★山東奧邦交通設施工程有限公司滕廣華

1　緒論

1.1　研究背景與意義

高速公路隧道是道路交通系統的重要基礎設施，其內部環境具有密閉性、延展性、弱通風等特征，一旦出現火災、有毒有害氣體泄漏、供電照明故障等情況，容易造成大面積交通中斷甚至群死群傷事故。因此，實現隧道環境參數的實時可監測、可預警，對提升道路運行安全水平意義重大。

目前我國大部分隧道環境監測系統依然以RS-485等有線通信方式為主。這種系統在通信穩定方面具有優勢，但施工布線麻煩、設備維護主要靠人工、系統擴展受限等情況，極大限制了隧道智能化管理的發展。特別是在長距離隧道中，布線工程費用高、施工時間長、后期維護受限等問題越來越明顯。無線通信技術的出現，為解決這些難題帶來了新思路^[1]。

LoRaWAN（Long　Range　Wide　Area　Network）是一種以LoRa調制方式為基礎的低功耗廣域網絡協議，具有距離遠（可達數公里）、能耗低、星型拓撲結構、組網方式靈活、抗干擾能力強等特點，適用于節點部署密度小、數據傳輸頻次低、環境復雜等應用場景。而高速公路隧道恰好滿足上述特點，因此LoRaWAN在高速公路隧道中的應用前景較好^[2]。

因此，進行基于LoRaWAN的隧道環境監測系統研究，有望實現對隧道內部氣體濃度、溫濕度、煙霧、光照強度等重要參數的及時采集、傳輸以及預警控制，從而改善監測系統的實時性和智能化程度、減輕工程布設與運維成本，并提升系統適應性。這在實際操作中對于LoRaWAN在交通基礎設施領域的應用落地有一定的參考意義，對于打造“智慧高速”體系也具備一定的工程實踐意義。

1.2　研究內容與論文結構安排

本研究主要圍繞LoRaWAN協議在高速公路隧道環境監測系統中的實際應用展開，主要從以下幾個方面進行研究：

首先，分析LoRaWAN協議的通信原理、網絡拓撲、設備分類機制以及它在隧道封閉、長距離環境下的應用情況，并與傳統通信方案比較，找出LoRaWAN在隧道監測場景中的技術優點及適合的使用情形。

其次，搭建整套隧道環境監測系統架構，包含終端節點、通信網關、網絡服務器以及應用平臺等，根據傳感器部署、通信協議、數據傳輸機制等方面內容，形成一套具備適應能力強、部署方式靈活等特點的系統架構。

最后，在實際的隧道場景中部署系統的原型，對系統的穩定性、通信距離、數據丟包率、功耗水平等進行測試與評估，驗證系統的有效性與可行性。

論文結構安排如下：第2章主要介紹了LoRaWAN通信協議相關技術，以及隧道環境監測系統的整體架構設計和通信機制；第3章是系統在實際隧道中應用過程的說明，包括具體的部署過程、測試過程以及測試的效果；第4章是研究總結，提出了后續的研究以及一些展望。

2　基于LoRaWAN的隧道環境檢測系統設計

2.1　LoRaWAN協議技術分析

LoRa是一種使用擴頻調制技術的遠距離無線通信技術，具有低功耗、抗干擾性強、速率可調等特點。LoRaWAN是在LoRa物理層的基礎上建立起來的媒體訪問控制（Media Access Control，MAC）層協議，具有網絡層管理能力，是物聯網通信領域中典型的低功耗廣域網（Low-Power Wide-Area Network，LPWAN）協議之一。LoRaWAN具有星型拓撲結構、分級設備管理（ClassA/B/C）和自適應數據速率（Adaptive Data Rate，ADR）的通信優化機制等特點^[3]。

