輪胎式龍門起重機(jī)（rubber-tyred gantry crane，RTG）是集裝箱碼頭堆場(chǎng)常用的裝卸設(shè)備。RTG的輪胎可以自由轉(zhuǎn)向，因此，RTG在堆場(chǎng)內(nèi)的運(yùn)行路線相對(duì)靈活多變，可以自由轉(zhuǎn)場(chǎng)到達(dá)堆場(chǎng)任意位置作業(yè)。RTG的供電方式主要分為機(jī)載柴油發(fā)電機(jī)組供電和市政電網(wǎng)供電。為了響應(yīng)國(guó)家節(jié)能減排的號(hào)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(wǎng)供電方式，并且實(shí)現(xiàn)柴油發(fā)電機(jī)組供電方式與市政電網(wǎng)供電方式間的自由切換。低架滑觸線電氣系統(tǒng)依靠取電小車與低架滑觸線接觸進(jìn)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**集裝箱碼頭分公司（以下簡(jiǎn)稱“北二集司”）在對(duì)RTG遠(yuǎn)程操作和自動(dòng)化作業(yè)系統(tǒng)實(shí)施改造的過(guò)程中，設(shè)計(jì)采用多輸入多輸出技術(shù)和 IEEE 802.11ac 協(xié)議的雙腔波導(dǎo)管技術(shù)，以解決RTG遠(yuǎn)程控制無(wú)線通信問(wèn)題。經(jīng)測(cè)試，該遠(yuǎn)程控制無(wú)線通信方式具有高帶寬、低延時(shí)、抗干擾能力強(qiáng)和使用壽命長(zhǎng)等優(yōu)點(diǎn)。
1 波導(dǎo)管技術(shù)簡(jiǎn)介
波導(dǎo)管是內(nèi)壁光潔的空心金屬導(dǎo)管，用來(lái)傳輸厘米波段或毫米波段的電磁波，在本質(zhì)上是一種特殊的天線。作為無(wú)線通信介質(zhì)或媒介，波導(dǎo)管使無(wú)線電磁波匯聚在密封的腔體內(nèi)傳播；腔體內(nèi)壁的光潔度非常高，可使信號(hào)衰減率*小，從而延長(zhǎng)信號(hào)源的傳輸距離。目前常用的裂縫波導(dǎo)管（見(jiàn)圖 1）屬于表面型波導(dǎo)管，即在封閉的方管形鋁型材上垂直加工出多個(gè)一定寬度的裂縫，裂縫的間距和尺寸根據(jù)電磁波的波長(zhǎng)確定，并要求具有極高的精度。
2 RTG 遠(yuǎn)程控制無(wú)線通信系統(tǒng)的帶寬需求
RTG 遠(yuǎn)程控制通信指機(jī)上控制設(shè)備和視頻前端設(shè)備與中控室控制臺(tái)、視頻后臺(tái)和存儲(chǔ)設(shè)備間的數(shù)據(jù)信號(hào)傳輸，其可分為三組數(shù)據(jù)信號(hào)傳輸。
**組是控制數(shù)據(jù)信號(hào)傳輸，即：將RTG各個(gè)控制元件、驅(qū)動(dòng)元器件的狀態(tài)傳輸?shù)街锌厥铱刂婆_(tái)的可編程邏輯控制器主站，同時(shí)，中控室的手柄操作指令需要傳送到現(xiàn)場(chǎng) RTG 的可編程邏輯控制器的控制系統(tǒng)?？刂茢?shù)據(jù)信號(hào)傳輸是RTG遠(yuǎn)程控制系統(tǒng)中的核心通信；但控制數(shù)據(jù)信號(hào)占用的帶寬并不大，僅為 10 Mb/s。
**組是視頻數(shù)據(jù)信號(hào)傳輸，其同樣為雙向傳
輸，即：現(xiàn)場(chǎng)攝像頭拍攝的畫面需要通過(guò)數(shù)據(jù)鏈路傳回中控室，中控室的視頻控制數(shù)據(jù)信號(hào)需要傳送到攝像頭云臺(tái)。為了實(shí)現(xiàn)RTG的遠(yuǎn)程控制功能，北二集司在RTG上共安裝 24 個(gè)攝像頭（見(jiàn)表 1），其每秒顯示 25 幅 1 280×720 分辨率的視頻圖像，碼流帶寬為 3 Mb/s，24 個(gè)攝像頭共占據(jù)帶寬 72 Mb/s。
