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摘要：本文介紹了結合中國廣電5g應用頻率的使用范圍及中國廣電行業4G/5G專網支持能力，參照隧道施工工程特點，建設的基于4G/5G無線通信平臺的智慧隧道系統。

關鍵詞：4G/5G；無線傳輸網絡；無線通信；智慧隧道

1引言

隨著中國廣電5G網絡建成和投入運營，筆者發現5G在細分行業的增值應用將會是其在工業互聯網領域突破發展的方向，并成為中國廣電集團和中國廣電江西網絡有限公司的工作重點。目前，在5G+工業互聯網的系列解決方案中，智慧工地、智慧工廠技術已逐漸成熟，落地方案也已得到了充分驗證，成為5G在行業應用的主要發展方向。2021年5月，在河北省承德市酸棗嶺隧道施工過程中，項目方遇到了由于隧道過長（全長10km），隧道內人員分布和設備分布不可管理，隧道內施工團隊通信不及時，隧道可燃氣體情況不可預警，隧道管理者無法對隧道內部情況實時指揮和調度等一系列問題。經過認真分析和判斷，江西廣電分公司提出了基于4G/5G無線通信及定位的解決方案，既保障了酸棗嶺隧道工程如期完工，又完成了江西廣電5G應用實施能力驗證。

2智慧隧道方案制定

根據隧道施工的工程要求和工作難點，通過建設隧道4G/5G無線通信及定位系統解決問題，將無線調度、有線調度、安全監控、視頻回傳、機車控制等系統進行融合，實現統一調度、統一管理、統一監控、智能聯動，同時采用遠程維護管理，最終建設成為智慧隧道的應用系統。

3建設原則

根據網絡系統建設的實際應用狀況和未來的發展趨勢，考慮到各系統的實際需求及具體的使用特性，同時兼顧技術更迭不斷加快的特點，整體方案設計遵循以下原則。（1）系統性項目設計和建設要有整體的系統性考慮，包括核心網絡架構、數據中心、網絡安全、接入控制、統一服務和運維管理等方面。（2）可靠性系統要高效穩定，能夠保持24小時不間斷運行。充分考慮關鍵設備和鏈路冗余問題，對于安裝的設備與布線系統，必須能適應嚴苛的工作環境，以確保系統穩定。（3）先進性使用先進、成熟、實用、適合且具有良好發展前景的技術，使得各個子系統具有較長的生命周期，既能滿足當前的需求，又能適應未來的發展。（4）靈活性充分考慮未來需求的成長空間，承載業務的范圍和能力要有前瞻性，具備一定時間內的靈活擴展能力，要求組網方便、管理靈活、業務規劃相對獨立。（5）資源整合充分合理利用隧道施工現有傳輸資源。（6）安全性網絡系統應具有良好的安全性。計算機網絡下一步計劃承載企業關鍵業務，如OA、職教培訓、視頻監控、ERP等，因此，設計和實施應合理考慮隧道施工標準網絡、面對云計算的數據中心、互聯網安全、隧道施工生產網的區域安全隔離和訪問控制。

