隧道健康監(jiān)測(cè)中無線通信技術(shù)研究綜述與前景展望

蒲玲玲 楊柳 劉恒 李帥

摘要：我國公路覆蓋面積廣闊，其中有很多公路隧道。截至2019年，我國公路隧道總長(zhǎng)度達(dá)到18 966.6 km。在隧道健康問題的監(jiān)測(cè)方面，常采用傳感器自動(dòng)監(jiān)測(cè)隧道健康信息;在數(shù)據(jù)傳輸方面采用有線傳輸時(shí)，有布線困難、會(huì)限制傳感器的布置范圍、電線使用壽命有限和能耗大等缺點(diǎn)，故采用無線通信的方法來避免這些缺點(diǎn)。在公路隧道無線通信系統(tǒng)中傳感器通常采用電池供電，使傳感器的布局范圍更加廣且布局更加自由?？紤]在隧道內(nèi)無線通信技術(shù)運(yùn)用較廣泛的有ZigBee、WiFi和LoRa。文章基于這3種無線通信技術(shù)在公路隧道內(nèi)的通信方案做介紹和對(duì)比，對(duì)其節(jié)能性和可靠性做出簡(jiǎn)述，并分析了現(xiàn)今公路隧道內(nèi)無線通信現(xiàn)狀，探討了公路隧道內(nèi)無線通信的不足和未來發(fā)展的展望。

[基金項(xiàng)目]軌道交通工程信息化國家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室（中鐵一院）開放基金項(xiàng)目（項(xiàng)目編號(hào)：SKLK18-05、SKLK18-06）;四川省科技計(jì)劃項(xiàng)目（項(xiàng)目編號(hào)：2020YFG0303、NO.2020YFH0111）;成都市科技項(xiàng)目（項(xiàng)目編號(hào)：2019-YF05-02657-SN）

[作者簡(jiǎn)介]蒲玲玲（1998—），女，在讀碩士，研究方向?yàn)檫吘売?jì)算;劉恒（1983—），男，博士，講師，碩士生導(dǎo)師，研究方向?yàn)橐苿?dòng)通信與工程信息化;李帥（1997—），男，在讀碩士，研究方向?yàn)榇髷?shù)據(jù)技術(shù)。

[通信作者]楊柳（1978—），女，博士，高級(jí)實(shí)驗(yàn)師，碩士生導(dǎo)師，研究方向?yàn)橐苿?dòng)通信與工程信息化。

隨著經(jīng)濟(jì)發(fā)展，人們對(duì)生活質(zhì)量要求越來越高，各地迅速城市化，使得交通發(fā)展迅速，公路建設(shè)規(guī)模也隨之?dāng)U大。現(xiàn)今我國已經(jīng)是世界上公路發(fā)展最快，擁有公路隧道數(shù)量最多的國家[1-3]。由于隧道環(huán)境的特殊性，隧道健康問題成了公路運(yùn)維的重要問題。引起隧道健康問題的因素有很多，如當(dāng)?shù)氐牡刭|(zhì)條件、地下積水情況、地面建筑物的開發(fā)以及隧道自身的負(fù)荷能力等。這些都將會(huì)對(duì)隧道結(jié)構(gòu)產(chǎn)生影響，從而影響到隧道的健康。對(duì)于那些變形嚴(yán)重或?qū)ψ冃伪O(jiān)測(cè)要求高的地段，如果不能對(duì)其進(jìn)行自動(dòng)的、連續(xù)的、長(zhǎng)期的變形監(jiān)測(cè)，則很難及時(shí)發(fā)現(xiàn)險(xiǎn)情，將會(huì)對(duì)隧道安全造成嚴(yán)重的威脅[4]。隧道安全管理問題成為了公路和地鐵建設(shè)和運(yùn)營(yíng)管理單位關(guān)注的焦點(diǎn)[5]。

為了預(yù)防隧道內(nèi)危險(xiǎn)事故發(fā)生，對(duì)隧道進(jìn)行定期的健康監(jiān)測(cè)是必要的。而引起隧道健康問題的原因多種多樣，故對(duì)隧道內(nèi)可能存在的健康問題的監(jiān)測(cè)也相對(duì)其他公路復(fù)雜且繁多。如果使用傳統(tǒng)的人工方法對(duì)隧道健康狀況進(jìn)行檢測(cè)，存在觀測(cè)周期過長(zhǎng)、投入人力物力多、影響隧道內(nèi)車輛正常行駛等諸多問題。因?yàn)樗淼澜】祮栴}是一個(gè)長(zhǎng)期存在的問題，所以對(duì)隧道健康的監(jiān)測(cè)也具有長(zhǎng)期性。采用傳感器自動(dòng)監(jiān)測(cè)隧道的健康狀況可以避免人工檢測(cè)的缺點(diǎn)。傳感器采集到數(shù)據(jù)后，將數(shù)據(jù)發(fā)送給收集采集數(shù)據(jù)的數(shù)據(jù)中心，數(shù)據(jù)中心將這些數(shù)據(jù)進(jìn)行處理后發(fā)送給管理員查看。處理后的數(shù)據(jù)可以直接判斷隧道的健康是否出了問題，是否需要維護(hù)，管理員可以查看反饋的內(nèi)容做出相應(yīng)反應(yīng)。

