雙腔波導(dǎo)管技術(shù)在輪胎式龍門起重機遠程控制無線通信系統(tǒng)中的應(yīng)用

夏洪潔 蔣旻

輪胎式龍門起重機（rubber-tyred gantry crane，RTG）是集裝箱碼頭堆場常用的裝卸設(shè)備。RTG的輪胎可以自由轉(zhuǎn)向，因此，RTG在堆場內(nèi)的運行路線相對靈活多變，可以自由轉(zhuǎn)場到達堆場任意位置作業(yè)。RTG的供電方式主要分為機載柴油發(fā)電機組供電和市政電網(wǎng)供電。為了響應(yīng)國家節(jié)能減排的號召，寧波舟山港的RTG已全部改造為采用低架滑觸線方案的市政電網(wǎng)供電方式，并且實現(xiàn)柴油發(fā)電機組供電方式與市政電網(wǎng)供電方式間的自由切換。低架滑觸線電氣系統(tǒng)依靠取電小車與低架滑觸線接觸進行連接，僅具有供電功能而不具備光纖通信功能。寧波港股份有限公司北侖第二集裝箱碼頭分公司（以下簡稱“北二集司”）在對RTG遠程操作和自動化作業(yè)系統(tǒng)實施改造的過程中，設(shè)計采用多輸入多輸出技術(shù)和IEEE 802.11ac協(xié)議的雙腔波導(dǎo)管技術(shù)，以解決RTG遠程控制無線通信問題。經(jīng)測試，該遠程控制無線通信方式具有高帶寬、低延時、抗干擾能力強和使用壽命長等優(yōu)點。

1 波導(dǎo)管技術(shù)簡介

波導(dǎo)管是內(nèi)壁光潔的空心金屬導(dǎo)管，用來傳輸厘米波段或毫米波段的電磁波，在本質(zhì)上是一種特殊的天線。作為無線通信介質(zhì)或媒介，波導(dǎo)管使無線電磁波匯聚在密封的腔體內(nèi)傳播；腔體內(nèi)壁的光潔度非常高，可使信號衰減率最小，從而延長信號源的傳輸距離。目前常用的裂縫波導(dǎo)管（見圖1）屬于表面型波導(dǎo)管，即在封閉的方管形鋁型材上垂直加工出多個一定寬度的裂縫，裂縫的間距和尺寸根據(jù)電磁波的波長確定，并要求具有極高的精度。

2 RTG遠程控制無線通信系統(tǒng)的帶寬需求

RTG遠程控制通信指機上控制設(shè)備和視頻前端設(shè)備與中控室控制臺、視頻后臺和存儲設(shè)備間的數(shù)據(jù)信號傳輸，其可分為三組數(shù)據(jù)信號傳輸。

第一組是控制數(shù)據(jù)信號傳輸，即：將RTG各個控制元件、驅(qū)動元器件的狀態(tài)傳輸?shù)街锌厥铱刂婆_的可編程邏輯控制器主站，同時，中控室的手柄操作指令需要傳送到現(xiàn)場RTG的可編程邏輯控制器的控制系統(tǒng)?？刂茢?shù)據(jù)信號傳輸是RTG遠程控制系統(tǒng)中的核心通信；但控制數(shù)據(jù)信號占用的帶寬并不大，僅為10 Mb/s。

第二組是視頻數(shù)據(jù)信號傳輸，其同樣為雙向傳輸，即：現(xiàn)場攝像頭拍攝的畫面需要通過數(shù)據(jù)鏈路傳回中控室，中控室的視頻控制數(shù)據(jù)信號需要傳送到攝像頭云臺。為了實現(xiàn)RTG的遠程控制功能，北二集司在RTG上共安裝24個攝像頭（見表1），其每秒顯示25幅？20分辨率的視頻圖像，碼流帶寬為3 Mb/s，24個攝像頭共占據(jù)帶寬72 Mb/s。

第三組是語音通信數(shù)據(jù)信號傳輸，其占用的帶寬不大（僅1 Mb/s），主要功能是采集和傳輸現(xiàn)場聲音信號并傳送至中控室，同時可以將中控室的通信數(shù)據(jù)信號傳送至作業(yè)現(xiàn)場的揚聲器等設(shè)備。

綜上所述，RTG遠程控制通信系統(tǒng)的帶寬需求約為100 Mb/s，其中20%是為未來設(shè)備升級所留的帶寬余量。

3 應(yīng)用雙腔波導(dǎo)管技術(shù)設(shè)計RTG遠程控制無線通信系統(tǒng)

3.1 常規(guī)波導(dǎo)管無線通信技術(shù)的應(yīng)用弊端

根據(jù)北二集司的集裝箱堆場作業(yè)情況，在長250 m的作業(yè)區(qū)域內(nèi)安排2臺RTG進行作業(yè)，波導(dǎo)管無線通信系統(tǒng)必須同時滿足2臺RTG遠程控制信號傳輸帶寬需求（見圖2），即要求無線網(wǎng)絡(luò)帶寬為200 Mb/s；同時，為保證RTG作業(yè)安全，系統(tǒng)還須具備較強的抗干擾能力。目前已經(jīng)在地鐵等領(lǐng)域成熟應(yīng)用的波導(dǎo)管無線通信技術(shù)采用2.4 GHz無線頻段和IEEE 802.11n協(xié)議。2.4 GHz頻段屬于全世界公開

