鋼鐵廠區(qū)車地?zé)o線傳輸網(wǎng)絡(luò)應(yīng)用

摘? 要：目前，鋼鐵廠區(qū)內(nèi)鐵水運輸?shù)臋C車大都為人工操控，隨著智慧制造升級的需要，實現(xiàn)鐵水運輸線路無人化作業(yè)，并提高鐵路的運輸效率已經(jīng)刻不容緩。而車地?zé)o線網(wǎng)絡(luò)的建設(shè)為機車無人駕駛的關(guān)鍵一環(huán)，通過對各類無線網(wǎng)絡(luò)類型建設(shè)的分析和研究，并結(jié)合當(dāng)前鋼鐵廠區(qū)內(nèi)的環(huán)境現(xiàn)狀，文章提出可供相關(guān)建設(shè)與設(shè)計人員參考的無線網(wǎng)絡(luò)建設(shè)思路。

關(guān)鍵詞：無線;長期演進(jìn)技術(shù);無線通信技術(shù)

中圖分類號：TN929.5? ? ? ? ? ? ? ? ? 文獻(xiàn)標(biāo)識碼：A文章編號：2096-4706（2021）15-0082-04

Abstract： At present， most of the locomotives for hot metal transportation in iron and steel factory are controlled manually， with the needs of intelligent manufacturing upgrading， it is urgent to realize the unmanned operation of hot metal transportation lines and improve the transportation efficiency of the railway. The construction of train ground wireless network is a key link of locomotive driverless. Through the analysis and research of various types of wireless network construction， combined with the current situation of the environment in iron and steel factory， the paper puts forward the wireless network construction ideas for the reference of the relevant construction and design personnel.

Keywords： wireless; long term evolution technology; Wi-Fi

0? 引? 言

近年來，很多鋼鐵廠都在積極籌備智慧制造規(guī)劃和新一輪信息化建設(shè)，力爭通過信息化建設(shè)，達(dá)到工藝流程縮短、生產(chǎn)作業(yè)環(huán)節(jié)簡化、降低生產(chǎn)運行成本，提升生產(chǎn)效率，提升企業(yè)競爭力的目的。

目前，鐵水運輸?shù)臋C車大都為人工操控，這就需要對傳統(tǒng)的魚雷罐車或者機車進(jìn)行改造，為其增加車地?zé)o線控制系統(tǒng)，在控制中心直接對魚雷罐車或者機車進(jìn)行遠(yuǎn)程無線監(jiān)視和控制，實現(xiàn)機車無人駕駛，鐵水運輸線路無人化作業(yè)，提高鐵路的運輸效率。

而車地?zé)o線網(wǎng)絡(luò)的建設(shè)為機車無人駕駛或者自動駕駛的關(guān)鍵性技術(shù)之一，能采用的網(wǎng)絡(luò)建設(shè)方式和方法也很多，大致上可以歸納為采用Wi-Fi技術(shù)或者采用LTE技術(shù)這兩大類。

1? 廠區(qū)內(nèi)無線網(wǎng)絡(luò)建設(shè)的分類

在廠區(qū)內(nèi)建設(shè)車地?zé)o線傳輸方案，可以分為以下幾種方案。

1.1? 采用Wi-Fi技術(shù)來建設(shè)無線方案

對于信號覆蓋要求比較高的廠區(qū)可以采用2.4 GHz的802.11n無線傳輸協(xié)議的無線冗余Wi-Fi方案，頻率使用范圍為：2.4～2.483 GHz;對于業(yè)務(wù)帶寬要求比較高的廠區(qū)可以采用5.8 GHz的802.11n或者802.11AC無線傳輸協(xié)議的無線冗余Wi-Fi方案，頻率使用范圍為：5.725～5.825 GHz。