在將傳感器監(jiān)測(cè)的數(shù)據(jù)進(jìn)行傳輸時(shí)，因?yàn)樗淼纼?nèi)有窄且障礙物較多的特點(diǎn)，常有積水等問題，若采用有線傳輸方式，存在布線復(fù)雜，會(huì)限制傳感器在隧道內(nèi)的布局，線路使用壽命短且耗電量大的問題，并且需要投資財(cái)力較多。故大多采用無線傳感器網(wǎng)絡(luò)來進(jìn)行數(shù)據(jù)傳輸，可有效的避免有線傳輸?shù)牟蛔?。將傳感器監(jiān)測(cè)到的數(shù)據(jù)用無線傳輸?shù)姆绞竭M(jìn)行傳輸，既可以節(jié)約電耗，也可以使傳感器的布局更加自由，防止監(jiān)測(cè)死角的出現(xiàn)。

本文就公路隧道內(nèi)運(yùn)用較廣泛的無線通信方案進(jìn)行介紹和對(duì)比，并探討當(dāng)下無線通信的不足和對(duì)未來無線通信的展望。

1 公路隧道無線通信方案

現(xiàn)有的無線局域網(wǎng)組網(wǎng)技術(shù)比較成熟的數(shù)據(jù)傳輸方案包括： WiFi、藍(lán)牙、ZigBee和LoRa等技術(shù)，各個(gè)無線通信方式適用于不同應(yīng)用場(chǎng)合，各種無線通信數(shù)據(jù)傳輸方案特性見表1。

在評(píng)判公路隧道內(nèi)通信技術(shù)的好壞時(shí)，低功耗和高穿透力是較重要的指標(biāo)。由表1可見，LoRa無線通信技術(shù)具有較其他3種無線通信技術(shù)都低的功耗和更強(qiáng)的穿透力。而WiFi的帶寬是其它3種通信技術(shù)遠(yuǎn)比不上的。WiFi、藍(lán)牙和ZigBee所處頻段均為2.4 GHz，而LoRa所處頻段為423～510 MHz，長(zhǎng)期看來可以避免2.4 GHz頻段擁堵造成的數(shù)據(jù)傳輸延遲問題。藍(lán)牙有著距離近、功耗大、組網(wǎng)復(fù)雜、連接數(shù)受限制的天生弱點(diǎn)，已逐步被用戶廢棄[6]。

現(xiàn)如今隧道內(nèi)運(yùn)用較廣泛的傳輸方案為ZigBee、WiFi和LoRa，故本文主要對(duì)基于ZigBee、WiFi和LoRa 3種通信技術(shù)設(shè)計(jì)做出介紹。

1.1 基于ZigBee的無線通信方法

1.1.1 ZigBee簡(jiǎn)介

ZigBee的名字源于蜂群使用的賴以生存的通信方式，蜜蜂通過跳Zigzag形狀舞蹈來分享新發(fā)現(xiàn)的食物源位置、距離和方向。該技術(shù)是一種近距離、低復(fù)雜度、低速率、低成本的雙向無線通信技術(shù)。它通過采用休眠模式達(dá)到低功耗的效果?？汕度敫鞣N設(shè)備，支持地理定位功能，具有喚醒時(shí)延短、通信時(shí)延短、網(wǎng)絡(luò)容量大、采用碰撞避免策略和AES-128的加密算法等特點(diǎn)。它工作在2.4 GHz的ISM頻段，傳輸速率20～250 kb/s，距離為10～75 m。主要用于工業(yè)控制、傳感和遠(yuǎn)程控制技術(shù)。它根據(jù)IEEE 802.15.4標(biāo)準(zhǔn)，在數(shù)千個(gè)微小的傳感器之間相互協(xié)調(diào)實(shí)現(xiàn)通信。

1.1.2 基于ZigBee的無線通信系統(tǒng)設(shè)計(jì)

使用ZigBee方式通信，功耗低且布設(shè)方便[7]。ZigBee通過串口與主控器連接，主控器上同時(shí)也連接著其它傳感器，傳感器監(jiān)測(cè)到信息后，將信息傳輸給主控器，主控器再傳輸給ZigBee進(jìn)行發(fā)送。當(dāng)功能較少時(shí)，主控芯片常用CC2530，功能較為龐大時(shí)，除了使用CC2530外還需添加其它主控芯片。使用ZigBee建立無線傳輸網(wǎng)絡(luò)，通常需要3類節(jié)點(diǎn)，這3類節(jié)點(diǎn)包括：采集節(jié)點(diǎn)、路由器節(jié)點(diǎn)、協(xié)調(diào)器節(jié)點(diǎn)[8]。此外還有一個(gè)匯聚節(jié)點(diǎn)。采集節(jié)點(diǎn)常為傳感器節(jié)點(diǎn)，主要負(fù)責(zé)采集數(shù)據(jù);路由節(jié)點(diǎn)負(fù)責(zé)收集傳感器節(jié)點(diǎn)采集的數(shù)據(jù)，然后發(fā)送給匯聚節(jié)點(diǎn);匯聚節(jié)點(diǎn)再統(tǒng)一將數(shù)據(jù)發(fā)送到數(shù)據(jù)管理中心;協(xié)調(diào)器節(jié)點(diǎn)負(fù)責(zé)管理整個(gè)網(wǎng)絡(luò)的信息。

