電纜隧道通信保障系統研究與應用

宮梓超，卞紹潤

（1.國網山東省電力公司，山東 濟南 250001；2.國網山東省電力公司濟南市歷城區供電公司，山東 濟南 250012）

電纜隧道通信保障系統研究與應用

宮梓超1，卞紹潤2

（1.國網山東省電力公司，山東 濟南 250001；2.國網山東省電力公司濟南市歷城區供電公司，山東 濟南 250012）

為實現對電纜隧道作業人員的安全監測與應急救援，針對電力電纜隧道的特點，設計和研制了電纜隧道通信保障系統，具有安裝簡單、可靠性高、覆蓋面大、穩定性好和環境適應性好的優點。通過2.4G無線覆蓋站級聯覆蓋電力電纜隧道，搭建隧道內外部網絡通信系統，并通過多地下覆蓋站轉發的方式對無線信號進行擴展，建立“無線高速網絡”，為實現電纜隧道下人員搜索定位，身體狀態監測、作業實時圖像監測、語音交互、應急救援等各種場景應用奠定基礎。電纜隧道通信保障系統具有廣闊的應用前景，不僅適用于電力電纜隧道內，而且適用于其他電力作業環境，對應急處理和電網安全穩定運行有重要意義。

電纜隧道；無線覆蓋站；通信保障系統；應急救援；安全監測

0 引言

隨著城市的快速發展，電力需求不斷增加，傳統架空輸配電線路難以滿足城市規劃對功能性和美觀性的要求。電力電纜線路由于節約地面空間、對周圍環境影響小、檢修方便、供電可靠性高等方面的優勢，在城市電力系統建設中得到了快速普及，城市的電力電纜數量不斷增加［1］。

工作人員經常在電纜隧道內對電纜實施運維檢修工作，隧道內容易出現氣體含量不達標、電纜漏電、火災等故障或事故，如不進行防范，易發生人身安全事故［2-3］。而隧道環境復雜，信息聯絡不通暢，在發生事故后隧道內產生有毒有害氣體，存在著多種不利條件。因此需要開展電纜隧道作業人員的安全監測與應急救援研究，避免電纜檢修人員在工作過程中發生人身安全事故。由于電力電纜隧道是近年來才開始普及的電纜敷設形式，國家還沒有頒布有關電纜隧道人員作業安全相關規范與要求。

電力電纜隧道環境各不相同，內部電磁環境復雜，施工環境較地面有很大差距，地面傳統通信方式在電纜隧道內受到很大限制，難以實現對電纜隧道內作業人員安全監測定位以及圖像回傳，當發生意外情況時，難以開展應急救援。因此有必要針對電力電纜隧道的特點設計相應的通信系統，以滿足各種實現電纜隧道內作業人員安全保障和應急救援的需要。

電纜隧道為電力電纜線路的重要載體，一般建設在地下5～20 m。因此在一般條件下，電信運營商網絡信號無法穿透土層進入隧道，而且由于截面不均，隧道管線走向復雜，一般的無線對講設備使用也受到諸多的限制［4］。為了保障在隧道檢修或者應急救援時實現隧道內與外界的實時通信，需解決隧道內的無線通信問題，以便及時進行內外的信息交互，保障檢修工作和應急救援順利進行。

在檢修和救援過程中，檢修井之間的距離一般在100 m左右，因此只需保障兩個檢修井之間的通信距離即可滿足絕大多數檢修和救援工作對通信的需求。

電纜隧道通信保障系統需要滿足以下需求：滿足基本的語音雙向通信，實現實時的語音對講；實現隧道內視頻實時采集回傳，以便隧道外或者中心專家進行現場及遠程故障分析；終端使用需滿足隧道內使用，不能影響其他正常作業，需具備一定防水防潮能力，要求系統操作簡單，易于攜帶。

為解決現有技術存在的不足，提出一種適用于電纜隧道的通信方案，能夠實現電纜隧道內檢修和應急救援工作時電纜隧道內外的通信問題，能夠實時地將數據傳輸至隧道外。

1 研究現狀

目前井下作業人員的安全監測、定位以及通信回傳可以通過多種方式實現，但沒有形成系統的方案落實。不同的應用需要不同的環境、網絡、硬件進行支持。目前，各行業內均根據本行業自身實際需求針對業務進行定制開發，也無統一的解決方案。研制一套可快速部署實施、簡單便攜電纜隧道作業人員安全保障和應急救援系統，不僅可用于解決電纜隧道內作業人員的安全問題，同時對其他電力施工安全監測和救援有借鑒意義。

要實現電纜隧道下人員搜索定位、身體狀態監測、作業實時圖像監測、語音交互、應急救援等各種場景應用，必須先解決電纜隧道通信問題。我國井下主要通信為有線方式，但由于有線通信方式使用不靈活、部署費用高等缺點，隨著科技的發展，無線通信已經慢慢代替有線通信的方式。但由于井下環境差，巷道分布多，干擾信號源多，對無線的發展障礙多，電纜隧道內部通信方式一直沒有統一的辦法進行解決。近年泄漏技術、小靈通技術、無線對講技術及WiFi技術相繼用于電力、煤礦井下［5-9］，但是各種通信方式在電纜隧道環境下均有著明確的優缺點，需進一步對比研討，落實一種行之有效的通信方式。

