文献标识码：B文章编号：1003-0492（2023）10-088-04中图分类号：TP29

★邰宝宇（国网北京市电力公司电缆分公司，北京100022）

★旦增君美（国网西藏电力公司那曲供电公司，西藏那曲852100）

★张恒东，武翔龙（北京卓越电力建设有限公司，北京100029）

★吴建旺（国网北京市电力公司电缆分公司，北京100022）

关键词：光通信技术；高压电缆隧道；人员定位；数据传输

随着城市建设的不断发展，电缆成为了发达城市首选的供电方式。但是目前高压电缆隧道内的通信保障系统多为有线通信方式，需要敷设大量的低压线缆。这种通信方式不仅会增加隧道建设施工量，还存在可靠性低、覆盖范围小、维护费用高、环境适应性差以及一定的火灾风险等问题。

为实现高压电缆隧道中作业人员的高精度定位、应急救援、停电检修画面实时回传，以及隧道内各类监测设备所采集的数据传输，针对高压电缆隧道的特点，本研究利用现有隧道内照明灯具进行改造，依靠灯间调制光信号组建高压电缆隧道光通信系统。基于该系统，可有效减少高压电缆隧道内的通信线缆数量，并可增加通信系统覆盖范围。

1　高压电缆隧道中光通信设计需求

本文旨在研究一套基于光通信技术的高压电缆隧道人员定位与信息回传的光通信系统。通过该系统，当巡检人员佩戴加装感光设备以及视频采集设备的安全帽进入高压电缆隧道进行巡视、检修作业以及紧急事故逃生时，可通过安全帽上的光电探测器识别隧道内防爆灯的位置信息，并将位置信息回传给指挥中心的服务器终端；同时，通过隧道的光通信网络可以将安全帽上所采集到的视频信息实时显示于移动终端和指挥中心的服务器终端。

1.1　人员定位需求

该系统实现人员实时定位以及应急救援定位功能，主要是利用高压电缆隧道顶部灯具与安全帽，如图1所示。隧道顶部灯具设备主要包括光源及光电探测器，安全帽主要包括光源与光电探测器。安全帽的光源探测器可以通过识别隧道顶部灯具的位置信息进行定位，然后将定位信息与安全帽的人员身份信息合并后，通过安全帽的光源发出，隧道顶部灯具的光电探测设备接收并将位置信息回传到指挥中心的服务器终端。

图1 隧道顶部灯具与安全帽

1.2　视频传输需求

为了保证指挥中心实时掌握高压电缆隧道内部情况，便于工程技术人员远程指导施工人员进行复杂情况下的隧道本体修复、高压电缆故障抢修等任务，该系统将视频采集装置集成于安全帽上，确保光通信具备传输视频功能。如图2所示，通过开启安装在安全帽上的视频采集模块开关，隧道顶部灯具的光电探测器接收视频数据后，利用光通信技术通过隧道口的中继路由器上传到指挥中心的服务器终端。

图2 视频传输示意图

1.3　监测数据传输需求

高压电缆隧道内设计的在线监测系统主要涉及：

（1）隧道安全防范监测系统，主要包括智能监控井盖、门禁监控系统；

（2）环境与设备监控系统，主要包括隧道环境监测、水位气体监测等；

（3）高压电缆本体在线监测系统，主要包括光纤测温、红外接头矩阵测温、局放监测、接地电流监测等。在线监测系统采集大量数据通过光通信技术传回至指挥中心的服务器终端，后台可实时观测数据，实现对高压电缆隧道的智能化管理，确保高压电缆的安全稳定运行，提高高压电缆隧道的安防、防灾、消灾能力。

2　光通信技术原理

20世纪70年代，室温连续运转半导体激光器和低损耗光纤的出现使光通信系统商用成为可能^[1]；20世纪80年代，DFB激光器的出现使光纤单模传输成为可能，光纤通信系统的传输距离和传输质量大幅提升^[2]；20世纪90年代，EDFA等光放大器的实现奠定了光纤通信长距离传输的基础^[3]；2000年，AWG等波分复用/解复用器件在DWDM系统商用，极大地扩展了光纤通信传输容量^[4]；2010年，相干光通信技术大力发展，与传统的IM/DD相比，相干光通信系统具有灵敏度高、传输距离长、波长选择性好、通信容量大的优势，相干技术把光通信系统的传输容量提升了一个台阶^[5]；随光通信技术是将可见光作为信息传输的载体，利用大气作为信号传输通道，在接收端安装光电探测器使光信号转换成电信号的无线光通信系统^[6]。结合现有隧道环境与设施，研究应用隧道内基于照明光与通信一体化系统，在满足原有照明需求的同时，可提供高速无线数据传输功能。为了满足5G对网络质量的严苛要求，光网络的各个方面都需要进行更新换代^[8]。

