基于通信信號增強技術(shù)的高速公路隧道救援對策研究

饒紅瓊

摘要：隨著國家交通事業(yè)的快速發(fā)展和高速公路的不斷建設(shè)，高速公路隧道數(shù)量也在不斷增加，這給消防救援工作帶來了巨大壓力。由于高速公路隧道環(huán)境復雜、事故率高、危害大，救援工作本就十分困難。因此，建立穩(wěn)定的通信網(wǎng)絡(luò)對于消防救援工作有著十分重大的意義。為此，本文進行了基于通信信號增強技術(shù)的高速公路隧道救援通信傳輸對策的研究。研究結(jié)果表明，無線信號增強生成對抗網(wǎng)絡(luò)在通信信號提升方面優(yōu)于殘差網(wǎng)絡(luò)，特別是在低信噪比的情況下效果更為明顯。同時，采用高增益定向輻射特性的天線、降低隧道內(nèi)表面對通信信號的反射和吸收，以及降低隧道內(nèi)部信號的信噪比，能夠有效提升高速公路隧道救援信號傳輸質(zhì)量。

關(guān)鍵詞：隧道救援；通信信號；對策研究

一、引言

近年來，我國交通事業(yè)蓬勃發(fā)展，高速公路在全國各地蔚然成風，隨之而來的是大量的高速公路隧道建設(shè)。但隨著隧道數(shù)量的迅速增長，消防救援工作的壓力也因之增大。高速公路隧道的環(huán)境復雜，事故發(fā)生率高、事故危害大，這給救援工作帶來了巨大挑戰(zhàn)[1]。在這種情況下，穩(wěn)定的通信網(wǎng)絡(luò)信號顯得尤為重要，尤其是對于消防救援工作。當前無線電技術(shù)的快速發(fā)展已廣泛滲透到人們?nèi)粘Ｉ畹母鱾€方面，移動通信網(wǎng)絡(luò)不斷完善，但室內(nèi)空間部分區(qū)域的通信信號質(zhì)量仍有待提高，特別是在風險大、危險系數(shù)高的區(qū)域（如隧道、礦井）仍存在通信盲區(qū)[2]。通信信號的質(zhì)量與救援行動的成功與否密切相關(guān)，因此研究高速公路隧道通信信號增強技術(shù)對于提升救援質(zhì)量具有重大意義。

二、高速公路隧道救援通信傳輸存在的問題

（一）傳統(tǒng)天線性能的局限

在無線通信系統(tǒng)中，天線的性能可以對整個通信網(wǎng)絡(luò)的運行質(zhì)量產(chǎn)生直接影響。作為傳輸和接收電磁波的重要組件，天線的作用是將傳輸線上的導波轉(zhuǎn)換為電磁波，或者將電磁波轉(zhuǎn)換為傳輸線上的導波。由于不同的應用場景對天線有不同的要求[3-4]，比如在隧道等相對局限和密閉的空間，通常需要天線具有一定的方向性。這種方向性可以使天線在特定方向上接收的輻射或電磁波更強，從而提高效率，使得這種類型的天線具有更好的增益效果和更遠的作用距離。也就是說，具有方向性和高增益效果的天線可以實現(xiàn)通信信號傳輸距離更遠、抗干擾能力更強等優(yōu)點。

（二）隧道內(nèi)通信信號衰落顯著

在隧道內(nèi)，通常會受到多種非理想條件的影響，這些條件會影響通信信號的傳播。

首先，隧道內(nèi)壁通常是由混凝土和防火涂料構(gòu)成的，所以并不是完全光滑的。這就導致通信信號會在不平整的隧道內(nèi)壁上發(fā)生反射和吸收，并因此導致信號在隧道中傳播時快速衰減，嚴重影響信號接收質(zhì)量和解調(diào)質(zhì)量。

其次，隧道內(nèi)壁的不平整和各種構(gòu)造會導致信號的多次反射和傳播路徑的分歧，這種多重路徑傳播會導致信號的嚴重衰減，進一步影響信號的接收和解調(diào)質(zhì)量。因此，解決隧道內(nèi)反射衰減問題的關(guān)鍵在于強化隧道內(nèi)的通信信號[5-6]。

