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文獻標(biāo)識碼：B文章編號：1003-0492（2023）10-088-04中圖分類號：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增加隧道建設(shè)施工量，還存在可靠性低、覆蓋范圍小、維護費用高、環(huán)境適應(yīng)性差以及一定的火災(zāi)風(fēng)險等問題。

為實現(xiàn)高壓電纜隧道中作業(yè)人員的高精度定位、應(yīng)急救援、停電檢修畫面實時回傳，以及隧道內(nèi)各類監(jiān)測設(shè)備所采集的數(shù)據(jù)傳輸，針對高壓電纜隧道的特點，本研究利用現(xiàn)有隧道內(nèi)照明燈具進行改造，依靠燈間調(diào)制光信號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)備的安全帽進入高壓電纜隧道進行巡視、檢修作業(yè)以及緊急事故逃生時，可通過安全帽上的光電探測器識別隧道內(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，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時顯示于移動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)實現(xiàn)人員實時定位以及應(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器，安全帽主要包括光源與光電探測器。安全帽的光源探測器可以通過識別隧道頂部燈具的位置信息進行定位，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時掌握高壓電纜隧道內(nèi)部情況，便于工程技術(shù)人員遠程指導(dǎo)施工人員進行復(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)測數(shù)據(jù)傳輸需求

高壓電纜隧道內(nèi)設(shè)計的在線監(jiān)測系統(tǒng)主要涉及：

（1）隧道安全防范監(jiān)測系統(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、水位氣體監(jiān)測等；

（3）高壓電纜本體在線監(jiān)測系統(tǒng)，主要包括光纖測溫、紅外接頭矩陣測溫、局放監(jiān)測、接地電流監(jiān)測等。在線監(jiān)測系統(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，后臺可實時觀測數(shù)據(jù)，實現(xiàn)對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70年代，室溫連續(xù)運轉(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90年代，EDFA等光放大器的實現(xiàn)奠定了光纖通信長距離傳輸?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，極大地擴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、波長選擇性好、通信容量大的優(yōu)勢，相干技術(shù)把光通信系統(tǒng)的傳輸容量提升了一個臺階^[5]；隨光通信技術(shù)是將可見光作為信息傳輸?shù)妮d體，利用大氣作為信號傳輸通道，在接收端安裝光電探測器使光信號轉(zhuǎn)換成電信號的無線光通信系統(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，可提供高速無線數(shù)據(jù)傳輸功能。為了滿足5G對網(wǎng)絡(luò)質(zhì)量的嚴苛要求，光網(wǎng)絡(luò)的各個方面都需要進行更新?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，信號通過處理單元進行編碼調(diào)制轉(zhuǎn)化為電信號，電信號再傳送到光源處形成光信號，光信號經(jīng)自由空間傳輸，由接收端光電探測器接收并轉(zhuǎn)為電信號，最后經(jīng)過解調(diào)譯碼，將信號顯示出來，從而完成信號的傳輸。

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，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)點終端（光通信安全帽）、中間傳輸節(jié)點（光通信燈具）、中繼傳輸節(jié)點（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、測控接入、位置服務(wù)、數(shù)據(jù)存儲處理等業(yè)務(wù)，實現(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行巡視、檢修時，可通過安全帽的光電探測器接收光通信燈具發(fā)出的位置信息碼實現(xiàn)定位，并可在指揮中心的顯示終端查看。同時，安全帽配套的高清攝像頭采集實時視頻圖像，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行信號橋接。

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、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)器主要完成對傳回數(shù)據(jù)采集、存儲、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)后臺數(shù)據(jù)繪制地圖，顯示工作人員的實時位置及圖像信息，顯示終端支持Windows7及以上Windows系統(tǒng)；第四部分為移動終端，光通信安全帽可將定位信息發(fā)送給移動終端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)軟件升級備用。后續(xù)升級內(nèi)容包括：可根據(jù)回傳的高清視頻進行實時圖像處理，監(jiān)測隧道內(nèi)各項數(shù)據(jù)指標(biāo)是否正常，并給出警報等；采用人工智能算法對所存儲大量數(shù)據(jù)進行統(tǒng)計分析，可對潛在的危險或故障點進行預(yù)警，并在控制中心提示需要檢查，降低隧道環(huán)境的風(fēng)險率。

隧道內(nèi)應(yīng)用場景為全線電纜隧道，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，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，指揮中心可及時獲取隧道內(nèi)的人員動態(tài)與分布情況，同時，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、檢修等過程的實時視頻通過光通信網(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，可通過安裝在隧道內(nèi)部的各種監(jiān)測設(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)，可實現(xiàn)指揮中心對巡視、檢修等任務(wù)的全流程管控，及時獲取隧道內(nèi)相關(guān)的監(jiān)測數(shù)據(jù)。

3.4　后臺控制系統(tǒng)

后臺控制系統(tǒng)包含服務(wù)器、顯示終端及移動終端定位APP。服務(wù)器中的定位處理程序可與后臺定位數(shù)據(jù)庫建立關(guān)聯(lián)，在有人員定位請求時可自動匹配數(shù)據(jù)庫實現(xiàn)定位，燈具信息發(fā)生變更后后臺可自動上傳更新。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，同時可以儲存所有視頻信息。系統(tǒng)顯示界面可以實時顯示電纜隧道下通過監(jiān)測設(shè)備采集的隧道環(huán)境信息，可實現(xiàn)在光通信網(wǎng)絡(luò)正常工作的情況下7×24小時不間斷地監(jiān)測隧道信息。

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

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，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器接收光通信燈具發(fā)出的位置信息碼實現(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)實時視頻通過光通信網(wǎng)絡(luò)上傳到指揮中心。在實際應(yīng)用場景中，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維、檢修、試驗等工作。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維、檢修、試驗等工作。

武翔龍（1987-），男，河北省邢臺人，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維、檢修、試驗等工作。

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維、檢修、試驗等工作。

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摘自《自動化博覽》2023年10月刊