WiFi具有成本低、終端便攜、寬帶等特點，組網系統主要包括無線站點、AP節點，站點和節點間可以實現級聯連接或組建局域網，站點可以實現幾乎Hub的所有功能。WiFi技術在地面的短距離無線通信中已有多年的應用，相對其他無線寬帶技術來說比較成熟可靠。由于WiFi協議本身限制其設備的功率，使這類設備可以設計成符合電力安全要求的本質安全型設備，增加在井下的使用范圍，并且可以改變井下無線通信長久以來一直徘徊在窄頻范圍的現狀，使無線通信方式在隧道內得到更多的運用［10］。

研究通過2.4G無線覆蓋站級聯覆蓋電力電纜隧道，搭建隧道內外部網絡通信系統。針對電力電纜隧道環境特性，并通過多地下覆蓋站轉發的方式對無線信號進行擴展，建立“無線高速網絡”。

2 電纜隧道通信保障系統

2.1 拓撲設計

電纜隧道通信保障系統包含地面中繼站和地下覆蓋站兩部分。地面中繼站可接收地面網絡信號，并通過有線方式將信號傳輸至地下覆蓋站，從而實現地下網絡與地面網絡的互通。隧道通信保障單元解決了隧道內無網絡覆蓋的問題，為地下通信業務提供網絡支持，為隧道搶險救援提供網絡保障。電纜隧道通信保障系統如圖1所示。

系統設備分地上3G／4G路由器（簡稱地面交換站）和井下無線AP（簡稱地下覆蓋站）兩部分。地面站接收運營商基站公網3G／4G無線信號以及衛星網絡、光傳輸有線網絡后，通過有線方式傳輸至井下無線AP，通過無線AP級聯方式實現井下無線覆蓋。

圖1 電纜隧道通信保障系統示意圖

2.2 工作方式

電纜隧道通信保障系統工作方式如圖2所示，電纜隧道通信保障系統分地上3G無線路由器2和井下無線AP節點5與智能公網手機1。3G無線路由器2安裝在檢修井3的外部，井下無線AP安裝在電纜隧道4內，智能公網手機由井下作業人員或救援人員攜帶。

圖2 電纜隧道通信保障系統工作方式示意圖

電纜隧道應急通信裝置，包括安裝在電纜隧道內的組網系統，包括無線站點及AP節點。在電纜隧道內每隔一定距離設置有無線站點，無線站點與AP節點之間進行無線通信，AP節點與智能終端之間進行無線通信，AP節點通過有線方式與電纜隧道外的無線路由器進行通信，無線路由器通過無線方式再與上位機進行通信。

地上3G無線路由器接收運營商基站公網3G無線信號后，通過有線方式傳輸至井下無線AP節點，通過無線AP級聯方式實現井下無線覆蓋。借此方案，可使整個井下已覆蓋公網3G信號，所以可借助公網業務進行通信，大大節省了網絡設備及音視頻交互終端的投入。井下檢修人員使用智能公網手機，開機即可建立通信，利用公網已有應用，例如“微信”、“QQ”、“易信”等通信公網智能手機APP實現文字信息推送、雙向語音通信、多方語音對講、視頻通信、視頻及圖片回傳的等功能。從而快速實現井內視頻實時采集回傳，以便井外或者中心專家進行現場及遠程故障分析。

為了滿足快速部署與移動應用的需要，更便于現場的安裝部署，地上3G無線路由器可采用車載充電器或者定制12 V／1 A充電設備對其供電，滿足不同井外環境下3G無線路由器的正常供電。井下無線AP采用定制12 V／1 A充電設備對其供電，從而解決了井下用電設備供電問題。設備采用大功率工業級設備，既保障覆蓋面積，又具有良好的穩定性以及環境適應性，確保整個維修過程通信能夠不間斷進行。

圖3 電纜隧道應急救援指揮系統拓撲

3 應用實例

利用本文設計的電纜隧道通信保障系統構建電纜隧道應急救援指揮系統，系統拓撲如圖3所示。

假設電纜隧道內的檢修人員因火災被困，救援人員背負視頻采集終端，攜帶單兵手持終端，佩戴骨傳導對講設備進入隧道，多媒體音視頻回傳終端（視頻采集終端、手持終端、對講設備等）將自動與地下覆蓋站進行網絡連接，連接完成后現場指揮部的操作人員可進行音視頻的調用與交互，并且可以通過隨行應急視頻會商系統與各級應急指揮中心取得聯系，實現遠程指揮或遠程專家指導。

地面交換站配置。地面交換站內置SIM卡槽安裝應急專網SIM卡后，默認通過3G／4G接入電力應急專網，當連接WAN口至衛星通信車或衛星便攜站時，可自動通過衛星鏈路接入電力應急專網。地面交換站LAN口，可用于連接地下覆蓋站，也可連接筆記本電腦等終端設備。

