长大隧道施工临时通信组网方案研究

陆宏刚

(中国铁建电气化局集团第五工程有限公司 四川成都 610073)

1 康定2号隧道基本情况

川藏铁路雅安至林芝段于2020年11月开工建设，该段铁路桥隧占比高，桥隧施工受地形高差大、活动断裂带作用复杂、地质灾害频发等因素影响，是整个川藏铁路工程设计施工中的重难点。

康定2号隧道位于四川省甘孜藏族自治州境内，以东南～西北走向穿越著名的“康巴第一关”折多山，隧道全长20.793 km。隧道施工安排了隧道进口、出口、一号横洞、二、三号斜井共五个工作面。一号横洞设在隧道进口左侧，二号斜井设在G318折多山隧道进口右侧，三号斜井设在G318折多山隧道出口右侧。隧道进口及一号横洞、二号斜井属于中铁十二局中标标段，隧道出口及三号斜井属于中铁十八局中标标段。由于隧道进口和出口分属不同施工单位，各自独立组织施工，本文主要围绕康定2号隧道进口及一号横洞、二号斜井的隧道施工方案研究临时通信解决方案。

2 临时通信系统需求调查及分析

针对隧道施工作业环境未知多变、工序复杂、装备种类繁多等问题，施工单位采用TBM为主，钻爆法为辅的隧道分修方案[1]，并借助互联网、物联网、大数据、软件开发等技术，建设了具有施工过程全景监测、风险预警、装备远程运维、施工过程管理运维与辅助决策等功能的隧道施工智能建造综合管理系统。该系统对临时通信系统的信息接入类型、传输带宽、设备布署灵活性等提出了更高的要求。在隧道施工处于钻孔破岩、拱架安装、粒料填充及喷浆、仰拱作业、钢筋网片挷扎安装、衬砌施工等作业工序时，人来车往，工作环境非常复杂，有线通信网络缺失安全稳定的安装条件，我们在基站＋光纤直放站网络覆盖、有线＋无线WIFI网络覆盖等几种隧道常用无线解决方案中，选择技术更为先进、设备布置更灵活的有线＋无线Mesh网络覆盖的方式解决隧道内的通信问题。

依据康定2号隧道施工方案，构建的临时通信系统应满足以下应用需求[2]:

(1)各施工场所的互联网接入需求；

(2)基于无线对讲功能的联系沟通及调度指挥的通信需求；

(3)基于局域网络的VoIP电话[3]需求；

(4)隧道施工全景监测所需的各种视频终端设备接入和视频传输；

(5)应对川藏特殊地质环境下隧道施工必备的应急通信系统需求；

(6)解决隧道施工智慧工地管理的各种人员定位、车辆定位和现场管理信息传递的通信需求；

(7)超前地质预报对隧道掌子面围岩状态信息收集和上传通道需求；

(8)TBM供电[4]、通风、供氧及出碴系统监测诊断信息收集和上传；

(9)隧道中各种大型装备关键部件状态的实时动态监测及故障识别信息收集和上传；

(10)隧道施工中语音、数据、视频回传通信中心的通信通道。

3 Mesh网络的特点和构成

无线Mesh网络(Wireless Mesh Network，WMN)，是一种适用于大面积或复杂地型的分布式无线自组织多跳网格网络。它具备自组网、自愈合、网络参数动态调整并具有较高带宽等特性[5]。Mesh网络可自动探知节点的增减，在极短时间内即可完成路由更新和网络参数的调整，既增加了网络的可拓展性，又提高了可靠性，同时减少了设备配置和调试的时间。Mesh网络设备具有多种规格型号，可由施工人员随身携带或安装在施工机械设备上，设备自备电池，也可通过车载电源供电，安装布署灵活，极为适宜隧道施工场景。

Mesh专用通信网络系统结构如图1所示。

图1 Mesh网络结构示意

Mesh专用网络采用基于IEEE802.1x标准的网络接入控制技术，由中心控制系统、有线网络、无线网格网络、终端和信息采集设备等组成。

中心控制系统:在施工单位指挥部设置，主要包括核心交换机、网管系统、服务器及调度指挥系统等设备组成。

有线网络:从隧道指挥中心到隧道进口区段敷设野战光缆，部署MPP网关设备、有线AP设备和天线。

无线网格网络:在隧道施工区段部署无线AP设备和天线，通过自组网方式构建无线网格网络。AP设备起到信息接入和路由器的功能，提供RJ45/RS232/USB等类型接口，可与现场安装的各类传感器连接，并提供WIFI热点供手机、手持终端、电脑等无线WIFI设备接入，作为CPE信息接入设备的补充，收集声音、压力、温度等数据采集信息，通过专用网络回传到中心控制系统。