通用的無線頻段，大部分無線設(shè)備如對講機、無線計算機、家用電器等均使用該頻段工作，無線信號干擾強烈，無法保證通信質(zhì)量。IEEE 802.11n協(xié)議單通道最高只能提供108 Mb/s的網(wǎng)絡(luò)帶寬，僅能滿足1臺RTG的通信需求；因此，普通的波導(dǎo)管無線通信技術(shù)無法滿足RTG遠程控制無線通信系統(tǒng)設(shè)計需求。

3.2 雙腔波導(dǎo)管通信技術(shù)方案

為了避免2.4 GHz無線頻段干擾強烈的弊端，有必要尋找新的抗干擾能力強的公共無線頻段。是繼2.4 GHz后新開發(fā)的無線頻段，其工作頻率高，具有速度快、抗干擾能力強等優(yōu)點；但由于其波長較短，致使無線信號的穿透性和距離性偏弱。頻段能夠滿足北二集司RTG遠程控制無線通信系統(tǒng)的設(shè)計需求，因而以此為基礎(chǔ)來完成波導(dǎo)管的選型設(shè)計。

根據(jù)標(biāo)準(zhǔn)矩形波導(dǎo)管153-IEC標(biāo)準(zhǔn)，工作頻率符合5 GHz的標(biāo)準(zhǔn)矩形波導(dǎo)管型號為R48，其截面尺寸如圖3所示。R48波導(dǎo)管的標(biāo)準(zhǔn)長度有6 m、等。為了方便安裝和維修，北二集司選用長度為的R48波導(dǎo)管，以獲得較好的長度與質(zhì)量配比。

為了解決IEEE 802.11n無線傳輸協(xié)議網(wǎng)絡(luò)帶寬不夠的問題，嘗試采用最新的IEEE 802.11ac協(xié)議。與IEEE 802.11n協(xié)議相比，IEEE 802.11ac協(xié)議單通道最大帶寬提升到866 Mb/s，有效支持5 GHz無線頻段，滿足RTG遠程控制無線通信系統(tǒng)設(shè)計需求。在實際測試中，受外部干擾源、信號損耗等因素的影響，IEEE 802.11ac協(xié)議的實際傳輸帶寬僅為200～ 300 Mb/s，并且不穩(wěn)定；因此，單純采用最新的IEEE 802.11ac協(xié)議無法解決RTG遠程控制無線通信系統(tǒng)的帶寬和穩(wěn)定性需求。鑒于此，創(chuàng)造性地采用2條波導(dǎo)管并行排列組成雙腔波導(dǎo)管（見圖4），由此實現(xiàn)系統(tǒng)的多輸入多輸出功能，使理論最大通信帶寬達到/s，大大提升無線通信系統(tǒng)的穩(wěn)定性。

3.3 雙腔波導(dǎo)管通信系統(tǒng)的安裝

如圖5所示：雙腔波導(dǎo)管通過支架安裝在低架滑觸線立柱頂部，與原來的設(shè)備互不干涉；機載動力配電箱安裝在取電小車頂部；無線接收天線安裝在機載動力配電箱頂部。在RTG移動過程中，無線接收天線與雙腔波導(dǎo)管間的距離保持在200～之間，從而確保良好的通信質(zhì)量。

為延長波導(dǎo)管的使用壽命，在波導(dǎo)管上安裝防護罩，預(yù)防波導(dǎo)管老化，并有效隔絕雨水、灰塵和鹽霧侵蝕。波導(dǎo)管之間采用法蘭連接，連接處加裝特制的防護罩。為了消除波導(dǎo)管的溫度形變和應(yīng)力，波導(dǎo)管的固定支架采用滑動支架。

3.4 雙腔波導(dǎo)管通信系統(tǒng)測試

在RTG和遠程控制室的計算機上分別安裝帶寬測試軟件，測試雙腔波導(dǎo)管通信系統(tǒng)的帶寬、延時和信號穩(wěn)定性：在1臺RTG進行遠程通信的情況下，網(wǎng)絡(luò)平均帶寬達到451 Mb/s，網(wǎng)絡(luò)延時不超過；在2臺RTG同時進行遠程通信的情況下，網(wǎng)絡(luò)平均帶寬達到121 Mb/s，網(wǎng)絡(luò)延時不超過1 ms。測試結(jié)果顯示，雙腔波導(dǎo)管通信系統(tǒng)達到RTG遠程控制無線通信要求，有效解決了RTG遠程控制中的通信難題?；陔p腔波導(dǎo)管通信技術(shù)的RTG遠程控制無線通信系統(tǒng)具有高帶寬、低延時以及抗干擾能力強和使用壽命長等優(yōu)點，可為我國RTG遠程控制通信系統(tǒng)研發(fā)提供借鑒和參考。

（編輯：曹莉瓊 收稿日期：2018-06-04）