4智慧隧道方案實施

隧道采用4G/5G無線信號覆蓋，實現如下功能。工程、運輸車輛駕駛員，工程人員與調度中心的可視化通話和可視化人員指揮調度；組建一套隧道監控4G/5G無線傳輸網絡，形成隧道信息系統在網絡傳輸上的1+1冗余備份傳輸通道，確保系統穩定運行；工程運行狀態下的視頻監控及時回傳生產調度中心大屏幕，便于調度人員實時了解工程運行情況；工程機車在運行過程中，行進畫面實時顯示，前方人員和障礙物的智能化實時發現，并通過駕駛室內聲光報警系統提醒駕駛員注意行車安全；實現隧道施工物聯網，構建智慧工地統一的寬帶+物聯網信息承載平臺，實現隧道施工各類工程設備及系統數據的無線實時回傳，為未來智慧工地打下良好的網絡基礎。系統可采用礦用本安設備，確保設備在網的安全運行，相關的系統拓撲結構如圖1所示。該系統部署在工業施工場地生產指揮調度中心機房，機房配備1臺機柜，用于安放1臺4G/5G核心網、1臺可視化多媒體調度服務器和1臺核心交換機。調度臺配置攝像頭、話筒、音箱，方便與其他用戶進行視頻、語音呼叫和調度，實現對隧道無線通信系統用戶的統一調度，以及全呼、組呼、緊急呼叫、優先呼叫、會議電話、強插、強拆、監聽、用戶號碼顯示等功能。4G/5G多媒體調度系統與現有有線調度系統之間互聯互通，實現4G/5G智能手機與有線調度電話的點對點語音呼叫。隧道中部署多個本安4G/5G基站，覆蓋全施工場地及作業監控區域。每個基站配備1臺礦用隔爆兼本安型直流穩壓電源，斷電后提供不小于2小時的備用時間。本安4G/5G基站支持標準以太網傳輸協議，可直接接入礦方已有工業以太網環網，節省傳輸設備投資成本，同時便于系統的維護和管理。根據實際工程需求，本安4G/5G基站可以采取多種隧道組網方式，小區域少量基站串聯后接入環網交換機的鏈形連接，或每個基站獨立接入環網交換機的星形連接。基站采用環形連接，具備環網保護功能，大幅度提高基站回傳鏈路的可靠性。建議每個基站環網基站數量不超過10個，確保每個基站有不低于100Mbps的本地吞吐量。如圖2所示，綠色區域為運輸巷道，紅色點標識為基站。本項目規劃在隧道中部署多個本安基站。同時，需要隧道骨干環網交換機提供相應數量的千兆光口。項目隧道配備一定數量的運輸車輛，每臺車輛部署2個防爆高清攝像頭，2臺隔爆計算機（車頭車尾各1臺），配備1臺礦用本安型4G/5G信號轉換器及2部高增益天線。車載攝像頭通過網線接入隔爆計算機，通過人工智能算法對車輛行進過程中前方人員或障礙物進行實時識別，并通過聲光報警方式提醒駕駛員注意規避，提高運輸工作安全性。該轉換器通過網線連接同一臺車上的2個攝像頭，將視頻數據轉換成4G信號上傳到4G基站，進而通過隧道光纖環網上傳到生產調度中心，呈現在調度中心的視頻監控大屏幕上。該轉換器還支持RS485接口，未來工程施工場地運行狀態數據可通過網口或RS485接口連接，轉換成4G信號上傳至生產調度中心的機車運行狀態監控系統，便于實時掌握機車行進狀態。機車為信號轉換器和防爆攝像頭提供24VDC供電。

54G/5G智慧隧道方案

功能模塊介紹智慧隧道系統是一套全IP構架的通信平臺，是集視頻調度、集群對講、語音調度、GIS調度、多級管理于一體的多媒體綜合指揮調度平臺。智慧隧道調度系統具有完全開放的接口，可以根據行業用戶的業務需求進行多屏顯示的定制化開發，實現相關部門與現場人員語音、視頻、數據的雙向可視化交互，實現高效遠程決策、實時調度和應急處置，輕松完成各種語音、視頻調度。

5.14G核心網（EPC）

4G核心網由4個網元構成：移動性管理設備（MME）、服務網關（SGW）、PDN網關（PGW）和歸屬用戶服務器（HSS）。其基本功能如下。MME的主要功能包括：支持NAS信令及其安全、跟蹤區域（TrackingArea）列表管理、SGW和PGW的選擇、跨MME切換時MME的選擇、用戶的鑒權、漫游控制，以及承載管理、UE在ECM-IDLE狀態下可達性管理等。SGW是終止于E-UTRAN接口的網關，主要功能包括：eNodeB間切換時的本地錨定點、3GPP不同接入系統間切換時的移動性錨點、執行合法偵聽功能、數據包的路由和前轉、上下行傳輸層的分組標記、ECM-IDLE狀態下分組緩存及尋呼觸發、計費等。PGW是面向PDN終結于SGI接口的網關，是LTE網絡數據的隧道解封裝節點，是網絡數據進入LTE網絡的接口。PGW主要功能包括：基于用戶的包過濾功能、合法偵聽功能、UE的IP地址分配功能、上下行傳輸層的分組標記、計費、門控、QoS控制、承載控制等。HSS是用于存儲EPS用戶簽約信息的綜合數據庫，包括基本識別碼、路由信息和業務信息，位于EPC網絡的最頂層。HSS與MME間的接口是S6a接口，用于更新用戶的位置信息，以及將用戶簽約和鑒權信息傳輸至MME。

