本委員会は、次世代の「地球観測海底ケーブルネットワーク」に関する技術的な検討を行い、提言をまとめることを目的として設置されました。
「地球観測海底ケーブルネットワーク」は海底に張り巡らされたケーブルネットワークを利用して、多くの観測機器を海底に面的に設置することにより、様々な観測を面的にかつ連続的、長期的におこなうことを目指しています。海洋学、地球物理学、地震学、海洋生物学など多くの分野での利用が可能なプラットフォームを提供します。従来の方法では取得が困難な様々な知見をもたらし、新しい科学を創造することが期待されます。
委員会の検討結果は、論文や白書として報告されています。下記の記事はその概要を解説ものです。
「地球観測海底ケーブルネットワーク」はARENA (Advanced Real-time Earth monitoring
Network in the Area) と名付けられました。そのイメージは図１をご覧下さい。
地球の表面積の70%を占める海洋は温暖化などの地球環境に大きな影響を持っていることが知られています。また、海洋は私たちに豊かな水産資源や鉱物資源を提供してくれます。地球環境を維持し、持続可能な発展を続けるためには、海洋の仕組みと働きを深く理解することが重要ですが、そのためには海洋に多くの観測機器を設置し、連続的な測定を長期間に渡って連続的に行う必要があります。
また、日本列島周辺の海底下にあるプレート境界では周期的に巨大地震が発生することが知られています。このような地震に関する研究を推進し、被害を低減するためには、地震発生源周辺の海底に地震計などの観測機器を多数配置し、連続的な観測を長期間に渡って行うことが重要です。
すでに日本の周辺には図２に示すようにこれまでに８本の海底ケーブル式観測システムが建設されています。これらの海底ケーブル式観測システムのほとんどは地震観測を目的としたものです。これまでの研究により、海底ケーブル式地震計を用いることより、震源の推定精度や測定感度が向上し、海底下で発生する地震に関する多くの情報を取得できることが確認されています。
海底ケーブル式観測システムは、海底ケーブルを介して観測装置に電力の供給と信号伝送を行うことにより、長期間に渡って連続的な観測を実時間で行うことができます。様々なセンサを接続することにより、地震の観測だけでなく、海洋生物の観測、海洋環境の観測、海洋における熱や物質移動の観測など多くの観測を行うことができます。例えば海洋科学技術センターで開発した初島沖システム、室戸沖システムでは、テレビカメラや超音波流向流速計などを装備した総合観測ステーションを接続し、多目的の観測を行っています。
海外においても海底ケーブル式観測システムには大きな期待が寄せられています。米国とカナダでは北西太平洋に全長3,000kmに渡る新しいケーブル式観測システムNEPTUNEの建設計画が進められています。ヨーロッパでは地中海からノルウェーにいたるESONETケーブルが提案されています。
一方、周辺技術も最近急激に進歩してきました。1987年に実用化された通信用光海底ケーブルは、その後光増幅技術や光波長多重技術などのブレークスルーを経て、その最大通信容量は初期のものの約10,000倍以上になるとともに、柔軟なネットワークを構築することが可能になってきました。コンピュータやインターネットなどの技術も著しく発展しています。また、海底における観測技術もこの数年間に飛躍的に発展してきました。
このような周辺技術の利用することにより、従来にない新しい特徴を持つ海底ケーブル式観測システムを実現する基盤が整ってきました。そこで、IEEE
OES 日本支部では2002年2月に「地球観測海底ケーブルネットワーク検討委員会」を設けて、技術的フィージビリティスタディを実施しました。
ARENA には様々な応用が考えられます。以下は想定される応用範囲を列記したものです。
海洋科学研究全般
（１）予測研究の進展
あらゆる海域での通年の観測が可能となることから、地震、津波、海況変動、水産資源変動、気候・環境変動等のシミュレーションモデルの精緻化に大きく貢献します。
（２）観測効率の向上
リアルタイム観測が可能となることから、係留系の流失や観測機器の故障、あるいは悪海象による欠測期間が短縮でき、観測効率が向上するため、観測成果を早期に社会へ還元します。
地震観測・津波観測
（１）地震観測
地震観測に関しては、海底の震源域に広く展開した地震計や孔内地震計・歪計により微小地震・歪のリアルタイム観測が可能となることから、プレート境界域での地震現象を詳細に解析できるようになり、地震前兆現象の理解と予知手法の開発に大きく貢献します。また、陸から離れた海底で検知を行うことから、プレート境界付近で発生する巨大地震をいち早く検知することができます。将来は、このいち早く検知した信号を使って新幹線などへリアルタイムで緊急警報を発することも考えられます。