在網絡拓撲上，LoRaWAN采用中心節點（網關）與多個終端節點（節點傳感器）相關聯的星型結構。不同于傳統多跳網狀結構，這種方式可以大大減少節點間的中繼依賴，便于網絡管理和系統擴展。ClassA節點支持最低功耗操作，在終端主動上報之后的短時間內監聽下行數據即可滿足大部分隧道監測的應用要求。

從安全性角度講，LoRaWAN設計了包括網絡層和應用層的雙層加密機制，保障了數據傳輸過程中的完整性及機密性。它還加入了AES-128位加密算法和設備唯一識別碼DevEUI，這樣可以預防他人監聽數據或者非法進入^[4]。

LoRaWAN協議的低頻率數據傳輸特點十分符合隧道環境監測需求。常見的隧道環境參數（溫濕度、CO濃度、煙霧濃度等）的采樣周期多為分鐘級，不需要高頻次傳輸，所以低速、低功耗的通信模型能夠有效延長設備續航時間，適用于電池供電的嵌入式節點。LoRaWAN的抗干擾機制和傳輸確認機制（Acknowledgement，ACK）也有利于保障監測數據的穩定可靠，避免了因通信中斷造成的監測漏洞。

從部署上看，LoRaWAN網關通常安裝在隧道口或者監控站，通過4G/5G無線通信網絡和外部服務器連接，形成了覆蓋數公里的網絡拓撲結構，不需要在隧道全程鋪設中繼或者交換機，從而減小了網絡施工的復雜性。總結上述特征，LoRaWAN在隧道環境里相對于傳統的有線通信或者短距離無線技術（比如Zigbee、Wi-Fi）來說存在明顯的優勢。

2.2　隧道環境監測系統結構設計

隧道環境監測系統的首要目標是完成對封閉環境內諸多參數的實時感知并加以數據管理。基于LoRaWAN的系統架構通常包含四個層次，即感知層、傳輸層、平臺層和應用層。各層之間功能劃分明確且相互配合，從而形成了高效又穩定的閉環數據流。

感知層上，系統布置各種類型的傳感器節點，有溫度、濕度、煙霧、CO/NOx濃度、照度等檢測模塊，都通過嵌入式MCU采集數據，再由LoRa通信模塊上傳。為了節省能耗，傳感器采取定時采樣的方式，而且其集成多參數變送器，提升了采集效率和硬件復用度。

傳輸層依靠LoRaWAN通信協議來完成終端節點和網關之間的雙向數據傳輸。網關收到數據之后通過以太網或者4G模塊接入互聯網，再傳送給平臺層。系統的設計能夠自由地調整網關的數量，從而符合各種長度以及彎道分布的隧道環境^[5]。

平臺層充當著數據處理中樞的角色，其采用云端或者本地服務器架構，數據庫存儲、通信協議解碼、中間件管理這些功能都由它來承載。平臺通過MQTT、HTTP等協議同前端網關或者客戶端開展交互，從而保證數據流轉既連續又安全。

應用層面上則是依托平臺的數據輸出各種業務功能，包括實時數據可視化、歷史趨勢圖、多級告警策略、遠程控制、維護日志管理等，給管理人員提供了高效、直觀的決策支持。

表1展示了各系統層級的關鍵組成與功能描述。

表1隧道監測系統結構設計表

2.3　設備通信與數據采集機制

2.3.1　基于LoRaWAN的通信與采集機制

LoRaWAN終端節點在隧道環境中主要承擔著數據采集與上報任務，通常配置為ClassA設備，工作流程如圖1所示。

在通信機制中，系統利用CAD（Channel Activity Detection）功能實現信道競爭檢測，當信道空閑時才允許數據包發送，避免頻繁重傳。ACK機制確保數據被平臺接收后返回確認幀，若超時無應答則觸發重發流程。整個過程充分體現了LoRaWAN協議的雙向通信能力與低功耗設計優勢。