（三）隧道內(nèi)信號噪聲干擾較多

在隧道內(nèi)通信信號傳輸過程中，除了受到隧道結(jié)構(gòu)內(nèi)壁的反射和吸收影響外，還可能遭受隧道空間內(nèi)噪聲的干擾。通常情況下，隨機噪聲干擾對通信信號的實質(zhì)性干擾較為明顯。由于干擾的存在，通信信號的傳輸質(zhì)量會受到明顯的衰退，嚴重影響隧道內(nèi)部信號接收端對通信信號的接收和解調(diào)。這可能導致通信信號傳輸質(zhì)量下降，甚至會導致通信信號中斷[7]。

三、高速公路隧道通信信號增強設(shè)計

GAN（Generative Adversarial Networks）技術(shù)在圖形系統(tǒng)和語音系統(tǒng)信號效果增強方面取得了顯著的成果。它能夠合成特定類型的信號，并通過合成來提高信號質(zhì)量。本文基于這一思路，提出了在高速公路隧道通信信號增強領(lǐng)域應用GAN技術(shù)的可行性。試圖構(gòu)建一個基于GAN技術(shù)的高速公路隧道通信信號傳輸網(wǎng)絡(luò)，以消除動態(tài)噪聲信號干擾，提高通信信號在高速公路隧道內(nèi)的傳輸質(zhì)量。雖然無線通信信號增強方面的應用案例較少，但本文只是論證了該方法的理論可行性。生成對抗網(wǎng)絡(luò)通常采用對抗訓練的方式實現(xiàn)信號增強，并消除噪聲信號干擾[8-10]。

具體而言，無線信號增強生成對抗網(wǎng)絡(luò)具有以下幾個優(yōu)點：

首先，相較于傳統(tǒng)的通信信號網(wǎng)絡(luò)生成準則，GAN省去了復雜繁瑣的計算，簡化了兩個端口之間的生成模式，無需對隨機噪聲信號的特征進行提取，簡化了信號增強的計算過程。同時，將源信號作為GAN技術(shù)的生成準則，對通信信號進行加強，最大限度提高其信號質(zhì)量，使其在隧道空間內(nèi)傳輸并保障接收端信號質(zhì)量。

其次，GAN具有極強的對信號變動和偏差的控制能力。它可以保障通信信號傳輸?shù)南嚓P(guān)特征值，即使通信信號在傳輸過程中的頻率、帶寬和幅值發(fā)生變化，也能對信號進行控制，確保特征信號得以保存。

第三，無線信號增強生成對抗網(wǎng)絡(luò)本質(zhì)上是對源信號進行傳輸。在數(shù)據(jù)傳輸過程中，由于外部其他信號的干擾，傳輸過程時刻都在產(chǎn)生隨機變化。因此，增強網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)的性能得到了提高，真正實現(xiàn)了時變信號系統(tǒng)的增強。

GAN技術(shù)本質(zhì)上是一種通過對大量實際分布式數(shù)據(jù)進行訓練和學習，并生成隨機樣本的網(wǎng)絡(luò)模型。該網(wǎng)絡(luò)模型由兩個計算模型構(gòu)成：一個是生成模型（模型G），負責生成樣本；另一個是判別模型（模型D），負責區(qū)分生成模型生成的隨機樣本和實際收集的樣本。生成模型的目的是增強判別模型的誤差識別能力，從而提升整體算法的辨識能力。整個模型的訓練過程基本上就是在進行生成樣本和實際樣本的判別。判別模型和生成模型相互遞進，判別模型可以對實際樣本和生成樣本進行判別，并將誤差傳遞給生成模型，使生成模型生成更加接近實際樣本的樣本。當生成樣本和實際樣本達到平衡后，整個模型的訓練過程就會結(jié)束。

通過這種方式，可以盡可能地確保生成模型生成的樣本接近真實樣本。最終目標是生成模型生成的樣本可以通過判別模型的判別，達到生成與真實信號相似的通信信號，從而增強信號。