1.2? 采用LTE技術(shù)來建設(shè)無線方案

對于信號覆蓋和穩(wěn)定性要求比較高的廠區(qū)，可以采用1.8 GHz eLTE的無線冗余專網(wǎng)方案，頻率使用范圍：1 785～1 805 MHz;以及 5.8 GHz eLTE的無線冗余專網(wǎng)方案，頻率使用范圍與Wi-Fi 方案的5.8 GHz 頻率范圍相同;對于5G信號覆蓋比較成熟的廠區(qū)可以采用運營商的5G LTE（第五代移動通信系統(tǒng)）冗余專網(wǎng)方案。

2? 廠區(qū)內(nèi)無線網(wǎng)絡(luò)建設(shè)的分析

2.1? 廠區(qū)的環(huán)境對于車地?zé)o線網(wǎng)絡(luò)的建設(shè)影響

廠區(qū)的環(huán)境對于車地?zé)o線網(wǎng)絡(luò)的建設(shè)影響主要有以下幾點：

（1）廠區(qū)室外環(huán)境下需要考慮廠區(qū)內(nèi)的很多金屬遮擋問題，在信號被遮擋的地方，如果測試信號不好，需要對無線進(jìn)行補盲。

（2）廠區(qū)車輛的作業(yè)工位點大都在金屬廠房內(nèi)，并在作業(yè)時間會關(guān)閉金屬卷簾門，且最大縱深長達(dá)幾十米，廠房內(nèi)最里面的信號覆蓋是需要注意的地方，需要對信號進(jìn)行詳細(xì)測試，必要時候進(jìn)行補盲。

（3）廠區(qū)內(nèi)在作業(yè)區(qū)的空氣環(huán)境比較差，且鐵水罐運輸鐵水時通常高達(dá)千度以上，空氣中彌漫的金屬粉塵對于無線信號的傳輸也有一定的影響，在粉塵較多的地方需要考慮無線信號的強度和如何來建設(shè)覆蓋點布設(shè)的位置。

2.2? 廠區(qū)鐵軌的運輸范圍對于車地?zé)o線網(wǎng)絡(luò)的建設(shè)影響

廠區(qū)內(nèi)的鐵水運輸線路并非一條直線型的線路，是由多條鐵軌并行在各個高爐及工位點進(jìn)行運輸，并具有較多的岔道，每段鐵軌的直線距離不長，但無線信號需要覆蓋的范圍較大。

如采用漏纜進(jìn)行覆蓋，由于漏纜橫向覆蓋范圍在8～12米左右，距離越長，信號覆蓋會逐漸衰減，很難同時覆蓋多條鐵軌，因此一般會使用無線定向天線來進(jìn)行信號覆蓋較為合適。

2.3? 頻率帶寬對于車地?zé)o線網(wǎng)絡(luò)的建設(shè)影響

頻率帶寬對于車地?zé)o線網(wǎng)絡(luò)的建設(shè)影響主要有以下幾點：

（1）2.4 GHz和5.8 GHz的頻率為民用頻率，可直接進(jìn)行頻率使用。

（2）1.8 GHz頻率為需要向當(dāng)?shù)責(zé)o線電管理委員會進(jìn)行頻率申請，頻率申請通過后方能進(jìn)行項目建設(shè)。因此1.8 GHz eLTE的無線冗余專網(wǎng)方案如需建設(shè)，還需要對項目覆蓋范圍進(jìn)行電磁環(huán)境監(jiān)測，在電磁環(huán)境滿足條件的基礎(chǔ)上向無委會提出申請，批復(fù)同意后方能進(jìn)行。

（3）運營商的5G LTE頻率，運營商可以直接使用。

2.4? 各個車地?zé)o線方案的建設(shè)分析

2.4.1? 采用2.4 GHz和5.8 GHz的Wi-Fi方案建設(shè)分析

頻率使用：Wi-Fi為民用頻率，可直接使用，但非常容易受到附近民用Wi-Fi同頻信號的干擾。穩(wěn)定性：相對于LTE網(wǎng)絡(luò)，無論在時延還是網(wǎng)絡(luò)切換上都會差很多，冗余組網(wǎng)較為復(fù)雜，可靠性一般。工程量：由于覆蓋范圍很低，一般120米左右間隔就要布設(shè)一個無線點位，整個項目布設(shè)點位將相當(dāng)多，如果再加上冗余方案，施工將會非常復(fù)雜，工程量非常大，運維也將成為大問題。

