饒紅瓊

摘要：隨著國(guó)家交通事業(yè)的快速發(fā)展和高速公路的不斷建設(shè)，高速公路隧道數(shù)量也在不斷增加，這給消防救援工作帶來(lái)了巨大壓力。由于高速公路隧道環(huán)境復(fù)雜、事故率高、危害大，救援工作本就十分困難。因此，建立穩(wěn)定的通信網(wǎng)絡(luò)對(duì)于消防救援工作有著十分重大的意義。為此，本文進(jìn)行了基于通信信號(hào)增強(qiáng)技術(shù)的高速公路隧道救援通信傳輸對(duì)策的研究。研究結(jié)果表明，無(wú)線信號(hào)增強(qiáng)生成對(duì)抗網(wǎng)絡(luò)在通信信號(hào)提升方面優(yōu)于殘差網(wǎng)絡(luò)，特別是在低信噪比的情況下效果更為明顯。同時(shí)，采用高增益定向輻射特性的天線、降低隧道內(nèi)表面對(duì)通信信號(hào)的反射和吸收，以及降低隧道內(nèi)部信號(hào)的信噪比，能夠有效提升高速公路隧道救援信號(hào)傳輸質(zhì)量。

關(guān)鍵詞：隧道救援；通信信號(hào)；對(duì)策研究

一、引言

近年來(lái)，我國(guó)交通事業(yè)蓬勃發(fā)展，高速公路在全國(guó)各地蔚然成風(fēng)，隨之而來(lái)的是大量的高速公路隧道建設(shè)。但隨著隧道數(shù)量的迅速增長(zhǎng)，消防救援工作的壓力也因之增大。高速公路隧道的環(huán)境復(fù)雜，事故發(fā)生率高、事故危害大，這給救援工作帶來(lái)了巨大挑戰(zhàn)[1]。在這種情況下，穩(wěn)定的通信網(wǎng)絡(luò)信號(hào)顯得尤為重要，尤其是對(duì)于消防救援工作。當(dāng)前無(wú)線電技術(shù)的快速發(fā)展已廣泛滲透到人們?nèi)粘Ｉ畹母鱾€(gè)方面，移動(dòng)通信網(wǎng)絡(luò)不斷完善，但室內(nèi)空間部分區(qū)域的通信信號(hào)質(zhì)量仍有待提高，特別是在風(fēng)險(xiǎn)大、危險(xiǎn)系數(shù)高的區(qū)域（如隧道、礦井）仍存在通信盲區(qū)[2]。通信信號(hào)的質(zhì)量與救援行動(dòng)的成功與否密切相關(guān)，因此研究高速公路隧道通信信號(hào)增強(qiáng)技術(shù)對(duì)于提升救援質(zhì)量具有重大意義。

二、高速公路隧道救援通信傳輸存在的問(wèn)題

（一）傳統(tǒng)天線性能的局限

在無(wú)線通信系統(tǒng)中，天線的性能可以對(duì)整個(gè)通信網(wǎng)絡(luò)的運(yùn)行質(zhì)量產(chǎn)生直接影響。作為傳輸和接收電磁波的重要組件，天線的作用是將傳輸線上的導(dǎo)波轉(zhuǎn)換為電磁波，或者將電磁波轉(zhuǎn)換為傳輸線上的導(dǎo)波。由于不同的應(yīng)用場(chǎng)景對(duì)天線有不同的要求[3-4]，比如在隧道等相對(duì)局限和密閉的空間，通常需要天線具有一定的方向性。這種方向性可以使天線在特定方向上接收的輻射或電磁波更強(qiáng)，從而提高效率，使得這種類(lèi)型的天線具有更好的增益效果和更遠(yuǎn)的作用距離。也就是說(shuō)，具有方向性和高增益效果的天線可以實(shí)現(xiàn)通信信號(hào)傳輸距離更遠(yuǎn)、抗干擾能力更強(qiáng)等優(yōu)點(diǎn)。

（二）隧道內(nèi)通信信號(hào)衰落顯著

在隧道內(nèi)，通常會(huì)受到多種非理想條件的影響，這些條件會(huì)影響通信信號(hào)的傳播。

首先，隧道內(nèi)壁通常是由混凝土和防火涂料構(gòu)成的，所以并不是完全光滑的。這就導(dǎo)致通信信號(hào)會(huì)在不平整的隧道內(nèi)壁上發(fā)生反射和吸收，并因此導(dǎo)致信號(hào)在隧道中傳播時(shí)快速衰減，嚴(yán)重影響信號(hào)接收質(zhì)量和解調(diào)質(zhì)量。

