【摘要】 隨著無線技術的快速發(fā)展，無線電話系統將被越來越多的廠礦、企業(yè)所采用。基于WIFI的無線電話系統不僅能夠提供清晰的語音通話功能，同時還可以用于數據傳輸、用于無線定位、用于活動軌跡跟蹤，是生產調度和安全生產的重要工具。三門核電有限公司將基于WIFI技術的無線電話系統作為電站的主要通信手段，這既是設計的創(chuàng)新，更是對傳統通信手段的挑戰(zhàn)。

【關鍵字】 無線電話系統 MCU 無線定位

引言

目前各核電企業(yè)雖然有多種通信手段，但都以有線為主，有線通信手段由于其安裝位置固定，且分布數量有限，遠遠不能適應作業(yè)人員及其管理上的需要。無線電話系統可以實現生產管理人員、一線工作人員及調度人員之間的實時聯系，并可以對廠房內人員進行實時跟蹤監(jiān)測和定位，隨時清楚掌握每個人員在廠房內的位置及活動軌跡。如果發(fā)生災變，還可立即從監(jiān)控計算機上查詢事故現場的人員位置分布情況、被困人員數量、遇險人員撤退線路等信息，為事故搶險提供科學依據。

同時，也可利用系統的日常安全管理功能，對電站人員進行安全管理。

作為國有現代化的大型核電企業(yè)，三門核電對生產安全及生產調度一直是非常的重視，投入了大量人力物力開發(fā)建設。實現廠房內作業(yè)人員與主控室的實時通訊，使主控室及時掌握廠房內人員的動態(tài)分布及作業(yè)情況，開發(fā)建設核電廠房內無線電話系統已成為三門核電實現安全生產調度和保障生產人員安全的迫切需要。

一、需求分析

現在許多核電仍使用著有線調度通信系統，調度電話在廠房內安裝位置固定，且分布數量有限，而核電站工作分布區(qū)域廣，整個電站又分為多個工作區(qū)，加上生產環(huán)節(jié)多、每個生產環(huán)節(jié)在地理位置上又是分散的，為了確保廠房內人員的人身安全，讓主控室調度指揮人員能夠實時了解到廠房內的工作情況，并根據工作實際進行合理調度，無線電話系統是實現上述目標的最佳通信手段。

核電生產主要在核島和常規(guī)島廠房作業(yè)，不安全因素多，人員、設備流動性大，生產作業(yè)流程在廠房內還具有多工種聯合流水作業(yè)的特點。這種作業(yè)對運輸、安裝、調試之間的配合要求很高，信息傳輸必須及時、準確。核電廠房內是一個特殊的工作環(huán)境，有易燃、易爆和放射性氣體，無線電波傳輸衰耗大（例如，在地面通信距離可達數幾千米的手機，在廠房內通信距離僅有幾十米）等特點。

二、技術選型

由于核電廠房的特殊性，制約了廠房內無線電話系統的發(fā)展，但隨著近年來無線技術的快速發(fā)展以及科技水平的不斷提高，新型的無線技術越來越多地服務于特殊環(huán)境中，國外不少核電廠已經采用了無線通信手段。

WiFi，全稱Wireless Fidelity，人們習慣用WiFi來稱呼802.11b協議。IEEE802.11規(guī)定的發(fā)射功率不可超過100毫瓦，實際發(fā)射功率約60～70毫瓦，使這類設備可以設計成符合核電安全要求的本質安全型設備。同時WiFi工作在免授權的2.4GHz頻段。

WiFi技術先進、又工作在免授權頻段，以及其協議本身能限制其設備的功率，使得WiFi設備可以設計成符合核電安全要求的安全型設備。

三、無線電話系統的具體應用

3.1系統模型

為確保電站主要通信手段——無線電話系統的語音質量，設計者們?yōu)闊o線電話系統設計了一套WiFi專用的工業(yè)以太網絡，并根據無線電話系統的需求與目標，提出了基于WiFi技術的無線電話系統的模型，如圖1所示。

