文獻標識碼：B文章編號：1003-0492（2023）10-088-04中圖分類(lèi)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；數據傳輸

隨著(zhù)城市建設的不斷發(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的通信保障系統多為有線(xiàn)通信方式，需要敷設大量的低壓線(xiàn)纜。這種通信方式不僅會(huì )增加隧道建設施工量，還存在可靠性低、覆蓋范圍小、維護費用高、環(huán)境適應性差以及一定的火災風(fēng)險等問(wèn)題。

為實(shí)現高壓電纜隧道中作業(yè)人員的高精度定位、應急救援、停電檢修畫(huà)面實(shí)時(shí)回傳，以及隧道內各類(lèi)監測設備所采集的數據傳輸，針對高壓電纜隧道的特點(diǎn)，本研究利用現有隧道內照明燈具進(jìn)行改造，依靠燈間調制光信號組建高壓電纜隧道光通信系統?；谠撓到y，可有效減少高壓電纜隧道內的通信線(xiàn)纜數量，并可增加通信系統覆蓋范圍。

1　高壓電纜隧道中光通信設計需求

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。通過(guò)該系統，當巡檢人員佩戴加裝感光設備以及視頻采集設備的安全帽進(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(guò)安全帽上的光電探測器識別隧道內防爆燈的位置信息，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(guò)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

該系統實(shí)現人員實(shí)時(shí)定位以及應急救援定位功能，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(guò)識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(guò)安全帽的光源發(fā)出，隧道頂部燈具的光電探測設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部情況，便于工程技術(shù)人員遠程指導施工人員進(jìn)行復雜情況下的隧道本體修復、高壓電纜故障搶修等任務(wù)，該系統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(guò)開(kāi)啟安裝在安全帽上的視頻采集模塊開(kāi)關(guān)，隧道頂部燈具的光電探測器接收視頻數據后，利用光通信技術(shù)通過(guò)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　監測數據傳輸需求

高壓電纜隧道內設計的在線(xiàn)監測系統主要涉及：

（1）隧道安全防范監測系統，主要包括智能監控井蓋、門(mén)禁監控系統；

（2）環(huán)境與設備監控系統，主要包括隧道環(huán)境監測、水位氣體監測等；

（3）高壓電纜本體在線(xiàn)監測系統，主要包括光纖測溫、紅外接頭矩陣測溫、局放監測、接地電流監測等。在線(xiàn)監測系統采集大量數據通過(guò)光通信技術(shù)傳回至指揮中心的服務(wù)器終端，后臺可實(shí)時(shí)觀(guān)測數據，實(shí)現對高壓電纜隧道的智能化管理，確保高壓電纜的安全穩定運行，提高高壓電纜隧道的安防、防災、消災能力。

2　光通信技術(shù)原理

20世紀70年代，室溫連續運轉半導體激光器和低損耗光纖的出現使光通信系統商用成為可能^[1]；20世紀80年代，DFB激光器的出現使光纖單模傳輸成為可能，光纖通信系統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(shí)現奠定了光纖通信長(cháng)距離傳輸的基礎^[3]；2000年，AWG等波分復用/解復用器件在DWDM系統商用，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，與傳統的IM/DD相比，相干光通信系統具有靈敏度高、傳輸距離長(cháng)、波長(cháng)選擇性好、通信容量大的優(yōu)勢，相干技術(shù)把光通信系統的傳輸容量提升了一個(gè)臺階^[5]；隨光通信技術(shù)是將可見(jiàn)光作為信息傳輸的載體，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換成電信號的無(wú)線(xiàn)光通信系統^[6]。結合現有隧道環(huán)境與設施，研究應用隧道內基于照明光與通信一體化系統，在滿(mǎn)足原有照明需求的同時(shí)，可提供高速無(wú)線(xiàn)數據傳輸功能。為了滿(mǎn)足5G對網(wǎng)絡(luò )質(zhì)量的嚴苛要求，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

在高壓電纜隧道內搭建光通信系統，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(guò)處理單元進(jìn)行編碼調制轉化為電信號，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為電信號，最后經(jīng)過(guò)解調譯碼，將信號顯示出來(lái)，從而完成信號的傳輸。

3  光通信系統建設方案

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

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

（2）光通信數據傳輸系統（主要包括光通信安全帽、光通信燈具、無(wú)線(xiàn)中繼器、便攜式微基站等）；

（3）后臺控制系統（包括服務(wù)器、顯示終端等）。系統采用一體化燈具和安全帽設計，預留統一外部接口，方便后續其它類(lèi)設備接入系統。

3.1　光通信系統架構

3.1.1　系統硬件結構

系統硬件如圖4所示，主要由節點(diǎn)終端（光通信安全帽）、中間傳輸節點(diǎn)（光通信燈具）、中繼傳輸節點(diǎn)（無(wú)線(xiàn)中繼器）、網(wǎng)絡(luò )管理終端（便攜式微基站）、智能手持設備及APP、服務(wù)器、顯示終端等構成，整體分為鏈路層、應用層、服務(wù)層三部分，涵蓋通信傳輸、測控接入、位置服務(wù)、數據存儲處理等業(yè)務(wù)，實(shí)現了隧道內的無(wú)線(xiàn)光通信網(wǎng)絡(luò )覆蓋。

