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(diǎn)，建設(shè)的基于4G/5G無線通信平臺(tái)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(yùn)營，筆者發(fā)現(xiàn)5G在細(xì)分行業(yè)的增值應(yīng)用將會(huì)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(tuán)和中國廣電江西網(wǎng)絡(luò)有限公司的工作重點(diǎn)。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(yàn)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(xiàng)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(tuán)隊(duì)通信不及時(shí)，隧道可燃?xì)怏w情況不可預(yù)警，隧道管理者無法對(duì)隧道內(nèi)部情況實(shí)時(shí)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(shí)施能力驗(yàn)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(diǎn)，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(jī)車控制等系統(tǒng)進(jìn)行融合，實(shí)現(xiàn)統(tǒng)一調(diào)度、統(tǒng)一管理、統(tǒng)一監(jiān)控、智能聯(lián)動(dòng)，同時(shí)采用遠(yuǎn)程維護(hù)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(shí)際應(yīng)用狀況和未來的發(fā)展趨勢(shì)，考慮到各系統(tǒng)的實(shí)際需求及具體的使用特性，同時(shí)兼顧技術(shù)更迭不斷加快的特點(diǎn)，整體方案設(shè)計(jì)遵循以下原則。（1）系統(tǒng)性項(xiàng)目設(shè)計(jì)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(yùn)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(shí)不間斷運(yùn)行。充分考慮關(guān)鍵設(shè)備和鏈路冗余問題，對(duì)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(jìn)性使用先進(jìn)、成熟、實(shí)用、適合且具有良好發(fā)展前景的技術(shù)，使得各個(gè)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(shí)間內(nèi)的靈活擴(kuò)展能力，要求組網(wǎng)方便、管理靈活、業(yè)務(wù)規(guī)劃相對(duì)獨(dú)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(jì)算機(jī)網(wǎng)絡(luò)下一步計(jì)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(jì)和實(shí)施應(yīng)合理考慮隧道施工標(biāo)準(zhǔn)網(wǎng)絡(luò)、面對(duì)云計(jì)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(shí)施

隧道采用4G/5G無線信號(hào)覆蓋，實(shí)現(xiàn)如下功能。工程、運(yùn)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(yùn)行；工程運(yùn)行狀態(tài)下的視頻監(jiān)控及時(shí)回傳生產(chǎn)調(diào)度中心大屏幕，便于調(diào)度人員實(shí)時(shí)了解工程運(yùn)行情況；工程機(jī)車在運(yùn)行過程中，行進(jìn)畫面實(shí)時(shí)顯示，前方人員和障礙物的智能化實(shí)時(shí)發(fā)現(xiàn)，并通過駕駛室內(nèi)聲光報(bào)警系統(tǒng)提醒駕駛員注意行車安全；實(shí)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(tái)，實(shí)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(shí)時(shí)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(yùn)行，相關(guān)的系統(tǒng)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)如圖1所示。該系統(tǒng)部署在工業(yè)施工場(chǎng)地生產(chǎn)指揮調(diào)度中心機(jī)房，機(jī)房配備1臺(tái)機(jī)柜，用于安放1臺(tái)4G/5G核心網(wǎng)、1臺(tái)可視化多媒體調(diào)度服務(wù)器和1臺(tái)核心交換機(jī)。調(diào)度臺(tái)配置攝像頭、話筒、音箱，方便與其他用戶進(jìn)行視頻、語音呼叫和調(diào)度，實(shí)現(xiàn)對(duì)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(huì)議電話、強(qiáng)插、強(qiáng)拆、監(jiān)聽、用戶號(hào)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(shí)現(xiàn)4G/5G智能手機(jī)與有線調(diào)度電話的點(diǎn)對(duì)點(diǎn)語音呼叫。隧道中部署多個(gè)本安4G/5G基站，覆蓋全施工場(chǎng)地及作業(yè)監(jiān)控區(qū)域。每個(gè)基站配備1臺(tái)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(shí)的備用時(shí)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(shí)便于系統(tǒng)的維護(hù)和管理。根據(jù)實(shí)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(jī)的鏈形連接，或每個(gè)基站獨(dú)立接入環(huán)網(wǎng)交換機(jī)的星形連接。基站采用環(huán)形連接，具備環(huán)網(wǎng)保護(hù)功能，大幅度提高基站回傳鏈路的可靠性。建議每個(gè)基站環(huán)網(wǎng)基站數(shù)量不超過10個(gè)，確保每個(gè)基站有不低于100Mbps的本地吞吐量。如圖2所示，綠色區(qū)域?yàn)檫\(yùn)輸巷道，紅色點(diǎn)標(biāo)識(shí)為基站。本項(xiàng)目規(guī)劃在隧道中部署多個(gè)本安基站。同時(shí)，需要隧道骨干環(huán)網(wǎng)交換機(jī)提供相應(yīng)數(shù)量的千兆光口。項(xiàng)目隧道配備一定數(shù)量的運(yùn)輸車輛，每臺(tái)車輛部署2個(gè)防爆高清攝像頭，2臺(tái)隔爆計(jì)算機(jī)（車頭車尾各1臺(tái)），配備1臺(tái)礦用本安型4G/5G信號(hào)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(jì)算機(jī)，通過人工智能算法對(duì)車輛行進(jìn)過程中前方人員或障礙物進(jìn)行實(shí)時(shí)識(shí)別，并通過聲光報(bào)警方式提醒駕駛員注意規(guī)避，提高運(yùn)輸工作安全性。該轉(zhuǎn)換器通過網(wǎng)線連接同一臺(tái)車上的2個(gè)攝像頭，將視頻數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換成4G信號(hào)上傳到4G基站，進(jìn)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(chǎng)地運(yùn)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(hào)上傳至生產(chǎn)調(diào)度中心的機(jī)車運(yùn)行狀態(tài)監(jiān)控系統(tǒng)，便于實(shí)時(shí)掌握機(jī)車行進(jìn)狀態(tài)。機(jī)車為信號(hào)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I(xiàn)P構(gòu)架的通信平臺(tái)，是集視頻調(diào)度、集群對(duì)講、語音調(diào)度、GIS調(diào)度、多級(jí)管理于一體的多媒體綜合指揮調(diào)度平臺(tái)。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(jìn)行多屏顯示的定制化開發(fā)，實(shí)現(xiàn)相關(guān)部門與現(xiàn)場(chǎng)人員語音、視頻、數(shù)據(jù)的雙向可視化交互，實(shí)現(xiàn)高效遠(yuǎn)程決策、實(shí)時(shí)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(gè)網(wǎng)元構(gòu)成：移動(dòng)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(shí)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(dá)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(shí)的本地錨定點(diǎn)、3GPP不同接入系統(tǒng)間切換時(shí)的移動(dòng)性錨點(diǎn)、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(jì)費(fèi)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(diǎn)，是網(wǎng)絡(luò)數(shù)據(jù)進(jìn)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(jì)費(fèi)、門控、QoS控制、承載控制等。HSS是用于存儲(chǔ)EPS用戶簽約信息的綜合數(shù)據(jù)庫，包括基本識(shí)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(jī)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(jìn)行數(shù)據(jù)交換，適用于有瓦斯、煤塵爆炸危險(xiǎn)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(jìn)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(hù)技術(shù)，產(chǎn)品性能穩(wěn)定，具有整機(jī)效率高、輸出電壓高、輸出電流大等特點(diǎn)。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(fù)載下能夠繼續(xù)為外接本安設(shè)備提供4小時(shí)以上的電力供給。