WiFi無線電話系統實際上就是用軟交換技術實現IP電話的控制系統即MCU（Main Control Unit）；然后通過WiFi無線技術將承載話音的IP包傳輸到各區(qū)域，實現全廠的WiFi無線通信；并通過軟件編程實現對IP電話的調度功能。

從圖1可以看出，WiFi無線電話系統的模型分為三層結構：

3.1.1數據源層

數據源層包括WiFi手機、IP電話以及其它生產調度指揮的多媒體終端；這里的數據源主要指可將話音等信息數字化并壓縮打包為可在IP網絡傳輸的設備。以WiFi手機為例，主要由VoIP處理器（對信號進行編碼、分組打包等處理）、模數轉換器（對信號進行模數、數模轉換），以及電源控制集成電路（系統的電源控制）等。

3.1.2承載傳輸層

承載傳輸層包括廠房內外的WiFi無線網絡、廠房內外的WiFi專用工業(yè)以太網以及各種數據協議接口；工業(yè)以太網是WiFi應用的基礎，是數據IP化的前提條件；承載傳輸層負責將承載了話音的IP包通過傳輸網送到目的地；而WiFi無線網絡是無線電話系統的核心，是實現WiFi無線電話系統的網絡基礎。承載傳輸層還應包括IP與傳統電話網的各種接口，如：E1、ISDN等。

3.1.3應用處理層

應用處理層包括MCU、調度臺、IP調度通信服務器、語音服務器、錄音服務器等。本層負責對呼叫進行接續(xù)等控制，并實現群呼、強插強拆、錄音等電話調度功能。MCU是以高性能服務器為硬件載體、采用軟件技術、使用標準的協議（SIP等）開發(fā)的，可以分為硬件層、軟件模塊層、維護管理層和控制接口層4部分。軟件模塊層又分為語音信號處理、PSTN呼叫控制、IP呼叫管理、IP呼叫控制、IP數據傳輸等。

通過對模型的分析可以得出，基于WiFi技術的無線電話系統的設計主要內容是承載傳輸層的WiFi無線網絡系統以及應用處理層的IP電話調度系統。

3.2設備組成

3.2.1 數據源層設備

（1） 無線手持終端

無線WiFi終端采用SpectraLink 8030 WiFi手機，主要是提供移動電話服務，它具有撥號呼叫、可編程直通鍵、呼叫轉移、免提全雙工通話揚聲器、和手機麥克風靜音。

（2） 觸摸屏調度臺

調度臺是整個無線電話系統的指揮中心，它是話務員（調度員）操作調度業(yè)務服務器的界面，同時，系統的所有指揮、調度功能也是通過調度臺與IP調度通信服務器的通信來實現的，因此調度臺應承擔如下兩項功能：即話務臺功能和指揮調度功能。話務員要通過調度臺向IP調度通信服務器發(fā)送各種命令，控制其完成調度業(yè)務過程中需完成的各種操作。同時，還需要配合調度功能，隨時提供各成員分機的狀態(tài)、顯示及各功能鍵的工作狀態(tài)。

觸摸屏調度臺使用圖形化界面，能夠顯示實時系統內的IP終端系統狀態(tài)，通過不同的圖標、顏色來顯示用戶的不同狀態(tài)（離線、在線、空閑、呼叫、會議等）：使管理員直接、方便地管理調度。

3.2.2 承載傳輸層設備

（1） 無線基站

無線電話系統的基礎設施是一個專用網絡，只有WiFi電話被允許訪問無線網絡，而通過修改規(guī)則以及無線網絡管理能力組件可以禁止其他無線終端設備連入。在設備選型上，采用Aruba公司多業(yè)務移動控制器Aruba-6000-400-FI作為基站控制器，雙無線電接入基站AP-70-FI無盲點完全覆蓋核電廠室內區(qū)域，室外采用高功率的無線基站AP-85對核電廠控制區(qū)域的室外部分進行覆蓋?；贗EEE 802.11無線局域網的瘦AP和移動控制器，使整個無線網絡基礎設施更加靈活和健壯?；臼请姶鸥蓴_最主要的發(fā)射源，Aruba公司的AP發(fā)射功率可以根據實際情況進行動態(tài)調整，從而確保重要儀控設備的正常工作。