2.4.2? 采用5.8 GHz的eLTE方案建設(shè)分析

頻率使用：民用頻率，可直接使用，很容易受到同頻信號干擾;穩(wěn)定性：采用LTE網(wǎng)絡(luò)技術(shù)，時延和網(wǎng)絡(luò)切換很不錯，冗余組網(wǎng)，可靠性高;工程量：由于覆蓋范圍稍低，一般300米左右間隔就要布設(shè)一個無線點位，整個項目覆蓋冗余方案，布設(shè)點位也比較多，施工也較為復(fù)雜，工程量也非常大。

2.4.3? 采用1.8 GHz的eLTE方案建設(shè)分析

頻率使用：專用頻率，需向當(dāng)?shù)責(zé)o線電管理委員會批復(fù)方能使用，專用頻段，抗干擾能力強，避免公眾開放的信號頻段重疊，能抵抗Wi-Fi、藍(lán)牙、公網(wǎng)等外系統(tǒng)干擾;穩(wěn)定性：采用LTE網(wǎng)絡(luò)技術(shù)，時延和網(wǎng)絡(luò)切換很不錯，冗余組網(wǎng)，可靠性高;工程量：600米左右間隔來設(shè)計，覆蓋整個項目范圍，布設(shè)點位少，施工量相對較小，單小區(qū)覆蓋距離遠(yuǎn)，大幅降低維護工作量。

2.4.4? 采用運營商的5G LTE方案建設(shè)分析

頻率使用：專用頻率，運營商提供;穩(wěn)定性：采用運營商單網(wǎng)網(wǎng)絡(luò)，穩(wěn)定性一般;工程量：組網(wǎng)網(wǎng)絡(luò)由運營商建設(shè)，項目內(nèi)的施工工程量較少。

3? 廠區(qū)內(nèi)無線網(wǎng)絡(luò)的建設(shè)設(shè)計

車地?zé)o線控制系統(tǒng)對于無線網(wǎng)絡(luò)穩(wěn)定性要求非常高，因此對于車地?zé)o線網(wǎng)絡(luò)建設(shè)，主要還是以1.8 GHz eLTE的無線冗余專網(wǎng)方案和運營商的5G LTE冗余專網(wǎng)方案來建設(shè)，以下將以這兩種方案的建設(shè)來做設(shè)計。

3.1? 1.8 GHz eLTE的無線冗余專網(wǎng)方案設(shè)計

下文從總體設(shè)計、線覆蓋設(shè)計、頻段設(shè)計、網(wǎng)絡(luò)設(shè)計、網(wǎng)絡(luò)安全設(shè)計、網(wǎng)絡(luò)性能設(shè)計、抗干擾設(shè)計、總體方案設(shè)計方面對1.8 GHz eLTE的無線冗余專網(wǎng)方案進(jìn)行說明：

（1）總體設(shè)計。需要勘察廠區(qū)的鐵軌路線，按照包括頻點分析與規(guī)劃、無線覆蓋設(shè)計、鏈路預(yù)算、抗干擾設(shè)計、網(wǎng)絡(luò)管理等，對無線傳輸平臺的各個關(guān)鍵點進(jìn)行詳細(xì)設(shè)計。

（2）無線覆蓋設(shè)計。根據(jù)站間距1.2 km來規(guī)劃設(shè)計覆蓋點位，采用定向天線，將項目范圍完全覆蓋，如有盲點，再進(jìn)行補盲。

（3）頻段設(shè)計。1.8 GHz可使用頻率帶寬共計為20 MHz，由于有5 MHz的帶寬為軌道交通使用，一般可以申請資源10 MHz左右，采用5 MHz+5 MHz冗余雙網(wǎng)設(shè)計。

