5G無線通信及定位在智慧隧道中應(yīng)用
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摘要：本文介紹了結(jié)合中國廣電5g應(yīng)用頻率的使用范圍及中國廣電行業(yè)4G/5G專網(wǎng)支持能力，參照隧道施工工程特點，建設(shè)的基于4G/5G無線通信平臺的智慧隧道系統(tǒng)。
關(guān)鍵詞：4G/5G；無線傳輸網(wǎng)絡(luò)；無線通信；智慧隧道
1引言
隨著中國廣電5G網(wǎng)絡(luò)建成和投入運營，筆者發(fā)現(xiàn)5G在細分行業(yè)的增值應(yīng)用將會是其在工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)領(lǐng)域突破發(fā)展的方向，并成為中國廣電集團和中國廣電江西網(wǎng)絡(luò)有限公司的工作重點。目前，在5G+工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)的系列解決方案中，智慧工地、智慧工廠技術(shù)已逐漸成熟，落地方案也已得到了充分驗證，成為5G在行業(yè)應(yīng)用的主要發(fā)展方向。2021年5月，在河北省承德市酸棗嶺隧道施工過程中，項目方遇到了由于隧道過長（全長10km），隧道內(nèi)人員分布和設(shè)備分布不可管理，隧道內(nèi)施工團隊通信不及時，隧道可燃氣體情況不可預(yù)警，隧道管理者無法對隧道內(nèi)部情況實時指揮和調(diào)度等一系列問題。經(jīng)過認(rèn)真分析和判斷，江西廣電分公司提出了基于4G/5G無線通信及定位的解決方案，既保障了酸棗嶺隧道工程如期完工，又完成了江西廣電5G應(yīng)用實施能力驗證。
2智慧隧道方案制定
根據(jù)隧道施工的工程要求和工作難點，通過建設(shè)隧道4G/5G無線通信及定位系統(tǒng)解決問題，將無線調(diào)度、有線調(diào)度、安全監(jiān)控、視頻回傳、機車控制等系統(tǒng)進行融合，實現(xiàn)統(tǒng)一調(diào)度、統(tǒng)一管理、統(tǒng)一監(jiān)控、智能聯(lián)動，同時采用遠程維護管理，最終建設(shè)成為智慧隧道的應(yīng)用系統(tǒng)。
3建設(shè)原則
根據(jù)網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)建設(shè)的實際應(yīng)用狀況和未來的發(fā)展趨勢，考慮到各系統(tǒng)的實際需求及具體的使用特性，同時兼顧技術(shù)更迭不斷加快的特點，整體方案設(shè)計遵循以下原則。（1）系統(tǒng)性項目設(shè)計和建設(shè)要有整體的系統(tǒng)性考慮，包括核心網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)、數(shù)據(jù)中心、網(wǎng)絡(luò)安全、接入控制、統(tǒng)一服務(wù)和運維管理等方面。（2）可靠性系統(tǒng)要高效穩(wěn)定，能夠保持24小時不間斷運行。充分考慮關(guān)鍵設(shè)備和鏈路冗余問題，對于安裝的設(shè)備與布線系統(tǒng)，必須能適應(yīng)嚴(yán)苛的工作環(huán)境，以確保系統(tǒng)穩(wěn)定。（3）先進性使用先進、成熟、實用、適合且具有良好發(fā)展前景的技術(shù)，使得各個子系統(tǒng)具有較長的生命周期，既能滿足當(dāng)前的需求，又能適應(yīng)未來的發(fā)展。（4）靈活性充分考慮未來需求的成長空間，承載業(yè)務(wù)的范圍和能力要有前瞻性，具備一定時間內(nèi)的靈活擴展能力，要求組網(wǎng)方便、管理靈活、業(yè)務(wù)規(guī)劃相對獨立。（5）資源整合充分合理利用隧道施工現(xiàn)有傳輸資源。（6）安全性網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)應(yīng)具有良好的安全性。計算機網(wǎng)絡(luò)下一步計劃承載企業(yè)關(guān)鍵業(yè)務(wù)，如OA、職教培訓(xùn)、視頻監(jiān)控、ERP等，因此，設(shè)計和實施應(yīng)合理考慮隧道施工標(biāo)準(zhǔn)網(wǎng)絡(luò)、面對云計算的數(shù)據(jù)中心、互聯(lián)網(wǎng)安全、隧道施工生產(chǎn)網(wǎng)的區(qū)域安全隔離和訪問控制。
