5G无线通信及定位在智慧隧道中应用

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摘要：本文介绍了结合中国广电5g应用频率的使用范围及中国广电行业4G/5G专网支持能力，参照隧道施工工程特点，建设的基于4G/5G无线通信平台的智慧隧道系统。

关键词：4G/5G；无线传输网络；无线通信；智慧隧道

1引言

随着中国广电5G网络建成和投入运营，笔者发现5G在细分行业的增值应用将会是其在工业互联网领域突破发展的方向，并成为中国广电集团和中国广电江西网络有限公司的工作重点。目前，在5G+工业互联网的系列解决方案中，智慧工地、智慧工厂技术已逐渐成熟，落地方案也已得到了充分验证，成为5G在行业应用的主要发展方向。2021年5月，在河北省承德市酸枣岭隧道施工过程中，项目方遇到了由于隧道过长（全长10km），隧道内人员分布和设备分布不可管理，隧道内施工团队通信不及时，隧道可燃气体情况不可预警，隧道管理者无法对隧道内部情况实时指挥和调度等一系列问题。经过认真分析和判断，江西广电分公司提出了基于4G/5G无线通信及定位的解决方案，既保障了酸枣岭隧道工程如期完工，又完成了江西广电5G应用实施能力验证。

2智慧隧道方案制定

根据隧道施工的工程要求和工作难点，通过建设隧道4G/5G无线通信及定位系统解决问题，将无线调度、有线调度、安全监控、视频回传、机车控制等系统进行融合，实现统一调度、统一管理、统一监控、智能联动，同时采用远程维护管理，最终建设成为智慧隧道的应用系统。

3建设原则

根据网络系统建设的实际应用状况和未来的发展趋势，考虑到各系统的实际需求及具体的使用特性，同时兼顾技术更迭不断加快的特点，整体方案设计遵循以下原则。（1）系统性项目设计和建设要有整体的系统性考虑，包括核心网络架构、数据中心、网络安全、接入控制、统一服务和运维管理等方面。（2）可靠性系统要高效稳定，能够保持24小时不间断运行。充分考虑关键设备和链路冗余问题，对于安装的设备与布线系统，必须能适应严苛的工作环境，以确保系统稳定。（3）先进性使用先进、成熟、实用、适合且具有良好发展前景的技术，使得各个子系统具有较长的生命周期，既能满足当前的需求，又能适应未来的发展。（4）灵活性充分考虑未来需求的成长空间，承载业务的范围和能力要有前瞻性，具备一定时间内的灵活扩展能力，要求组网方便、管理灵活、业务规划相对独立。（5）资源整合充分合理利用隧道施工现有传输资源。（6）安全性网络系统应具有良好的安全性。计算机网络下一步计划承载企业关键业务，如OA、职教培训、视频监控、ERP等，因此，设计和实施应合理考虑隧道施工标准网络、面对云计算的数据中心、互联网安全、隧道施工生产网的区域安全隔离和访问控制。

