長(zhǎng)大隧道施工臨時(shí)通信組網(wǎng)方案研究

陸宏剛

(中國(guó)鐵建電氣化局集團(tuán)第五工程有限公司 四川成都 610073)

1 康定2號(hào)隧道基本情況

川藏鐵路雅安至林芝段于2020年11月開工建設(shè)，該段鐵路橋隧占比高，橋隧施工受地形高差大、活動(dòng)斷裂帶作用復(fù)雜、地質(zhì)災(zāi)害頻發(fā)等因素影響，是整個(gè)川藏鐵路工程設(shè)計(jì)施工中的重難點(diǎn)。

康定2號(hào)隧道位于四川省甘孜藏族自治州境內(nèi)，以東南～西北走向穿越著名的“康巴第一關(guān)”折多山，隧道全長(zhǎng)20.793 km。隧道施工安排了隧道進(jìn)口、出口、一號(hào)橫洞、二、三號(hào)斜井共五個(gè)工作面。一號(hào)橫洞設(shè)在隧道進(jìn)口左側(cè)，二號(hào)斜井設(shè)在G318折多山隧道進(jìn)口右側(cè)，三號(hào)斜井設(shè)在G318折多山隧道出口右側(cè)。隧道進(jìn)口及一號(hào)橫洞、二號(hào)斜井屬于中鐵十二局中標(biāo)標(biāo)段，隧道出口及三號(hào)斜井屬于中鐵十八局中標(biāo)標(biāo)段。由于隧道進(jìn)口和出口分屬不同施工單位，各自獨(dú)立組織施工，本文主要圍繞康定2號(hào)隧道進(jìn)口及一號(hào)橫洞、二號(hào)斜井的隧道施工方案研究臨時(shí)通信解決方案。

2 臨時(shí)通信系統(tǒng)需求調(diào)查及分析

針對(duì)隧道施工作業(yè)環(huán)境未知多變、工序復(fù)雜、裝備種類繁多等問題，施工單位采用TBM為主，鉆爆法為輔的隧道分修方案[1]，并借助互聯(lián)網(wǎng)、物聯(lián)網(wǎng)、大數(shù)據(jù)、軟件開發(fā)等技術(shù)，建設(shè)了具有施工過程全景監(jiān)測(cè)、風(fēng)險(xiǎn)預(yù)警、裝備遠(yuǎn)程運(yùn)維、施工過程管理運(yùn)維與輔助決策等功能的隧道施工智能建造綜合管理系統(tǒng)。該系統(tǒng)對(duì)臨時(shí)通信系統(tǒng)的信息接入類型、傳輸帶寬、設(shè)備布署靈活性等提出了更高的要求。在隧道施工處于鉆孔破巖、拱架安裝、粒料填充及噴漿、仰拱作業(yè)、鋼筋網(wǎng)片挷扎安裝、襯砌施工等作業(yè)工序時(shí)，人來車往，工作環(huán)境非常復(fù)雜，有線通信網(wǎng)絡(luò)缺失安全穩(wěn)定的安裝條件，我們?cè)诨荆饫w直放站網(wǎng)絡(luò)覆蓋、有線＋無線WIFI網(wǎng)絡(luò)覆蓋等幾種隧道常用無線解決方案中，選擇技術(shù)更為先進(jìn)、設(shè)備布置更靈活的有線＋無線Mesh網(wǎng)絡(luò)覆蓋的方式解決隧道內(nèi)的通信問題。

依據(jù)康定2號(hào)隧道施工方案，構(gòu)建的臨時(shí)通信系統(tǒng)應(yīng)滿足以下應(yīng)用需求[2]:

(1)各施工場(chǎng)所的互聯(lián)網(wǎng)接入需求；

(2)基于無線對(duì)講功能的聯(lián)系溝通及調(diào)度指揮的通信需求；

(3)基于局域網(wǎng)絡(luò)的VoIP電話[3]需求；

(4)隧道施工全景監(jiān)測(cè)所需的各種視頻終端設(shè)備接入和視頻傳輸；

(5)應(yīng)對(duì)川藏特殊地質(zhì)環(huán)境下隧道施工必備的應(yīng)急通信系統(tǒng)需求；

(6)解決隧道施工智慧工地管理的各種人員定位、車輛定位和現(xiàn)場(chǎng)管理信息傳遞的通信需求；

(7)超前地質(zhì)預(yù)報(bào)對(duì)隧道掌子面圍巖狀態(tài)信息收集和上傳通道需求；

(8)TBM供電[4]、通風(fēng)、供氧及出碴系統(tǒng)監(jiān)測(cè)診斷信息收集和上傳；

(9)隧道中各種大型裝備關(guān)鍵部件狀態(tài)的實(shí)時(shí)動(dòng)態(tài)監(jiān)測(cè)及故障識(shí)別信息收集和上傳；

(10)隧道施工中語音、數(shù)據(jù)、視頻回傳通信中心的通信通道。

3 Mesh網(wǎng)絡(luò)的特點(diǎn)和構(gòu)成

無線Mesh網(wǎng)絡(luò)(Wireless Mesh Network，WMN)，是一種適用于大面積或復(fù)雜地型的分布式無線自組織多跳網(wǎng)格網(wǎng)絡(luò)。它具備自組網(wǎng)、自愈合、網(wǎng)絡(luò)參數(shù)動(dòng)態(tài)調(diào)整并具有較高帶寬等特性[5]。Mesh網(wǎng)絡(luò)可自動(dòng)探知節(jié)點(diǎn)的增減，在極短時(shí)間內(nèi)即可完成路由更新和網(wǎng)絡(luò)參數(shù)的調(diào)整，既增加了網(wǎng)絡(luò)的可拓展性，又提高了可靠性，同時(shí)減少了設(shè)備配置和調(diào)試的時(shí)間。Mesh網(wǎng)絡(luò)設(shè)備具有多種規(guī)格型號(hào)，可由施工人員隨身攜帶或安裝在施工機(jī)械設(shè)備上，設(shè)備自備電池，也可通過車載電源供電，安裝布署靈活，極為適宜隧道施工場(chǎng)景。

Mesh專用通信網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)如圖1所示。

圖1 Mesh網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)示意

Mesh專用網(wǎng)絡(luò)采用基于IEEE802.1x標(biāo)準(zhǔn)的網(wǎng)絡(luò)接入控制技術(shù)，由中心控制系統(tǒng)、有線網(wǎng)絡(luò)、無線網(wǎng)格網(wǎng)絡(luò)、終端和信息采集設(shè)備等組成。

中心控制系統(tǒng):在施工單位指揮部設(shè)置，主要包括核心交換機(jī)、網(wǎng)管系統(tǒng)、服務(wù)器及調(diào)度指揮系統(tǒng)等設(shè)備組成。

有線網(wǎng)絡(luò):從隧道指揮中心到隧道進(jìn)口區(qū)段敷設(shè)野戰(zhàn)光纜，部署MPP網(wǎng)關(guān)設(shè)備、有線AP設(shè)備和天線。

無線網(wǎng)格網(wǎng)絡(luò):在隧道施工區(qū)段部署無線AP設(shè)備和天線，通過自組網(wǎng)方式構(gòu)建無線網(wǎng)格網(wǎng)絡(luò)。AP設(shè)備起到信息接入和路由器的功能，提供RJ45/RS232/USB等類型接口，可與現(xiàn)場(chǎng)安裝的各類傳感器連接，并提供WIFI熱點(diǎn)供手機(jī)、手持終端、電腦等無線WIFI設(shè)備接入，作為CPE信息接入設(shè)備的補(bǔ)充，收集聲音、壓力、溫度等數(shù)據(jù)采集信息，通過專用網(wǎng)絡(luò)回傳到中心控制系統(tǒng)。