3.2.3 應用處理層設備

（1） IP調度通信服務器

IP調度通信服務器是整個無線電話系統的核心節(jié)點，硬件設備采用IBM Xseries 3850服務器，軟件安裝Trinno Link 的Lucid的智能調度通信系統。

IP調度通信服務器主要功能包括普通電話交換機的點對點呼叫、呼叫轉移和代接等，同時具有強大的調度功能，可以支持在組內配置6級調度員，主要調度功能包括：強插、強拆、組呼、全呼、會議、錄音等。

（2） 無線定位服務器

無線定位服務器是基于分析手機之間和手機連接的AP的射頻信號，通過數據分析處理，能夠實時快速地找到電廠內無線手機位置。無線定位服務器的硬件也是采用IBM Xseries 3850服務器，軟件安裝華楓信通的無線定位系統。

通過無線定位服務器，可以顯示某個選定區(qū)域內的所有手機、可以在地圖上實時顯示某個選定手持終端的當前位置、并且能夠回放選定時間段內的手持終端位置軌跡。

（3） 錄音服務器

錄音服務器與IP調度通信服務器、觸摸屏調度臺和調度終端協同工作，共同為用戶提供自動錄音服務。可根據需要將錄音服務器與IP調度通信服務器集成管理或分散管理，管理員經由WEB 界面進行遠端設置、監(jiān)控、錄音資料的聽取、下載、管理等各項操作。

（4） 無線語音質量服務器

無線語音質量服務器是主要控制單元（MCU）的重要組成部分。無線電話系統的語音傳輸都是基于無線網絡和IP數據網絡，由于無線網絡以及IP網絡都具有延時、抖動的特性，無線語音質量服務器與SpectraLink 8030 WiFi手機配合，通過一種被稱為SpectraLink語音優(yōu)先級（SVP）的機制保證語音數據優(yōu)先通過企業(yè)的WiFi網絡。通過這個標準的兼容協議簡單的實施減少了語音數據包排隊的延誤，確保在無線網絡上傳輸的語音質量不會受損。

（5） 語音網關

語音網關主要是提供無線電話系統與其他第三方通信系統的接口，實現VoIP到TDM的轉換，支持E1的數字中繼或FXO模擬中繼等。在語音網關的選型上，采用Mediant 1000設備作為語音網關。

3.3網絡架構

工業(yè)以太網是WiFi無線電話系統應用的基礎，是數據IP化的前提條件。工業(yè)以太網，是指技術上與商用以太網（即IEEE802.3標準）兼容，但在產品設計時，在材質的選用、產品的強度、適用性以及實時性等方面能滿足工業(yè)現場的需要。簡言之，工業(yè)以太網是將以太網應用于工業(yè)控制和管理的局域網技術。由于工業(yè)以太網技術的提高，困擾以太網進入控制領域的實時性、確定性、傳輸速度等問題均得到了完善的解決，各大PLC產品（Programmable Logic Controller可編程邏輯控制器）已提供工業(yè)以太網接口，工業(yè)以太網已在自動化系統中得到了廣泛的應用。