图3 光通信技术原理

在高压电缆隧道内搭建光通信系统，利用隧道顶部灯具以及安全帽上配备的头灯作为光源，信号通过处理单元进行编码调制转化为电信号，电信号再传送到光源处形成光信号，光信号经自由空间传输，由接收端光电探测器接收并转为电信号，最后经过解调译码，将信号显示出来，从而完成信号的传输。

3  光通信系统建设方案

在高压电缆隧道内建设光通信系统，为满足上述需求，主要涉及到以下部分：

（1）人员高精度定位系统（主要包括光通信安全帽、光通信灯具、终端APP等）；

（2）光通信数据传输系统（主要包括光通信安全帽、光通信灯具、无线中继器、便携式微基站等）；

（3）后台控制系统（包括服务器、显示终端等）。系统采用一体化灯具和安全帽设计，预留统一外部接口，方便后续其它类设备接入系统。

3.1　光通信系统架构

3.1.1　系统硬件结构

系统硬件如图4所示，主要由节点终端（光通信安全帽）、中间传输节点（光通信灯具）、中继传输节点（无线中继器）、网络管理终端（便携式微基站）、智能手持设备及APP、服务器、显示终端等构成，整体分为链路层、应用层、服务层三部分，涵盖通信传输、测控接入、位置服务、数据存储处理等业务，实现了隧道内的无线光通信网络覆盖。

图4 系统硬件结构

当隧道内的工作人员佩戴光通信安全帽在隧道进行巡视、检修时，可通过安全帽的光电探测器接收光通信灯具发出的位置信息码实现定位，并可在指挥中心的显示终端查看。同时，安全帽配套的高清摄像头采集实时视频图像，并通过上行光通信链路和辅助无线通信设备传回到指挥中心服务器终端。由于隧道内存在转弯、坡道、T型路段，光线直射光路中断，光通信灯具之间通信存在盲区，需要用无线中继器进行信号桥接。

3.1.2　系统软件架构

如图5所示，系统软件根据系统组成可分为四大模块：第一部分是光通信安全帽，包括编码调制、图像采集、传输协议以及驱动程序，该部分为视频图像采集及身份信息上传；第二部分是光通信灯具，包括位置编码、信道估计、调制解调算法及传输协议，该部分通过光通信链路传输视频及位置码，实现各终端安全帽与控制中心的连接；第三部分是控制中心，包括服务器和显示终端两部分。服务器主要完成对传回数据采集、存储、解码、匹配等过程，解析完后将数据打包统一传给显示终端，显示终端则根据后台数据绘制地图，显示工作人员的实时位置及图像信息，显示终端支持Windows7及以上Windows系统；第四部分为移动终端，光通信安全帽可将定位信息发送给移动终端APP，方便工作人员查看自身位置，该APP支持安卓8.0及以上系统。

图5 系统软件构架

控制中心预留接口，为后续软件升级备用。后续升级内容包括：可根据回传的高清视频进行实时图像处理，监测隧道内各项数据指标是否正常，并给出警报等；采用人工智能算法对所存储大量数据进行统计分析，可对潜在的危险或故障点进行预警，并在控制中心提示需要检查，降低隧道环境的风险率。

隧道内应用场景为全线电缆隧道，每条隧道由若干光通信灯具和无线中继器构成，每6米安装一套光通信灯具节点，无线中继器在隧道弯道、坡道、T型等路段（通信盲区）部署，安全帽按隧道内工作人员数按需装配。

3.2　人员高精度定位系统

隧道内光通信系统中的人员高精度定位主要由光通信灯具、光通信安全帽和移动终端等组成。人员高精度定位系统为双向通信系统，光通信灯发射特定的位置编码信息，光通信安全帽安装有光电探测器用于解算位置信息，通过安全帽上的光源将解算后的位置信息上传到含有光电探测器的光通信灯具，灯具接收后，通过光通信网络将位置信息传递到指挥中心终端显示。