终端和信息采集设备:配置专网移动终端和CPE接入设备，提供语音和数据传输服务。移动终端可配置视频拍摄功能；隧道施工和监测涉及的摄像头视频、传感器数据采集通过CPE接入设备或AP设备，接入Mesh网络，传输到中心控制系统。专网移动终端设备满足IP67以上的工业防护要求，可提供卫星定位功能、专网公网双模双待能力，以公网(如有覆盖)作为备用网络，支持VOIP语音会议、视频集群、点对点和点对多点呼叫等业务；支持脱网直通(DMO)，功能满足在没有网络的特殊场景下的紧急语音通信需求[6]。

网管系统和服务器:管理储存网络内的数据传输和外部网络的接口，主要负责与外网相联，并提供分组数据路由、QoS配置、信令控制、终端管理等功能；负责对AP设备进行监测和维护管理。

调度指挥系统:提供单呼、组呼和广播等功能，集成调度业务和指挥管理功能，可根据隧道施工中的使用需求提供更多功能定制。

4 隧道Mesh专用网络方案设计

隧道内无线电波的传输不同于地面上，受隧道的截面尺寸、曲率、隧道壁介质、隧道内的人员、机械和障碍物等因素影响，造成无线电波传播时发生反射、散射和绕射等现象，随着信号传输距离的增大在接收端形成了多径衰减[7]。我们需要根据隧道施工场景无线电波传播衰减理论，测算出隧道内无线传输距离，进行合理的方案设计和设备布置，使无线通信为隧道施工所用的工程机械的信息化[8]提供良好的基础。

无线Mesh网络使用的频率为2.4 GHz和5.8 GHz，分别处于UHF频段和SHF频段。根据无线电波的传播损耗公式[9]:

式中，Lb为路径损耗(dB)；f为中心频率(MHz)；d为传播距离(m)。

通过公式(1)，可推导出相同传播距离，2.4 G信号较5G信号传播路径损耗小，故相同功率时传播距离更远；5G信号传播路径损耗大，传播距离相对较短。工程设计应用中考虑到带宽及无线覆盖距离兼顾，常将两种信号制式融合应用，因融合后公式计算复杂且对传播距离影响小，故本文选择传输距离更远的2.4 G信号设备进行测算隧道无线覆盖距离。

根据隧道内电磁波传播[10]损耗计算规律可计算出隧道内的路径损耗:

式中，Lb为路径损耗(dB)；PT为发射功率(dBm)；GT为发射天线增益(dB)；GR为接收天线增益(dB)；L1为人体损耗(dB)；L2为馈缆损耗(dB)；PR为测试终端接收功率(dBm)。

测试中隧道内无线网络各项参数见表1。

表1 无线网络参数

计算得Lb＝20＋15＋2-3-3＋80＝111(dB)

根据隧道传播模型修正公式[11]:

式中，A为基本损耗(dB)，可在d＝1 m处测得；α为电波传播的对数衰减系数；λ为电波传播的线性衰减系数。

根据式(3)结合表2中的各项参数，可求出直线段隧道无线覆盖的最大距离为1 160 m，曲线段隧道无线覆盖的最大距离为660 m。

表2 隧道内无线传播模型的参数

根据康定2号隧道的施工作业安排，施工阶段需要分段并行，配合横洞、平行导洞、斜井等多种手段高效推进作业，隧道内临时通信系统面临分段独立作业的场景。根据隧道作业现场实际情况，在项目指挥部设置指挥中心控制系统，隧道进口处的进口工区、横洞工区、斜井工区等三处位置设置Mesh网关设备，根据隧道施工进展布置Mesh节点设备和终端设备。部署方案如图2所示。

图2 康定2号隧道Mesh无线系统平面布置

隧道内无线网络节点部署原则:为保证信号无线传输的速率和带宽，隧道内相邻AP的天线覆盖区域需要有足够的交迭深度以保障无线信号能够稳定回传，考虑到实际施工中较少存在超长直线隧道情况，原则上按照1 000 m进行AP节点部署，信息集中的点位可以考虑增加AP设置，以增大无线传输的带宽和可靠性。

测试和调整:在Mesh网络部署完成后，需要对整个网络进行场强测试[12]和网络优化调整。包括验证无线信号覆盖是否存在盲区；传输速率、丢包率等传输性能指标是否合格；无线传输时是否存在信道冲突等问题。

5 结论

根据川藏铁路康定2号隧道进口隧道施工方案的通信需求，本文采用了有线＋无线Mesh网络模式，通过合理地布设AP节点，按照隧道内无线传播模型的参数计算设计了无线信号重叠覆盖区，通过现场布设、场强测试和网络优化，实现了隧道内施工作业区域无线信号全覆盖，可以为康定2号隧道施工顺利推进提供稳定可靠的临时通信保障，为今后同类工程提供有效借鉴。