長大隧道施工臨時通信組網方案研究

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，該段鐵路橋隧占比高，橋隧施工受地形高差大、活動斷裂帶作用復雜、地質災害頻發等因素影響，是整個川藏鐵路工程設計施工中的重難點。

康定2號隧道位于四川省甘孜藏族自治州境內，以東南～西北走向穿越著名的“康巴第一關”折多山，隧道全長20.793 km。隧道施工安排了隧道進口、出口、一號橫洞、二、三號斜井共五個工作面。一號橫洞設在隧道進口左側，二號斜井設在G318折多山隧道進口右側，三號斜井設在G318折多山隧道出口右側。隧道進口及一號橫洞、二號斜井屬于中鐵十二局中標標段，隧道出口及三號斜井屬于中鐵十八局中標標段。由于隧道進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 臨時通信系統需求調查及分析

針對隧道施工作業環境未知多變、工序復雜、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]，并借助互聯網、物聯網、大數據、軟件開發等技術，建設了具有施工過程全景監測、風險預警、裝備遠程運維、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。該系統對臨時通信系統的信息接入類型、傳輸帶寬、設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、鋼筋網片挷扎安裝、襯砌施工等作業工序時，人來車往，工作環境非常復雜，有線通信網絡缺失安全穩定的安裝條件，我們在基站＋光纖直放站網絡覆蓋、有線＋無線WIFI網絡覆蓋等幾種隧道常用無線解決方案中，選擇技術更為先進、設備布置更靈活的有線＋無線Mesh網絡覆蓋的方式解決隧道內的通信問題。

依據康定2號隧道施工方案，構建的臨時通信系統應滿足以下應用需求[2]:

(1)各施工場所的互聯網接入需求；

(2)基于無線對講功能的聯系溝通及調度指揮的通信需求；

(3)基于局域網絡的VoIP電話[3]需求；

(4)隧道施工全景監測所需的各種視頻終端設備接入和視頻傳輸；

(5)應對川藏特殊地質環境下隧道施工必備的應急通信系統需求；

(6)解決隧道施工智慧工地管理的各種人員定位、車輛定位和現場管理信息傳遞的通信需求；

(7)超前地質預報對隧道掌子面圍巖狀態信息收集和上傳通道需求；

(8)TBM供電[4]、通風、供氧及出碴系統監測診斷信息收集和上傳；

(9)隧道中各種大型裝備關鍵部件狀態的實時動態監測及故障識別信息收集和上傳；

(10)隧道施工中語音、數據、視頻回傳通信中心的通信通道。

3 Mesh網絡的特點和構成

無線Mesh網絡(Wireless Mesh Network，WMN)，是一種適用于大面積或復雜地型的分布式無線自組織多跳網格網絡。它具備自組網、自愈合、網絡參數動態調整并具有較高帶寬等特性[5]。Mesh網絡可自動探知節點的增減，在極短時間內即可完成路由更新和網絡參數的調整，既增加了網絡的可拓展性，又提高了可靠性，同時減少了設備配置和調試的時間。Mesh網絡設備具有多種規格型號，可由施工人員隨身攜帶或安裝在施工機械設備上，設備自備電池，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專用通信網絡系統結構如圖1所示。

圖1 Mesh網絡結構示意

Mesh專用網絡采用基于IEEE802.1x標準的網絡接入控制技術，由中心控制系統、有線網絡、無線網格網絡、終端和信息采集設備等組成。

中心控制系統:在施工單位指揮部設置，主要包括核心交換機、網管系統、服務器及調度指揮系統等設備組成。

有線網絡:從隧道指揮中心到隧道進口區段敷設野戰光纜，部署MPP網關設備、有線AP設備和天線。

無線網格網絡:在隧道施工區段部署無線AP設備和天線，通過自組網方式構建無線網格網絡。AP設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設備接入，作為CPE信息接入設備的補充，收集聲音、壓力、溫度等數據采集信息，通過專用網絡回傳到中心控制系統。