潘國榮等[9]設(shè)計(jì)了一種對(duì)隧道內(nèi)機(jī)器人通信的系統(tǒng)，系統(tǒng)設(shè)計(jì)見圖1，此系統(tǒng)中ZigBee的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)為星狀拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)，即組建星狀的局域網(wǎng)。其中節(jié)點(diǎn)的類型包括中心節(jié)點(diǎn)，中繼節(jié)點(diǎn)和終端節(jié)點(diǎn)。計(jì)算機(jī)控制中心只需要和中心節(jié)點(diǎn)連接，從中心節(jié)點(diǎn)接收數(shù)據(jù)和發(fā)送命令。隧道內(nèi)只有最后一個(gè)機(jī)器人與終端節(jié)點(diǎn)連接，其它都直接與中繼節(jié)點(diǎn)連接。機(jī)器人接收或者發(fā)送數(shù)據(jù)均一路通過中繼節(jié)點(diǎn)到達(dá)中心節(jié)點(diǎn)。

ZigBee的星狀網(wǎng)絡(luò)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)中各節(jié)點(diǎn)只能直接與中心節(jié)點(diǎn)通信。在該網(wǎng)絡(luò)中使用中繼器，可以使終端節(jié)點(diǎn)先將數(shù)據(jù)發(fā)送到中繼節(jié)點(diǎn)，然后再將數(shù)據(jù)一起匯聚到中心節(jié)點(diǎn)，以此增大傳輸距離。但此種方法僅適用于較短的隧道，且中繼節(jié)點(diǎn)接入太多，不能保證數(shù)據(jù)傳輸?shù)目煽啃?，系統(tǒng)具有不穩(wěn)定性。

為更方便地管理隧道，將隧道內(nèi)監(jiān)測(cè)的數(shù)據(jù)遠(yuǎn)距離的傳輸?shù)娇蛻舳?，然后管理者可以直接通過手機(jī)查看監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)并管理隧道內(nèi)終端的工作。曾熙鴻等[4]設(shè)計(jì)了一個(gè)遠(yuǎn)程地鐵隧道斷面監(jiān)測(cè)與預(yù)警系統(tǒng)。系統(tǒng)主要由監(jiān)測(cè)點(diǎn)和云服務(wù)器監(jiān)控中心組成。監(jiān)測(cè)點(diǎn)以CC2530作為主控芯片。在數(shù)據(jù)傳輸方面采用ZigBee與GPRS相結(jié)合的無線傳輸方案，在隧道內(nèi)采用ZigBee通信技術(shù)作為近距離無線通信方式，在靠近地鐵站處連接GPRS網(wǎng)絡(luò)作為遠(yuǎn)距離通信方式。系統(tǒng)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)如圖2所示。傳感器采集到的數(shù)據(jù)先經(jīng)ZigBee網(wǎng)絡(luò)傳輸?shù)降罔F站處，再經(jīng)過協(xié)調(diào)器將數(shù)據(jù)封裝為GPRS數(shù)據(jù)包，最后經(jīng)GPRS傳輸?shù)皆贫?，供讀取和存儲(chǔ)。

公路隧道內(nèi)一般會(huì)設(shè)有隧道照明系統(tǒng)，但是常會(huì)出現(xiàn)燈具損壞的問題，且出現(xiàn)燈具損壞后，很久才會(huì)有工作人員發(fā)現(xiàn)并進(jìn)行更換。為解決燈具損壞不能及時(shí)更換的問題，可將燈具添加故障自動(dòng)監(jiān)測(cè)和定位功能，實(shí)現(xiàn)自監(jiān)測(cè)，自定位。工作人員只需要收到信息后更換新的燈具即可。隧道照明消耗了很大一部分隧道內(nèi)電能源，故節(jié)約電能源也是改進(jìn)隧道照明的一個(gè)方向。周華妹等[10]設(shè)計(jì)了一個(gè)智能照明控制系統(tǒng)，系統(tǒng)通過ZigBee實(shí)現(xiàn)燈具0～10V的智能調(diào)光、故障監(jiān)測(cè)和定位。在該系統(tǒng)中，將ZigBee網(wǎng)絡(luò)的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)設(shè)置為樹狀網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)，協(xié)調(diào)節(jié)點(diǎn)安裝在隧道中間，每一個(gè)樹的支路控制一段隧道內(nèi)的燈具。系統(tǒng)的主控制器與隧道內(nèi)多個(gè)ZigBee協(xié)調(diào)器通過RS485有線連接，主控器為工業(yè)控制計(jì)算機(jī)或者PLC控制器，ZigBee協(xié)調(diào)器再以無線的方式連接ZigBee路由器和ZigBee終端設(shè)備。主控器通過協(xié)調(diào)器收集的隧道環(huán)境信息，再建立模糊算法計(jì)算出當(dāng)前隧道需要的亮度值，然后控制ZigBee網(wǎng)絡(luò)進(jìn)行調(diào)光，與傳統(tǒng)隧道相比，節(jié)能率達(dá)到55 %。

為解決隧道內(nèi)調(diào)光系統(tǒng)光色單一，滿足人眼視覺效應(yīng)，張軍朝等[11]等設(shè)計(jì)了一套基于LED的光色動(dòng)態(tài)可調(diào)的隧道照明系統(tǒng)。結(jié)合調(diào)光技術(shù)推導(dǎo)出三通道光色動(dòng)態(tài)調(diào)節(jié)模型。系統(tǒng)總體架構(gòu)如圖3所示，同樣采用ZigBee結(jié)合GPRS通信方式來實(shí)現(xiàn)遠(yuǎn)距離傳輸。其中ZigBee無線通信網(wǎng)絡(luò)采用星狀網(wǎng)絡(luò)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)，每個(gè)LED都有一個(gè)ZigBee終端節(jié)點(diǎn)。光色調(diào)節(jié)程序在上位機(jī)控制平臺(tái)，控制系統(tǒng)收集到隧道內(nèi)環(huán)境，算出不同路段的色溫值和亮度值，再經(jīng)GPRS和ZigBee網(wǎng)絡(luò)將數(shù)據(jù)傳輸?shù)椒挚刂破?，由分控制器控制LED燈組的色溫和亮度值。