核電選用先進的工業(yè)以太網技術作為電站生產骨干網絡的技術方向，通過分析比較當前的工業(yè)以太網產品和組網特點，最終選定阿爾卡特朗訊的工業(yè)以太網技術建設基于千兆光纖工業(yè)以太網的生產骨干網絡。在網絡交換機的選型上，采用阿爾卡特朗訊的OmniSwitch系列產品，網絡按三層的網絡結構設計，分別為核心交換機、匯聚交換機、接入交換機。核心交換機采用Alcatel-Lucent OS9700-CB-A交換機，主要功能是接入MCU核心設備，同時作為網絡的核心交換節(jié)點，所有的數據交換都由核心交換機完成。匯聚交換機采用Alcatel-Lucent OS6850-U24X交換機，作用是將某個區(qū)域或廠房的多個接入交換機的數據鏈路進行匯聚，然后再上傳核心交換機，以減少核島內的線纜的數量。接入交換機采用Alcatel-Lucent OS6400-P24H和Alcatel-Lucent OS-LS-6212P交換機，主要用于連接無線基站，同時給基站提供電源等功能。網絡拓撲如圖2所示：

該網絡的成功建設，不僅滿足了語音通信的需要，同時為電站將來的綜合應用創(chuàng)造了條件，電站各安全、生產子系統監(jiān)測監(jiān)控的數據、工業(yè)電視視頻圖像、調度數據等信息直接在該網絡進行傳輸。

3.4具體應用

無線電話系統以WiFi無線網絡和TCP/IP協議為基本架構，以WiFi專用的工業(yè)以太網為整個系統的主干傳輸平臺，形成有線主干與無線接入、無線終端相結合的方式，覆蓋電站部分或全部廠房及地面相關區(qū)域，最終實現電站寬帶無線通訊。

系統由IP調度通信服務器、無線定位服務器、觸摸屏調度臺、錄音服務器、無線語音質量服務器、語音網關和無線基站、WiFi終端等組成。WiFi無線電話系統結構圖如圖3所示。

服務器在硬件上選用IBM Xseries 3850服務器，該服務器是IBM有史以來提供的最安全的服務器產品之一，它能夠提供內部擴展能力與機架密度的最佳組合，能夠在為企業(yè)提供最佳服務器性能的同時，降低空間與能源需求。

采用Aruba公司多業(yè)務移動控制器Aruba-6000-400-FI作為基站控制器，室內采用AP-70-FI基站，實現無盲點完全覆蓋核電廠室內區(qū)域，室外采用高功率的無線基站AP-85對核電廠控制區(qū)域的室外部分進行覆蓋。手持終端采用SpectraLink 8030 WiFi手機。

系統工作原理簡單來說就是主控單元通過交換機為進入到無線信號覆蓋區(qū)域的每一臺手持終端分配一個IP地址，并自動為其在管理軟件中注冊，將數據存入數據庫。注冊后的手持終端即可正常通話。呼叫時節(jié)點收到手持終端調制打包后發(fā)出的無線信號、通過網絡交換機送到主控單元，經軟件處理后又經網絡交換機送到覆蓋被呼叫手持終端所在區(qū)域的節(jié)點，呼叫目標手持終端接收信號后經過振鈴提示并調制成語音給與持機者，完成一次通話。

系統與電站PABX和EPABX系統無縫連接；當使用者接聽時，便攜式電話會選擇最好質量的信道；當便攜式電話在電站范圍內移動時，它能連續(xù)地搜索最強信號的基站/頻道，頻道之間的轉移是不易察覺到的、不影響正常通話。

手持終端是標準制造的數字蜂窩話機，有鍵盤和字母數字顯示屏，它有PABX電話系統的典型功能和額外的無線電話系統的標準功能。手持終端支持自動定位、聲音加振動的報警尋呼、可編程的快速自動撥號、號碼儲存、通話加密、單鍵激活會議等多項功能。

無線手持終端和無線基站的最大射頻輸出功率不高于100mw；系統提供呼叫通話、電話會議、強插強拆、監(jiān)聽錄音、手機漫游、終端定位等使用功能；同時也能提供智能的RF（Radio Frequency 射頻）管理功能和集中的網絡管理功能。