在巡检人员安全帽上设置定位装置，指挥中心可及时获取隧道内的人员动态与分布情况，同时，一旦发生紧急事故，可快速获取被困人员的位置，有效提高救援效率。

3.3　光通信数据传输系统

隧道光通信系统中的数据传输系统包含视频采集设备、监测设备、光通信网络等设备。数据传输系统通过安全帽上视频采集设备，可将巡视、检修等过程的实时视频通过光通信网络上传到指挥中心，便于巡视、检修等任务的全流程管控。同时，可通过安装在隧道内部的各种监测设备采集环境信息，并使用光通信网络将采集的参数信息上传到指挥中心服务器终端。

通过隧道内基于光通信网络构建数据传输系统，可实现指挥中心对巡视、检修等任务的全流程管控，及时获取隧道内相关的监测数据。

3.4　后台控制系统

后台控制系统包含服务器、显示终端及移动终端定位APP。服务器中的定位处理程序可与后台定位数据库建立关联，在有人员定位请求时可自动匹配数据库实现定位，灯具信息发生变更后后台可自动上传更新。系统可以显示巡视、检修等画面，指挥中心可通过视频信息全面掌握隧道内情况，同时可以储存所有视频信息。系统显示界面可以实时显示电缆隧道下通过监测设备采集的隧道环境信息，可实现在光通信网络正常工作的情况下7×24小时不间断地监测隧道信息。

在指挥中心、主要监控节点或者是电缆隧道井口等位置可以设置后台显示系统。通过后台显示系统，可调取隧道内部的实时情况。

4  总结

本文通过光通信技术原理，探讨了高压电缆隧道内建设光通信系统的可行性，并得出以下结论：

（1）隧道内每3-6米安装一套光通信灯具节点，利用无线中继器在隧道弯道、坡道、T型等路段以及光线直射光路中断处部署解决通信盲区问题，通过安全帽的光电探测器接收光通信灯具发出的位置信息码实现人员高精度定位，并可在指挥中心的显示终端查看。

（2）在隧道内光通信系统理想条件下，通过安全帽上视频采集设备，将隧道内实时视频通过光通信网络上传到指挥中心。在实际应用场景中，光通信系统传输速率可能受到隧道内环境、施工人员等因素的影响，造成视频清晰度、流畅度下降。

（3）通过安装在隧道内部的各种监测设备采集环境信息，利用光通信网络将采集的参数信息上传到指挥中心。

作者简介：

邰宝宇（1994-），男，天津人，助理工程师，学士，现就职于国网北京市电力公司电缆分公司，主要从事高压电缆运维、检修、试验等工作。旦

增君美（1993-），男，西藏自治区那曲人，助理工程师，学士，现就职于国网西藏电力公司那曲供电公司，主要从事安全监督管理工作。

张恒东（1985-），男，山东省聊城人，工程师，学士，现就职于北京卓越电力建设有限公司，主要从事高压电缆运维、检修、试验等工作。

武翔龙（1987-），男，河北省邢台人，工程师，学士，现就职于北京卓越电力建设有限公司，主要从事高压电缆运维、检修、试验等工作。

吴建旺（1977-），男，北京人，助理工程师，学士，现就职于国网北京市电力公司电缆分公司，主要从事高压电缆运维、检修、试验等工作。

参考文献：

[1] WANG L W. Development of semicondutor lasers and their applications[J]. Journal of Chengdu University (Science & Technology Edition), 2003 (3) : 34 - 38.

[2] YANG Q, YU B L, ZHEN S L. The survey of optic fiber lasers[J]. Optoelectronic Technology & Information, 2002 (5) : 13 - 18.

[3] XING H M, LI Z. Research on optical fiber communication technology[J]. Journal of Shandong Normal University (Natural Science), 2003 (4) : 95 - 97.

[4] YUAN R. Arrayed waveguide grating component and its applications[J]. Optical Communication Technology, 2010, 34 (1) : 1 - 5.

[5] YU Y. Coherent optical communication and applications[J]. Chinese Journal of Physics, 2001 (9) : 43 - 46.

[6] 王先. 基于STM32 的可见光通信系统研究[D]. 济南: 山东大学, 2014.

[7] 党方. 基于白光LED的室内点对点可见光通信系统研究[D]. 河南: 郑州大学, 2018.

[8] 吕向东, 梁雪瑞, 喻千尘, 等. 光通信技术研究现状及发展趋势[J]. 电信科技, 2019.

摘自《自动化博览》2023年10月刊