基于通信信号增强技术的高速公路隧道救援对策研究

饶红琼

摘要：随着国家交通事业的快速发展和高速公路的不断建设，高速公路隧道数量也在不断增加，这给消防救援工作带来了巨大压力。由于高速公路隧道环境复杂、事故率高、危害大，救援工作本就十分困难。因此，建立稳定的通信网络对于消防救援工作有着十分重大的意义。为此，本文进行了基于通信信号增强技术的高速公路隧道救援通信传输对策的研究。研究结果表明，无线信号增强生成对抗网络在通信信号提升方面优于残差网络，特别是在低信噪比的情况下效果更为明显。同时，采用高增益定向辐射特性的天线、降低隧道内表面对通信信号的反射和吸收，以及降低隧道内部信号的信噪比，能够有效提升高速公路隧道救援信号传输质量。

关键词：隧道救援；通信信号；对策研究

一、引言

近年来，我国交通事业蓬勃发展，高速公路在全国各地蔚然成风，随之而来的是大量的高速公路隧道建设。但随着隧道数量的迅速增长，消防救援工作的压力也因之增大。高速公路隧道的环境复杂，事故发生率高、事故危害大，这给救援工作带来了巨大挑战[1]。在这种情况下，稳定的通信网络信号显得尤为重要，尤其是对于消防救援工作。当前无线电技术的快速发展已广泛渗透到人们日常生活的各个方面，移动通信网络不断完善，但室内空间部分区域的通信信号质量仍有待提高，特别是在风险大、危险系数高的区域（如隧道、矿井）仍存在通信盲区[2]。通信信号的质量与救援行动的成功与否密切相关，因此研究高速公路隧道通信信号增强技术对于提升救援质量具有重大意义。

二、高速公路隧道救援通信传输存在的问题

（一）传统天线性能的局限

在无线通信系统中，天线的性能可以对整个通信网络的运行质量产生直接影响。作为传输和接收电磁波的重要组件，天线的作用是将传输线上的导波转换为电磁波，或者将电磁波转换为传输线上的导波。由于不同的应用场景对天线有不同的要求[3-4]，比如在隧道等相对局限和密闭的空间，通常需要天线具有一定的方向性。这种方向性可以使天线在特定方向上接收的辐射或电磁波更强，从而提高效率，使得这种类型的天线具有更好的增益效果和更远的作用距离。也就是说，具有方向性和高增益效果的天线可以实现通信信号传输距离更远、抗干扰能力更强等优点。

（二）隧道内通信信号衰落显著

在隧道内，通常会受到多种非理想条件的影响，这些条件会影响通信信号的传播。

首先，隧道内壁通常是由混凝土和防火涂料构成的，所以并不是完全光滑的。这就导致通信信号会在不平整的隧道内壁上发生反射和吸收，并因此导致信号在隧道中传播时快速衰减，严重影响信号接收质量和解调质量。

其次，隧道内壁的不平整和各种构造会导致信号的多次反射和传播路径的分歧，这种多重路径传播会导致信号的严重衰减，进一步影响信号的接收和解调质量。因此，解决隧道内反射衰减问题的关键在于强化隧道内的通信信号[5-6]。

（三）隧道内信号噪声干扰较多

在隧道内通信信号传输过程中，除了受到隧道结构内壁的反射和吸收影响外，还可能遭受隧道空间内噪声的干扰。通常情况下，随机噪声干扰对通信信号的实质性干扰较为明显。由于干扰的存在，通信信号的传输质量会受到明显的衰退，严重影响隧道内部信号接收端对通信信号的接收和解调。这可能导致通信信号传输质量下降，甚至会导致通信信号中断[7]。

三、高速公路隧道通信信号增强设计

GAN（Generative Adversarial Networks）技术在图形系统和语音系统信号效果增强方面取得了显著的成果。它能够合成特定类型的信号，并通过合成来提高信号质量。本文基于这一思路，提出了在高速公路隧道通信信号增强领域应用GAN技术的可行性。试图构建一个基于GAN技术的高速公路隧道通信信号传输网络，以消除动态噪声信号干扰，提高通信信号在高速公路隧道内的传输质量。虽然无线通信信号增强方面的应用案例较少，但本文只是论证了该方法的理论可行性。生成对抗网络通常采用对抗训练的方式实现信号增强，并消除噪声信号干扰[8-10]。

具体而言，无线信号增强生成对抗网络具有以下几个优点：

首先，相较于传统的通信信号网络生成准则，GAN省去了复杂繁琐的计算，简化了两个端口之间的生成模式，无需对随机噪声信号的特征进行提取，简化了信号增强的计算过程。同时，将源信号作为GAN技术的生成准则，对通信信号进行加强，最大限度提高其信号质量，使其在隧道空间内传输并保障接收端信号质量。