終端和信息采集設備:配置專網移動終端和CPE接入設備，提供語音和數據傳輸服務。移動終端可配置視頻拍攝功能；隧道施工和監測涉及的攝像頭視頻、傳感器數據采集通過CPE接入設備或AP設備，接入Mesh網絡，傳輸到中心控制系統。專網移動終端設備滿足IP67以上的工業防護要求，可提供衛星定位功能、專網公網雙模雙待能力，以公網(如有覆蓋)作為備用網絡，支持VOIP語音會議、視頻集群、點對點和點對多點呼叫等業務；支持脫網直通(DMO)，功能滿足在沒有網絡的特殊場景下的緊急語音通信需求[6]。

網管系統和服務器:管理儲存網絡內的數據傳輸和外部網絡的接口，主要負責與外網相聯，并提供分組數據路由、QoS配置、信令控制、終端管理等功能；負責對AP設備進行監測和維護管理。

調度指揮系統:提供單呼、組呼和廣播等功能，集成調度業務和指揮管理功能，可根據隧道施工中的使用需求提供更多功能定制。

4 隧道Mesh專用網絡方案設計

隧道內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、隧道內的人員、機械和障礙物等因素影響，造成無線電波傳播時發生反射、散射和繞射等現象，隨著信號傳輸距離的增大在接收端形成了多徑衰減[7]。我們需要根據隧道施工場景無線電波傳播衰減理論，測算出隧道內無線傳輸距離，進行合理的方案設計和設備布置，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。

無線Mesh網絡使用的頻率為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；5G信號傳播路徑損耗大，傳播距離相對較短。工程設計應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用，因融合后公式計算復雜且對傳播距離影響小，故本文選擇傳輸距離更遠的2.4 G信號設備進行測算隧道無線覆蓋距離。

根據隧道內電磁波傳播[10]損耗計算規律可計算出隧道內的路徑損耗:

式中，Lb為路徑損耗(dB)；PT為發射功率(dBm)；GT為發射天線增益(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)。

測試中隧道內無線網絡各項參數見表1。

表1 無線網絡參數

計算得Lb＝20＋15＋2-3-3＋80＝111(dB)

根據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為電波傳播的對數衰減系數；λ為電波傳播的線性衰減系數。

根據式(3)結合表2中的各項參數，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 隧道內無線傳播模型的參數

根據康定2號隧道的施工作業安排，施工階段需要分段并行，配合橫洞、平行導洞、斜井等多種手段高效推進作業，隧道內臨時通信系統面臨分段獨立作業的場景。根據隧道作業現場實際情況，在項目指揮部設置指揮中心控制系統，隧道進口處的進口工區、橫洞工區、斜井工區等三處位置設置Mesh網關設備，根據隧道施工進展布置Mesh節點設備和終端設備。部署方案如圖2所示。

圖2 康定2號隧道Mesh無線系統平面布置

隧道內無線網絡節點部署原則:為保證信號無線傳輸的速率和帶寬，隧道內相鄰AP的天線覆蓋區域需要有足夠的交迭深度以保障無線信號能夠穩定回傳，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進行AP節點部署，信息集中的點位可以考慮增加AP設置，以增大無線傳輸的帶寬和可靠性。

測試和調整:在Mesh網絡部署完成后，需要對整個網絡進行場強測試[12]和網絡優化調整。包括驗證無線信號覆蓋是否存在盲區；傳輸速率、丟包率等傳輸性能指標是否合格；無線傳輸時是否存在信道沖突等問題。

5 結論

根據川藏鐵路康定2號隧道進口隧道施工方案的通信需求，本文采用了有線＋無線Mesh網絡模式，通過合理地布設AP節點，按照隧道內無線傳播模型的參數計算設計了無線信號重疊覆蓋區，通過現場布設、場強測試和網絡優化，實現了隧道內施工作業區域無線信號全覆蓋，可以為康定2號隧道施工順利推進提供穩定可靠的臨時通信保障，為今后同類工程提供有效借鑒。