四、無線電話系統的應用展望

在核電站內構建基于WiFi的無線網絡實質上是建立了覆蓋核電站的高速無線通信平臺，在該平臺上，除了實現上面詳細闡述的無線電話尋呼應用以外，還可以在其基礎上來擴展許多其他方式的應用，包括：數據采集應用、無線視頻應用和應急通信應用。

4.1數據采集應用

核電站在生產和維護作業(yè)中需要對各種設備、儀器、工作人員和環(huán)境狀況進行監(jiān)控。采用無線設備，可以為這些與核電作業(yè)緊密結合的數據采集工作帶來巨大的便利。下面就是未來可能的核電無線數據采集應用的實例。

4.1.1 無線條碼掃描系統

借助核電站內的WiFi無線基礎設施，可以為物料管理人員配置便攜式無線條碼掃描，通過無線接入倉庫物料管理系統，從而使物料管理人員遠程地管理物料，改善倉庫運營和效率。

4.1.2 劑量檢測系統

為了保持人員輻射劑量最優(yōu)化（按實際情況、盡可能低）。可以讓進入有輻射區(qū)域內的人員佩戴無線劑量檢測器，它本身具備無線通信能力，可以實時地將區(qū)域內每個工作人員的輻射照射量通過無線網絡傳送到劑量檢測系統的服務器上，從而得到個人在輻射污染區(qū)域內或附近的工作人員的累積輻射劑量的精確探測，精確度可達1μSv，同時劑量檢測器可以配有身份認證能力，進一步確保劑量監(jiān)測的準確性。

除了對人員的累積輻射劑量進行監(jiān)測外，這種無線劑量檢測器還可以對移動和固定儀器受到的輻射進行實時劑量。由于具備雙向通信能力，無線劑量檢測器的報警閾值等工作參數還可以遠程設定，提高應用的靈活性和易用性。

4.1.3 應用無線傳感器加強智能監(jiān)控

核電未來在監(jiān)控領域的趨勢是在儀控設備（IC）上增加智能感應器，包括智能壓力感應器、智能溫度感應器和智能流量感應器等。這里的智能意味著每個感應器都有一個嵌入式微處理器、能夠把感應變量（如報警狀態(tài)、門限開關量等）處理后通過無線網絡，將信息傳送到遠程操作臺，從而實現對重要儀控設備的監(jiān)控。

4.2 無線視頻應用

由于基于WiFi的高速無線網絡可以支持視頻傳輸，這就使得可以在核電站內非常靈活地部署視頻監(jiān)控攝像機，而不再受傳統視頻應用中需要的以太網電纜或視頻電纜的限制。同時，電站員工還可以通過掌上電腦（PDA）或智能手機來攝取視頻。這種靈活性對于那些需要在電站各處巡檢的員工是非常重要的。

有了在核電站內各個場所攝取圖像/圖片的能力，就為進一步的視頻應用提供了可能。核電站各場所的圖像可以保存在一個圖像數據庫中，經過處理與分析可以生成各場所的特征標簽（包含了關于如顏色、質地、形狀等可視屬性的信息）。一旦實際生產監(jiān)控過程中發(fā)現某地點的圖像與其特征標簽的不符，就可以發(fā)起報警。

4.3 應急通信應用

核電站的應急處理能力直接關系到核電站的安全，其中核電站的應急通信平臺是確?？焖?、高效的應急處理的關鍵性要素之一。由于某些突發(fā)性的意外事件可能會破壞核電站內既有的基礎設施，包括既有的核電站內部的供電和通信網絡，所以核電站的應急通信平臺除了能夠接入既有的核電站通信系統以外，還具有獨立的通信設備，即不是核電站內正常運行時使用的、已經安裝部署好的通信設施和設備，并且這些獨立的應急通信設備能夠在不依賴于核電站內既有的基礎設施的條件下獨立工作，即不需要使用核電站內正常運行時使用的、已經安裝部署好的各類供電電源和通信線路和信道。