1.1.3 ZigBee技術(shù)中的節(jié)能設(shè)計(jì)

在隧道內(nèi)采用無線傳感器網(wǎng)絡(luò)對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行監(jiān)測(cè)代替人工檢測(cè)數(shù)據(jù)，將有線傳輸方式進(jìn)一步發(fā)展為無線傳輸方式，均極大程度上節(jié)約了人力財(cái)力。雖然無線傳感器網(wǎng)絡(luò)可以替代人工檢測(cè)隧道健康的情況，但是無線傳感器節(jié)點(diǎn)往往由電池供電，由于電池只能存儲(chǔ)有限的能量，使得無線傳感器注定壽命很短[12]，當(dāng)電能耗盡，還是需要人工更換電池。故為減少電池更換頻率，需在節(jié)點(diǎn)節(jié)能方面做出改進(jìn)。

彭毅弘等[13]設(shè)計(jì)了軟件算法來控制節(jié)點(diǎn)的睡眠模式，從而延長(zhǎng)節(jié)點(diǎn)的壽命。考慮不同的需求，在軟件上設(shè)置了2種監(jiān)測(cè)模式，一種是被本地控制中心喚醒，然后監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)，第二種是周期性的自我喚醒，然后采集數(shù)據(jù)。相比正常工作模式下的節(jié)點(diǎn)，降低了電能消耗。廖凱等[14]在ZigBee網(wǎng)絡(luò)的低功耗上做出設(shè)計(jì)。網(wǎng)絡(luò)內(nèi)節(jié)點(diǎn)采用3種喚醒方式：心跳模式喚醒、采樣模式喚醒、突發(fā)模式喚醒。心跳模式周期短可用于時(shí)間同步和突發(fā)模式網(wǎng)絡(luò)喚醒;采樣模式周期較心跳模式長(zhǎng)，以保證數(shù)據(jù)可靠傳輸?shù)絽R聚節(jié)點(diǎn);突發(fā)模式是用于工作人員攜帶其它傳感器采集信息，在終端節(jié)點(diǎn)上設(shè)置硬件開關(guān)喚醒網(wǎng)絡(luò)，通過ZigBee網(wǎng)絡(luò)將數(shù)據(jù)傳輸?shù)絽R聚節(jié)點(diǎn)。經(jīng)過功耗測(cè)試發(fā)現(xiàn)，采用低功耗策略的ZigBee網(wǎng)絡(luò)工作的時(shí)間是正常模式節(jié)點(diǎn)工作時(shí)間的3倍。在很大程度上節(jié)約了電能消耗。

1.1.4 ZigBee技術(shù)的傳輸可靠性設(shè)計(jì)

雖然ZigBee是一種高可靠的無線數(shù)據(jù)傳輸網(wǎng)絡(luò)[15]，信號(hào)傳輸?shù)目煽啃杂幸欢ūＷC，但在隧道通信系統(tǒng)中除了ZigBee網(wǎng)絡(luò)通信還可增加其它通信方式，如進(jìn)行長(zhǎng)距離傳輸?shù)腉PRS，傳感器采集的模擬信號(hào)經(jīng)有線傳輸?shù)街骺匦酒?。為使其它設(shè)備也能可靠的處理數(shù)據(jù)或傳輸數(shù)據(jù)。對(duì)于GPRS傳輸?shù)目煽啃苑矫?，可以自定義通信協(xié)議以減少GPRS的丟包率[4]。對(duì)于傳感器采集模擬信號(hào)方面，可以將模擬信號(hào)接入電路進(jìn)行放大和濾波，再用主控芯片將模擬信號(hào)轉(zhuǎn)換為數(shù)字信號(hào)[14]，從而提高了系統(tǒng)信號(hào)傳輸?shù)臏?zhǔn)確性和可靠性。

1.1.5 隧道場(chǎng)景下應(yīng)用ZigBee技術(shù)的優(yōu)劣性

ZigBee具有低功耗，短時(shí)延和網(wǎng)絡(luò)容量大等優(yōu)點(diǎn)，同時(shí)具有出色的自組網(wǎng)能力和自愈能力。當(dāng)網(wǎng)絡(luò)內(nèi)出現(xiàn)不能運(yùn)作的節(jié)點(diǎn)時(shí)，可以自動(dòng)進(jìn)行網(wǎng)絡(luò)修復(fù)，不影響整個(gè)網(wǎng)絡(luò)運(yùn)行。

但ZigBee的穿透能力較弱，在窄且障礙物多的隧道可能會(huì)出現(xiàn)通信困難的情況，可以利用ZigBee網(wǎng)絡(luò)容量大的特點(diǎn)，將特殊障礙位置部署ZigBee設(shè)備，從而避免出現(xiàn)通信困難的情況。

1.2 基于WiFi的無線通信方法

1.2.1 WiFi簡(jiǎn)介

WiFi是Wireless Fideuty的縮寫，是一種短距離的無線局域網(wǎng)數(shù)據(jù)傳輸技術(shù)。WiFi的網(wǎng)絡(luò)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)主要由無線網(wǎng)卡和許多基站AP（Access Point）組成，能夠在其覆蓋范圍內(nèi)形成蜂窩小區(qū)，并且基站在各蜂窩小區(qū)內(nèi)可以實(shí)現(xiàn)全網(wǎng)覆蓋[16]。WiFi的組網(wǎng)系統(tǒng)主要包括無線站點(diǎn)、AP節(jié)點(diǎn)。站點(diǎn)和節(jié)點(diǎn)間可以實(shí)現(xiàn)級(jí)聯(lián)連接或組建局域網(wǎng)，站點(diǎn)可以實(shí)現(xiàn)幾乎Hub的所有功能[17]。