5.2本安型基站

隧道用本安型基站是隧道、井下無線通信系統的主要設備之一，用于接收和轉發手機語音信息，并通過光纖以太網與EPC服務器和調度服務器進行數據交換，適用于有瓦斯、煤塵爆炸危險的煤礦井下、隧道等。

5.3本安型直流電源

隧道用隔爆兼本安型直流電源是為隧道及煤礦井下本質安全型產品提供本安電源的設備，適用于各種需要提供本質安全型電源的儀器、儀表或設備。電源箱采用了先進的開關電源技術、電池充放電管理技術和本質安全保護技術，產品性能穩定，具有整機效率高、輸出電壓高、輸出電流大等特點。電源箱備用電池采用更安全、更穩定、高容量、無記憶的鋰電池，交流停電后在帶額定負載下能夠繼續為外接本安設備提供4小時以上的電力供給。

5.4本安型手機

隧道用本安型手機是專門為隧道、井下無線通信系統使用而設計的一款高性能智能手機。該終端設備攜帶方便，可以直接扣在井下人員的腰帶上，操作也較為簡單，與普通手機操作方法相似。在與之配套的網絡覆蓋下，終端之間、終端與服務器之間可以實現語音通信，同時具有較高的接收靈敏度，保證最大限度地發揮無線網絡功能。此外，該終端平均功耗較低，相對來說具有較長的待機時間。終端上安裝有可充電的鋰離子電池，在需要充電時，直接將設備安裝在廠家配備的充電器上即可安全充電。

5.5本安型信號轉換器

隧道用本安型信號轉換器是一款通用的物聯網關設備，其支持多種信息采集和傳輸方式。上行為用戶提供安全、高速、穩定可靠的4G/5G骨干無線網絡連接和路由功能，下行方向可以提供無線局域網Wi-Fi、以太網口RJ45接口、RS232/RS485通信串口，可以靈活適應工業物聯現場的復雜要求。該轉換器功能豐富，支持靈活組網方式。

5.65G組網設備

除了利用5G組網完成語音通話、數據業務、視頻監控等業務，還可結合5G技術的大帶寬、低時延和廣接入的特性，并在邊緣計算功能的支持下，實現遠程的AGV小車/機器人的操作控制、遠程人臉識別等功能，為施工環境安全保障提供支持。目前，5G網絡的基站、MEC、核心網設備都在進行煤安的防爆認證。隨著煤安認證的完成，基于5G網絡的隧道建設管理系統定能給未來隧道建設工作提供更多的輔助工具，提高工作效率。

5.7地磁智能定位系統

地磁智能定位系統是指在施工現場通過定位技術，實時掌握現場人員的位置信息，加強日常安全管理。在出現緊急情況時，能快速確定人員位置以便及時進行救援。該系統以地磁定位技術為核心，其為多源融合的室內外一體化智能精確定位技術，定位精度優于1米，整個系統無需弱電和入網施工，無需維護，不受遮擋，定位結果連續穩定可靠，可以很好地解決現有定位技術施工復雜、定位精度低、易受干擾等問題。

6方案驗收

6.1驗收的時間和地點

測試時間：2021年9月28日。測試地點：酸棗嶺隧道。

6.2驗收設備和工具

驗收設備、工具情況如表1所示。

6.3驗收內容及結果

（1）專網業務驗收測試專網業務驗收測試情況如表2所示。（2）專網業務上下行速率測試測試方式：采用兩臺電腦連接CPE終端，在專網下模擬上下行進行測試。測試結果：下行速率為107.6Mbps，上行速率達到51.8Mbps，測試結果滿足要求。

6.4驗收結論

針對上述測試項目的測試結果符合要求，驗收內容全部通過，功能平臺可以滿足智慧隧道的需求。

7結語

本項目中將4G/5G技術和隧道安全的管理要求以及人員和設備定位的技術融合在一起，打造了智慧隧道的解決方案。通過方案的落地實施和驗收，不僅提高了日常建設過程中的工作效率和預警能力，也為智慧隧道應用積累了豐富的知識和可以借鑒的經驗。

作者:胡恒如 秦嶺 單位:中國廣電江西網絡有限公司 中國鋁業集團有限公司