4智慧隧道方案实施

隧道采用4G/5G无线信号覆盖，实现如下功能。工程、运输车辆驾驶员，工程人员与调度中心的可视化通话和可视化人员指挥调度；组建一套隧道监控4G/5G无线传输网络，形成隧道信息系统在网络传输上的1+1冗余备份传输通道，确保系统稳定运行；工程运行状态下的视频监控及时回传生产调度中心大屏幕，便于调度人员实时了解工程运行情况；工程机车在运行过程中，行进画面实时显示，前方人员和障碍物的智能化实时发现，并通过驾驶室内声光报警系统提醒驾驶员注意行车安全；实现隧道施工物联网，构建智慧工地统一的宽带+物联网信息承载平台，实现隧道施工各类工程设备及系统数据的无线实时回传，为未来智慧工地打下良好的网络基础。系统可采用矿用本安设备，确保设备在网的安全运行，相关的系统拓扑结构如图1所示。该系统部署在工业施工场地生产指挥调度中心机房，机房配备1台机柜，用于安放1台4G/5G核心网、1台可视化多媒体调度服务器和1台核心交换机。调度台配置摄像头、话筒、音箱，方便与其他用户进行视频、语音呼叫和调度，实现对隧道无线通信系统用户的统一调度，以及全呼、组呼、紧急呼叫、优先呼叫、会议电话、强插、强拆、监听、用户号码显示等功能。4G/5G多媒体调度系统与现有有线调度系统之间互联互通，实现4G/5G智能手机与有线调度电话的点对点语音呼叫。隧道中部署多个本安4G/5G基站，覆盖全施工场地及作业监控区域。每个基站配备1台矿用隔爆兼本安型直流稳压电源，断电后提供不小于2小时的备用时间。本安4G/5G基站支持标准以太网传输协议，可直接接入矿方已有工业以太网环网，节省传输设备投资成本，同时便于系统的维护和管理。根据实际工程需求，本安4G/5G基站可以采取多种隧道组网方式，小区域少量基站串联后接入环网交换机的链形连接，或每个基站独立接入环网交换机的星形连接。基站采用环形连接，具备环网保护功能，大幅度提高基站回传链路的可靠性。建议每个基站环网基站数量不超过10个，确保每个基站有不低于100Mbps的本地吞吐量。如图2所示，绿色区域为运输巷道，红色点标识为基站。本项目规划在隧道中部署多个本安基站。同时，需要隧道骨干环网交换机提供相应数量的千兆光口。项目隧道配备一定数量的运输车辆，每台车辆部署2个防爆高清摄像头，2台隔爆计算机（车头车尾各1台），配备1台矿用本安型4G/5G信号转换器及2部高增益天线。车载摄像头通过网线接入隔爆计算机，通过人工智能算法对车辆行进过程中前方人员或障碍物进行实时识别，并通过声光报警方式提醒驾驶员注意规避，提高运输工作安全性。该转换器通过网线连接同一台车上的2个摄像头，将视频数据转换成4G信号上传到4G基站，进而通过隧道光纤环网上传到生产调度中心，呈现在调度中心的视频监控大屏幕上。该转换器还支持RS485接口，未来工程施工场地运行状态数据可通过网口或RS485接口连接，转换成4G信号上传至生产调度中心的机车运行状态监控系统，便于实时掌握机车行进状态。机车为信号转换器和防爆摄像头提供24VDC供电。

54G/5G智慧隧道方案

功能模块介绍智慧隧道系统是一套全IP构架的通信平台，是集视频调度、集群对讲、语音调度、GIS调度、多级管理于一体的多媒体综合指挥调度平台。智慧隧道调度系统具有完全开放的接口，可以根据行业用户的业务需求进行多屏显示的定制化开发，实现相关部门与现场人员语音、视频、数据的双向可视化交互，实现高效远程决策、实时调度和应急处置，轻松完成各种语音、视频调度。

5.14G核心网（EPC）

4G核心网由4个网元构成：移动性管理设备（MME）、服务网关（SGW）、PDN网关（PGW）和归属用户服务器（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、跟踪区域（TrackingArea）列表管理、SGW和PGW的选择、跨MME切换时MME的选择、用户的鉴权、漫游控制，以及承载管理、UE在ECM-IDLE状态下可达性管理等。SGW是终止于E-UTRAN接口的网关，主要功能包括：eNodeB间切换时的本地锚定点、3GPP不同接入系统间切换时的移动性锚点、执行合法侦听功能、数据包的路由和前转、上下行传输层的分组标记、ECM-IDLE状态下分组缓存及寻呼触发、计费等。PGW是面向PDN终结于SGI接口的网关，是LTE网络数据的隧道解封装节点，是网络数据进入LTE网络的接口。PGW主要功能包括：基于用户的包过滤功能、合法侦听功能、UE的IP地址分配功能、上下行传输层的分组标记、计费、门控、QoS控制、承载控制等。HSS是用于存储EPS用户签约信息的综合数据库，包括基本识别码、路由信息和业务信息，位于EPC网络的最顶层。HSS与MME间的接口是S6a接口，用于更新用户的位置信息，以及将用户签约和鉴权信息传输至MME。

