雙腔波導管技術在輪胎式龍門起重機遠程控制無線通信系統中的應用

夏洪潔 蔣旻

輪胎式龍門起重機（rubber-tyred gantry crane，RTG）是集裝箱碼頭堆場常用的裝卸設備。RTG的輪胎可以自由轉向，因此，RTG在堆場內的運行路線相對靈活多變，可以自由轉場到達堆場任意位置作業。RTG的供電方式主要分為機載柴油發電機組供電和市政電網供電。為了響應國家節能減排的號召，寧波舟山港的RTG已全部改造為采用低架滑觸線方案的市政電網供電方式，并且實現柴油發電機組供電方式與市政電網供電方式間的自由切換。低架滑觸線電氣系統依靠取電小車與低架滑觸線接觸進行連接，僅具有供電功能而不具備光纖通信功能。寧波港股份有限公司北侖第二集裝箱碼頭分公司（以下簡稱“北二集司”）在對RTG遠程操作和自動化作業系統實施改造的過程中，設計采用多輸入多輸出技術和IEEE 802.11ac協議的雙腔波導管技術，以解決RTG遠程控制無線通信問題。經測試，該遠程控制無線通信方式具有高帶寬、低延時、抗干擾能力強和使用壽命長等優點。

1 波導管技術簡介

波導管是內壁光潔的空心金屬導管，用來傳輸厘米波段或毫米波段的電磁波，在本質上是一種特殊的天線。作為無線通信介質或媒介，波導管使無線電磁波匯聚在密封的腔體內傳播；腔體內壁的光潔度非常高，可使信號衰減率最小，從而延長信號源的傳輸距離。目前常用的裂縫波導管（見圖1）屬于表面型波導管，即在封閉的方管形鋁型材上垂直加工出多個一定寬度的裂縫，裂縫的間距和尺寸根據電磁波的波長確定，并要求具有極高的精度。

2 RTG遠程控制無線通信系統的帶寬需求

RTG遠程控制通信指機上控制設備和視頻前端設備與中控室控制臺、視頻后臺和存儲設備間的數據信號傳輸，其可分為三組數據信號傳輸。

第一組是控制數據信號傳輸，即：將RTG各個控制元件、驅動元器件的狀態傳輸到中控室控制臺的可編程邏輯控制器主站，同時，中控室的手柄操作指令需要傳送到現場RTG的可編程邏輯控制器的控制系統。控制數據信號傳輸是RTG遠程控制系統中的核心通信；但控制數據信號占用的帶寬并不大，僅為10 Mb/s。

第二組是視頻數據信號傳輸，其同樣為雙向傳輸，即：現場攝像頭拍攝的畫面需要通過數據鏈路傳回中控室，中控室的視頻控制數據信號需要傳送到攝像頭云臺。為了實現RTG的遠程控制功能，北二集司在RTG上共安裝24個攝像頭（見表1），其每秒顯示25幅？20分辨率的視頻圖像，碼流帶寬為3 Mb/s，24個攝像頭共占據帶寬72 Mb/s。

第三組是語音通信數據信號傳輸，其占用的帶寬不大（僅1 Mb/s），主要功能是采集和傳輸現場聲音信號并傳送至中控室，同時可以將中控室的通信數據信號傳送至作業現場的揚聲器等設備。

綜上所述，RTG遠程控制通信系統的帶寬需求約為100 Mb/s，其中20%是為未來設備升級所留的帶寬余量。

3 應用雙腔波導管技術設計RTG遠程控制無線通信系統

3.1 常規波導管無線通信技術的應用弊端

根據北二集司的集裝箱堆場作業情況，在長250 m的作業區域內安排2臺RTG進行作業，波導管無線通信系統必須同時滿足2臺RTG遠程控制信號傳輸帶寬需求（見圖2），即要求無線網絡帶寬為200 Mb/s；同時，為保證RTG作業安全，系統還須具備較強的抗干擾能力。目前已經在地鐵等領域成熟應用的波導管無線通信技術采用2.4 GHz無線頻段和IEEE 802.11n協議。2.4 GHz頻段屬于全世界公開

