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文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：B文章編號(hào)：1003-0492（2023）10-088-04中圖分類號(hào)：TP29

★邰寶宇（國網(wǎng)北京市電力公司電纜分公司，北京100022）

★旦增君美（國網(wǎng)西藏電力公司那曲供電公司，西藏那曲852100）

★張恒東，武翔龍（北京卓越電力建設(shè)有限公司，北京100029）

★吳建旺（國網(wǎng)北京市電力公司電纜分公司，北京100022）

關(guān)鍵詞：光通信技術(shù)；高壓電纜隧道；人員定位；數(shù)據(jù)傳輸

隨著城市建設(shè)的不斷發(fā)展，電纜成為了發(fā)達(dá)城市首選的供電方式。但是目前高壓電纜隧道內(nèi)的通信保障系統(tǒng)多為有線通信方式，需要敷設(shè)大量的低壓線纜。這種通信方式不僅會(huì)增加隧道建設(shè)施工量，還存在可靠性低、覆蓋范圍小、維護(hù)費(fèi)用高、環(huán)境適應(yīng)性差以及一定的火災(zāi)風(fēng)險(xiǎn)等問題。

為實(shí)現(xiàn)高壓電纜隧道中作業(yè)人員的高精度定位、應(yīng)急救援、停電檢修畫面實(shí)時(shí)回傳，以及隧道內(nèi)各類監(jiān)測(cè)設(shè)備所采集的數(shù)據(jù)傳輸，針對(duì)高壓電纜隧道的特點(diǎn)，本研究利用現(xiàn)有隧道內(nèi)照明燈具進(jìn)行改造，依靠燈間調(diào)制光信號(hào)組建高壓電纜隧道光通信系統(tǒng)。基于該系統(tǒng)，可有效減少高壓電纜隧道內(nèi)的通信線纜數(shù)量，并可增加通信系統(tǒng)覆蓋范圍。

1　高壓電纜隧道中光通信設(shè)計(jì)需求

本文旨在研究一套基于光通信技術(shù)的高壓電纜隧道人員定位與信息回傳的光通信系統(tǒng)。通過該系統(tǒng)，當(dāng)巡檢人員佩戴加裝感光設(shè)備以及視頻采集設(shè)備的安全帽進(jìn)入高壓電纜隧道進(jìn)行巡視、檢修作業(yè)以及緊急事故逃生時(shí)，可通過安全帽上的光電探測(cè)器識(shí)別隧道內(nèi)防爆燈的位置信息，并將位置信息回傳給指揮中心的服務(wù)器終端；同時(shí)，通過隧道的光通信網(wǎng)絡(luò)可以將安全帽上所采集到的視頻信息實(shí)時(shí)顯示于移動(dòng)終端和指揮中心的服務(wù)器終端。

1.1　人員定位需求

該系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)人員實(shí)時(shí)定位以及應(yīng)急救援定位功能，主要是利用高壓電纜隧道頂部燈具與安全帽，如圖1所示。隧道頂部燈具設(shè)備主要包括光源及光電探測(cè)器，安全帽主要包括光源與光電探測(cè)器。安全帽的光源探測(cè)器可以通過識(shí)別隧道頂部燈具的位置信息進(jìn)行定位，然后將定位信息與安全帽的人員身份信息合并后，通過安全帽的光源發(fā)出，隧道頂部燈具的光電探測(cè)設(shè)備接收并將位置信息回傳到指揮中心的服務(wù)器終端。

圖1 隧道頂部燈具與安全帽

1.2　視頻傳輸需求

為了保證指揮中心實(shí)時(shí)掌握高壓電纜隧道內(nèi)部情況，便于工程技術(shù)人員遠(yuǎn)程指導(dǎo)施工人員進(jìn)行復(fù)雜情況下的隧道本體修復(fù)、高壓電纜故障搶修等任務(wù)，該系統(tǒng)將視頻采集裝置集成于安全帽上，確保光通信具備傳輸視頻功能。如圖2所示，通過開啟安裝在安全帽上的視頻采集模塊開關(guān)，隧道頂部燈具的光電探測(cè)器接收視頻數(shù)據(jù)后，利用光通信技術(shù)通過隧道口的中繼路由器上傳到指揮中心的服務(wù)器終端。