（２）地震・津波警報
津波観測に関しては、防災上重要なリアルタイム津波警報発令が可能となります。
海洋物理研究
さまざまな時間スケールをもつ海水の運動を記述し、予測することを目的とする海洋物理学分野の研究においては、海況変動予測のためのモデル開発が盛んに行われ、最近は、力学モデルに観測データを組み込み、より確からしい予測を行うシミュレーション技術がめざましく進歩しています。海底ケーブルを利用することにより、時間スケールの広いレンジにわたってリアルタイム観測データが取得できれば、モデルの初期値としての活用や予測結果の検証が効果的に実施できるようになると見込まれています。その結果、海況変動、気候変動、水産資源変動等の予測精度の飛躍的向上が期待されるほか、時空間的に離散的な観測では捉えられない変動現象の解明に関してブレークスルーを期待することができます。
（１）海洋の長期連続観測
流れ、CTDの観測を行っている中層係留系を海底ケーブルに接続することで、従来ではできなかった、長期間の連続・リアルタイム観測が可能となります。
（２）データ空白域の観測
いったん計測機器を設置すれば、気象・海象の影響をほとんど受けないので、現在では観測に困難を伴っている冬季間の北西太平洋や日本海等の荒天海域で観測を行うことができるようになります。
海洋・海底環境研究
深海底では海底熱水活動や付加体冷湧水活動などを通じ、大量の化学物質が固体地球から海洋に供給され、海洋の物質循環に大きな役割を果たしています。これらの現象は大きな時間変動を伴うため、その実態解明のために時系列観測が必要です。海底ケーブルを利用したリアルタイムモニタリングによって詳細な時系列データが継続して取得できるだけでなく、海底での大きな異変の際には、間髪を入れず観測船や潜水船を有効利用して本格的現場観測や試料採取を行うことができます。
（１）海底での現場分析・実験
現場化学分析装置を海底ケーブルに接続することで、陸上からの遠隔操作で、現場で分析・実験・培養が可能になります。また生物、化学など異なる専門分野の研究者が同一サイトで、長期間、協同研究を行うことが可能となり、この分野の研究を大きく進展させると期待できます。
（２）海底環境における高精度観測
海底熱水系、プレート沈み込み帯冷湧水域など活動的海洋底における化学プロセスについて、通常の科学観測手法（サンプリングとそれに続く化学分析）では検出不可能な微細な空間分布および時定数の短い時系列変動を、長期間にわたり連続的に詳細に把握できるようになり、それをもとに大きな研究の進展が期待できます。
（３）海底資源開発
天然ガス資源として期待されているメタンハイドレート開発では、探査時や環境の現状把握調査時には、海底ケーブルネットワークは、諸計測探査のベンチマーク、AUVのベースとして利用できます。また、冷湧水センサ、温度センサ、地盤変動センサによる地質現象モニタリングデータのリアルタイム観測やOBC地震探査等による貯留層モニタリング情報のインフラとして最適です。将来の天然ガス開発のフェーズでは、長期間に及ぶ地盤、貯留層状態のリアルタイムモニタリングの他、開発生産作業の諸情報の交換、機器へのエネルギー供給のためのインフラとして欠かすことができません。
海洋生物研究
大規模な気候変動や汚染物質の拡散などにより、海洋生態系が脅かされています。その生態系の最上位に位置する鯨類は、海洋生態系の健全性を表す指標として有効です。ところが、これまで鯨類などの大型海洋動物の移動や回遊をリアルタイムでモニタすることは、衛星通信標識などを打ち込んだ一部の個体で短期間だけ行うことが可能でした。鯨類を指標として海洋環境の早期警戒を行うためには、海底ケーブルを利用した、より高密度で即時的なモニタリングシステムが不可欠です。また、わが国周辺のクジラの位置を即時的に配信することにより、プロジェクトの社会教育的効果を高めることができます。
（１）鯨類調査
くじら等の大型水生哺乳類の生態観測は、太平洋における生態系指標として大きな意味を持っており、その行動・生態観測は重要です。海底ケーブルネットワークを利用することにより、初めて、その生態・行動を広域で観測することが可能となります。
（２）魚類資源調査
魚群分布や魚群行動と海洋物理環境の関係を連続・長期間・同時調査するため、沿岸から沖合の大陸斜面域にかけて、海底ケーブルに沿って計量魚群探知機等を複数設置することで、異なる多数の場所においてリアルタイムで各種データを得ることができるようになります。