地下覆蓋站配置。首臺地下覆蓋站通過網線直連地面交換站，通電開機即可釋放配置好SSID，多媒體無線終端可直接通過以下信息接入網絡。第二臺地下覆蓋站通過無線橋接與第一臺地下覆蓋站實現網絡連接，并為多媒體無線終端提供網絡接入服務。

將地面站置于地面相對空曠地帶，便于接收運營商信號，按下開關同時注意電源指示燈的指示，最左側指示燈量紅色表示設備正在運行，右側3個指示燈全部亮綠色，表示電源為充滿的狀態，指示燈每減少1個亮燈，電量減少33%。同樣將地下站打開電源，電源及運行指示與地面站相同，打開電源后將箱體閉合。

開關開啟后可用網線將地面站與地下站進行連接，網絡接口不分順序。

將地面交換站開啟后使用隨行會商平臺與其進行連接，連接完成后通過隨行應急會商平臺與井下音進行視頻的實時交互，也可通過大顯示器、全向麥克風等設備將音視頻信號進行放大，實現更加清晰的交互效果。

圖4 音視頻的調用與交互

使用人員攜帶多媒體音視頻回傳終端，并合理佩戴話筒、耳機、攝像頭，進入隧道，多媒體音視頻回傳終端將自動與地下覆蓋站進行網絡連接，連接完成后地面操作人員可進行音視頻的調用與交互，如圖4所示。

4 結語

如何提升目前隧道作業過程的安全管理水平，實現管理的現代化、信息化成為管理者研究的重要課題。因此，借助災害預防、事故救助、電子信息化等先進的管理手段是隧道安全安全管理的必然選擇。針對電力電纜隧道內人員作業情況，通過研究和實踐，設計了有效的電力電纜隧道通信保障系統，具有安裝簡單、可靠性高、覆蓋面大、穩定性以及環境適應性好的優點，滿足快速部署與移動應用的需要。電纜隧道通信保障系統不僅適用于電力電纜隧道內，而且適用于其他電力作業環境，有利于實現電力電纜隧道內人員的安全監測與作業標準化，對應急處理和電網安全穩定運行有重要意義。

［1］朱虹霖.城市電力電纜隧道建設前景［J］.電子世界，2013（24）：193.

［2］高軼.電力電纜隧道消防技術方案分析［J］.電力與能源，2013，34（5）：547-549，552.

［3］趙輝.城市電力電纜隧道的防火和消防設計［J］.華北電力技術，2010（6）：49-51，54.

［4］江冬娜，姚灝.電力隧道內無線通信解決方案研究［J］.通訊世界，2014（19）：3-4.

［5］李培煊，強蕊.基于WiFi的煤礦井下應急救援無線通信系統的研究［J］.中國安全生產科學技術，2011，7（4）：139-143.

［6］于雷，陳佳林.基于無線移動通訊的礦山應急通信與監測系統研究［J］.中國安全生產科學技術，2014，10（S1）：300-303.

［7］李文峰，馮永明，唐善成.互聯網+礦山應急救援技術研究［J］.煤炭科學技術，2016，44（7）：59-63.

［8］范輝，李帥華，孟良，等.基于VLC+PLC的電纜隧道通信及定位系統設計與開發［J］.電力信息與通信技術，2016（6）：105-108.

［9］呂海晶.基于Wi-Fi物聯網技術的電纜隧道安全管理系統［J］.山東冶金，2013，35（4）：53-54，57.

［10］候振.基于WIFI技術的井下無線調度通信系統的實現方案［D］.西安：西安科技大學，2009.

Research and Application of Electric Cable Tunnel Communication System

GONG Zichao1，BIAN Shaorun2
（1.State Grid Shandong Electric Power Company，Jinan 250001，China；2.State Grid Jinan Licheng Power Supply Company，Jinan 250012，China）

In order to monitor the safety of the electric cable tunnel workers and provide emergency rescue if necessary，a communication system in the cable tunnel is designed and installed to satisfy the requirements issued by the harsh environment.It hasadvantagesofsimple installation，high reliability，largecoverage，good stabilityand environmental adaptability.The electric cable tunnel is fully covered by the 2.4 G signals provided by cascaded connections of wireless stations.Thereby，the network communication system between inside and outside of the tunnel can be built.The wireless signal propagation can be realized by retransmission via multiple underground stations.Then the “high-speed wireless network” can be established.The proposed electric cable tunnel communication system lays the foundation for personal positioning，body condition monitoring，real-time image transmitting，audio communication，emergency rescue and some other application scenarios.This system has a broad application prospect.It is not only applicable to the power cable tunnel environment，but also applicable to other power operating environments，providing significant support for emergency response and safe operation of the power grid.

electric cable tunnel；wireless station；communication system；emergency rescue；safety monitoring

TN923

A

1007－9904（2017）11－0021－04

2017-06-11

宮梓超（1987），男，工程師，主要從事電力工程和應急管理工作；卞紹潤（1989），男，工程師，主要從事電力系統運行與控制工作。