圖2 視頻傳輸示意圖

1.3　監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)傳輸需求

高壓電纜隧道內(nèi)設(shè)計(jì)的在線監(jiān)測(cè)系統(tǒng)主要涉及：

（1）隧道安全防范監(jiān)測(cè)系統(tǒng)，主要包括智能監(jiān)控井蓋、門禁監(jiān)控系統(tǒng)；

（2）環(huán)境與設(shè)備監(jiān)控系統(tǒng)，主要包括隧道環(huán)境監(jiān)測(cè)、水位氣體監(jiān)測(cè)等；

（3）高壓電纜本體在線監(jiān)測(cè)系統(tǒng)，主要包括光纖測(cè)溫、紅外接頭矩陣測(cè)溫、局放監(jiān)測(cè)、接地電流監(jiān)測(cè)等。在線監(jiān)測(cè)系統(tǒng)采集大量數(shù)據(jù)通過光通信技術(shù)傳回至指揮中心的服務(wù)器終端，后臺(tái)可實(shí)時(shí)觀測(cè)數(shù)據(jù)，實(shí)現(xiàn)對(duì)高壓電纜隧道的智能化管理，確保高壓電纜的安全穩(wěn)定運(yùn)行，提高高壓電纜隧道的安防、防災(zāi)、消災(zāi)能力。

2　光通信技術(shù)原理

20世紀(jì)70年代，室溫連續(xù)運(yùn)轉(zhuǎn)半導(dǎo)體激光器和低損耗光纖的出現(xiàn)使光通信系統(tǒng)商用成為可能^[1]；20世紀(jì)80年代，DFB激光器的出現(xiàn)使光纖單模傳輸成為可能，光纖通信系統(tǒng)的傳輸距離和傳輸質(zhì)量大幅提升^[2]；20世紀(jì)90年代，EDFA等光放大器的實(shí)現(xiàn)奠定了光纖通信長(zhǎng)距離傳輸?shù)幕A(chǔ)^[3]；2000年，AWG等波分復(fù)用/解復(fù)用器件在DWDM系統(tǒng)商用，極大地?cái)U(kuò)展了光纖通信傳輸容量^[4]；2010年，相干光通信技術(shù)大力發(fā)展，與傳統(tǒng)的IM/DD相比，相干光通信系統(tǒng)具有靈敏度高、傳輸距離長(zhǎng)、波長(zhǎng)選擇性好、通信容量大的優(yōu)勢(shì)，相干技術(shù)把光通信系統(tǒng)的傳輸容量提升了一個(gè)臺(tái)階^[5]；隨光通信技術(shù)是將可見光作為信息傳輸?shù)妮d體，利用大氣作為信號(hào)傳輸通道，在接收端安裝光電探測(cè)器使光信號(hào)轉(zhuǎn)換成電信號(hào)的無線光通信系統(tǒng)^[6]。結(jié)合現(xiàn)有隧道環(huán)境與設(shè)施，研究應(yīng)用隧道內(nèi)基于照明光與通信一體化系統(tǒng)，在滿足原有照明需求的同時(shí)，可提供高速無線數(shù)據(jù)傳輸功能。為了滿足5G對(duì)網(wǎng)絡(luò)質(zhì)量的嚴(yán)苛要求，光網(wǎng)絡(luò)的各個(gè)方面都需要進(jìn)行更新?lián)Q代^[8]。

