无线网络在港口控制系统中的应用分析

无线网络在港口控制系统中的应用分析

蒋玉龙211202198801091273

摘要：随着无线网络技术的快速发展，无线网络控制系统（Wireless Networked Control Systems，WNCS）已广泛应用于工业自动领域。然而，由于无线网络的带宽限制、传输延迟、覆盖区域，经济型指标等不确定因素，用户在选择具体技术方案时，难以确定最优解。本文旨在探讨WNCS应用案例的两类实施方案，通过分析比较，确定其各自的特点。

关键词：控制系统；港口应用；无线网络；

1.引言

无线网络控制系统通过无线网络实现用户生产运营中的信息传输，具有灵活性和可扩展性。本文主要探讨在一个港区工程中无线网络覆盖案例，通过研究WNCS的实施技术方案，进行分析，对相似的工程的WNCS研究具有重要意义。

2.工程需求和现场条件

港区拟建无线全覆盖数据通讯网络系统一套，信号覆盖整个生产作业区，场地面积约为1500*1000 平方米。主要用于以下业务需求：

1）为港口装卸船机和堆场堆取料机增加 RCMS（remote crane monitoring system，大机远程监控系统）信息回传业务；

2）为点检手持终端提供相应的实时数据交互业务；

3）为疏港运输车辆提供定位数据和扫卡数据的实施交互业务。

堆场内部布置有 10 台堆取料设备及 10 条 1150 米长的堆场，堆场内货物堆存高度按照14米高标准设计，堆存货物垛与垛之间按照10米间距堆存。见图1

图1 港区堆场平面图

3.WNCS中主要性能指标的影响

3.1 系统性能：直接影响到数据从发送端到接收端的传输速度。这可能导致系统整体性能的下降。特别是在需要实时响应的系统中，如自动化流程控制、远程控制等，在这类场景可能引发更严重的问题。

3.2 稳定性：在WNCS中，控制信号需要通过无线网络进行传输，如果控制信号无法及时到达执行设备，将导致系统无法按照预期进行响应，进而影响整个系统的稳定性。

3.3 数据同步：控制系统在WNCS中要求多个设备或节点之间保持数据同步以确保系统正常运行。然而，数据同步可能出现问题，例如，在某些情况下，一个设备可能接收到过时的数据，这可能导致系统出现错误或不一致的行为。

3.4 用户体验：对于使用WNCS提供服务的用户来说，用户体验是相当重要的指标。例如，在远程监控或控制应用中，用户无法及时获取到系统的实时状态或控制效果，卡顿将大大影响用户的使用体验。

因此，在设计和实施WNCS时，需要充分考虑各种的影响，并采取相应的方案和设备，以优化系统的稳定性、实时性和用户体验。

4.WNCS的实施方案案例分析

4.1 解决方案简介

（1）采用LTE微基站方式，微基站的优势包括以下两个方面。第一，微基站是小型化的一种无线基站设备，其体积和功耗远远小于传统的大型基站。这使得微基站可以更加灵活地部署在不同的环境中，并满足不同的网络通信需求。第二，，微基站具有智能化的网络管理和监控功能，运营商能够提供远程监控和管理的服务，用户能够及时发现和处理网络中出现的问题，提高网络的稳定性和可靠性。

LTE网络采用1400MHz频段频率，具有无线传播条件好、数据吞吐量大、全IP网络架构、安全可靠等特点。此外一个缺点是此网络核心和基站的建设由运营商负责完成，建成后需要使用方按期交付使用费。

（2）采用无线网络AP覆盖方式，在港区生产作业区高处部署AP设备点，需要对部分电气和信息线路进行升级，施工量较大，而且存在堆场中间有盲区的风险。优点是无需后续的持续性费用。

4.2 具体实施方案

4.2.1 LTE解决方案：

（1）Witen（Wideband Trunking Enterprise Network）是专业的无线宽带集群解决方案，它基于TD-LTE技术，在一张网络内同时提供专业级的语音集群、宽带数据传输、高清视频监控及视频调度等丰富的多媒体通信手段。同时在网络的安全性、可靠性、可扩展性等方面具有强大的技术优势，广泛应用于公共安全、交通运输、港口、电力、煤矿、石化、政务、军队等多个行业和领域。

（2）网络架构

BBU 是基带控制单元，安装在机房，通过10km以内的光缆与机房内核心网设备连接。

（3）考虑堆场实际位置和覆盖业务需求，拟在图2所示建设微基站，以期对现有的场地和需求实现覆盖，进行实地测试。

图2 微基站模拟建设图

4.2.1 AP解决方案：

（1）系统概述：无线局域网遵循 IEEE802.11b/g/n 标准，网络协议为 TCP/IP 协议。通过接入交换机与数据中心互联，为港区大机设备、疏港运输车辆、点检系统、RCMS系统等建立无线传输通道。

（2）在堆场四周有25根约30米的高杆灯（北侧 8 根、南侧 7 根、东西两侧各 5 根），在每个30米高杆灯上部署1台AP。如图3所示。

图3 高杆灯AP模拟布置图

4.3 实地测试

通过模拟建站的方式，测算不同方案各位置的信号强度。LTE微基站方案建立一个模拟站、AP方案设置两个对向AP设备点。在场地内选择多个“特征点”进行无线通信测试，通过手持终端查看特征点位置的无线信号质量、通信信号质量、业务软件运行等等，来验证无线基站系统的“覆盖范围”。

通过Ping包测试来测试WNCS的稳定性和可靠性，能够得到无线网的丢包率和时延参数。连续 Ping 包数量设为50个，发包间隔1秒。

1台无线CPE客户端外接2副8dBi全向天线。并记录信号强度。CPE本地连接笔记本电脑，可以监控和收集无线网络信号的相关参数，可以实时查看测试点上的无线SSID、接入信号强度、AP的无线信道等信息。信号强度测试结果见下表：

4. 测试总结分析

LTE微基站方案测试过程中，虽然多点的信号都在-100以下，但通过对向覆盖和方向调整的方式，可以满足现有的业务和覆盖需求。

AP覆盖方案中，信号强度已满足现有的业务和覆盖需求，25台无线AP的实施方案，理论上能实现信号完全冗余覆盖。

两方案均为发生丢包情况，系统性能稳定性良好。

5.结束语

本文探讨了WNCS中的两种实施策略，并分析了其各自的特点。结果表明，采用不同精细的技术方案可以完成同样的用户需求。然而，本文仅考虑了港区的用户使用需求和不同的技术方案，并未对不同方案的实施成本进行分析。未来工作将考虑成本因素的影响，并进一步研究更有效的用户策略。

参考文献：

[1]无线多跳网络控制系统中的调度与控制协同设计[D]. 袁征. 浙江工业大学，2020.

[2]网络化系统的时延控制策略[D]. 林玉娟. 北京化工大学，2015.