5.4本安型手機(jī)

隧道用本安型手機(jī)是專門為隧道、井下無線通信系統(tǒng)使用而設(shè)計(jì)的一款高性能智能手機(jī)。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(jī)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(shí)現(xiàn)語音通信，同時(shí)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(duì)來說具有較長的待機(jī)時(shí)間。終端上安裝有可充電的鋰離子電池，在需要充電時(shí)，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(hào)轉(zhuǎn)換器

隧道用本安型信號(hào)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(chǎng)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(shí)延和廣接入的特性，并在邊緣計(jì)算功能的支持下，實(shí)現(xiàn)遠(yuǎn)程的AGV小車/機(jī)器人的操作控制、遠(yuǎn)程人臉識(shí)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(jìn)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(chǎng)通過定位技術(shù)，實(shí)時(shí)掌握現(xiàn)場(chǎng)人員的位置信息，加強(qiáng)日常安全管理。在出現(xiàn)緊急情況時(shí)，能快速確定人員位置以便及時(shí)進(jìn)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(gè)系統(tǒng)無需弱電和入網(wǎng)施工，無需維護(hù)，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(yàn)收

6.1驗(yàn)收的時(shí)間和地點(diǎn)

測(cè)試時(shí)間：2021年9月28日。測(cè)試地點(diǎn)：酸棗嶺隧道。

6.2驗(yàn)收設(shè)備和工具

驗(yàn)收設(shè)備、工具情況如表1所示。

6.3驗(yàn)收內(nèi)容及結(jié)果

（1）專網(wǎng)業(yè)務(wù)驗(yàn)收測(cè)試專網(wǎng)業(yè)務(wù)驗(yàn)收測(cè)試情況如表2所示。（2）專網(wǎng)業(yè)務(wù)上下行速率測(cè)試測(cè)試方式：采用兩臺(tái)電腦連接CPE終端，在專網(wǎng)下模擬上下行進(jìn)行測(cè)試。測(cè)試結(jié)果：下行速率為107.6Mbps，上行速率達(dá)到51.8Mbps，測(cè)試結(jié)果滿足要求。

6.4驗(yàn)收結(jié)論

針對(duì)上述測(cè)試項(xiàng)目的測(cè)試結(jié)果符合要求，驗(yàn)收內(nèi)容全部通過，功能平臺(tái)可以滿足智慧隧道的需求。

7結(jié)語

本項(xiàng)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(shí)施和驗(yàn)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(shí)和可以借鑒的經(jīng)驗(yàn)。

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(tuán)有限公司