圖3 光通信技術(shù)原理

在高壓電纜隧道內(nèi)搭建光通信系統(tǒng)，利用隧道頂部燈具以及安全帽上配備的頭燈作為光源，信號(hào)通過處理單元進(jìn)行編碼調(diào)制轉(zhuǎn)化為電信號(hào)，電信號(hào)再傳送到光源處形成光信號(hào)，光信號(hào)經(jīng)自由空間傳輸，由接收端光電探測(cè)器接收并轉(zhuǎn)為電信號(hào)，最后經(jīng)過解調(diào)譯碼，將信號(hào)顯示出來，從而完成信號(hào)的傳輸。

3  光通信系統(tǒng)建設(shè)方案

在高壓電纜隧道內(nèi)建設(shè)光通信系統(tǒng)，為滿足上述需求，主要涉及到以下部分：

（1）人員高精度定位系統(tǒng)（主要包括光通信安全帽、光通信燈具、終端APP等）；

（2）光通信數(shù)據(jù)傳輸系統(tǒng)（主要包括光通信安全帽、光通信燈具、無線中繼器、便攜式微基站等）；

（3）后臺(tái)控制系統(tǒng)（包括服務(wù)器、顯示終端等）。系統(tǒng)采用一體化燈具和安全帽設(shè)計(jì)，預(yù)留統(tǒng)一外部接口，方便后續(xù)其它類設(shè)備接入系統(tǒng)。

3.1　光通信系統(tǒng)架構(gòu)

3.1.1　系統(tǒng)硬件結(jié)構(gòu)

系統(tǒng)硬件如圖4所示，主要由節(jié)點(diǎn)終端（光通信安全帽）、中間傳輸節(jié)點(diǎn)（光通信燈具）、中繼傳輸節(jié)點(diǎn)（無線中繼器）、網(wǎng)絡(luò)管理終端（便攜式微基站）、智能手持設(shè)備及APP、服務(wù)器、顯示終端等構(gòu)成，整體分為鏈路層、應(yīng)用層、服務(wù)層三部分，涵蓋通信傳輸、測(cè)控接入、位置服務(wù)、數(shù)據(jù)存儲(chǔ)處理等業(yè)務(wù)，實(shí)現(xiàn)了隧道內(nèi)的無線光通信網(wǎng)絡(luò)覆蓋。

圖4 系統(tǒng)硬件結(jié)構(gòu)

當(dāng)隧道內(nèi)的工作人員佩戴光通信安全帽在隧道進(jìn)行巡視、檢修時(shí)，可通過安全帽的光電探測(cè)器接收光通信燈具發(fā)出的位置信息碼實(shí)現(xiàn)定位，并可在指揮中心的顯示終端查看。同時(shí)，安全帽配套的高清攝像頭采集實(shí)時(shí)視頻圖像，并通過上行光通信鏈路和輔助無線通信設(shè)備傳回到指揮中心服務(wù)器終端。由于隧道內(nèi)存在轉(zhuǎn)彎、坡道、T型路段，光線直射光路中斷，光通信燈具之間通信存在盲區(qū)，需要用無線中繼器進(jìn)行信號(hào)橋接。

3.1.2　系統(tǒng)軟件架構(gòu)

如圖5所示，系統(tǒng)軟件根據(jù)系統(tǒng)組成可分為四大模塊：第一部分是光通信安全帽，包括編碼調(diào)制、圖像采集、傳輸協(xié)議以及驅(qū)動(dòng)程序，該部分為視頻圖像采集及身份信息上傳；第二部分是光通信燈具，包括位置編碼、信道估計(jì)、調(diào)制解調(diào)算法及傳輸協(xié)議，該部分通過光通信鏈路傳輸視頻及位置碼，實(shí)現(xiàn)各終端安全帽與控制中心的連接；第三部分是控制中心，包括服務(wù)器和顯示終端兩部分。服務(wù)器主要完成對(duì)傳回?cái)?shù)據(jù)采集、存儲(chǔ)、解碼、匹配等過程，解析完后將數(shù)據(jù)打包統(tǒng)一傳給顯示終端，顯示終端則根據(jù)后臺(tái)數(shù)據(jù)繪制地圖，顯示工作人員的實(shí)時(shí)位置及圖像信息，顯示終端支持Windows7及以上Windows系統(tǒng)；第四部分為移動(dòng)終端，光通信安全帽可將定位信息發(fā)送給移動(dòng)終端APP，方便工作人員查看自身位置，該APP支持安卓8.0及以上系統(tǒng)。