4智慧隧道方案實施
隧道采用4G/5G無線信號覆蓋，實現(xiàn)如下功能。工程、運輸車輛駕駛員，工程人員與調(diào)度中心的可視化通話和可視化人員指揮調(diào)度；組建一套隧道監(jiān)控4G/5G無線傳輸網(wǎng)絡(luò)，形成隧道信息系統(tǒng)在網(wǎng)絡(luò)傳輸上的1+1冗余備份傳輸通道，確保系統(tǒng)穩(wěn)定運行；工程運行狀態(tài)下的視頻監(jiān)控及時回傳生產(chǎn)調(diào)度中心大屏幕，便于調(diào)度人員實時了解工程運行情況；工程機車在運行過程中，行進畫面實時顯示，前方人員和障礙物的智能化實時發(fā)現(xiàn)，并通過駕駛室內(nèi)聲光報警系統(tǒng)提醒駕駛員注意行車安全；實現(xiàn)隧道施工物聯(lián)網(wǎng)，構(gòu)建智慧工地統(tǒng)一的寬帶+物聯(lián)網(wǎng)信息承載平臺，實現(xiàn)隧道施工各類工程設(shè)備及系統(tǒng)數(shù)據(jù)的無線實時回傳，為未來智慧工地打下良好的網(wǎng)絡(luò)基礎(chǔ)。系統(tǒng)可采用礦用本安設(shè)備，確保設(shè)備在網(wǎng)的安全運行，相關(guān)的系統(tǒng)拓撲結(jié)構(gòu)如圖1所示。該系統(tǒng)部署在工業(yè)施工場地生產(chǎn)指揮調(diào)度中心機房，機房配備1臺機柜，用于安放1臺4G/5G核心網(wǎng)、1臺可視化多媒體調(diào)度服務(wù)器和1臺核心交換機。調(diào)度臺配置攝像頭、話筒、音箱，方便與其他用戶進行視頻、語音呼叫和調(diào)度，實現(xiàn)對隧道無線通信系統(tǒng)用戶的統(tǒng)一調(diào)度，以及全呼、組呼、緊急呼叫、優(yōu)先呼叫、會議電話、強插、強拆、監(jiān)聽、用戶號碼顯示等功能。4G/5G多媒體調(diào)度系統(tǒng)與現(xiàn)有有線調(diào)度系統(tǒng)之間互聯(lián)互通，實現(xiàn)4G/5G智能手機與有線調(diào)度電話的點對點語音呼叫。隧道中部署多個本安4G/5G基站，覆蓋全施工場地及作業(yè)監(jiān)控區(qū)域。每個基站配備1臺礦用隔爆兼本安型直流穩(wěn)壓電源，斷電后提供不小于2小時的備用時間。本安4G/5G基站支持標(biāo)準(zhǔn)以太網(wǎng)傳輸協(xié)議，可直接接入礦方已有工業(yè)以太網(wǎng)環(huán)網(wǎng)，節(jié)省傳輸設(shè)備投資成本，同時便于系統(tǒng)的維護和管理。根據(jù)實際工程需求，本安4G/5G基站可以采取多種隧道組網(wǎng)方式，小區(qū)域少量基站串聯(lián)后接入環(huán)網(wǎng)交換機的鏈形連接，或每個基站獨立接入環(huán)網(wǎng)交換機的星形連接?；静捎铆h(huán)形連接，具備環(huán)網(wǎng)保護功能，大幅度提高基站回傳鏈路的可靠性。建議每個基站環(huán)網(wǎng)基站數(shù)量不超過10個，確保每個基站有不低于100Mbps的本地吞吐量。如圖2所示，綠色區(qū)域為運輸巷道，紅色點標(biāo)識為基站。本項目規(guī)劃在隧道中部署多個本安基站。同時，需要隧道骨干環(huán)網(wǎng)交換機提供相應(yīng)數(shù)量的千兆光口。項目隧道配備一定數(shù)量的運輸車輛，每臺車輛部署2個防爆高清攝像頭，2臺隔爆計算機（車頭車尾各1臺），配備1臺礦用本安型4G/5G信號轉(zhuǎn)換器及2部高增益天線。車載攝像頭通過網(wǎng)線接入隔爆計算機，通過人工智能算法對車輛行進過程中前方人員或障礙物進行實時識別，并通過聲光報警方式提醒駕駛員注意規(guī)避，提高運輸工作安全性。