終端和信息采集設(shè)備:配置專網(wǎng)移動(dòng)終端和CPE接入設(shè)備，提供語音和數(shù)據(jù)傳輸服務(wù)。移動(dòng)終端可配置視頻拍攝功能；隧道施工和監(jiān)測(cè)涉及的攝像頭視頻、傳感器數(shù)據(jù)采集通過CPE接入設(shè)備或AP設(shè)備，接入Mesh網(wǎng)絡(luò)，傳輸?shù)街行目刂葡到y(tǒng)。專網(wǎng)移動(dòng)終端設(shè)備滿足IP67以上的工業(yè)防護(hù)要求，可提供衛(wèi)星定位功能、專網(wǎng)公網(wǎng)雙模雙待能力，以公網(wǎng)(如有覆蓋)作為備用網(wǎng)絡(luò)，支持VOIP語音會(huì)議、視頻集群、點(diǎn)對(duì)點(diǎn)和點(diǎn)對(duì)多點(diǎn)呼叫等業(yè)務(wù)；支持脫網(wǎng)直通(DMO)，功能滿足在沒有網(wǎng)絡(luò)的特殊場(chǎng)景下的緊急語音通信需求[6]。

網(wǎng)管系統(tǒng)和服務(wù)器:管理儲(chǔ)存網(wǎng)絡(luò)內(nèi)的數(shù)據(jù)傳輸和外部網(wǎng)絡(luò)的接口，主要負(fù)責(zé)與外網(wǎng)相聯(lián)，并提供分組數(shù)據(jù)路由、QoS配置、信令控制、終端管理等功能；負(fù)責(zé)對(duì)AP設(shè)備進(jìn)行監(jiān)測(cè)和維護(hù)管理。

調(diào)度指揮系統(tǒng):提供單呼、組呼和廣播等功能，集成調(diào)度業(yè)務(wù)和指揮管理功能，可根據(jù)隧道施工中的使用需求提供更多功能定制。

4 隧道Mesh專用網(wǎng)絡(luò)方案設(shè)計(jì)

隧道內(nèi)無線電波的傳輸不同于地面上，受隧道的截面尺寸、曲率、隧道壁介質(zhì)、隧道內(nèi)的人員、機(jī)械和障礙物等因素影響，造成無線電波傳播時(shí)發(fā)生反射、散射和繞射等現(xiàn)象，隨著信號(hào)傳輸距離的增大在接收端形成了多徑衰減[7]。我們需要根據(jù)隧道施工場(chǎng)景無線電波傳播衰減理論，測(cè)算出隧道內(nèi)無線傳輸距離，進(jìn)行合理的方案設(shè)計(jì)和設(shè)備布置，使無線通信為隧道施工所用的工程機(jī)械的信息化[8]提供良好的基礎(chǔ)。

無線Mesh網(wǎng)絡(luò)使用的頻率為2.4 GHz和5.8 GHz，分別處于UHF頻段和SHF頻段。根據(jù)無線電波的傳播損耗公式[9]:

式中，Lb為路徑損耗(dB)；f為中心頻率(MHz)；d為傳播距離(m)。

通過公式(1)，可推導(dǎo)出相同傳播距離，2.4 G信號(hào)較5G信號(hào)傳播路徑損耗小，故相同功率時(shí)傳播距離更遠(yuǎn)；5G信號(hào)傳播路徑損耗大，傳播距離相對(duì)較短。工程設(shè)計(jì)應(yīng)用中考慮到帶寬及無線覆蓋距離兼顧，常將兩種信號(hào)制式融合應(yīng)用，因融合后公式計(jì)算復(fù)雜且對(duì)傳播距離影響小，故本文選擇傳輸距離更遠(yuǎn)的2.4 G信號(hào)設(shè)備進(jìn)行測(cè)算隧道無線覆蓋距離。

根據(jù)隧道內(nèi)電磁波傳播[10]損耗計(jì)算規(guī)律可計(jì)算出隧道內(nèi)的路徑損耗:

式中，Lb為路徑損耗(dB)；PT為發(fā)射功率(dBm)；GT為發(fā)射天線增益(dB)；GR為接收天線增益(dB)；L1為人體損耗(dB)；L2為饋纜損耗(dB)；PR為測(cè)試終端接收功率(dBm)。

測(cè)試中隧道內(nèi)無線網(wǎng)絡(luò)各項(xiàng)參數(shù)見表1。

表1 無線網(wǎng)絡(luò)參數(shù)

計(jì)算得Lb＝20＋15＋2-3-3＋80＝111(dB)

根據(jù)隧道傳播模型修正公式[11]:

式中，A為基本損耗(dB)，可在d＝1 m處測(cè)得；α為電波傳播的對(duì)數(shù)衰減系數(shù)；λ為電波傳播的線性衰減系數(shù)。

根據(jù)式(3)結(jié)合表2中的各項(xiàng)參數(shù)，可求出直線段隧道無線覆蓋的最大距離為1 160 m，曲線段隧道無線覆蓋的最大距離為660 m。

表2 隧道內(nèi)無線傳播模型的參數(shù)

根據(jù)康定2號(hào)隧道的施工作業(yè)安排，施工階段需要分段并行，配合橫洞、平行導(dǎo)洞、斜井等多種手段高效推進(jìn)作業(yè)，隧道內(nèi)臨時(shí)通信系統(tǒng)面臨分段獨(dú)立作業(yè)的場(chǎng)景。根據(jù)隧道作業(yè)現(xiàn)場(chǎng)實(shí)際情況，在項(xiàng)目指揮部設(shè)置指揮中心控制系統(tǒng)，隧道進(jìn)口處的進(jìn)口工區(qū)、橫洞工區(qū)、斜井工區(qū)等三處位置設(shè)置Mesh網(wǎng)關(guān)設(shè)備，根據(jù)隧道施工進(jìn)展布置Mesh節(jié)點(diǎn)設(shè)備和終端設(shè)備。部署方案如圖2所示。

圖2 康定2號(hào)隧道Mesh無線系統(tǒng)平面布置

隧道內(nèi)無線網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)部署原則:為保證信號(hào)無線傳輸?shù)乃俾屎蛶?，隧道?nèi)相鄰AP的天線覆蓋區(qū)域需要有足夠的交迭深度以保障無線信號(hào)能夠穩(wěn)定回傳，考慮到實(shí)際施工中較少存在超長(zhǎng)直線隧道情況，原則上按照1 000 m進(jìn)行AP節(jié)點(diǎn)部署，信息集中的點(diǎn)位可以考慮增加AP設(shè)置，以增大無線傳輸?shù)膸捄涂煽啃浴?/p>

測(cè)試和調(diào)整:在Mesh網(wǎng)絡(luò)部署完成后，需要對(duì)整個(gè)網(wǎng)絡(luò)進(jìn)行場(chǎng)強(qiáng)測(cè)試[12]和網(wǎng)絡(luò)優(yōu)化調(diào)整。包括驗(yàn)證無線信號(hào)覆蓋是否存在盲區(qū)；傳輸速率、丟包率等傳輸性能指標(biāo)是否合格；無線傳輸時(shí)是否存在信道沖突等問題。

5 結(jié)論

根據(jù)川藏鐵路康定2號(hào)隧道進(jìn)口隧道施工方案的通信需求，本文采用了有線＋無線Mesh網(wǎng)絡(luò)模式，通過合理地布設(shè)AP節(jié)點(diǎn)，按照隧道內(nèi)無線傳播模型的參數(shù)計(jì)算設(shè)計(jì)了無線信號(hào)重疊覆蓋區(qū)，通過現(xiàn)場(chǎng)布設(shè)、場(chǎng)強(qiáng)測(cè)試和網(wǎng)絡(luò)優(yōu)化，實(shí)現(xiàn)了隧道內(nèi)施工作業(yè)區(qū)域無線信號(hào)全覆蓋，可以為康定2號(hào)隧道施工順利推進(jìn)提供穩(wěn)定可靠的臨時(shí)通信保障，為今后同類工程提供有效借鑒。