第三組是語(yǔ)音通信數(shù)據(jù)信號(hào)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(xiàn)場(chǎng)聲音信號(hào)并傳送至中控室，同時(shí)可以將中控室的通信數(shù)據(jù)信號(hào)傳送至作業(yè)現(xiàn)場(chǎng)的揚(yáng)聲器等設(shè)備。
綜上所述，RTG遠(yuǎn)程控制通信系統(tǒng)的帶寬需求約為 100 Mb/s，其中 20%是為未來(lái)設(shè)備升級(jí)所留的帶寬余量。
3 應(yīng)用雙腔波導(dǎo)管技術(shù)設(shè)計(jì) RTG 遠(yuǎn)程控制無(wú)線通信系統(tǒng)
3.1 常規(guī)波導(dǎo)管無(wú)線通信技術(shù)的應(yīng)用弊端
根據(jù)北二集司的集裝箱堆場(chǎng)作業(yè)情況，在長(zhǎng)250 m的作業(yè)區(qū)域內(nèi)安排2臺(tái)RTG進(jìn)行作業(yè)，波導(dǎo)管無(wú)線通信系統(tǒng)必須同時(shí)滿足2臺(tái)RTG遠(yuǎn)程控制信號(hào)傳輸帶寬需求（見(jiàn)圖2），即要求無(wú)線網(wǎng)絡(luò)帶寬為200Mb/s；同時(shí)，為保證RTG作業(yè)安全，系統(tǒng)還須具備較強(qiáng)的抗干擾能力。目前已經(jīng)在地鐵等領(lǐng)域成熟應(yīng)用的波導(dǎo)管無(wú)線通信技術(shù)采用 2.4 GHz 無(wú)線頻段和IEEE 802.11n協(xié)議。2.4 GHz頻段屬于全世界公開(kāi)通用的無(wú)線頻段，大部分無(wú)線設(shè)備如對(duì)講機(jī)、無(wú)線計(jì)算機(jī)、家用電器等均使用該頻段工作，無(wú)線信號(hào)干擾強(qiáng)烈，無(wú)法保證通信質(zhì)量。IEEE 802.11n 協(xié)議單通道*高只能提供 108 Mb/s 的網(wǎng)絡(luò)帶寬，僅能滿足 1 臺(tái) RTG 的通信需求；因此，普通的波導(dǎo)管無(wú)線通信技術(shù)無(wú)法滿足 RTG 遠(yuǎn)程控制無(wú)線通信系統(tǒng)設(shè)計(jì)需求。
3.2 雙腔波導(dǎo)管通信技術(shù)方案
為了避免 2.4 GHz 無(wú)線頻段干擾強(qiáng)烈的弊端，有必要尋找新的抗干擾能力強(qiáng)的公共無(wú)線頻段。5 GHz 是繼2.4 GHz后新開(kāi)發(fā)的無(wú)線頻段，其工作頻率高，具有速度快、抗干擾能力強(qiáng)等優(yōu)點(diǎn)；但由于其波長(zhǎng)較短，致使無(wú)線信號(hào)的穿透性和距離性偏弱。5 GHz 頻段能夠滿足北二集司RTG遠(yuǎn)程控制無(wú)線通信系統(tǒng)的設(shè)計(jì)需求，因而以此為基礎(chǔ)來(lái)完成波導(dǎo)管的選型設(shè)計(jì)。
根據(jù)標(biāo)準(zhǔn)矩形波導(dǎo)管153-IEC標(biāo)準(zhǔn)，工作頻率符合 5 GHz的標(biāo)準(zhǔn)矩形波導(dǎo)管型號(hào)為R48，其截面尺寸如圖 3 所示。R48 波導(dǎo)管的標(biāo)準(zhǔn)長(zhǎng)度有 6 m、12 m