（4）網(wǎng)絡(luò)設(shè)計。采用A網(wǎng)和B網(wǎng)組雙網(wǎng)，雙網(wǎng)負(fù)荷分擔(dān)機制實現(xiàn)雙網(wǎng)可以同時承載無線傳輸業(yè)務(wù)，同時利用雙網(wǎng)頻譜資源，相對于主備雙網(wǎng)實現(xiàn)了頻譜利用率翻番，并提高業(yè)務(wù)承載的健壯性。

（5）網(wǎng)絡(luò)安全設(shè)計。傳輸通道采用獨立的在線冗余物理通信通道設(shè)計。無線系統(tǒng)A網(wǎng)通道和B網(wǎng)通道的訪問控制相互獨立。不同類型的數(shù)據(jù)傳輸通道采用不同的VLAN（虛擬局域網(wǎng)）進(jìn)行傳輸，并達(dá)到A網(wǎng)和B網(wǎng)雙活的冗余方案。車載無線單元與基站之間在傳遞數(shù)據(jù)前建立授權(quán)并關(guān)聯(lián)。

（6）網(wǎng)絡(luò)性能設(shè)計。首先，eLTE系統(tǒng)的可用性不低于99.99%;其次，車輛控制業(yè)務(wù)要求丟包率不超過1%、通信中斷時間不超過2 s的概率不小于99.99%;以及車輛控制業(yè)務(wù)數(shù)據(jù)周期性發(fā)送，上行每路傳輸速率不小于60 kbps/s，下行每路傳輸速率不小于40 kbps/s。

（7）抗干擾設(shè)計。eLTE系統(tǒng)內(nèi)干擾主要來自同頻鄰區(qū)干擾，需考慮同頻鄰區(qū)間的干擾兩個小區(qū)的相互干擾。如果和周邊地鐵的使用頻率沖突，在行業(yè)中根據(jù)頻譜特性及應(yīng)用范圍不同，滿足一定隔離度后可進(jìn)行復(fù)用。

系統(tǒng)外干擾需同時考慮到與電信、移動DCS、移動LTE1800頻譜的隔離，需上下各隔離5MHz作為隔離帶寬，建議申請1 790～1 800 MHz，共計10 MHz頻譜作為1.8 GHz eLTE的無線冗余專網(wǎng)方案使用。

（8）方案設(shè)計。1.8GHz eLTE的無線冗余專網(wǎng)建設(shè)的方案，拓?fù)淙鐖D1所示。

在控制中心機房部署無線核心網(wǎng)設(shè)備、網(wǎng)管設(shè)備、A網(wǎng)和B網(wǎng)雙網(wǎng)無線BBU基站，BBU基站通過單模光纜與現(xiàn)場各點位無線射頻單元RRU設(shè)備相連并架設(shè)專用定向天線，與混鐵車或機車上的無線接收終端通過1.8 GHz eLTE無線技術(shù)相連接，組成廠區(qū)內(nèi)的車地?zé)o線傳輸專網(wǎng)。

在每列混鐵車或機車頭端各設(shè)置2套車載無線設(shè)備，其中1套無線設(shè)備接入A網(wǎng)，1套無線設(shè)備接入B網(wǎng)。A網(wǎng)和B網(wǎng)同時工作，從而保證雙網(wǎng)絡(luò)單點故障時業(yè)務(wù)不中斷。

在某鋼鐵企業(yè)無人化運輸無線系統(tǒng)項目采用的就是1.8 GHz eLTE的無線冗余專網(wǎng)方案，在控制中心部署1.8 GHz的無線核心網(wǎng)設(shè)備，通過RRU單元與車載無線相連接，形成了1.8 GHz的eLTE無線專網(wǎng)。