（３）海底生態系観測
深海底から中深層における生態系の長期観測のため、海底ケーブルに物理化学環境観測機器やTVカメラ等の生物活動観測装置を接続し、堆積物内・海底および近底層における生物活動と生息環境を通年にわたり観測し、表層のデータと統合することが可能となります。
深海微生物学研究
深海微生物の研究では、一般に現場で採水したサンプルに対して、遺伝子解析を中心とした手法による検討が行われています。分子生物学的な手法は選択性が高くまた感度も良いために、これまで多くの成果をもたらしてきましたが、以下にあげるように従来の方法では解決できない、いくつかの問題も存在します。
a. 現場から実験室までのサンプルの取り扱い過程（採水時やサンプルの搬送時）におけるコンタミネーションの可能性が否定できません。
b. 現場での高圧、低温（あるいは高温）の条件が解析時点まで保たれないため、生物特有の変化をとらえることが困難です。
c. サンプリングの位置情報や連続性などついて、十分な精度が期待できません。
これらの問題を解決するためには、現場において微生物培養や遺伝子解析を行うことができる装置の開発が必要です。深海実験装置や深海培養装置を海底ケーブルに接続することにより、陸上からの遠隔操作で、現場で実験・培養が可能となります。また装置開発そのものを支援する手段として極めて有効です。また、周辺海水の化学的な組成と同時に計測を行うシステムを構築することによって、深海微生物学研究ひいては地球環境に資する物質循環の研究をより一層推進できる可能性があります。
委員会は、技術的フィージビリティスタディの結果、以下の特徴を持つ次世代の「地球観測海底ケーブルネットワーク」の基本構想をまとめました。詳細は、白書として公表されています。
メッシュ状のケーブルネットワーク構造
従来の海底ケーブル式観測システムはいづれも一本の海底ケーブルに観測機器を接続したものでした。しかし、広大な観測海域をカバーするとともに、観測の精度を高めるためには、多くの観測機器を面的に配置する必要があります。そこで、ARENAでは図３に示されたメッシュ状のケーブルネットワークを提案しました。２本の基幹海底ケーブルが日本海溝が挟んで平行に配置されます。基幹海底ケーブルには50km間隔で観測ノードが配置されます。各観測ノードには後述するように各種の観測機器が接続されます。メッシュ状のケーブルネットワーク構造を採用することにより、多くの観測機器を面的に広大な観測海域に配置することが可能となります。
このようなメッシュ状のケーブルネットワーク構想は、NEPTUNEでも提案されていますが、従来の通信用あるいは観測用海底ケーブルシステムにはない全く新しい構想です。
委員会では、図３のネットワークを想定して、給電システムや伝送システム、海中システムの構造、建設・保守方法などのフィージビリティスタディを行いました。検討を簡略化するために、解析にはさらに簡略化されたモデル（図４）を利用しました。
観測ノードの構成
各観測装置は、図５に示すように、UHU（Underwarer
Hub Unit) とNBU (Node Branching Unit) を介して基幹海底ケーブルに接続されます。
UHUは直接NBUに接続することもできますが、他のUHUを介してNBUに接続することもできます。この時、長尺の展長ケーブルを用いてUHU間を接続することにより、数km～数十km離れた地点に観測所を設けることができるようになります。このように各観測ノード内では、多くの観測機器がツリー状に接続されます。Ethernet
の接続と同じ構造です。UHUは基幹海底ケーブルから切り離されているため、ＵＨＵに万一障害が発生して修理を行う場合、基幹海底ケーブルを切断したり回収したりする必要がありません。
各観測装置とUHUは水中で着脱可能なコネクタで接続されます。そのため、これらの機器に障害が発生した場合や保守が必要な場合には、水中でこれらの機器を切り離し回収し、整備後に再設置することができます。この時、他の機器にはほとんど影響が及びません。また、新しく開発された観測装置を追加接続することも可能となります。
NBUは直接基幹海底ケーブルに挿入されるため、障害修理を行う場合には、基幹海底ケーブルの給電と通信に大きな影響を与えます。そのため、NBUはできるだけ単純な構造とし、その信頼性を高める必要があります。
障害に対する高い抵抗力
