双腔波导管技术在轮胎式龙门起重机远程控制无线通信系统中的应用

夏洪洁 蒋旻

轮胎式龙门起重机（rubber-tyred gantry crane，RTG）是集装箱码头堆场常用的装卸设备。RTG的轮胎可以自由转向，因此，RTG在堆场内的运行路线相对灵活多变，可以自由转场到达堆场任意位置作业。RTG的供电方式主要分为机载柴油发电机组供电和市政电网供电。为了响应国家节能减排的号召，宁波舟山港的RTG已全部改造为采用低架滑触线方案的市政电网供电方式，并且实现柴油发电机组供电方式与市政电网供电方式间的自由切换。低架滑触线电气系统依靠取电小车与低架滑触线接触进行连接，仅具有供电功能而不具备光纤通信功能。宁波港股份有限公司北仑第二集装箱码头分公司（以下简称“北二集司”）在对RTG远程操作和自动化作业系统实施改造的过程中，设计采用多输入多输出技术和IEEE 802.11ac协议的双腔波导管技术，以解决RTG远程控制无线通信问题。经测试，该远程控制无线通信方式具有高带宽、低延时、抗干扰能力强和使用寿命长等优点。

1 波导管技术简介

波导管是内壁光洁的空心金属导管，用来传输厘米波段或毫米波段的电磁波，在本质上是一种特殊的天线。作为无线通信介质或媒介，波导管使无线电磁波汇聚在密封的腔体内传播；腔体内壁的光洁度非常高，可使信号衰减率最小，从而延长信号源的传输距离。目前常用的裂缝波导管（见图1）属于表面型波导管，即在封闭的方管形铝型材上垂直加工出多个一定宽度的裂缝，裂缝的间距和尺寸根据电磁波的波长确定，并要求具有极高的精度。

2 RTG远程控制无线通信系统的带宽需求

RTG远程控制通信指机上控制设备和视频前端设备与中控室控制台、视频后台和存储设备间的数据信号传输，其可分为三组数据信号传输。

第一组是控制数据信号传输，即：将RTG各个控制元件、驱动元器件的状态传输到中控室控制台的可编程逻辑控制器主站，同时，中控室的手柄操作指令需要传送到现场RTG的可编程逻辑控制器的控制系统。控制数据信号传输是RTG远程控制系统中的核心通信；但控制数据信号占用的带宽并不大，仅为10 Mb/s。

第二组是视频数据信号传输，其同样为双向传输，即：现场摄像头拍摄的画面需要通过数据链路传回中控室，中控室的视频控制数据信号需要传送到摄像头云台。为了实现RTG的远程控制功能，北二集司在RTG上共安装24个摄像头（见表1），其每秒显示25幅？20分辨率的视频图像，码流带宽为3 Mb/s，24个摄像头共占据带宽72 Mb/s。

第三组是语音通信数据信号传输，其占用的带宽不大（仅1 Mb/s），主要功能是采集和传输现场声音信号并传送至中控室，同时可以将中控室的通信数据信号传送至作业现场的扬声器等设备。

综上所述，RTG远程控制通信系统的带宽需求约为100 Mb/s，其中20%是为未来设备升级所留的带宽余量。

3 应用双腔波导管技术设计RTG远程控制无线通信系统

3.1 常规波导管无线通信技术的应用弊端

根据北二集司的集装箱堆场作业情况，在长250 m的作业区域内安排2台RTG进行作业，波导管无线通信系统必须同时满足2台RTG远程控制信号传输带宽需求（见图2），即要求无线网络带宽为200 Mb/s；同时，为保证RTG作业安全，系统还须具备较强的抗干扰能力。目前已经在地铁等领域成熟应用的波导管无线通信技术采用2.4 GHz无线频段和IEEE 802.11n协议。2.4 GHz频段属于全世界公开

通用的无线频段，大部分无线设备如对讲机、无线计算机、家用电器等均使用该频段工作，无线信号干扰强烈，无法保证通信质量。IEEE 802.11n协议单通道最高只能提供108 Mb/s的网络带宽，仅能满足1台RTG的通信需求；因此，普通的波导管无线通信技术无法满足RTG远程控制无线通信系统设计需求。

3.2 双腔波导管通信技术方案

为了避免2.4 GHz无线频段干扰强烈的弊端，有必要寻找新的抗干扰能力强的公共无线频段。是继2.4 GHz后新开发的无线频段，其工作频率高，具有速度快、抗干扰能力强等优点；但由于其波长较短，致使无线信号的穿透性和距离性偏弱。频段能够满足北二集司RTG远程控制无线通信系统的设计需求，因而以此为基础来完成波导管的选型设计。

根据标准矩形波导管153-IEC标准，工作频率符合5 GHz的标准矩形波导管型号为R48，其截面尺寸如图3所示。R48波导管的标准长度有6 m、等。为了方便安装和维修，北二集司选用长度为的R48波导管，以获得较好的长度与质量配比。

为了解决IEEE 802.11n无线传输协议网络带宽不够的问题，尝试采用最新的IEEE 802.11ac协议。与IEEE 802.11n协议相比，IEEE 802.11ac协议单通道最大带宽提升到866 Mb/s，有效支持5 GHz无线频段，满足RTG远程控制无线通信系统设计需求。在实际测试中，受外部干扰源、信号损耗等因素的影响，IEEE 802.11ac协议的实际传输带宽仅为200～ 300 Mb/s，并且不稳定；因此，单纯采用最新的IEEE 802.11ac协议无法解决RTG远程控制无线通信系统的带宽和稳定性需求。鉴于此，创造性地采用2条波导管并行排列组成双腔波导管（见图4），由此实现系统的多输入多输出功能，使理论最大通信带宽达到/s，大大提升无线通信系统的稳定性。

3.3 双腔波导管通信系统的安装

如图5所示：双腔波导管通过支架安装在低架滑触线立柱顶部，与原来的设备互不干涉；机载动力配电箱安装在取电小车顶部；无线接收天线安装在机载动力配电箱顶部。在RTG移动过程中，无线接收天线与双腔波导管间的距离保持在200～之间，从而确保良好的通信质量。

为延长波导管的使用寿命，在波导管上安装防护罩，预防波导管老化，并有效隔绝雨水、灰尘和盐雾侵蚀。波导管之间采用法兰连接，连接处加装特制的防护罩。为了消除波导管的温度形变和应力，波导管的固定支架采用滑动支架。

3.4 双腔波导管通信系统测试

在RTG和远程控制室的计算机上分别安装带宽测试软件，测试双腔波导管通信系统的带宽、延时和信号稳定性：在1台RTG进行远程通信的情况下，网络平均带宽达到451 Mb/s，网络延时不超过；在2台RTG同時进行远程通信的情况下，网络平均带宽达到121 Mb/s，网络延时不超过1 ms。测试结果显示，双腔波导管通信系统达到RTG远程控制无线通信要求，有效解决了RTG远程控制中的通信难题。基于双腔波导管通信技术的RTG远程控制无线通信系统具有高带宽、低延时以及抗干扰能力强和使用寿命长等优点，可为我国RTG远程控制通信系统研发提供借鉴和参考。

（编辑：曹莉琼 收稿日期：2018-06-04）