夏洪洁 蒋旻

轮胎式龙门起重机（rubber-tyred gantry crane，RTG）是集装箱码头堆场常用的装卸设备。RTG的轮胎可以自由转向，因此，RTG在堆场内的运行路线相对灵活多变，可以自由转场到达堆场任意位置作业。RTG的供电方式主要分为机载柴油发电机组供电和市政电网供电。为了响应国家节能减排的号召，宁波舟山港的RTG已全部改造为采用低架滑触线方案的市政电网供电方式，并且实现柴油发电机组供电方式与市政电网供电方式间的自由切换。低架滑触线电气系统依靠取电小车与低架滑触线接触进行连接，仅具有供电功能而不具备光纤通信功能。宁波港股份有限公司北仑第二集装箱码头分公司（以下简称“北二集司”）在对RTG远程操作和自动化作业系统实施改造的过程中，设计采用多输入多输出技术和IEEE 802.11ac协议的双腔波导管技术，以解决RTG远程控制无线通信问题。经测试，该远程控制无线通信方式具有高带宽、低延时、抗干扰能力强和使用寿命长等优点。

1 波导管技术简介

波导管是内壁光洁的空心金属导管，用来传输厘米波段或毫米波段的电磁波，在本质上是一种特殊的天线。作为无线通信介质或媒介，波导管使无线电磁波汇聚在密封的腔体内传播；腔体内壁的光洁度非常高，可使信号衰减率最小，从而延长信号源的传输距离。目前常用的裂缝波导管（见图1）属于表面型波导管，即在封闭的方管形铝型材上垂直加工出多个一定宽度的裂缝，裂缝的间距和尺寸根据电磁波的波长确定，并要求具有极高的精度。

2 RTG远程控制无线通信系统的带宽需求

RTG远程控制通信指机上控制设备和视频前端设备与中控室控制台、视频后台和存储设备间的数据信号传输，其可分为三组数据信号传输。

第一组是控制数据信号传输，即：将RTG各个控制元件、驱动元器件的状态传输到中控室控制台的可编程逻辑控制器主站，同时，中控室的手柄操作指令需要传送到现场RTG的可编程逻辑控制器的控制系统。控制数据信号传输是RTG远程控制系统中的核心通信；但控制数据信号占用的带宽并不大，仅为10 Mb/s。

第二组是视频数据信号传输，其同样为双向传输，即：现场摄像头拍摄的画面需要通过数据链路传回中控室，中控室的视频控制数据信号需要传送到摄像头云台。为了实现RTG的远程控制功能，北二集司在RTG上共安装24个摄像头（见表1），其每秒显示25幅？20分辨率的视频图像，码流带宽为3 Mb/s，24个摄像头共占据带宽72 Mb/s。

第三组是语音通信数据信号传输，其占用的带宽不大（仅1 Mb/s），主要功能是采集和传输现场声音信号并传送至中控室，同时可以将中控室的通信数据信号传送至作业现场的扬声器等设备。

综上所述，RTG远程控制通信系统的带宽需求约为100 Mb/s，其中20%是为未来设备升级所留的带宽余量。

3 应用双腔波导管技术设计RTG远程控制无线通信系统

3.1 常规波导管无线通信技术的应用弊端

根据北二集司的集装箱堆场作业情况，在长250 m的作业区域内安排2台RTG进行作业，波导管无线通信系统必须同时满足2台RTG远程控制信号传输带宽需求（见图2），即要求无线网络带宽为200 Mb/s；同时，为保证RTG作业安全，系统还须具备较强的抗干扰能力。目前已经在地铁等领域成熟应用的波导管无线通信技术采用2.4 GHz无线频段和IEEE 802.11n协议。2.4 GHz频段属于全世界公开

通用的无线频段，大部分无线设备如对讲机、无线计算机、家用电器等均使用该频段工作，无线信号干扰强烈，无法保证通信质量。IEEE 802.11n协议单通道最高只能提供108 Mb/s的网络带宽，仅能满足1台RTG的通信需求；因此，普通的波导管无线通信技术无法满足RTG远程控制无线通信系统设计需求。

3.2 双腔波导管通信技术方案

为了避免2.4 GHz无线频段干扰强烈的弊端，有必要寻找新的抗干扰能力强的公共无线频段。是继2.4 GHz后新开发的无线频段，其工作频率高，具有速度快、抗干扰能力强等优点；但由于其波长较短，致使无线信号的穿透性和距离性偏弱。频段能够满足北二集司RTG远程控制无线通信系统的设计需求，因而以此为基础来完成波导管的选型设计。

根据标准矩形波导管153-IEC标准，工作频率符合5 GHz的标准矩形波导管型号为R48，其截面尺寸如图3所示。R48波导管的标准长度有6 m、等。为了方便安装和维修，北二集司选用长度为的R48波导管，以获得较好的长度与质量配比。

为了解决IEEE 802.11n无线传输协议网络带宽不够的问题，尝试采用最新的IEEE 802.11ac协议。与IEEE 802.11n协议相比，IEEE 802.11ac协议单通道最大带宽提升到866 Mb/s，有效支持5 GHz无线频段，满足RTG远程控制无线通信系统设计需求。在实际测试中，受外部干扰源、信号损耗等因素的影响，IEEE 802.11ac协议的实际传输带宽仅为200～ 300 Mb/s，并且不稳定；因此，单纯采用最新的IEEE 802.11ac协议无法解决RTG远程控制无线通信系统的带宽和稳定性需求。鉴于此，创造性地采用2条波导管并行排列组成双腔波导管（见图4），由此实现系统的多输入多输出功能，使理论最大通信带宽达到/s，大大提升无线通信系统的稳定性。

3.3 双腔波导管通信系统的安装

如图5所示：双腔波导管通过支架安装在低架滑触线立柱顶部，与原来的设备互不干涉；机载动力配电箱安装在取电小车顶部；无线接收天线安装在机载动力配电箱顶部。在RTG移动过程中，无线接收天线与双腔波导管间的距离保持在200～之间，从而确保良好的通信质量。

为延长波导管的使用寿命，在波导管上安装防护罩，预防波导管老化，并有效隔绝雨水、灰尘和盐雾侵蚀。波导管之间采用法兰连接，连接处加装特制的防护罩。为了消除波导管的温度形变和应力，波导管的固定支架采用滑动支架。

3.4 双腔波导管通信系统测试

在RTG和远程控制室的计算机上分别安装带宽测试软件，测试双腔波导管通信系统的带宽、延时和信号稳定性：在1台RTG进行远程通信的情况下，网络平均带宽达到451 Mb/s，网络延时不超过；在2台RTG同時进行远程通信的情况下，网络平均带宽达到121 Mb/s，网络延时不超过1 ms。测试结果显示，双腔波导管通信系统达到RTG远程控制无线通信要求，有效解决了RTG远程控制中的通信难题。基于双腔波导管通信技术的RTG远程控制无线通信系统具有高带宽、低延时以及抗干扰能力强和使用寿命长等优点，可为我国RTG远程控制通信系统研发提供借鉴和参考。

（编辑：曹莉琼 收稿日期：2018-06-04）