圖5 系統(tǒng)軟件構(gòu)架

控制中心預(yù)留接口，為后續(xù)軟件升級(jí)備用。后續(xù)升級(jí)內(nèi)容包括：可根據(jù)回傳的高清視頻進(jìn)行實(shí)時(shí)圖像處理，監(jiān)測(cè)隧道內(nèi)各項(xiàng)數(shù)據(jù)指標(biāo)是否正常，并給出警報(bào)等；采用人工智能算法對(duì)所存儲(chǔ)大量數(shù)據(jù)進(jìn)行統(tǒng)計(jì)分析，可對(duì)潛在的危險(xiǎn)或故障點(diǎn)進(jìn)行預(yù)警，并在控制中心提示需要檢查，降低隧道環(huán)境的風(fēng)險(xiǎn)率。

隧道內(nèi)應(yīng)用場(chǎng)景為全線電纜隧道，每條隧道由若干光通信燈具和無線中繼器構(gòu)成，每6米安裝一套光通信燈具節(jié)點(diǎn)，無線中繼器在隧道彎道、坡道、T型等路段（通信盲區(qū)）部署，安全帽按隧道內(nèi)工作人員數(shù)按需裝配。

3.2　人員高精度定位系統(tǒng)

隧道內(nèi)光通信系統(tǒng)中的人員高精度定位主要由光通信燈具、光通信安全帽和移動(dòng)終端等組成。人員高精度定位系統(tǒng)為雙向通信系統(tǒng)，光通信燈發(fā)射特定的位置編碼信息，光通信安全帽安裝有光電探測(cè)器用于解算位置信息，通過安全帽上的光源將解算后的位置信息上傳到含有光電探測(cè)器的光通信燈具，燈具接收后，通過光通信網(wǎng)絡(luò)將位置信息傳遞到指揮中心終端顯示。

在巡檢人員安全帽上設(shè)置定位裝置，指揮中心可及時(shí)獲取隧道內(nèi)的人員動(dòng)態(tài)與分布情況，同時(shí)，一旦發(fā)生緊急事故，可快速獲取被困人員的位置，有效提高救援效率。

3.3　光通信數(shù)據(jù)傳輸系統(tǒng)

隧道光通信系統(tǒng)中的數(shù)據(jù)傳輸系統(tǒng)包含視頻采集設(shè)備、監(jiān)測(cè)設(shè)備、光通信網(wǎng)絡(luò)等設(shè)備。數(shù)據(jù)傳輸系統(tǒng)通過安全帽上視頻采集設(shè)備，可將巡視、檢修等過程的實(shí)時(shí)視頻通過光通信網(wǎng)絡(luò)上傳到指揮中心，便于巡視、檢修等任務(wù)的全流程管控。同時(shí)，可通過安裝在隧道內(nèi)部的各種監(jiān)測(cè)設(shè)備采集環(huán)境信息，并使用光通信網(wǎng)絡(luò)將采集的參數(shù)信息上傳到指揮中心服務(wù)器終端。

通過隧道內(nèi)基于光通信網(wǎng)絡(luò)構(gòu)建數(shù)據(jù)傳輸系統(tǒng)，可實(shí)現(xiàn)指揮中心對(duì)巡視、檢修等任務(wù)的全流程管控，及時(shí)獲取隧道內(nèi)相關(guān)的監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)。

3.4　后臺(tái)控制系統(tǒng)