圖1工作流程圖

2.3.2　傳統有線/短距無線通信方案分析與對比

為明確LoRaWAN在隧道場景下的優勢，本研究選取了目前常見的三種通信方式：RS-485/Modbus、Zigbee和Wi-Fi，與LoRaWAN方案從多個技術維度進行對比分析，結果如表2所示。

表2通信方案技術對比表

從對比結果可見，傳統有線方案雖然具備穩定通信優勢，但在隧道這種長距離、需防護的環境中布線極為困難。Zigbee和Wi-Fi在通信距離與功耗方面難以滿足要求。LoRaWAN則以遠距離、低功耗、集中式管理等特性，在綜合性能上更適合此類場景，具有較好的工程實施價值。

3　隧道環境監測系統實施與應用分析

3.1　系統部署方案與實施流程

隧道環境監測系統部署要顧及隧道結構的線性延伸特性、內部設施布局以及通風、電力系統等約束條件。在實際部署時，我們選取典型單洞隧道展開部署驗證。該隧道長度大概為2.6公里，內部被劃分成若干功能段落，包含進出口緩沖區、主行車區和維護通道。部署方案采取分段組網的方式，按照隧道走向和覆蓋半徑，每隔大約400米部署一個LoRa網關，從而維持通信冗余度和網絡連續性。

終端節點按照“功能優先、點位分散”來布設，既要保障監測覆蓋范圍，也要顧及傳感參數類型，溫濕度、煙霧、CO、光照強度等都在其中有所涉及。布設的時候，節點被固定在通風口、電纜廊道上方或者墻上的支架上，所有設備都做了防潮抗震的封裝處理，而且采用獨立電池組供電，可以做到長時間免維護運行。

系統實施流程包含五個階段：現場勘查、系統設計、硬件配置、網關調測以及平臺接入。部署完畢之后，系統依靠LoRaWAN網絡達成數據的遠距離雙向傳送，后臺平臺可以在部署當天執行節點注冊、數據同步以及功能驗證。驗證項包含網絡連通情況、數據接收是否完整、節點上報頻次以及異常告警機制。

3.2　隧道環境實時監測與數據管理

系統運行之后，能夠針對隧道內各個監測區域的環境數據實施實時感知并加以圖形化顯示。前端節點會以每分鐘為單位來采集環境數據，然后利用LoRaWAN通訊網絡把這些數據發給網關，最后再通過以太網或者4G鏈路傳到云平臺。該平臺設置了一個統一的數據接入接口，從而實現對多種不同設備所產生數據的融合管理。所有的數據經過解析并篩選之后都會被存入到云數據庫當中。

為了保證數據可用，平臺提供數據可視化，如多參數折線圖、柱狀圖、區域熱力圖等，巡檢人員可以直觀了解隧道當前的運行狀態。平臺還具有智能告警模塊，可根據用戶自定義的閾值判斷是否有異常。系統會以多種方式（短信、郵件、平臺推送）發送告警信息，減少告警時間。

數據管理層支持多維度的歷史數據檢索及導出，用戶可根據時間區段、設備編號、傳感器類型等條件進行查詢，方便后期運維統計以及事后溯源分析。同時該層支持平臺遠程維護，管理員可以對節點進行下發指令、遠程升級固件、日志下載等操作，大大提高了系統的可管控性及維護的便捷性。

3.3　實施效果評估與對比分析

3.3.1　數據傳輸性能評估（穩定性、延遲、丟包率）

系統部署完成后，我們在不同的通信距離下對LoRaWAN通信網絡的傳輸性能進行測試，測試指標包括數據平均延遲、丟包率、接收成功率。測試節點選擇具有代表性的6個節點，距離網關0.3～2.5km，每個節點在固定時間上報200個數據包，測試結果如表3所示。

