陸宏剛

(中國鐵建電氣化局集團第五工程有限公司 四川成都 610073)

1 康定2號隧道基本情況

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，是整個川藏鐵路工程設(shè)計施工中的重難點。

康定2號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20.793 km。隧道施工安排了隧道進(jìn)口、出口、一號橫洞、二、三號斜井共五個工作面。一號橫洞設(shè)在隧道進(jìn)口左側(cè)，二號斜井設(shè)在G318折多山隧道進(jìn)口右側(cè)，三號斜井設(shè)在G318折多山隧道出口右側(cè)。隧道進(jìn)口及一號橫洞、二號斜井屬于中鐵十二局中標(biāo)標(biāo)段，隧道出口及三號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，各自獨立組織施工，本文主要圍繞康定2號隧道進(jìn)口及一號橫洞、二號斜井的隧道施工方案研究臨時通信解決方案。

2 臨時通信系統(tǒng)需求調(diào)查及分析

針對隧道施工作業(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、風(fēng)險預(yù)警、裝備遠(yuǎn)程運維、施工過程管理運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)對臨時通信系統(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，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，我們在基站＋光纖直放站網(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號隧道施工方案，構(gòu)建的臨時通信系統(tǒng)應(yīng)滿足以下應(yīng)用需求[2]:

(1)各施工場所的互聯(lián)網(wǎng)接入需求；

(2)基于無線對講功能的聯(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)測所需的各種視頻終端設(shè)備接入和視頻傳輸；

(5)應(yīng)對川藏特殊地質(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)場管理信息傳遞的通信需求；

(7)超前地質(zhì)預(yù)報對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)的實時動態(tài)監(jiān)測及故障識別信息收集和上傳；

(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)動態(tài)調(diào)整并具有較高帶寬等特性[5]。Mesh網(wǎng)絡(luò)可自動探知節(jié)點的增減，在極短時間內(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，同時減少了設(shè)備配置和調(diào)試的時間。Mesh網(wǎng)絡(luò)設(shè)備具有多種規(guī)格型號，可由施工人員隨身攜帶或安裝在施工機械設(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、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)場安裝的各類傳感器連接，并提供WIFI熱點供手機、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)。移動終端可配置視頻拍攝功能；隧道施工和監(jiān)測涉及的攝像頭視頻、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)移動終端設(shè)備滿足IP67以上的工業(yè)防護要求，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語音會議、視頻集群、點對點和點對多點呼叫等業(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AP設(shè)備進(jìn)行監(jiān)測和維護管理。

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

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、機械和障礙物等因素影響，造成無線電波傳播時發(fā)生反射、散射和繞射等現(xiàn)象，隨著信號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)隧道施工場景無線電波傳播衰減理論，測算出隧道內(nèi)無線傳輸距離，進(jìn)行合理的方案設(shè)計和設(shè)備布置，使無線通信為隧道施工所用的工程機械的信息化[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信號較5G信號傳播路徑損耗小，故相同功率時傳播距離更遠(yuǎn)；5G信號傳播路徑損耗大，傳播距離相對較短。工程設(shè)計應(yīng)用中考慮到帶寬及無線覆蓋距離兼顧，常將兩種信號制式融合應(yīng)用，因融合后公式計算復(fù)雜且對傳播距離影響小，故本文選擇傳輸距離更遠(yuǎn)的2.4 G信號設(shè)備進(jìn)行測算隧道無線覆蓋距離。

根據(jù)隧道內(nèi)電磁波傳播[10]損耗計算規(guī)律可計算出隧道內(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為測試終端接收功率(dBm)。

測試中隧道內(nèi)無線網(wǎng)絡(luò)各項參數(shù)見表1。

表1 無線網(wǎng)絡(luò)參數(shù)

計算得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處測得；α為電波傳播的對數(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)臨時通信系統(tǒng)面臨分段獨立作業(yè)的場景。根據(jù)隧道作業(yè)現(xiàn)場實際情況，在項目指揮部設(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)點設(shè)備和終端設(shè)備。部署方案如圖2所示。

圖2 康定2號隧道Mesh無線系統(tǒng)平面布置

隧道內(nèi)無線網(wǎng)絡(luò)節(jié)點部署原則:為保證信號無線傳輸?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能夠穩(wěn)定回傳，考慮到實際施工中較少存在超長直線隧道情況，原則上按照1 000 m進(jìn)行AP節(jié)點部署，信息集中的點位可以考慮增加AP設(shè)置，以增大無線傳輸?shù)膸捄涂煽啃浴?/p>

測試和調(diào)整:在Mesh網(wǎng)絡(luò)部署完成后，需要對整個網(wǎng)絡(luò)進(jìn)行場強測試[12]和網(wǎng)絡(luò)優(yōu)化調(diào)整。包括驗證無線信號覆蓋是否存在盲區(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，按照隧道內(nèi)無線傳播模型的參數(shù)計算設(shè)計了無線信號重疊覆蓋區(qū)，通過現(xiàn)場布設(shè)、場強測試和網(wǎng)絡(luò)優(yōu)化，實現(xiàn)了隧道內(nèi)施工作業(yè)區(qū)域無線信號全覆蓋，可以為康定2號隧道施工順利推進(jìn)提供穩(wěn)定可靠的臨時通信保障，為今后同類工程提供有效借鑒。