1.2.2 基于WiFi的無線通信系統(tǒng)設(shè)計(jì)

WiFi是最常見的近距離無線通信技術(shù)，傳輸速率快，在地鐵隧道應(yīng)用較多[18]。為了使設(shè)備能在隧道內(nèi)連入網(wǎng)絡(luò)，常隔一段距離就會(huì)設(shè)置一個(gè)AP節(jié)點(diǎn)。在這種方式下，若要定位隧道內(nèi)的工作人員，可以讓工作人員手持終端設(shè)備，通過判斷終端連接的AP節(jié)點(diǎn)的位置和信號(hào)強(qiáng)度來確定工作人員所處位置[19]。通常還可以使用中繼器來實(shí)現(xiàn)WiFi覆蓋。使最前面的WiFi節(jié)點(diǎn)盡可能的以最大速率向后面的節(jié)點(diǎn)發(fā)送數(shù)據(jù)，再由中繼節(jié)點(diǎn)轉(zhuǎn)發(fā)，經(jīng)測(cè)試這種無線傳輸?shù)木嚯x達(dá)到1.5 km[20]。

田青等[21]基于WiFi多級(jí)橋接技術(shù)設(shè)計(jì)了隧道內(nèi)通信系統(tǒng)。主要通信設(shè)計(jì)如圖4所示，信號(hào)傳輸結(jié)合了4G網(wǎng)與WiFi多級(jí)橋接技術(shù)。WiFi多級(jí)橋接模塊分為3部分，后端為4G信號(hào)接收器，采用AP接入點(diǎn)模式對(duì)周圍的4G信號(hào)進(jìn)行接收;中端為中繼器，負(fù)責(zé)傳輸和接收WiFi信號(hào);前端為WiFi覆蓋器，為現(xiàn)場(chǎng)提供WiFi網(wǎng)絡(luò)。該方法可通過WiFi的高帶寬實(shí)現(xiàn)現(xiàn)場(chǎng)可視化。但是此通信技術(shù)僅適合在地鐵隧道中或者隧道施工過程中電能源有保障的時(shí)候使用。普通的公路隧道在經(jīng)費(fèi)有限的情況下難以提供充足的電源設(shè)施。

WiFi網(wǎng)絡(luò)定位系統(tǒng)最早采用射頻指紋匹配方法，該方法用最近K個(gè)鄰居的平均坐標(biāo)作為坐標(biāo)估計(jì)。然后再利用接收信號(hào)強(qiáng)度作為進(jìn)一步的坐標(biāo)估計(jì)。陳菁菁等[22]基于WiFi探針設(shè)計(jì)了地鐵內(nèi)人員定位方式。讓地鐵內(nèi)人員攜帶打開WiFi的設(shè)備，WiFi探針可以識(shí)別到一定區(qū)域內(nèi)的設(shè)備的MAC地址，多個(gè)WiFi探針將收集到的數(shù)據(jù)融合處理，就能得出地鐵內(nèi)人員的運(yùn)動(dòng)軌跡。該技術(shù)可以運(yùn)用在地鐵隧道工作人員的運(yùn)動(dòng)軌跡追蹤，從而保障工作人員的人身安全。但是WiFi探針技術(shù)還不是很完善，可能會(huì)出現(xiàn)重復(fù)上報(bào)同一個(gè)設(shè)備的MAC地址，或者漏報(bào)設(shè)備的MAC地址等情況，在運(yùn)動(dòng)軌跡追蹤上還具有一定時(shí)間的延遲。要在隧道內(nèi)大范圍使用該技術(shù)，還需要進(jìn)一步的發(fā)展。曹文超等[23]對(duì)地鐵內(nèi)WiFi探針監(jiān)測(cè)到數(shù)據(jù)有重復(fù)和缺失等問題給出改進(jìn)方法：如果5 min內(nèi)產(chǎn)生了重復(fù)數(shù)據(jù)，則不記錄重復(fù)數(shù)據(jù);根據(jù)探針的監(jiān)測(cè)距離，網(wǎng)格化布局探針;對(duì)監(jiān)測(cè)到的數(shù)據(jù)進(jìn)行平滑處理。使用改進(jìn)后的方法較改進(jìn)前的誤差小，精確度也得到了提高，可以提供參考。

1.2.3 WiFi技術(shù)中的節(jié)能設(shè)計(jì)

WiFi耗能相對(duì)于ZigBee和LoRa都高，若要將WiFi技術(shù)運(yùn)用在隧道內(nèi)，必須對(duì)WiFi的低功耗做更進(jìn)一步研究。目前大部分研究都從硬件和軟件方面考慮降低能耗。硬件方面選取合適元件是節(jié)能關(guān)鍵，軟件設(shè)計(jì)不同的通信協(xié)議和優(yōu)秀的路由算法來達(dá)到節(jié)能目的。李秀鳳等[24]從通信層面提出改進(jìn)的節(jié)能方案。建立模型估算出數(shù)據(jù)在WiFi接入點(diǎn)和服務(wù)器之間傳輸?shù)耐禃r(shí)延，使終端可以動(dòng)態(tài)地判斷傳輸數(shù)據(jù)的間隔時(shí)間，以減少不必要的喚醒，從而降低功耗。實(shí)驗(yàn)仿真結(jié)果顯示，該方法可以顯著的提高能耗使用率，降低能耗的浪費(fèi)。