通用的無線頻段，大部分無線設備如對講機、無線計算機、家用電器等均使用該頻段工作，無線信號干擾強烈，無法保證通信質量。IEEE 802.11n協議單通道最高只能提供108 Mb/s的網絡帶寬，僅能滿足1臺RTG的通信需求；因此，普通的波導管無線通信技術無法滿足RTG遠程控制無線通信系統設計需求。

3.2 雙腔波導管通信技術方案

為了避免2.4 GHz無線頻段干擾強烈的弊端，有必要尋找新的抗干擾能力強的公共無線頻段。是繼2.4 GHz后新開發的無線頻段，其工作頻率高，具有速度快、抗干擾能力強等優點；但由于其波長較短，致使無線信號的穿透性和距離性偏弱。頻段能夠滿足北二集司RTG遠程控制無線通信系統的設計需求，因而以此為基礎來完成波導管的選型設計。

根據標準矩形波導管153-IEC標準，工作頻率符合5 GHz的標準矩形波導管型號為R48，其截面尺寸如圖3所示。R48波導管的標準長度有6 m、等。為了方便安裝和維修，北二集司選用長度為的R48波導管，以獲得較好的長度與質量配比。

為了解決IEEE 802.11n無線傳輸協議網絡帶寬不夠的問題，嘗試采用最新的IEEE 802.11ac協議。與IEEE 802.11n協議相比，IEEE 802.11ac協議單通道最大帶寬提升到866 Mb/s，有效支持5 GHz無線頻段，滿足RTG遠程控制無線通信系統設計需求。在實際測試中，受外部干擾源、信號損耗等因素的影響，IEEE 802.11ac協議的實際傳輸帶寬僅為200～ 300 Mb/s，并且不穩定；因此，單純采用最新的IEEE 802.11ac協議無法解決RTG遠程控制無線通信系統的帶寬和穩定性需求。鑒于此，創造性地采用2條波導管并行排列組成雙腔波導管（見圖4），由此實現系統的多輸入多輸出功能，使理論最大通信帶寬達到/s，大大提升無線通信系統的穩定性。

3.3 雙腔波導管通信系統的安裝

如圖5所示：雙腔波導管通過支架安裝在低架滑觸線立柱頂部，與原來的設備互不干涉；機載動力配電箱安裝在取電小車頂部；無線接收天線安裝在機載動力配電箱頂部。在RTG移動過程中，無線接收天線與雙腔波導管間的距離保持在200～之間，從而確保良好的通信質量。

為延長波導管的使用壽命，在波導管上安裝防護罩，預防波導管老化，并有效隔絕雨水、灰塵和鹽霧侵蝕。波導管之間采用法蘭連接，連接處加裝特制的防護罩。為了消除波導管的溫度形變和應力，波導管的固定支架采用滑動支架。

3.4 雙腔波導管通信系統測試

在RTG和遠程控制室的計算機上分別安裝帶寬測試軟件，測試雙腔波導管通信系統的帶寬、延時和信號穩定性：在1臺RTG進行遠程通信的情況下，網絡平均帶寬達到451 Mb/s，網絡延時不超過；在2臺RTG同時進行遠程通信的情況下，網絡平均帶寬達到121 Mb/s，網絡延時不超過1 ms。測試結果顯示，雙腔波導管通信系統達到RTG遠程控制無線通信要求，有效解決了RTG遠程控制中的通信難題。基于雙腔波導管通信技術的RTG遠程控制無線通信系統具有高帶寬、低延時以及抗干擾能力強和使用壽命長等優點，可為我國RTG遠程控制通信系統研發提供借鑒和參考。

（編輯：曹莉瓊 收稿日期：2018-06-04）