3.2? 運營商5G LTE專網(wǎng)方案設(shè)計

運營商5G LTE專網(wǎng)方案相比于1.8 GHz eLTE的無線冗余專網(wǎng)方案在網(wǎng)絡(luò)建設(shè)上，由于無線網(wǎng)絡(luò)和設(shè)備都由運營商提供，建設(shè)上相對要簡單些，但也需要運營商在廠區(qū)內(nèi)現(xiàn)場勘察，并且對項目需要覆蓋區(qū)域的5G信號進(jìn)行專門的建設(shè)覆蓋，在部分廠房內(nèi)還需要進(jìn)行補盲。

運營商5G LTE專網(wǎng)方案建設(shè)方案，拓?fù)淙鐖D2所示。

運營商5G LTE專網(wǎng)方案設(shè)計具體為：

（1）需要在建設(shè)的控制中心核心網(wǎng)絡(luò)與運營商網(wǎng)絡(luò)打通。

（2）機車或混鐵車上部署5G工業(yè)無線終端，與控制中心內(nèi)網(wǎng)相連接。

（3）針對車載端的無線終端有2種方式與控制中心連接：

1）無線終端通過5G LTE公網(wǎng)的接入形式與內(nèi)網(wǎng)的控制中心網(wǎng)絡(luò)連接：需要在控制中心網(wǎng)絡(luò)出口處部署一套內(nèi)網(wǎng)服務(wù)器，無線終端通過5G LTE連接到運營商網(wǎng)絡(luò)，通過內(nèi)網(wǎng)服務(wù)器跳轉(zhuǎn)到控制中心核心網(wǎng)絡(luò)。此種連接方式，只能通過車載無線終端發(fā)起網(wǎng)絡(luò)連接，建立起通信協(xié)議后才能來回傳送數(shù)據(jù)。無線終端通過運營商的流量卡拿到的是運營商網(wǎng)絡(luò)分配的IP，車載設(shè)備的內(nèi)部網(wǎng)絡(luò)設(shè)備通過這個運營商分配的IP與外部網(wǎng)絡(luò)相連，通信發(fā)起方式只能是從車載無線終端發(fā)起，是單向的。由于無線終端通過5G LTE運營商拿到的是運營商分配的IP，會暴露在公網(wǎng)上，安全性較差。

2）無線終端通過5G LTE的專網(wǎng)接入形式與內(nèi)網(wǎng)的控制中心網(wǎng)絡(luò)連接：在控制中心網(wǎng)絡(luò)與運營商網(wǎng)絡(luò)打通后，在兩個網(wǎng)絡(luò)中建立隧道，這樣就建立起了5G LTE專網(wǎng)，把無線終端接入5G LTE網(wǎng)絡(luò)后，車載網(wǎng)絡(luò)可以直接與控制中心網(wǎng)絡(luò)打通，無論車載無線終端向控制中心應(yīng)用服務(wù)器發(fā)起數(shù)據(jù)連接，還是控制中心應(yīng)用服務(wù)器向車載設(shè)備發(fā)起連接，都能互相直接通信。通信發(fā)起方是雙向的。由于無線終端通過5G LTE運營商拿到的是控制中心的專網(wǎng)IP，并不會暴露在公網(wǎng)上，安全性較高。

在某鋼鐵企業(yè)車地聯(lián)控?zé)o線系統(tǒng)項目采用的就是5G LTE的專網(wǎng)方案，通過運營商開通的專網(wǎng)卡加入車載的無線終端中，并啟用隧道技術(shù)，打通車和中央設(shè)備的無線通信傳輸。

4? 結(jié)? 論

通過對鋼鐵廠區(qū)車地?zé)o線網(wǎng)絡(luò)的相關(guān)分析，并結(jié)合車地?zé)o線網(wǎng)絡(luò)的建設(shè)方案優(yōu)缺點，提出車地?zé)o線網(wǎng)絡(luò)的建設(shè)設(shè)計方案，最大限度地為鋼鐵廠區(qū)的車地?zé)o線網(wǎng)絡(luò)建設(shè)的項目設(shè)計人員提供解決方案思路。

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作者簡介：孫超（1980.03—），男，漢族，上海人，工程師，本科，研究方向：計算機網(wǎng)絡(luò)。

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