1.2.4 隧道場(chǎng)景下應(yīng)用WiFi技術(shù)的優(yōu)劣性

WiFi可以很方便的讓人和人或設(shè)備之間進(jìn)行通信，且傳輸帶寬大，但其耗能高，需要視現(xiàn)場(chǎng)情況與需求判斷是否需要使用WiFi來進(jìn)行通信。若在隧道修建時(shí)需要監(jiān)測(cè)其狀況，因修建時(shí)工作人員較多，且部署WiFi設(shè)備的要求容易達(dá)到，故可以使用WiFi來進(jìn)行無線通信。而在平常的隧道健康監(jiān)測(cè)中，由于成本和功耗均較高，采用該方式需要謹(jǐn)慎判斷。

1.3 基于LoRa的無線通信方法

1.3.1 LoRa簡(jiǎn)介

LoRa是LPWAN通信技術(shù)中的一種，是美國Semtech公司采用和推廣的一種基于擴(kuò)頻技術(shù)的超遠(yuǎn)距離無線傳輸方案。LoRa技術(shù)的網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)是一個(gè)典型的星形拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)，在其拓?fù)浼軜?gòu)中，LoRa網(wǎng)關(guān)與服務(wù)器通過標(biāo)準(zhǔn)IP連接，而終端設(shè)備采用單跳與一個(gè)或多個(gè)網(wǎng)關(guān)通信，所有的節(jié)點(diǎn)均是雙向通信[16]。LoRa技術(shù)因低功耗、自組網(wǎng)、通信距離遠(yuǎn)、抗干擾能力強(qiáng)等特點(diǎn)而逐漸應(yīng)用到傳感器通信領(lǐng)域[25]。

1.3.2 基于LoRa的無線通信系統(tǒng)設(shè)計(jì)

LoRa無線通信技術(shù)也是隧道內(nèi)常用的通信技術(shù)。在隧道內(nèi)通過傳感器監(jiān)測(cè)隧道的健康信息，然后將數(shù)據(jù)發(fā)送給LoRa模塊，LoRa模塊再發(fā)送到由LoRa組成的傳感器網(wǎng)絡(luò)，最終將數(shù)據(jù)匯總于匯聚節(jié)點(diǎn)[26]，匯聚節(jié)點(diǎn)再發(fā)送給管理端，讓工作人員查看隧道健康數(shù)據(jù)。

LoRa具有極低耗電量的優(yōu)點(diǎn)，并且可以將其設(shè)置休眠模式，在電耗方面，非常適合在隧道內(nèi)使用。王大濤等[27]提出了一種低功耗供電的隧道健康監(jiān)測(cè)系統(tǒng)。系統(tǒng)根據(jù)環(huán)境搭建了適宜的隧道監(jiān)測(cè)傳感器無線局域網(wǎng)，并且制定了監(jiān)測(cè)中心節(jié)點(diǎn)與終端節(jié)點(diǎn)的通信協(xié)議。系統(tǒng)如下圖5所示主要由監(jiān)測(cè)終端節(jié)點(diǎn)和監(jiān)測(cè)中心節(jié)點(diǎn)組成，監(jiān)測(cè)中心節(jié)點(diǎn)負(fù)責(zé)對(duì)該項(xiàng)目監(jiān)測(cè)區(qū)域內(nèi)各個(gè)監(jiān)測(cè)終端節(jié)點(diǎn)統(tǒng)一進(jìn)行調(diào)度。為了實(shí)現(xiàn)低功耗的目標(biāo)，當(dāng)節(jié)點(diǎn)不工作時(shí)將節(jié)點(diǎn)設(shè)置為睡眠模式，延長(zhǎng)電池壽命，需要工作時(shí)，設(shè)置主動(dòng)周期喚醒和被動(dòng)喚醒方式。此系統(tǒng)功耗低，可提供長(zhǎng)達(dá)6個(gè)月的數(shù)據(jù)采集時(shí)間。

LoRa設(shè)備如果部署太密集，會(huì)出現(xiàn)頻譜干擾。林華彬等[28]設(shè)計(jì)了一個(gè)基于LoRa無線技術(shù)的隧道照明系統(tǒng)，可根據(jù)天氣狀態(tài)、車流量等實(shí)時(shí)信息，自適應(yīng)的完成隧道照明系統(tǒng)的控制。系統(tǒng)主要分為L(zhǎng)oRa無線協(xié)調(diào)器、LoRa無線單燈控制器、LED照明燈具等。該LoRa無線網(wǎng)絡(luò)的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)采用星型網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)如圖6所示。無線協(xié)調(diào)器采用廣播的方式將數(shù)據(jù)發(fā)送給無線單燈控制器，當(dāng)單燈控制器驗(yàn)證到命令中是自己的地址，就執(zhí)行命令，否則不予執(zhí)行。該方式可以有效防止數(shù)據(jù)傳輸擁堵。對(duì)LoRa之間的通信方式進(jìn)行設(shè)計(jì)，可以在一定情況下避免干擾的發(fā)生。