其次，隧道內(nèi)壁的不平整和各種構(gòu)造會(huì)導(dǎo)致信號(hào)的多次反射和傳播路徑的分歧，這種多重路徑傳播會(huì)導(dǎo)致信號(hào)的嚴(yán)重衰減，進(jìn)一步影響信號(hào)的接收和解調(diào)質(zhì)量。因此，解決隧道內(nèi)反射衰減問(wèn)題的關(guān)鍵在于強(qiáng)化隧道內(nèi)的通信信號(hào)[5-6]。

（三）隧道內(nèi)信號(hào)噪聲干擾較多

在隧道內(nèi)通信信號(hào)傳輸過(guò)程中，除了受到隧道結(jié)構(gòu)內(nèi)壁的反射和吸收影響外，還可能遭受隧道空間內(nèi)噪聲的干擾。通常情況下，隨機(jī)噪聲干擾對(duì)通信信號(hào)的實(shí)質(zhì)性干擾較為明顯。由于干擾的存在，通信信號(hào)的傳輸質(zhì)量會(huì)受到明顯的衰退，嚴(yán)重影響隧道內(nèi)部信號(hào)接收端對(duì)通信信號(hào)的接收和解調(diào)。這可能導(dǎo)致通信信號(hào)傳輸質(zhì)量下降，甚至?xí)?dǎo)致通信信號(hào)中斷[7]。

三、高速公路隧道通信信號(hào)增強(qiáng)設(shè)計(jì)

GAN（Generative Adversarial Networks）技術(shù)在圖形系統(tǒng)和語(yǔ)音系統(tǒng)信號(hào)效果增強(qiáng)方面取得了顯著的成果。它能夠合成特定類(lèi)型的信號(hào)，并通過(guò)合成來(lái)提高信號(hào)質(zhì)量。本文基于這一思路，提出了在高速公路隧道通信信號(hào)增強(qiáng)領(lǐng)域應(yīng)用GAN技術(shù)的可行性。試圖構(gòu)建一個(gè)基于GAN技術(shù)的高速公路隧道通信信號(hào)傳輸網(wǎng)絡(luò)，以消除動(dòng)態(tài)噪聲信號(hào)干擾，提高通信信號(hào)在高速公路隧道內(nèi)的傳輸質(zhì)量。雖然無(wú)線通信信號(hào)增強(qiáng)方面的應(yīng)用案例較少，但本文只是論證了該方法的理論可行性。生成對(duì)抗網(wǎng)絡(luò)通常采用對(duì)抗訓(xùn)練的方式實(shí)現(xiàn)信號(hào)增強(qiáng)，并消除噪聲信號(hào)干擾[8-10]。

具體而言，無(wú)線信號(hào)增強(qiáng)生成對(duì)抗網(wǎng)絡(luò)具有以下幾個(gè)優(yōu)點(diǎn)：

首先，相較于傳統(tǒng)的通信信號(hào)網(wǎng)絡(luò)生成準(zhǔn)則，GAN省去了復(fù)雜繁瑣的計(jì)算，簡(jiǎn)化了兩個(gè)端口之間的生成模式，無(wú)需對(duì)隨機(jī)噪聲信號(hào)的特征進(jìn)行提取，簡(jiǎn)化了信號(hào)增強(qiáng)的計(jì)算過(guò)程。同時(shí)，將源信號(hào)作為GAN技術(shù)的生成準(zhǔn)則，對(duì)通信信號(hào)進(jìn)行加強(qiáng)，最大限度提高其信號(hào)質(zhì)量，使其在隧道空間內(nèi)傳輸并保障接收端信號(hào)質(zhì)量。

其次，GAN具有極強(qiáng)的對(duì)信號(hào)變動(dòng)和偏差的控制能力。它可以保障通信信號(hào)傳輸?shù)南嚓P(guān)特征值，即使通信信號(hào)在傳輸過(guò)程中的頻率、帶寬和幅值發(fā)生變化，也能對(duì)信號(hào)進(jìn)行控制，確保特征信號(hào)得以保存。

第三，無(wú)線信號(hào)增強(qiáng)生成對(duì)抗網(wǎng)絡(luò)本質(zhì)上是對(duì)源信號(hào)進(jìn)行傳輸。在數(shù)據(jù)傳輸過(guò)程中，由于外部其他信號(hào)的干擾，傳輸過(guò)程時(shí)刻都在產(chǎn)生隨機(jī)變化。因此，增強(qiáng)網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)的性能得到了提高，真正實(shí)現(xiàn)了時(shí)變信號(hào)系統(tǒng)的增強(qiáng)。