后臺(tái)控制系統(tǒng)包含服務(wù)器、顯示終端及移動(dòng)終端定位APP。服務(wù)器中的定位處理程序可與后臺(tái)定位數(shù)據(jù)庫建立關(guān)聯(lián)，在有人員定位請(qǐng)求時(shí)可自動(dòng)匹配數(shù)據(jù)庫實(shí)現(xiàn)定位，燈具信息發(fā)生變更后后臺(tái)可自動(dòng)上傳更新。系統(tǒng)可以顯示巡視、檢修等畫面，指揮中心可通過視頻信息全面掌握隧道內(nèi)情況，同時(shí)可以儲(chǔ)存所有視頻信息。系統(tǒng)顯示界面可以實(shí)時(shí)顯示電纜隧道下通過監(jiān)測(cè)設(shè)備采集的隧道環(huán)境信息，可實(shí)現(xiàn)在光通信網(wǎng)絡(luò)正常工作的情況下7×24小時(shí)不間斷地監(jiān)測(cè)隧道信息。

在指揮中心、主要監(jiān)控節(jié)點(diǎn)或者是電纜隧道井口等位置可以設(shè)置后臺(tái)顯示系統(tǒng)。通過后臺(tái)顯示系統(tǒng)，可調(diào)取隧道內(nèi)部的實(shí)時(shí)情況。

4  總結(jié)

本文通過光通信技術(shù)原理，探討了高壓電纜隧道內(nèi)建設(shè)光通信系統(tǒng)的可行性，并得出以下結(jié)論：

（1）隧道內(nèi)每3-6米安裝一套光通信燈具節(jié)點(diǎn)，利用無線中繼器在隧道彎道、坡道、T型等路段以及光線直射光路中斷處部署解決通信盲區(qū)問題，通過安全帽的光電探測(cè)器接收光通信燈具發(fā)出的位置信息碼實(shí)現(xiàn)人員高精度定位，并可在指揮中心的顯示終端查看。

（2）在隧道內(nèi)光通信系統(tǒng)理想條件下，通過安全帽上視頻采集設(shè)備，將隧道內(nèi)實(shí)時(shí)視頻通過光通信網(wǎng)絡(luò)上傳到指揮中心。在實(shí)際應(yīng)用場(chǎng)景中，光通信系統(tǒng)傳輸速率可能受到隧道內(nèi)環(huán)境、施工人員等因素的影響，造成視頻清晰度、流暢度下降。

（3）通過安裝在隧道內(nèi)部的各種監(jiān)測(cè)設(shè)備采集環(huán)境信息，利用光通信網(wǎng)絡(luò)將采集的參數(shù)信息上傳到指揮中心。

作者簡(jiǎn)介：

邰寶宇（1994-），男，天津人，助理工程師，學(xué)士，現(xiàn)就職于國網(wǎng)北京市電力公司電纜分公司，主要從事高壓電纜運(yùn)維、檢修、試驗(yàn)等工作。旦

增君美（1993-），男，西藏自治區(qū)那曲人，助理工程師，學(xué)士，現(xiàn)就職于國網(wǎng)西藏電力公司那曲供電公司，主要從事安全監(jiān)督管理工作。

張恒東（1985-），男，山東省聊城人，工程師，學(xué)士，現(xiàn)就職于北京卓越電力建設(shè)有限公司，主要從事高壓電纜運(yùn)維、檢修、試驗(yàn)等工作。

武翔龍（1987-），男，河北省邢臺(tái)人，工程師，學(xué)士，現(xiàn)就職于北京卓越電力建設(shè)有限公司，主要從事高壓電纜運(yùn)維、檢修、試驗(yàn)等工作。

吳建旺（1977-），男，北京人，助理工程師，學(xué)士，現(xiàn)就職于國網(wǎng)北京市電力公司電纜分公司，主要從事高壓電纜運(yùn)維、檢修、試驗(yàn)等工作。

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摘自《自動(dòng)化博覽》2023年10月刊