LoRa設(shè)備在使用前，為區(qū)分彼此常需要進(jìn)行ID配置?，F(xiàn)今沒有相應(yīng)的自動(dòng)配置設(shè)備，所以只能靠人工用調(diào)試助手完成ID的配置。這種方式存在效率低、錯(cuò)誤率高等問題，嚴(yán)重制約LoRa技術(shù)在隧道內(nèi)的推廣應(yīng)用。周華安等[29]等設(shè)計(jì)了一款可以一次性完成1臺(tái)協(xié)調(diào)器和15臺(tái)單燈控制器的ID配置系統(tǒng)。該系統(tǒng)投入運(yùn)行后可實(shí)現(xiàn)0錯(cuò)誤率配置ID，使得配置15臺(tái)LoRa設(shè)備時(shí)間僅需要10 min。相比于兩人配合所需時(shí)間至少30 min，減少了配置時(shí)間和難度。

1.3.3 LoRa技術(shù)中的節(jié)能設(shè)計(jì)

LoRa本身就具有超低功耗的特點(diǎn)，在此基礎(chǔ)上還可以通過軟件設(shè)計(jì)休眠模式進(jìn)一步節(jié)能。處于休眠模式下LoRa設(shè)備的喚醒方式，常設(shè)置自身周期喚醒和被動(dòng)喚醒兩種方式。戴楊等[30]在使用軟件設(shè)計(jì)節(jié)點(diǎn)休眠和喚醒的基礎(chǔ)上還進(jìn)行了進(jìn)一步的設(shè)計(jì)。如ADR自動(dòng)調(diào)整通信速率，提高能量利用率;多次采集的數(shù)據(jù)壓縮為一條信息進(jìn)行傳輸，從而減少傳輸?shù)拇螖?shù)，降低能源消耗;同時(shí)也設(shè)計(jì)了緊急數(shù)據(jù)幀，當(dāng)異常情況發(fā)生，緊急數(shù)據(jù)幀可以直接喚醒節(jié)點(diǎn)進(jìn)行數(shù)據(jù)采集或者發(fā)送。經(jīng)設(shè)計(jì)出來的系統(tǒng)已經(jīng)穩(wěn)定運(yùn)行一年之久。

1.3.4 LoRa技術(shù)的傳輸可靠性設(shè)計(jì)

為避免LoRa設(shè)備之間信號(hào)相互干擾，可自定義傳輸協(xié)議，設(shè)備之間針對(duì)性的進(jìn)行數(shù)據(jù)傳輸，避免或減小干擾情況。為將采集的數(shù)據(jù)及時(shí)傳輸?shù)焦芾矶?，MAC層的協(xié)議是網(wǎng)絡(luò)可靠性和穩(wěn)定性的關(guān)鍵。梅大成等[31]將MAC層內(nèi)已有的固定TDMA時(shí)隙分配策略改進(jìn)為差異性的TDMA時(shí)隙分配策略，使實(shí)時(shí)性要求較高的數(shù)據(jù)可以分得較多的時(shí)間傳輸，以提高系統(tǒng)的實(shí)時(shí)性。

1.3.5 隧道場(chǎng)景下應(yīng)用LoRa技術(shù)的優(yōu)劣性

LoRa具有低功耗、高傳輸范圍和穿透能力強(qiáng)等優(yōu)點(diǎn)。在隧道內(nèi)采用無線傳輸方式進(jìn)行數(shù)據(jù)傳輸，要想系統(tǒng)能夠長(zhǎng)期穩(wěn)定和在較少人工干擾的情況下運(yùn)作，節(jié)能是關(guān)鍵。LoRa具有極低的功耗，能夠極大的節(jié)省人力財(cái)力。并且具有較強(qiáng)的穿透能力，在隧道這種窄且障礙物多的情況下，使用LoRa進(jìn)行數(shù)據(jù)傳輸能提高數(shù)據(jù)傳輸?shù)臏?zhǔn)確性和可靠性。

但如果在一定范圍內(nèi)LoRa設(shè)備部署太多，則相互之間會(huì)出現(xiàn)一定的頻譜干擾，影響信息傳播的準(zhǔn)確性。且在使用LoRa技術(shù)通信時(shí)必須要新建信號(hào)塔或工業(yè)基站，前期投入工程量較大。

1.4 公路隧道無線通信面臨的挑戰(zhàn)

通過設(shè)計(jì)無線網(wǎng)絡(luò)通信技術(shù)，能有效的避免使用有線傳輸?shù)牟季€復(fù)雜、線路易損壞、靈活性不高等問題。但是無線通信方式是利用電磁波信號(hào)在自由空間中進(jìn)行信息交換的通信方式，其通信可靠性始終還是會(huì)受到隧道狹窄的影響。隧道內(nèi)空間的幾何特征和隧道內(nèi)壁表面平整度會(huì)對(duì)無線信號(hào)的傳輸產(chǎn)生影響，且每天大部分時(shí)間都有列車或者車輛在隧道內(nèi)頻繁運(yùn)行，會(huì)對(duì)信號(hào)的傳播造成阻隔[32]。所以，要保障節(jié)點(diǎn)和節(jié)點(diǎn)之間信號(hào)準(zhǔn)確的傳輸，需要對(duì)節(jié)點(diǎn)的部署位置進(jìn)行測(cè)試和判斷，避免發(fā)生信號(hào)傳播被阻隔的情況。

由于大量公路隧道都是處于地下或者山下，隧道內(nèi)會(huì)有很多積水，影響采集終端的健康和壽命。在有列車隧道內(nèi)，除了有地下積水影響外，列車通過時(shí)產(chǎn)生的震動(dòng)也會(huì)對(duì)監(jiān)測(cè)節(jié)點(diǎn)造成影響，所以對(duì)設(shè)備的防水性、防潮性和耐震性也有要求。