為了應對核電站的既有基礎設施遭到嚴重破壞，核電站的應急通信平臺應該具有很強的靈活性和接入能力，可以快速部署到核電站內任何一處或幾處具體的應急業(yè)務處理現場，提供在這些具體地點的一定范圍內的通信能力。而且，構成核電站的應急通信系統的架構和設備要具備冗余能力，即在應急通信系統的某一個或少數幾個設備出現故障或遭到破壞時、系統所支持的通信業(yè)務可以不受影響。

基于WiFi基礎開發(fā)而成的無線應急無線通信系統充分滿足了應急通信快速、可高的基本要求，系統部署靈活、使用方便，完全獨立于既有的通信設施（供電、信道），無線網狀網節(jié)點通過自帶的蓄電池進行供電。

上圖即為典型布置方案，從圖中可以發(fā)現，系統主要由多媒體應急通信平臺、無線網狀網節(jié)點、便攜衛(wèi)星設備、移動視頻會議終端組成。其中多媒體應急通信平臺是整個系統的中樞所在，通過網線與無線網狀網主節(jié)點連接，主節(jié)點通過5.8GHz頻段與相鄰無線網狀網節(jié)點通信，同時主節(jié)點還配有衛(wèi)星接口，與便攜衛(wèi)星設備對接后，無線終端即可通過衛(wèi)星信號與外界（核電應急辦等）取得聯系。當然，每個節(jié)點還能覆蓋300米范圍的2.4GHz無線信號。最主要的是應急無線系統可以與無線電話系統無縫對接，提供統一、透明、靈活、高速的無線數據通道。即任何的無線手持終端都可以用于應急無線通信系統中，自然也都可以通過衛(wèi)星信號與外界通話。更值得一提的是，只要你的無線終端有拍照或攝像功能，都可以通過無線網絡將圖像傳遞到指定區(qū)域，為領導的決策提供更多的參考數據。

五、結論

本文針對目前核電有線通信系統布置局限性的實際情況，在分析了核電企業(yè)對無線電話系統迫切需求的基礎上，選擇WiFi為核電的安全無線電話系統。

該系統基于局域網技術，組網方便，易于維護，使用的頻段無須在無委會備案，不用繳納費用，便于地面無線網絡的覆蓋使用，能避免將來出現不必要的麻煩；技術先進，符合發(fā)展趨勢，通話信道較小，系統功率可根據環(huán)境自動調整，更能保證通話質量；系統建成后帶寬可滿足將來數據采集、無線視頻、應急通信等廠房內其它應用需要，擴展能力較強。

該無線電話系統不但可以實現生產管理人員、一線工作人員及調度人員之間的實時聯系，還可以對廠房內人員進行實時跟蹤監(jiān)測和定位，隨時清楚掌握每個人員在廠房內的位置及活動軌跡。如果發(fā)生災變，還可立即從監(jiān)控計算機上查詢事故現場的人員位置分布情況、被困人員數量、遇險人員撤退線路等信息，為事故搶險提供科學依據。

我們相信，WIFI無線電話系統一定能在三門核電有限公司核電安全生產過程中發(fā)揮出其他通信系統無法替代的重要作用。而且這一選擇必將對未來中國核電項目通信系統的建設產生深遠影響。

參考文獻：

[1]韋惠民，李白萍.蜂窩移動通信技術，西安電子科技大學出版社2002

[2]姚善化.煤礦井下移動通信系統簡介[J].現代通信，2003（2）：37-38

[3]李浩琳，沈世錦，張正風.AP技術發(fā)展與組網應用的研究。電信科學，2008/24/5：26-32

作者信息：

第一作者：翁黎明（1976年），男，浙江衢州，高級工程師 ，碩士學位，通信工程。

第二作者：虞舟凱（1980年），男，浙江舟山，工程師 ，碩士學位，通信工程。

天津市和平區(qū)沙市道福林里12-202，史輝收，18902031051