表3數據傳輸性能測試結果

測試數據顯示，在通信距離不超過1.6公里的范圍內，系統平均延遲小于200毫秒，丟包率維持在3%以下，通信質量較為穩定。當距離進一步擴大至2.5公里，系統延遲上升至260毫秒，丟包率接近10%，但整體仍處于可接受區間，未影響預警數據的實時性。系統通過ACK機制補發部分丟包數據，在穩定性保障方面表現良好，能夠滿足高速隧道對監測數據連續性與及時性的基本要求。

3.3.2　能耗與維護成本對比

為綜合評估不同通信方案在運行成本方面的表現，我們對比了RS-485、Wi-Fi與LoRaWAN三種常用通信方式的節點能耗、維護周期與生命周期成本。數據來源為系統實施方提供的典型隧道維保記錄，統計結果如表4所示。

表4各通信方案能耗與維護成本對比

由表可見，LoRaWAN節點在年均能耗上顯著低于其他兩類技術，年維護頻率也遠低于RS-485與Wi-Fi系統。在設備生命周期（五年）內，LoRaWAN節點的整體運維成本控制在630元以內，僅為傳統有線系統的三分之一，顯示出明顯的經濟優勢。在長期隧道項目中，低功耗與長周期免維護能力對于大規模節點部署至關重要，因此LoRaWAN在后期成本控制方面展現出較強競爭力。

3.3.3　在典型隧道場景下的應用效果分析

該系統已經在某地山區的高速公路隧道內進行了部署并開始使用。其經過了1年左右的運行，在此期間發現了27起環境參數異常事件，這些事件中包含了12起關于CO濃度超限的情況、8起有關光照強度反常的現象和7起與濕度異常有關系的情形。在事件發生過程中，系統依靠自身平臺及時發送出警報并且推送給在場的工作人員，使得整個系統的運行過程中實現了7分鐘以內的閉合式應對過程，異常現象的解決率達到百分之百。在工作人員給出的反饋中顯示，該系統上線之后，大大減少了人工巡檢所需花費的間隔時間，提升了工作人員對突發故障問題的反應速率。尤其在夜間工作時和節假日休息日里，該系統具有較好的輔助維修效能。

關于系統的穩定性，在連續運行的90天中其沒有出現單點的通信中斷現象，節點正常上報率保持在97%以上。通過查看平臺后臺日志，LoRaWAN信道空閑率基本保持在40%～60%，說明網絡有比較大的冗余，可以支持后續的節點接入或者增加節點的上報頻率。

綜合實施效果表明，基于LoRaWAN的隧道環境監測系統具有工程應用可行性，在保證安全監測需求的基礎上，能夠降低工程成本與系統復雜程度，能夠滿足典型高速公路隧道對于環境檢測實時性、穩定性和低運維的綜合要求。

4　結論

本研究針對高速公路隧道這種典型線性、封閉環境的監測需求，創建了一套依靠LoRaWAN通信協議的環境監測系統，并從系統架構、通信機制、數據管理、實際部署等方面做了系統的設計和分析。實驗測試以及實際部署之后的結果表明，這套系統在通信穩定度、功耗控制、維修費用等多方面都有著較好的適應性。

在2.5公里隧道內實際使用時，系統保持著相對低的丟包率和延遲情況，傳輸性能大體上符合環境監測實時性需求。相比于傳統RS-485以及Wi-Fi方案來說，LoRaWAN在能耗控制及生命周期成本方面占據優勢，非常適合長距離、點位分散的隧道環境部署。

需要指出的是，當下系統在多網關協作、異常數據溯源分析這些層面仍有改善余地，在以后的研究當中可以嘗試融合邊緣計算能力，從而優化數據處理的效率，并融合AI算法實現環境信息的預測及分析，最終構建更加智能、更符合高速公路應用場景的環境檢測解決方案。

作者簡介：

滕廣華（1988-），男，山東濟南人，高級工程師，學士，現就職于山東奧邦交通設施工程有限公司，研究方向為交通設施智能化與信息控制研究。

參考文獻：

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摘自《自動化博覽》2025年9月刊