修建在不同地方的隧道土質(zhì)不一樣，隧道修建完投入使用后，在不同土質(zhì)處可能會(huì)有不同的健康損傷。應(yīng)分析土質(zhì)和隧道健康損傷的關(guān)系，對(duì)每個(gè)地方監(jiān)測(cè)節(jié)點(diǎn)的具體部署位置和部署數(shù)量進(jìn)行專門的研究，以達(dá)到最優(yōu)的部署形式。

在地鐵隧道內(nèi)，列車運(yùn)行時(shí)間長(zhǎng)，頻率高，維修工人進(jìn)入隧道的時(shí)間和人員數(shù)量都有嚴(yán)格的限制。傳感器布置后，電池難于更換，且由于在隧道內(nèi)，無法使用太陽能供電，當(dāng)電量消耗殆盡，節(jié)點(diǎn)就失去作用，因此，傳感器節(jié)點(diǎn)硬件、軟件、工作模式和通信協(xié)議的設(shè)計(jì)都要以節(jié)能為前提，最大限度延長(zhǎng)節(jié)點(diǎn)壽命。

2 結(jié)論

在公路隧道內(nèi)，為了節(jié)省人力財(cái)力，將數(shù)據(jù)的傳輸方式設(shè)計(jì)為無線傳輸方式。本文就目前在公路隧道內(nèi)運(yùn)用較多的無線通信技術(shù)做出介紹。對(duì)ZigBee、WiFi、LoRa 3種通信技術(shù)在公路隧道內(nèi)的對(duì)比：

（1）LoRa兼?zhèn)涞凸暮透邆鬏敺秶膬?yōu)點(diǎn)，且LoRa的穿透能力較ZigBee和WiFi強(qiáng)，對(duì)于窄且障礙物較多的隧道具有比較靠譜的傳輸能力。WiFi、ZigBee等組網(wǎng)傳輸方式需要依靠有線串接的無線網(wǎng)關(guān)設(shè)備作為終端接入點(diǎn)，無法徹底擺脫對(duì)有線傳輸方式的依賴[33]，而LoRa可以實(shí)現(xiàn)無線傳輸。但需要新建信號(hào)塔或者基站，前期人力財(cái)力投入都較大。如果需要密集的部署通信設(shè)備，使用LoRa會(huì)出現(xiàn)頻譜干擾的情況。

（2）當(dāng)部署較多的ZigBee設(shè)備時(shí)，不會(huì)出現(xiàn)同LoRa一樣的頻譜干擾情況，且在此情況下不僅安全可靠，還能靈活的自組網(wǎng)，以保證系統(tǒng)正常的運(yùn)行。但是ZigBee也存在收發(fā)單元間傳輸能力與適應(yīng)性差等無線自組網(wǎng)技術(shù)通常存在的問題。

（3）WiFi的帶寬是其它兩種通信方式遠(yuǎn)遠(yuǎn)比不上的。并且WiFi可以做到除了傳感器以外的其他設(shè)備，比如手機(jī)等設(shè)備的接入。但其成本和耗電都相對(duì)其它兩種方式較高，應(yīng)視情況選擇是否需要用WiFi作為傳輸工具。

鑒于現(xiàn)今存在的問題，公路隧道內(nèi)對(duì)于無線通信技術(shù)的進(jìn)一步研究應(yīng)該在幾個(gè)方面：

（1）因?yàn)樗淼纼?nèi)情況復(fù)雜，障礙物較多且常有車輛或者列車經(jīng)過，為了信息傳輸時(shí)不受上述等問題影響。應(yīng)考慮設(shè)計(jì)一個(gè)可靠的設(shè)備部署拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)，保證數(shù)據(jù)在公路隧道內(nèi)的傳輸可靠性。

（2）因?yàn)楣匪淼莱３Ｔ诘叵禄蛘呱较?，所以不可避免隧道?nèi)常有積水。應(yīng)考慮將監(jiān)測(cè)節(jié)點(diǎn)進(jìn)行安全封裝，對(duì)封裝方式進(jìn)行研究，以保證節(jié)點(diǎn)可以在隧道內(nèi)長(zhǎng)期準(zhǔn)確的工作。

（3）為了把鋼用在刀刃上，應(yīng)對(duì)隧道的物理結(jié)構(gòu)進(jìn)行分析，利用模型分析出其最易損壞的地方，在該地方部署適當(dāng)數(shù)量的監(jiān)測(cè)節(jié)點(diǎn)，更有效、高效的進(jìn)行健康監(jiān)測(cè)。

（4）應(yīng)考慮結(jié)合大量隧道監(jiān)測(cè)到的健康數(shù)據(jù)進(jìn)行總體分析，設(shè)計(jì)一個(gè)模型或者算法，根據(jù)以往監(jiān)測(cè)到的健康數(shù)據(jù)來預(yù)測(cè)以后隧道的健康情況，進(jìn)而判斷隧道健康年限，及時(shí)進(jìn)行健康維護(hù)。

（5）應(yīng)在終端低功耗技術(shù)上進(jìn)行更進(jìn)一步的研究。因?yàn)槿绻獙⑺泄匪淼蓝加脗鞲衅鹘K端來監(jiān)測(cè)健康數(shù)據(jù)的話，必定會(huì)有海量的傳感器通過無線網(wǎng)絡(luò)進(jìn)行數(shù)據(jù)傳輸。如果功耗太大，終端耗電迅速，需要耗費(fèi)大量人力物力來更換傳感器終端的電池，采用低功耗的終端，可以節(jié)省很多繁雜的工作。

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