海底に設置された機器に発生した障害を修理するためには、作業船を数日間以上に渡って確保する必要があります。そのため、修理には相当の費用と事前の準備が必要となります。海底に設置する機器の信頼性を高めることも重要ですが、人工衛星や通信用海底ケーブルシステムの信頼性に匹敵する超高信頼性の機器を開発するためには、かなりの時間と費用を要するため、すべての機器を超高信頼性なものとすることは現実的でありません。
そこでARENAでは海底の機器に障害が発生しても、その影響が及ぶ範囲ができるだけ限定されるように考慮しています。また、基幹海底ケーブルは、万一障害が発生するとその影響が及ぶ範囲が広いことを考慮して、通信用海底ケーブルシステムで実用化されその信頼性が確立されている技術を応用する方針です。
ARENAはメッシュ状のケーブルネットワーク構造を持っていますが、このような構造とすることにより、障害に対する抵抗力を高めることができます。すなわち、海底ケーブルに障害が発生して観測ノードと陸上の陸揚げ局との間の通信と電力伝送が途絶えた場合にも、接続ルートを変更することにより、他の陸揚げ局から電力の供給と通信を行うことができるようになります。また、万一障害が発生した場合には、陸上からその障害の位置を正確に測定できることも重要です。ARENAでは障害位置の検出方法も検討して、提案しています。詳細は、下記の定電流給電方式とフレキシブルな信号伝送路の項で説明します。
前項で述べたように、各観測機器は水中着脱コネクタでUHUに接続されます。そのため、障害が発生した観測機器は、水中ロボットを使って他のシステムから切り離し、回収することができます。このことも、障害に対するシステム全体としての耐力を高めています。
このように、ARENAではシステム全体のコストを必要以上に高めることなく、システム全体として必要な信頼性を確保することを目指しています。
定電流給電方式
海底ケーブルは光ファイバを水圧や張力から保護するために、図６に示すような同心円状の構造を持っています。このように光海底ケーブル内には給電線が一本しかないため、リターンの電流は海水中を流れます。このことは海底ケーブルの給電方式に大きな影響を与えます。
通信用の海底ケーブルシステムでは、定電流給電方式が利用されています。この定電流給電方式は陸揚げ局から一定の値の電流を海底ケーブルに供給します。通常は一本の海底ケーブルの両端の陸揚げ局から、全く同一の値で極性が異なる電流を同時に供給します。
この定電流給電方式はいくつかの重要な特長があります。
第１の特長は、海底ケーブルの地絡障害に対して強い耐力を持つことです。図７に示すように、海底ケーブルに地絡障害が生じても、地絡地点の電位が海水の電位と同一になるだけで、両端の陸揚げ局からは連続して海底ケーブルに定電流を供給することができます。従って、ケーブル内の光ファイバが切断されていなければ、引き続き通信を行うことができます。
第２の特長は、海底ケーブル内に挿入されている海底中継器内の電源回路が極めて単純にできることです。通常は、給電線に直列にツェナーダイオードを挿入し、その両端に生じる電圧差を利用して電子回路に電力を供給します。
第３の特長は、海底中継器内の電力回路に海水アースを必要としないことです。したがって、電子回路全体をポリエチレン等の絶縁体で覆うことにより、海水との間の絶縁を容易に確保することができます。海底ケーブル内の電位は最大10kV程度と非常に高いので、この絶縁を簡単にできることが電子回路の実装上の大きなメリットとなります。
第４の特長は、給電回路全体が海水から絶縁されているため、地絡障害が発生した場合、海底ケーブル両端から地絡抵抗を測定することにより、障害点までの距離が測定できることです。
第５の特長は、給電線が一本しかない海底ケーブルへの応用が可能なことです。
実際に海底ケーブルに生じる障害は一部の例外を除いて地絡障害なので、上記の特長が極めて重要な意味を持ちます。
フレキシブルな光信号伝送系
前述したように通信用光海底ケーブルシステムは光信号を光のまま増幅する光増幅技術や、一本の光ファイバの中に複数の波長の光を伝送する光波長多重技術などのブレークスルーを経て、近年急激な発展を遂げてきました。光増幅器は単純な構造を持ち部品数も少ないため、比較的低コストで高い信頼性を持つ装置が実現されています。また、伝送速度や符号形式に依存しないので、様々な形態の信号を伝送することができ、設計に大きな自由度を持たせることができます。さらに、波長多重技術を利用することにより、複雑な構造のネットワークを容易に実現することができます。
