轨道交通隧道内无线电波传播特性的预测建模与仿真(3)
1.2 铁路隧道环境电波传播路径损耗特性的历史与现状
自从 1887 年 Heinrich Hertz 在实验室成功检测到由火花隙发射机(spark gaptransmitter)发出的无线电波以来，短短 100 余年，无线电科学的发展日新月异，硕果累累。1897 年意大利科学家马可尼(Gugleilmo M Marconi)利用无线电波进行信息传输获得了成功，标志着人类通信方式从传统的邮差驿站、飞鸽传书向现代高技术通信迈出了坚实的一步，具有划时代的意义。
无线通信由于具有成本低、安装文护方便、移动性以及对于地震、火灾、人为破坏的抵抗力，逐渐成为现代高技术通信的最主要手段；此外，海、陆、空之间，移动的交通工具、人群之间，星际之间等只有借助无线通信才能实现信息的高效、可靠传输。20 世纪中后期，社会由生产型向信息社会过渡，人们希望实现任何人，在任何时间，任何地点都能获得全时空信息交换的理想目标。实践证明，只有无线通信可以实现这一目标。
很久以来，隧道环境一直是人类社会的重要活动场所之一。特别是工业化社会之后，工业生产所需的各种能源及原材料多数来源于地下矿藏。而地下矿藏的开采主要都是通过建立地下复杂的采矿隧道系统进行开采。与此同时，工业化社会的发展，也要求有高度发达的交通运输系统，大量地下采矿隧道、公路隧道及海底隧道相继建成，更多的隧道正在建设及计划中。隧道环境也是国防工程的重要防御设施。战争时期，特别是二战中，世界各国都建造了大量的地下工程（例如希特勒在首相府下建立的庞大复杂的地下指挥系统），这些地下工程在战争中发挥了重要的作用，战后也可作为存储货物、居住之用。
现代通信系统（以光、电信号为传播信息载体的通信系统）以极快的通信速度、极大的通信容量使人类的通信方式发生革命性的变革。几乎任何现代人类活动都离不开通信系统，人们在隧道环境内的生产生活，更是如此。矿井隧道中生产的调度，监控，工作人员之间的协调离不开现代通信系统。铁路及公路隧道中，现代通信更是发挥着不可或缺的作用。专用通信系统提供车辆的调度、指挥、监控，保证了车辆的安全准时运行；民用通信系统传输多媒体信息，提供娱乐服务及语音通信；尤其在突发状态下，建立良好的通信系统，能够为应急处理突发状态提供必要的保障。
1.3 国内外主要解决方法比较分析
早在十九世纪二十年代，科研工作者就发现，电波在隧道环境中传播特性不同于其它开放空间，较低频段的电波在隧道中传播效率很差。很长时间，隧道环境中电波的传播研究主要采用试验的方法，缺少理论的支持。其间人们发现，单芯或双芯电缆以及泄露电缆可以改善电波在隧道中的传播。直到 1968 年前后，在欧洲钢铁煤炭委员会、英国国家煤炭部、美国矿产局的支持下，开展了大规模的电波在隧道中的传播研究。
文献[12]从波模理论出发，研究电磁波在隧道中的传播现象。文献[1]给出了矩形隧道中各种波模的传播理论损耗率。然而，理论值与实际的测量值存在一定的误差。作者进一步研究了隧道壁粗糙度引起的模式转换损耗、隧道壁倾斜引起的损耗。考虑到这两种损耗，文中提出的模型能较准确预测电波在隧道中的传播损耗。文献[3]引入边界元方法(Boundary Element Method-BEM)以及表面阻抗近似方法(Surface Impedance Approximation-SIA) 来求解边值问题的波传播方程。在隧道的拐角处设置理想的反射物，可以改善拐角处的电波传播，减少损耗。文献[5]研究了电波衰减率与隧道壁材料电磁特性的关系。在许多情况下，电导率对传播特性的影响可以忽略不计，因为一般情况下电导率的值较小。但是在大电导率情况下，比如金属矿隧道，必须考虑电导率的影响。电波衰减率的大小是由隧道的截面尺寸，电波频率，电导率及介电常数等因素决定的。介电常数对不同模式的电波传播衰减率影响不同。文献[2]认为，利用波模方程对空隧道环境的电磁波传播进行理论研究时，只有标准圆形隧道的边界条件可以匹配，其它形状的隧道，即使是简单的矩形，其边界条件也难以匹配。频率不超过几十兆赫兹时，隧道中导行电磁波的传播特性主要与隧道的截面积有关，而与截面形状关系不大。不妨将隧道等效为圆形来进行研究。
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