其次，GAN具有极强的对信号变动和偏差的控制能力。它可以保障通信信號传输的相关特征值，即使通信信号在传输过程中的频率、带宽和幅值发生变化，也能对信号进行控制，确保特征信号得以保存。

第三，无线信号增强生成对抗网络本质上是对源信号进行传输。在数据传输过程中，由于外部其他信号的干扰，传输过程时刻都在产生随机变化。因此，增强网络系统的性能得到了提高，真正实现了时变信号系统的增强。

GAN技术本质上是一种通过对大量实际分布式数据进行训练和学习，并生成随机样本的网络模型。该网络模型由两个计算模型构成：一个是生成模型（模型G），负责生成样本；另一个是判别模型（模型D），负责区分生成模型生成的随机样本和实际收集的样本。生成模型的目的是增强判别模型的误差识别能力，从而提升整体算法的辨识能力。整个模型的训练过程基本上就是在进行生成样本和实际样本的判别。判别模型和生成模型相互递进，判别模型可以对实际样本和生成样本进行判别，并将误差传递给生成模型，使生成模型生成更加接近实际样本的样本。当生成样本和实际样本达到平衡后，整个模型的训练过程就会结束。

通过这种方式，可以尽可能地确保生成模型生成的样本接近真实样本。最终目标是生成模型生成的样本可以通过判别模型的判别，达到生成与真实信号相似的通信信号，从而增强信号。

四、生成对抗增强信号网络的增强效果分析

为了比较无线信号增强生成对抗网络和残差网络方法在通信信号增强方面的优越性，采用残差网络方法进行对比分析。残差网络方法是最近提出的一种用于高速公路隧道通信信号增强的深度学习算法，本质上也是一种基于深度学习的方法。在比较分析中，选择了信噪比不同的五组信号，分别发送到两种增强网络中。然后对比了两种网络增强前后的误码率，以分析两种增强方法的效果。

在表1和表2中，对两种网络增强方法的增强效果进行了比较分析，其中G1表示无线信号增强生成对抗网络，G2表示残差网络。结果顯示，G2对通信信号有一定的增强效果，但相比之下其效果较G1而言较差。特别是在低信噪比情况下，G1网络的增强效果更好。因此综上所述，无线信号增强生成对抗网络在提高高速公路隧道中低信噪比信号的传输质量方面具有明显优势。

五、高速公路隧道救援通信传输对策分析

通过对无线信号增强生成对抗网络和其他信号增强方法进行对比分析，发现信号增强方法可以有效降低通信信号传输时的误码率。然而，这仅仅是从算法角度对信号传输质量进行提升，实际上要确保高速公路隧道救援通信信号的良好传输，还需要采取更多的措施和方法。

（一）采用高增益定下辐射特性的天线

在高速公路隧道这种特殊的通信信号传输环境中，应当采用双极化、双频带、定向高增益天线。偶极子天线具有辐射全向性和灵活拓宽带宽的特点，适合应用于高速公路隧道的天线选频部分。而八木天线则具有结构简单和增益高的特点，通常可以被应用于天线的增益部分。因此，在高速公路隧道通信信号传输天线的选择上，应当将偶极子天线和八木天线相结合，通过调节印刷偶极子的结构、引向振子的间距和长度，设计定向高增益天线，以提高隧道内部的通信信号传输质量。

（二）降低隧道结构内表面对通信信号的反射和吸收

目前，由于高速公路隧道施工工艺和材料的限制，不可避免地会对隧道内通信信号的传输造成影响。这主要是由于隧道结构内表面会对通信信号进行不同程度的反射和吸收，导致信号造成损失。为了解决这个问题，可以在隧道结构内表面信号反射和吸收较强的部位，采用类似可以减少信号反射和吸收的涂料进行处理。这样可以尽可能地减少通信信号在隧道结构内表面传输过程中产生的能量损耗，从而提高通信信号传输质量。

六、结束语

通过对高速公路隧道工程消防救援工作进行的分析和研究，发现救援过程中通信信号的传输存在较大的问题。为了解决这个问题，研究了针对高速公路隧道通信信号增强的技术，对比分析了无线信号增强生成对抗网络和残差网络对通信信号增强的效果。研究发现，无线信号增强生成对抗网络的通信信号提升效果优于残差网络，尤其是在低信噪比的通信信号增强上效果更为明显。基于这些发现，提出了一系列应对措施，包括基于信号增强技术的高增益定向辐射天线、降低隧道结构内表面对通信信号的反射和吸收，以及降低隧道界限内通信信号的信噪比等措施。这些措施有望帮助提高隧道内通信信号的传输质量和可靠性，对高速公路隧道工程的消防救援工作产生积极影响。

参考文献

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