図８は提案された光信号伝送系の基本的な全体構造を示したものです。海底ケーブルの両端は陸揚げ局に接続されます。基幹信号伝送路は光増幅器や波長号分配器など、通信用光海底ケーブルで商用化されている部品が利用するため、高い信頼性を確保することができます。各観測ノードには個別の波長が割り当てられます。各観測ノード内のイーサネットスイッチは他の観測ノード内のイーサネットスイッチを介さずに直接陸揚げ局内のイーサネットスイッチに接続されます。そのため、観測ノード内のイーサネットスイッチに万一障害が発生しても、他の観測ノードの通信に影響が及ぶことはありません。伝送プロトコルにはインターネットプロトコルを採用しているため、陸上のIPネットワークと容易に接続することができます。すなわち、研究室内のパソコンから海底に設置された観測機器に直接アクセスすることが可能になります。波長多重数を増やすことにより、観測ノードの数量も増やすことができるため、システムの拡張も柔軟にできます。
図９は波長の割り当ての一例を示したものです。２本の光ファイバを利用することにより、各観測ノードは２カ所の陸揚げ局からアクセスすることができ、ケーブルの障害に対する耐力を高めることができます。広帯域を必要とするHDTV(High-Definition
Television) 信号伝送には他の専用波長を割り当てることもできます。その他の波長には、１マイクロ秒の高精度の時刻同期信号伝送路、データ伝送システムの監視用伝送路、陸揚げ局同士を直接結ぶバックボーン伝送路、予備伝送路が割り当てられます。
ARENAの将来構想
ここで検討したシステムは三陸沖を想定しましたが、ARENAがカバーする範囲は日本全域に及びます（図１０）。ARENAは拡張性に富んだシステムです。さらに将来は、アリューシャン列島沿いに拡張し、NEPTUNEと一体化したり、東シナ海からフィリピン海へ展開する可能性もできます。
委員会には、全国の大学、研究機関、民間企業から４５名の技術者が参加しました。委員会は電源供給、信号伝送、海中システムのワーキングループに分かれて検討を行い、2003年1月に新しい科学観測用海底ケーブルネットワークARENAを提案しました。
委員長： 白崎 勇一 （東京大学生産技術研究所）
幹事： 浅川 賢一 （海洋科学技術センター）
川口 勝義 （海洋科学技術センター）
ワーキンググループリーダ
(1) パワーシステム（電源）： リーダー 白崎
(2) 伝送システム （伝送、時刻同期、プロトコル、データ処理）： リーダー 吉田（白山工業㈱）
(3) 海中システム （海中システム、工法、信頼性）： リーダー 西田（OCC）
第１回委員会 2002 年2 月14 日（木） 14:00～17:40、 29名
第２回委員会 2003年1月21日
給電WG
第1回 2002年4月4日 14:00-16:00、 ５名
第2回 2002年5月15 日 13:00～15:00、 7名
第3回 2002 年6月27日 13:00～14:30、 7名
伝送WG
第1回 2002年4月9日 10:00～12:00、 10名
第2回 2002年5月14日 10:00～12:00、 11名
第3回 2002年6月18日 10:00～12:00、 11名
第４回 2002年11月27日 13:00～15:00、 10名
システムWG
第１回 2002年3月26日 10:00～12:00、14名
第２回 2002年5月15日 10:00～12:00、 15名
第３回 2002年6月26日 10:00～11:30、 18名
目次
第１章： 序論
第２章： ネットワークの概要
第３章： 給電システム
第４章： 伝送システム
第５章： 海中システム
概要
(1) Y. Shirasaki, T. Nishida, M. Yoshida,
Y. Horiuchi, J. Muramatsu, M. Tamaya, K. Kawaguchi and K. Asakawa,
"Proposal of Next-Generation Real-time Seafloor Globe Monitoring Cable-network",
Proc. Of OCEANS 2002, pp.1688-1694, 2002
(2) J. Muramatsu, K. Asakawa, K. Kawaguchi and Y. Shirasaki,
"Outline of Earth Observation Submarine Cable System - ARENA (Advanced
Real-time Earth Monitoring Network in the Area) -", Proc. Of Techno-Ocean
02, SI-4
(3) K. Asakawa, Y. Shirasaki, M.
