融交易。故意切断电缆构成严重威胁，需要依法执法和有效警务。为预防意外或蓄意故障，必须将各类传感器集成到电缆中以在中断发生前检测潜在危险。
7. 维护、监视与检查
主要的监视和检查方法包括集成在电缆中的光纤传感器、安装在自主水下航行器上的外部声学和声纳传感器、遥控潜水器以及海床上固定传感器集成系统。海底电力电缆的维护传统上是反应式的或基于定期检查。神经网络的应用使从计划维护向预测维护转变成为可能。电缆修复和维护由独立的行业执行，运营商与海洋维护公司签订合同。自主水下航行器在电缆修复中扮演越来越重要的角色，可协助定位断裂点。无人机可支持水面监测和初始测绘，而水下航行器则用于详细检查。检查涉及视觉、声学和磁力技术，多传感器融合提高了精度和适用性。经济方面，海上风电场海底电力电缆故障代表重大财务风险，尽管电缆占资本投资不到10%，但与电缆相关的故障曾贡献高达80%的报告财务损失和保险索赔。直接维修成本约70-150万欧元，出口电缆维修费用可达600-1700万欧元。通信电缆在现有维护协议下的指示性维修成本约为每处故障50-100万欧元。
8. 挑战与未来展望
未来发展无疑将包括改进的监控系统，通过使用无人机以及集成传感器不仅监测海况或追踪地震，还要通过智能电缆评估电缆自身的结构完整性。海底电缆系统由海底电缆和在线设备如中继器和分支单元组成。智能电缆概念将下一代通信电缆转变为科学观测站，沿其路线嵌入分布式传感器。分布式温度传感系统利用光纤测量温度，分布式声学传感技术可检测振动、外部干扰和潜在的破坏性机械事件。尽管有优势，但常规分布式光纤传感技术在长距离越洋电缆上的应用面临显著技术限制。光纤电缆还可用于地震检测，通过分析偏振状态或分布式声学传感测量来感知地震震动和海浪。
9. 结论
本综述审视了海底电缆从早期电报系统到现代全球数据和电力传输基础设施的演变。海底光纤通信电缆已成为全球数字连接的基本组成部分，承载超过99%的国际数据流量。特别关注了这些基础设施的脆弱性、主要损伤机制以及从设计早期阶段考虑适当保护和缓解策略的重要性。最具前景的发展之一是智能电缆，除了主要通信功能外，海底电缆正越来越多地被视作传感、监测和环境观测的分布式平台，可为大规模环境监测、科学研究和海洋资源管理提供宝贵支持，逐渐演变为能够支持通信、传感、监测和与更广泛海洋环境交互的多功能智能系统。