等。為了方便安裝和維修，北二集司選用長(zhǎng)度為 6 m的R48 波導(dǎo)管，以獲得較好的長(zhǎng)度與質(zhì)量配比。
為了解決IEEE 802.11n無(wú)線傳輸協(xié)議網(wǎng)絡(luò)帶寬不夠的問(wèn)題，嘗試采用*新的IEEE 802.11ac協(xié)議。與IEEE 802.11n協(xié)議相比，IEEE 802.11ac協(xié)議單通道*大帶寬提升到 866 Mb/s，有效支持 5 GHz無(wú)線頻段，滿足RTG遠(yuǎn)程控制無(wú)線通信系統(tǒng)設(shè)計(jì)需求。在實(shí)際測(cè)試中，受外部干擾源、信號(hào)損耗等因素的影響，IEEE 802.11ac協(xié)議的實(shí)際傳輸帶寬僅為 200~300 Mb/s，并且不穩(wěn)定；因此，單純采用*新的IEEE802.11ac協(xié)議無(wú)法解決RTG遠(yuǎn)程控制無(wú)線通信系統(tǒng)的帶寬和穩(wěn)定性需求。鑒于此，創(chuàng)造性地采用 2 條波導(dǎo)管并行排列組成雙腔波導(dǎo)管（見(jiàn)圖 4），由此實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)的多輸入多輸出功能，使理論*大通信帶寬達(dá)到 1 732 Mb/s，大大提升無(wú)線通信系統(tǒng)的穩(wěn)定性。
3.3 雙腔波導(dǎo)管通信系統(tǒng)的安裝
如圖 5 所示：雙腔波導(dǎo)管通過(guò)支架安裝在低架滑觸線立柱頂部，與原來(lái)的設(shè)備互不干涉；機(jī)載動(dòng)力配電箱安裝在取電小車頂部；無(wú)線接收天線安裝在機(jī)載動(dòng)力配電箱頂部。在RTG移動(dòng)過(guò)程中，無(wú)線接收天線與雙腔波導(dǎo)管間的距離保持在 200~300 mm之間，從而確保良好的通信質(zhì)量。
為延長(zhǎng)波導(dǎo)管的使用壽命，在波導(dǎo)管上安裝防護(hù)罩，預(yù)防波導(dǎo)管老化，并有效隔絕雨水、灰塵和鹽霧侵蝕。波導(dǎo)管之間采用法蘭連接，連接處加裝特制的防護(hù)罩。為了消除波導(dǎo)管的溫度形變和應(yīng)力，波導(dǎo)管的固定支架采用滑動(dòng)支架。
3.4 雙腔波導(dǎo)管通信系統(tǒng)測(cè)試
在 RTG 和遠(yuǎn)程控制室的計(jì)算機(jī)上分別安裝帶寬測(cè)試軟件，測(cè)試雙腔波導(dǎo)管通信系統(tǒng)的帶寬、延時(shí)和信號(hào)穩(wěn)定性：在 1 臺(tái)RTG進(jìn)行遠(yuǎn)程通信的情況下，網(wǎng)絡(luò)平均帶寬達(dá)到 451 Mb/s，網(wǎng)絡(luò)延時(shí)不超過(guò)1 ms；在2 臺(tái)RTG同時(shí)進(jìn)行遠(yuǎn)程通信的情況下，網(wǎng)絡(luò)平均帶寬達(dá)到 121 Mb/s，網(wǎng)絡(luò)延時(shí)不超過(guò) 1 ms。測(cè)試結(jié)果顯示，雙腔波導(dǎo)管通信系統(tǒng)達(dá)到RTG遠(yuǎn)程控制無(wú)線通信要求，有效解決了RTG遠(yuǎn)程控制中的通信難題?；陔p腔波導(dǎo)管通信技術(shù)的RTG遠(yuǎn)程控制無(wú)線通信系統(tǒng)具有高帶寬、低延時(shí)以及抗干擾能力強(qiáng)和使用壽命長(zhǎng)等優(yōu)點(diǎn)，可為我國(guó)RTG遠(yuǎn)程控制通信系統(tǒng)研發(fā)提供借鑒和參考。