GAN技術(shù)本質(zhì)上是一種通過(guò)對(duì)大量實(shí)際分布式數(shù)據(jù)進(jìn)行訓(xùn)練和學(xué)習(xí)，并生成隨機(jī)樣本的網(wǎng)絡(luò)模型。該網(wǎng)絡(luò)模型由兩個(gè)計(jì)算模型構(gòu)成：一個(gè)是生成模型（模型G），負(fù)責(zé)生成樣本；另一個(gè)是判別模型（模型D），負(fù)責(zé)區(qū)分生成模型生成的隨機(jī)樣本和實(shí)際收集的樣本。生成模型的目的是增強(qiáng)判別模型的誤差識(shí)別能力，從而提升整體算法的辨識(shí)能力。整個(gè)模型的訓(xùn)練過(guò)程基本上就是在進(jìn)行生成樣本和實(shí)際樣本的判別。判別模型和生成模型相互遞進(jìn)，判別模型可以對(duì)實(shí)際樣本和生成樣本進(jìn)行判別，并將誤差傳遞給生成模型，使生成模型生成更加接近實(shí)際樣本的樣本。當(dāng)生成樣本和實(shí)際樣本達(dá)到平衡后，整個(gè)模型的訓(xùn)練過(guò)程就會(huì)結(jié)束。

通過(guò)這種方式，可以盡可能地確保生成模型生成的樣本接近真實(shí)樣本。最終目標(biāo)是生成模型生成的樣本可以通過(guò)判別模型的判別，達(dá)到生成與真實(shí)信號(hào)相似的通信信號(hào)，從而增強(qiáng)信號(hào)。

四、生成對(duì)抗增強(qiáng)信號(hào)網(wǎng)絡(luò)的增強(qiáng)效果分析

為了比較無(wú)線信號(hào)增強(qiáng)生成對(duì)抗網(wǎng)絡(luò)和殘差網(wǎng)絡(luò)方法在通信信號(hào)增強(qiáng)方面的優(yōu)越性，采用殘差網(wǎng)絡(luò)方法進(jìn)行對(duì)比分析。殘差網(wǎng)絡(luò)方法是最近提出的一種用于高速公路隧道通信信號(hào)增強(qiáng)的深度學(xué)習(xí)算法，本質(zhì)上也是一種基于深度學(xué)習(xí)的方法。在比較分析中，選擇了信噪比不同的五組信號(hào)，分別發(fā)送到兩種增強(qiáng)網(wǎng)絡(luò)中。然后對(duì)比了兩種網(wǎng)絡(luò)增強(qiáng)前后的誤碼率，以分析兩種增強(qiáng)方法的效果。

在表1和表2中，對(duì)兩種網(wǎng)絡(luò)增強(qiáng)方法的增強(qiáng)效果進(jìn)行了比較分析，其中G1表示無(wú)線信號(hào)增強(qiáng)生成對(duì)抗網(wǎng)絡(luò)，G2表示殘差網(wǎng)絡(luò)。結(jié)果顯示，G2對(duì)通信信號(hào)有一定的增強(qiáng)效果，但相比之下其效果較G1而言較差。特別是在低信噪比情況下，G1網(wǎng)絡(luò)的增強(qiáng)效果更好。因此綜上所述，無(wú)線信號(hào)增強(qiáng)生成對(duì)抗網(wǎng)絡(luò)在提高高速公路隧道中低信噪比信號(hào)的傳輸質(zhì)量方面具有明顯優(yōu)勢(shì)。

五、高速公路隧道救援通信傳輸對(duì)策分析

通過(guò)對(duì)無(wú)線信號(hào)增強(qiáng)生成對(duì)抗網(wǎng)絡(luò)和其他信號(hào)增強(qiáng)方法進(jìn)行對(duì)比分析，發(fā)現(xiàn)信號(hào)增強(qiáng)方法可以有效降低通信信號(hào)傳輸時(shí)的誤碼率。然而，這僅僅是從算法角度對(duì)信號(hào)傳輸質(zhì)量進(jìn)行提升，實(shí)際上要確保高速公路隧道救援通信信號(hào)的良好傳輸，還需要采取更多的措施和方法。

（一）采用高增益定下輻射特性的天線

在高速公路隧道這種特殊的通信信號(hào)傳輸環(huán)境中，應(yīng)當(dāng)采用雙極化、雙頻帶、定向高增益天線。偶極子天線具有輻射全向性和靈活拓寬帶寬的特點(diǎn)，適合應(yīng)用于高速公路隧道的天線選頻部分。而八木天線則具有結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單和增益高的特點(diǎn)，通?？梢员粦?yīng)用于天線的增益部分。因此，在高速公路隧道通信信號(hào)傳輸天線的選擇上，應(yīng)當(dāng)將偶極子天線和八木天線相結(jié)合，通過(guò)調(diào)節(jié)印刷偶極子的結(jié)構(gòu)、引向振子的間距和長(zhǎng)度，設(shè)計(jì)定向高增益天線，以提高隧道內(nèi)部的通信信號(hào)傳輸質(zhì)量。