圖4 系統硬件結構

當隧道內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(guò)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(shí)現定位，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(guò)上行光通信鏈路和輔助無(wú)線(xiàn)通信設備傳回到指揮中心服務(wù)器終端。由于隧道內存在轉彎、坡道、T型路段，光線(xiàn)直射光路中斷，光通信燈具之間通信存在盲區，需要用無(wú)線(xiàn)中繼器進(jìn)行信號橋接。

3.1.2　系統軟件架構

如圖5所示，系統軟件根據系統組成可分為四大模塊：第一部分是光通信安全帽，包括編碼調制、圖像采集、傳輸協(xié)議以及驅動(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、調制解調算法及傳輸協(xié)議，該部分通過(guò)光通信鏈路傳輸視頻及位置碼，實(shí)現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據采集、存儲、解碼、匹配等過(guò)程，解析完后將數據打包統一傳給顯示終端，顯示終端則根據后臺數據繪制地圖，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；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。

圖5 系統軟件構架

控制中心預留接口，為后續軟件升級備用。后續升級內容包括：可根據回傳的高清視頻進(jìn)行實(shí)時(shí)圖像處理，監測隧道內各項數據指標是否正常，并給出警報等；采用人工智能算法對所存儲大量數據進(jìn)行統計分析，可對潛在的危險或故障點(diǎn)進(jìn)行預警，并在控制中心提示需要檢查，降低隧道環(huán)境的風(fēng)險率。

隧道內應用場(chǎng)景為全線(xiàn)電纜隧道，每條隧道由若干光通信燈具和無(wú)線(xiàn)中繼器構成，每6米安裝一套光通信燈具節點(diǎn)，無(wú)線(xiàn)中繼器在隧道彎道、坡道、T型等路段（通信盲區）部署，安全帽按隧道內工作人員數按需裝配。

3.2　人員高精度定位系統

隧道內光通信系統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為雙向通信系統，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(guò)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(guò)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置定位裝置，指揮中心可及時(shí)獲取隧道內的人員動(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　光通信數據傳輸系統

隧道光通信系統中的數據傳輸系統包含視頻采集設備、監測設備、光通信網(wǎng)絡(luò )等設備。數據傳輸系統通過(guò)安全帽上視頻采集設備，可將巡視、檢修等過(guò)程的實(shí)時(shí)視頻通過(guò)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(guò)安裝在隧道內部的各種監測設備采集環(huán)境信息，并使用光通信網(wǎng)絡(luò )將采集的參數信息上傳到指揮中心服務(wù)器終端。

通過(guò)隧道內基于光通信網(wǎng)絡(luò )構建數據傳輸系統，可實(shí)現指揮中心對巡視、檢修等任務(wù)的全流程管控，及時(shí)獲取隧道內相關(guān)的監測數據。

3.4　后臺控制系統

后臺控制系統包含服務(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定位數據庫建立關(guān)聯(lián)，在有人員定位請求時(shí)可自動(dòng)匹配數據庫實(shí)現定位，燈具信息發(fā)生變更后后臺可自動(dòng)上傳更新。系統可以顯示巡視、檢修等畫(huà)面，指揮中心可通過(guò)視頻信息全面掌握隧道內情況，同時(shí)可以?xún)Υ嫠幸曨l信息。系統顯示界面可以實(shí)時(shí)顯示電纜隧道下通過(guò)監測設備采集的隧道環(huán)境信息，可實(shí)現在光通信網(wǎng)絡(luò )正常工作的情況下7×24小時(shí)不間斷地監測隧道信息。

在指揮中心、主要監控節點(diǎn)或者是電纜隧道井口等位置可以設置后臺顯示系統。通過(guò)后臺顯示系統，可調取隧道內部的實(shí)時(shí)情況。

4  總結

本文通過(guò)光通信技術(shù)原理，探討了高壓電纜隧道內建設光通信系統的可行性，并得出以下結論：

（1）隧道內每3-6米安裝一套光通信燈具節點(diǎn)，利用無(wú)線(xiàn)中繼器在隧道彎道、坡道、T型等路段以及光線(xiàn)直射光路中斷處部署解決通信盲區問(wèn)題，通過(guò)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(shí)現人員高精度定位，并可在指揮中心的顯示終端查看。

（2）在隧道內光通信系統理想條件下，通過(guò)安全帽上視頻采集設備，將隧道內實(shí)時(shí)視頻通過(guò)光通信網(wǎng)絡(luò )上傳到指揮中心。在實(shí)際應用場(chǎng)景中，光通信系統傳輸速率可能受到隧道內環(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(guò)安裝在隧道內部的各種監測設備采集環(huán)境信息，利用光通信網(wǎng)絡(luò )將采集的參數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，西藏自治區那曲人，助理工程師，學(xué)士，現就職于國網(wǎng)西藏電力公司那曲供電公司，主要從事安全監督管理工作。

張恒東（1985-），男，山東省聊城人，工程師，學(xué)士，現就職于北京卓越電力建設有限公司，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，現就職于北京卓越電力建設有限公司，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(dòng)化博覽》2023年10月刊