Yoshida and T. Nishida, "Feasibility Study on Long-term Continuous Monitoring
from Seafloor with Underwater Cable Network", Proc. of 4th International
Workshop on Very Large Floating Structures, pp.350-357, 2003,
(4) Y. Shirasaki, M. Yoshida, T. Nishida, K. Kawaguchi, H. Mikada
and K. Asakawa, "ARENA : A Versatile and Multidisciplinary Scientific
Cable Network for Next Generation", Proc. of Scientific Submarine Cable
03, pp.226-231, 2003
(5) 浅川賢一、白崎勇一、西田孝人、吉田稔、川口勝義、三ケ田均、「科学観測用海底ケーブルネットワークARENAのフィージビリティスタディ」、第１７回海洋工学シンポジウム、pp483-490、2003
応用
(1) J. Kasahara, Y. Shirasaki,
K. Asakawa and K. Kawaguchi, "Scientific Application of ARENA Networks", Proc.
of Scientific Submarine Cable 03, pp.272-275, 2003
給電方式
(1) K. Asakawa, J. Muramatsu, M. Aoyagi,
K. Sakaki and K. Kawaguchi, "Feasibility Study on Real-time Seafloor
Globe Monitoring Cable-network -Power System - ", Proc. of the 2002
Inter. Symp. on Underwater Technology, pp.116-122, 2002
(2) K. Asakawa, J. Muramatsu,
J. Kojima and Y. Shirasaki, "Feasibility Study on Power Feeding System
for Scientific Cable Netwrok ARENA", Proc. of Scientific Submarine Cable
03, pp.307-314, 2003
(3) Kenichi Asakawa, Junichi Kojima, Jun Muramatsu
and Tatsuo Takada, "Novel Current to Current Converter for Mesh-like
Scientific Underwater Cable Network - Concept and Preliminary Test Result
-", Proc. of OCEANS2003, pp1868-1873, 2003
伝送方式
(1) M. Yoshida
and Y. Hirayama, "The Data Transmission System for the Real-time Seafloor
Monitoring Cable Netwrok", Proc. of Scientific Submarine Cable 03, pp.197-200,
2003
(1) 「海底ケーブルネットワークの高度利用に関する調査」委員会
海洋産業研究会（JAMSTECからの委託）
2002年12月～2003年3月
(2) ｢海底ケーブルネットワーク用海中作業システムに関する調査｣委員会
深海技術協会（JAMSTECからの委託）
2002年12月～2003年3月
(3) SSC03 : International
Workshop on Scientific Saubmarine Cables
主催：IEEE OES、東京大学地震研、海洋研、生研、JAMSTEC
2003年6月25日～27日、＠東京大学駒場キャンパス
(4) IUGG: 第23回国際測地学・地球物理学連合総会
2003年6月30日～ 7月11日 ＠札幌
http://www.epsu.jp/jmoo2003/advertising/IUGG_030106.html
Inter-Association Symposium：
"Long-term in-situ Ocean Observatories and Observations"