（二）降低隧道結(jié)構(gòu)內(nèi)表面對(duì)通信信號(hào)的反射和吸收

目前，由于高速公路隧道施工工藝和材料的限制，不可避免地會(huì)對(duì)隧道內(nèi)通信信號(hào)的傳輸造成影響。這主要是由于隧道結(jié)構(gòu)內(nèi)表面會(huì)對(duì)通信信號(hào)進(jìn)行不同程度的反射和吸收，導(dǎo)致信號(hào)造成損失。為了解決這個(gè)問(wèn)題，可以在隧道結(jié)構(gòu)內(nèi)表面信號(hào)反射和吸收較強(qiáng)的部位，采用類(lèi)似可以減少信號(hào)反射和吸收的涂料進(jìn)行處理。這樣可以盡可能地減少通信信號(hào)在隧道結(jié)構(gòu)內(nèi)表面?zhèn)鬏斶^(guò)程中產(chǎn)生的能量損耗，從而提高通信信號(hào)傳輸質(zhì)量。

六、結(jié)束語(yǔ)

通過(guò)對(duì)高速公路隧道工程消防救援工作進(jìn)行的分析和研究，發(fā)現(xiàn)救援過(guò)程中通信信號(hào)的傳輸存在較大的問(wèn)題。為了解決這個(gè)問(wèn)題，研究了針對(duì)高速公路隧道通信信號(hào)增強(qiáng)的技術(shù)，對(duì)比分析了無(wú)線信號(hào)增強(qiáng)生成對(duì)抗網(wǎng)絡(luò)和殘差網(wǎng)絡(luò)對(duì)通信信號(hào)增強(qiáng)的效果。研究發(fā)現(xiàn)，無(wú)線信號(hào)增強(qiáng)生成對(duì)抗網(wǎng)絡(luò)的通信信號(hào)提升效果優(yōu)于殘差網(wǎng)絡(luò)，尤其是在低信噪比的通信信號(hào)增強(qiáng)上效果更為明顯。基于這些發(fā)現(xiàn)，提出了一系列應(yīng)對(duì)措施，包括基于信號(hào)增強(qiáng)技術(shù)的高增益定向輻射天線、降低隧道結(jié)構(gòu)內(nèi)表面對(duì)通信信號(hào)的反射和吸收，以及降低隧道界限內(nèi)通信信號(hào)的信噪比等措施。這些措施有望幫助提高隧道內(nèi)通信信號(hào)的傳輸質(zhì)量和可靠性，對(duì)高速公路隧道工程的消防救援工作產(chǎn)生積極影響。

參考文獻(xiàn)

[1]吳躍，邢明帥，吳卉，等.城市軌道交通線網(wǎng)通信集中監(jiān)視系統(tǒng)方案研究[J].中國(guó)新通信，2023，25（06）：1-3.

[2]蔡權(quán)慧，田雷.調(diào)頻有線廣播在公路隧道應(yīng)急系統(tǒng)中的應(yīng)用分析[J].安徽建筑，2021，28（07）：187-188.

[3]余昌桃.高速公路隧道通信信號(hào)增強(qiáng)技術(shù)研究[J].電子制作，2021（24）：24-25+5.

[4]劉宏，申鐵軍.公路隧道安全智能防災(zāi)救援系統(tǒng)研究[J].四川建材，2023，49（04）：144-145.

[5]趙忠杰，丁恒，田梅.公路隧道交通疏散策略[J].長(zhǎng)安大學(xué)學(xué)報(bào)：自然科學(xué)版，2007（01）：50-53.

[6]杜振.基于隧道環(huán)境的定向高增益天線研究[D].西南交通大學(xué)，2020.

[7]張旭，姜蘇英，楊汨，等.兩種隧道場(chǎng)景下車(chē)對(duì)車(chē)無(wú)線信道衰落特性的測(cè)量與分析[J].電波科學(xué)學(xué)報(bào)，2021，36（03）：443-452.

[8]須民健，蘇宇峰，陳曉利.無(wú)線通信技術(shù)在高速公路的應(yīng)用[J].中國(guó)交通信息化，2011（02）：120-121.

[9]李龍. 應(yīng)用于隧道通信的高增益定向天線研究與設(shè)計(jì)[D].電子科技大學(xué)，2020.

[10]吳建清，宋修廣.智慧公路關(guān)鍵技術(shù)發(fā)展綜述[J].山東大學(xué)學(xué)報(bào)：工學(xué)版，2020，50（04）：52-69.