5.2本安型基站

隧道用本安型基站是隧道、井下无线通信系统的主要设备之一，用于接收和转发手机语音信息，并通过光纤以太网与EPC服务器和调度服务器进行数据交换，适用于有瓦斯、煤尘爆炸危险的煤矿井下、隧道等。

5.3本安型直流电源

隧道用隔爆兼本安型直流电源是为隧道及煤矿井下本质安全型产品提供本安电源的设备，适用于各种需要提供本质安全型电源的仪器、仪表或设备。电源箱采用了先进的开关电源技术、电池充放电管理技术和本质安全保护技术，产品性能稳定，具有整机效率高、输出电压高、输出电流大等特点。电源箱备用电池采用更安全、更稳定、高容量、无记忆的锂电池，交流停电后在带额定负载下能够继续为外接本安设备提供4小时以上的电力供给。

5.4本安型手机

隧道用本安型手机是专门为隧道、井下无线通信系统使用而设计的一款高性能智能手机。该终端设备携带方便，可以直接扣在井下人员的腰带上，操作也较为简单，与普通手机操作方法相似。在与之配套的网络覆盖下，终端之间、终端与服务器之间可以实现语音通信，同时具有较高的接收灵敏度，保证最大限度地发挥无线网络功能。此外，该终端平均功耗较低，相对来说具有较长的待机时间。终端上安装有可充电的锂离子电池，在需要充电时，直接将设备安装在厂家配备的充电器上即可安全充电。

5.5本安型信号转换器

隧道用本安型信号转换器是一款通用的物联网关设备，其支持多种信息采集和传输方式。上行为用户提供安全、高速、稳定可靠的4G/5G骨干无线网络连接和路由功能，下行方向可以提供无线局域网Wi-Fi、以太网口RJ45接口、RS232/RS485通信串口，可以灵活适应工业物联现场的复杂要求。该转换器功能丰富，支持灵活组网方式。

5.65G组网设备

除了利用5G组网完成语音通话、数据业务、视频监控等业务，还可结合5G技术的大带宽、低时延和广接入的特性，并在边缘计算功能的支持下，实现远程的AGV小车/机器人的操作控制、远程人脸识别等功能，为施工环境安全保障提供支持。目前，5G网络的基站、MEC、核心网设备都在进行煤安的防爆认证。随着煤安认证的完成，基于5G网络的隧道建设管理系统定能给未来隧道建设工作提供更多的辅助工具，提高工作效率。

5.7地磁智能定位系统

地磁智能定位系统是指在施工现场通过定位技术，实时掌握现场人员的位置信息，加强日常安全管理。在出现紧急情况时，能快速确定人员位置以便及时进行救援。该系统以地磁定位技术为核心，其为多源融合的室内外一体化智能精确定位技术，定位精度优于1米，整个系统无需弱电和入网施工，无需维护，不受遮挡，定位结果连续稳定可靠，可以很好地解决现有定位技术施工复杂、定位精度低、易受干扰等问题。

6方案验收

6.1验收的时间和地点

测试时间：2021年9月28日。测试地点：酸枣岭隧道。

6.2验收设备和工具

验收设备、工具情况如表1所示。

6.3验收内容及结果

（1）专网业务验收测试专网业务验收测试情况如表2所示。（2）专网业务上下行速率测试测试方式：采用两台电脑连接CPE终端，在专网下模拟上下行进行测试。测试结果：下行速率为107.6Mbps，上行速率达到51.8Mbps，测试结果满足要求。

6.4验收结论

针对上述测试项目的测试结果符合要求，验收内容全部通过，功能平台可以满足智慧隧道的需求。

7结语

本项目中将4G/5G技术和隧道安全的管理要求以及人员和设备定位的技术融合在一起，打造了智慧隧道的解决方案。通过方案的落地实施和验收，不仅提高了日常建设过程中的工作效率和预警能力，也为智慧隧道应用积累了丰富的知识和可以借鉴的经验。

作者:胡恒如 秦岭 单位:中国广电江西网络有限公司 中国铝业集团有限公司