該轉(zhuǎn)換器通過網(wǎng)線連接同一臺車上的2個攝像頭，將視頻數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換成4G信號上傳到4G基站，進而通過隧道光纖環(huán)網(wǎng)上傳到生產(chǎn)調(diào)度中心，呈現(xiàn)在調(diào)度中心的視頻監(jiān)控大屏幕上。該轉(zhuǎn)換器還支持RS485接口，未來工程施工場地運行狀態(tài)數(shù)據(jù)可通過網(wǎng)口或RS485接口連接，轉(zhuǎn)換成4G信號上傳至生產(chǎn)調(diào)度中心的機車運行狀態(tài)監(jiān)控系統(tǒng)，便于實時掌握機車行進狀態(tài)。機車為信號轉(zhuǎn)換器和防爆攝像頭提供24VDC供電。
54G/5G智慧隧道方案
功能模塊介紹智慧隧道系統(tǒng)是一套全IP構(gòu)架的通信平臺，是集視頻調(diào)度、集群對講、語音調(diào)度、GIS調(diào)度、多級管理于一體的多媒體綜合指揮調(diào)度平臺。智慧隧道調(diào)度系統(tǒng)具有完全開放的接口，可以根據(jù)行業(yè)用戶的業(yè)務(wù)需求進行多屏顯示的定制化開發(fā)，實現(xiàn)相關(guān)部門與現(xiàn)場人員語音、視頻、數(shù)據(jù)的雙向可視化交互，實現(xiàn)高效遠程決策、實時調(diào)度和應(yīng)急處置，輕松完成各種語音、視頻調(diào)度。
5.14G核心網(wǎng)（EPC）
4G核心網(wǎng)由4個網(wǎng)元構(gòu)成：移動性管理設(shè)備（MME）、服務(wù)網(wǎng)關(guān)（SGW）、PDN網(wǎng)關(guān)（PGW）和歸屬用戶服務(wù)器（HSS）。其基本功能如下。MME的主要功能包括：支持NAS信令及其安全、跟蹤區(qū)域（TrackingArea）列表管理、SGW和PGW的選擇、跨MME切換時MME的選擇、用戶的鑒權(quán)、漫游控制，以及承載管理、UE在ECM-IDLE狀態(tài)下可達性管理等。SGW是終止于E-UTRAN接口的網(wǎng)關(guān)，主要功能包括：eNodeB間切換時的本地錨定點、3GPP不同接入系統(tǒng)間切換時的移動性錨點、執(zhí)行合法偵聽功能、數(shù)據(jù)包的路由和前轉(zhuǎn)、上下行傳輸層的分組標(biāo)記、ECM-IDLE狀態(tài)下分組緩存及尋呼觸發(fā)、計費等。PGW是面向PDN終結(jié)于SGI接口的網(wǎng)關(guān)，是LTE網(wǎng)絡(luò)數(shù)據(jù)的隧道解封裝節(jié)點，是網(wǎng)絡(luò)數(shù)據(jù)進入LTE網(wǎng)絡(luò)的接口。PGW主要功能包括：基于用戶的包過濾功能、合法偵聽功能、UE的IP地址分配功能、上下行傳輸層的分組標(biāo)記、計費、門控、QoS控制、承載控制等。HSS是用于存儲EPS用戶簽約信息的綜合數(shù)據(jù)庫，包括基本識別碼、路由信息和業(yè)務(wù)信息，位于EPC網(wǎng)絡(luò)的最頂層。HSS與MME間的接口是S6a接口，用于更新用戶的位置信息，以及將用戶簽約和鑒權(quán)信息傳輸至MME。
5.2本安型基站
隧道用本安型基站是隧道、井下無線通信系統(tǒng)的主要設(shè)備之一，用于接收和轉(zhuǎn)發(fā)手機語音信息，并通過光纖以太網(wǎng)與EPC服務(wù)器和調(diào)度服務(wù)器進行數(shù)據(jù)交換，適用于有瓦斯、煤塵爆炸危險的煤礦井下、隧道等。
5.3本安型直流電源
隧道用隔爆兼本安型直流電源是為隧道及煤礦井下本質(zhì)安全型產(chǎn)品提供本安電源的設(shè)備，適用于各種需要提供本質(zhì)安全型電源的儀器、儀表或設(shè)備。電源箱采用了先進的開關(guān)電源技術(shù)、電池充放電管理技術(shù)和本質(zhì)安全保護技術(shù)，產(chǎn)品性能穩(wěn)定，具有整機效率高、輸出電壓高、輸出電流大等特點。電源箱備用電池采用更安全、更穩(wěn)定、高容量、無記憶的鋰電池，交流停電后在帶額定負載下能夠繼續(xù)為外接本安設(shè)備提供4小時以上的電力供給。