四、生成對抗增強信號網(wǎng)絡(luò)的增強效果分析

為了比較無線信號增強生成對抗網(wǎng)絡(luò)和殘差網(wǎng)絡(luò)方法在通信信號增強方面的優(yōu)越性，采用殘差網(wǎng)絡(luò)方法進行對比分析。殘差網(wǎng)絡(luò)方法是最近提出的一種用于高速公路隧道通信信號增強的深度學習算法，本質(zhì)上也是一種基于深度學習的方法。在比較分析中，選擇了信噪比不同的五組信號，分別發(fā)送到兩種增強網(wǎng)絡(luò)中。然后對比了兩種網(wǎng)絡(luò)增強前后的誤碼率，以分析兩種增強方法的效果。

在表1和表2中，對兩種網(wǎng)絡(luò)增強方法的增強效果進行了比較分析，其中G1表示無線信號增強生成對抗網(wǎng)絡(luò)，G2表示殘差網(wǎng)絡(luò)。結(jié)果顯示，G2對通信信號有一定的增強效果，但相比之下其效果較G1而言較差。特別是在低信噪比情況下，G1網(wǎng)絡(luò)的增強效果更好。因此綜上所述，無線信號增強生成對抗網(wǎng)絡(luò)在提高高速公路隧道中低信噪比信號的傳輸質(zhì)量方面具有明顯優(yōu)勢。

五、高速公路隧道救援通信傳輸對策分析

通過對無線信號增強生成對抗網(wǎng)絡(luò)和其他信號增強方法進行對比分析，發(fā)現(xiàn)信號增強方法可以有效降低通信信號傳輸時的誤碼率。然而，這僅僅是從算法角度對信號傳輸質(zhì)量進行提升，實際上要確保高速公路隧道救援通信信號的良好傳輸，還需要采取更多的措施和方法。

（一）采用高增益定下輻射特性的天線

在高速公路隧道這種特殊的通信信號傳輸環(huán)境中，應當采用雙極化、雙頻帶、定向高增益天線。偶極子天線具有輻射全向性和靈活拓寬帶寬的特點，適合應用于高速公路隧道的天線選頻部分。而八木天線則具有結(jié)構(gòu)簡單和增益高的特點，通?？梢员粦糜谔炀€的增益部分。因此，在高速公路隧道通信信號傳輸天線的選擇上，應當將偶極子天線和八木天線相結(jié)合，通過調(diào)節(jié)印刷偶極子的結(jié)構(gòu)、引向振子的間距和長度，設(shè)計定向高增益天線，以提高隧道內(nèi)部的通信信號傳輸質(zhì)量。

（二）降低隧道結(jié)構(gòu)內(nèi)表面對通信信號的反射和吸收

目前，由于高速公路隧道施工工藝和材料的限制，不可避免地會對隧道內(nèi)通信信號的傳輸造成影響。這主要是由于隧道結(jié)構(gòu)內(nèi)表面會對通信信號進行不同程度的反射和吸收，導致信號造成損失。為了解決這個問題，可以在隧道結(jié)構(gòu)內(nèi)表面信號反射和吸收較強的部位，采用類似可以減少信號反射和吸收的涂料進行處理。這樣可以盡可能地減少通信信號在隧道結(jié)構(gòu)內(nèi)表面?zhèn)鬏斶^程中產(chǎn)生的能量損耗，從而提高通信信號傳輸質(zhì)量。

六、結(jié)束語

通過對高速公路隧道工程消防救援工作進行的分析和研究，發(fā)現(xiàn)救援過程中通信信號的傳輸存在較大的問題。為了解決這個問題，研究了針對高速公路隧道通信信號增強的技術(shù)，對比分析了無線信號增強生成對抗網(wǎng)絡(luò)和殘差網(wǎng)絡(luò)對通信信號增強的效果。研究發(fā)現(xiàn)，無線信號增強生成對抗網(wǎng)絡(luò)的通信信號提升效果優(yōu)于殘差網(wǎng)絡(luò)，尤其是在低信噪比的通信信號增強上效果更為明顯。基于這些發(fā)現(xiàn)，提出了一系列應對措施，包括基于信號增強技術(shù)的高增益定向輻射天線、降低隧道結(jié)構(gòu)內(nèi)表面對通信信號的反射和吸收，以及降低隧道界限內(nèi)通信信號的信噪比等措施。這些措施有望幫助提高隧道內(nèi)通信信號的傳輸質(zhì)量和可靠性，對高速公路隧道工程的消防救援工作產(chǎn)生積極影響。

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