5.4本安型手機
隧道用本安型手機是專門為隧道、井下無線通信系統(tǒng)使用而設(shè)計的一款高性能智能手機。該終端設(shè)備攜帶方便，可以直接扣在井下人員的腰帶上，操作也較為簡單，與普通手機操作方法相似。在與之配套的網(wǎng)絡(luò)覆蓋下，終端之間、終端與服務(wù)器之間可以實現(xiàn)語音通信，同時具有較高的接收靈敏度，保證最大限度地發(fā)揮無線網(wǎng)絡(luò)功能。此外，該終端平均功耗較低，相對來說具有較長的待機時間。終端上安裝有可充電的鋰離子電池，在需要充電時，直接將設(shè)備安裝在廠家配備的充電器上即可安全充電。
5.5本安型信號轉(zhuǎn)換器
隧道用本安型信號轉(zhuǎn)換器是一款通用的物聯(lián)網(wǎng)關(guān)設(shè)備，其支持多種信息采集和傳輸方式。上行為用戶提供安全、高速、穩(wěn)定可靠的4G/5G骨干無線網(wǎng)絡(luò)連接和路由功能，下行方向可以提供無線局域網(wǎng)Wi-Fi、以太網(wǎng)口RJ45接口、RS232/RS485通信串口，可以靈活適應(yīng)工業(yè)物聯(lián)現(xiàn)場的復(fù)雜要求。該轉(zhuǎn)換器功能豐富，支持靈活組網(wǎng)方式。
5.65G組網(wǎng)設(shè)備
除了利用5G組網(wǎng)完成語音通話、數(shù)據(jù)業(yè)務(wù)、視頻監(jiān)控等業(yè)務(wù)，還可結(jié)合5G技術(shù)的大帶寬、低時延和廣接入的特性，并在邊緣計算功能的支持下，實現(xiàn)遠程的AGV小車/機器人的操作控制、遠程人臉識別等功能，為施工環(huán)境安全保障提供支持。目前，5G網(wǎng)絡(luò)的基站、MEC、核心網(wǎng)設(shè)備都在進行煤安的防爆認(rèn)證。隨著煤安認(rèn)證的完成，基于5G網(wǎng)絡(luò)的隧道建設(shè)管理系統(tǒng)定能給未來隧道建設(shè)工作提供更多的輔助工具，提高工作效率。
5.7地磁智能定位系統(tǒng)
地磁智能定位系統(tǒng)是指在施工現(xiàn)場通過定位技術(shù)，實時掌握現(xiàn)場人員的位置信息，加強日常安全管理。在出現(xiàn)緊急情況時，能快速確定人員位置以便及時進行救援。該系統(tǒng)以地磁定位技術(shù)為核心，其為多源融合的室內(nèi)外一體化智能精確定位技術(shù)，定位精度優(yōu)于1米，整個系統(tǒng)無需弱電和入網(wǎng)施工，無需維護，不受遮擋，定位結(jié)果連續(xù)穩(wěn)定可靠，可以很好地解決現(xiàn)有定位技術(shù)施工復(fù)雜、定位精度低、易受干擾等問題。
6方案驗收
6.1驗收的時間和地點
測試時間：2021年9月28日。測試地點：酸棗嶺隧道。
6.2驗收設(shè)備和工具
驗收設(shè)備、工具情況如表1所示。
6.3驗收內(nèi)容及結(jié)果
（1）專網(wǎng)業(yè)務(wù)驗收測試專網(wǎng)業(yè)務(wù)驗收測試情況如表2所示。（2）專網(wǎng)業(yè)務(wù)上下行速率測試測試方式：采用兩臺電腦連接CPE終端，在專網(wǎng)下模擬上下行進行測試。測試結(jié)果：下行速率為107.6Mbps，上行速率達到51.8Mbps，測試結(jié)果滿足要求。
6.4驗收結(jié)論
針對上述測試項目的測試結(jié)果符合要求，驗收內(nèi)容全部通過，功能平臺可以滿足智慧隧道的需求。
7結(jié)語
本項目中將4G/5G技術(shù)和隧道安全的管理要求以及人員和設(shè)備定位的技術(shù)融合在一起，打造了智慧隧道的解決方案。通過方案的落地實施和驗收，不僅提高了日常建設(shè)過程中的工作效率和預(yù)警能力，也為智慧隧道應(yīng)用積累了豐富的知識和可以借鑒的經(jīng)驗。
作者:胡恒如 秦嶺 單位:中國廣電江西網(wǎng)絡(luò)有限公司 中國鋁業(yè)集團有限公司