地鐵站施工中應急通信技術的現狀分析*

鄭學召 姜 鵬 劉會林 郭 軍 張嬿妮

(1. 西安科技大學安全科學與工程學院，710054， 西安； 2. 西安科技大學國家礦山應急救援西安研究中心，710054， 西安；3. 中鐵十六局集團有限公司，100018，北京//第一作者，副教授)

為了緩解城市的交通壓力，改善交通環(huán)境，很多城市開始建設地鐵來緩解交通問題。然而，其特有的地下隧道施工方式可能會引發(fā)嚴重的施工安全事故。

當事故發(fā)生時，指揮人員通過應急通信系統(tǒng)不但可以在第一時間對施工人員進行定位，了解事故現場情況，而且還可以指揮施工人員迅速撤離，減少人員傷亡。因此，在地鐵站施工過程中，建立靈活可靠的應急通信系統(tǒng)尤為重要，它能夠有效地避免事故惡化，減少國家的財產損失。

本文介紹了地鐵站施工中的應急通信技術，概述了現有技術的研究現狀，并提出了亟需解決的問題及發(fā)展趨勢，以期為今后地鐵站施工中應急通信技術的應用和研究提供參考。

1 地鐵站施工中應急通信技術

地鐵站施工中應急通信技術主要是針對施工過程中突發(fā)事件的通信保障手段。其目的是在發(fā)生突發(fā)事件時，能夠保持通信暢通，為施工人員迅速撤離危險區(qū)域提供便利。

在地鐵站施工過程中會產生大量粉塵。粉塵屬于有耗介質[3]，對電磁信號的傳輸會產生影響。而且在施工過程中，環(huán)境比較惡劣(例如空氣濕度大)，設備的故障率較高。因此，地鐵施工環(huán)境對于應急通信的抗干擾能力、抗故障能力和信號的服務半徑提出了更高的要求。在地鐵站施工過程中，發(fā)生突發(fā)事件時，指揮中心如果能在第一時間對施工人員的位置進行定位，并通過視、音頻了解現場情況，對于快速撤離施工人員、有效地減少人員傷亡和財產損失具有重大意義。因此，如何確定施工人員的位置信息，并利用多媒體通信指揮施工人員快速、安全、有效地撤離，已成為地鐵站施工中減少人員傷亡的關鍵。目前，地鐵站施工中的應急通信技術主要包括應急廣播、視頻監(jiān)控、人員定位、應急電話、應急告警、對講等技術。先進的應急通信技術對于地鐵站施工至關重要，能夠有效地提高應急效率，減少事故損失。

2 地鐵站施工中應急通信技術的研究現狀

從19世紀 60年代開始，歐美等國家不斷將應急通信新技術應用于地下隧道施工。20世紀 80年代美國將超低頻無線通信系統(tǒng)投入使用，90年代澳大利亞國家礦山技術開發(fā)公司研制超低頻透地PED(Productivity Enhancement Devicer)系統(tǒng)[4]。我國地鐵站施工中應急通信技術的研究起步較晚，通常采用的是電話通信方式。近年來，許多研究人員對地鐵站施工過程中的應急通信技術做了大量的研究，取得了矚目的成果。

2.1 應急廣播技術

應急廣播通信技術于20世紀60年代起源于美國，隨后在眾多科研人員的共同努力下該技術取得了較大發(fā)展，并在地鐵站施工中得以推廣應用，成為提示施工人員及時撤離的重要工具。20世紀80年代，美國的科研人員提出了IP(互聯(lián)網協(xié)議)網絡廣播組播的構想。90年代，IP應急網絡廣播技術已比較成熟。近幾年，研究人員通過對人員身份認證的方式，首次研發(fā)出了具有分組功能的IP應急網絡廣播技術。

近幾年，我國的應急廣播技術發(fā)展迅速，比較成熟的產品是KXT23型IP應急網絡廣播和KTK113型數字廣播。這兩種廣播都采用了以太網進行數字廣播的方式，實現了對講功能和自動播放功能。

以上應急廣播設備大多只有語音通訊功能，缺少如一鍵呼叫等應急功能，難以滿足地鐵站施工過程中應急通信的要求。針對這一問題，文獻[5]提出了一種應急廣播系統(tǒng)的設想，該系統(tǒng)具有一鍵呼叫功能。在災難發(fā)生時，操作人員摁下緊急操作鍵，便可在1 min之內通知所有的施工人員進行撤離，縮短了撤離時間，進一步減少了人員傷亡。在此基礎上，文獻[6]等研發(fā)了一種采用工業(yè)以太網進行語音傳輸的應急廣播系統(tǒng)，實現了自動定時播放、多路廣播、自動化系統(tǒng)聯(lián)動等功能。當事故發(fā)生時，系統(tǒng)通過已知的應急預案，可以自動執(zhí)行應急方案，指揮施工人員迅速撤離現場，提高應急效率。

2.2 視頻監(jiān)控技術

視頻監(jiān)控系統(tǒng)能夠真實地反映現場畫面，便于指揮人員迅速決策。在地鐵站施工過程中，發(fā)生突發(fā)事件時，指揮人員可以通過視頻監(jiān)控系統(tǒng)動態(tài)掌握施工人員的位置并能充分了解事故現場情況。因此，視頻監(jiān)控功能對于地鐵站施工中的應急通信技術具有不可或缺的作用。

20世紀90年代，美國MSA公司生產了DAN 6400安全監(jiān)測系統(tǒng)，德國BEBRO公司研制了PROMOS安全監(jiān)控系統(tǒng)[7]。這兩種系統(tǒng)融合了語音通信技術和視頻監(jiān)控技術，兼有監(jiān)控和通信功能，并且具有兼容多個監(jiān)控系統(tǒng)的功能，能夠覆蓋地鐵站施工過程的全部區(qū)域，為地鐵站施工安全提供保障。

國內在引進先進的視頻監(jiān)控技術的同時，也對地鐵站施工中的視頻監(jiān)控技術進行了廣泛而深入的研究，取得了較多的成果。文獻[8]研究出一種新型應急視頻監(jiān)控技術，該技術以ZigBee為基礎，利用中繼器建立一條無線通信鏈路，并通過紅外攝像頭對隧道內的施工人員進行視頻圖像采集。但由于地鐵隧道內的大型機械和粉塵的存在，對該技術的無線信號造成了一定影響。針對這一缺點，文獻[9]等設計了基于ADSL(非對稱數字用戶線)的遠程監(jiān)控系統(tǒng)，該系統(tǒng)具有先進的視頻監(jiān)控能力，穩(wěn)定性高，傳輸速率快。在事故發(fā)生時，它能夠及時準確地找到事發(fā)地點，提高應急效率。為了減少應急反應時間，重慶煤科院和常州煤科院研制出KJ90監(jiān)測監(jiān)控系統(tǒng)[10]、KJ95N型煤礦綜合監(jiān)控系統(tǒng)[11]等綜合監(jiān)控設備。這些系統(tǒng)能對地鐵站施工中的各個環(huán)節(jié)進行實時監(jiān)控，在發(fā)生緊急情況時，指揮中心可以立即采取應急措施，從而提高應急效率，減少人員傷亡。

2.3 人員定位技術

事故發(fā)生時，時間就是生命。如果指揮人員能夠快速準確地掌握施工人員的具體位置，可在一定程度上挽救遇險人員的生命，減少經濟損失。目前，地鐵站施工中的人員定位技術已經有了較大的發(fā)展。人員定位技術最早可以追溯到1991年南非德比爾公司使用的地下礦產運輸機自動測位系統(tǒng)[12]。1995年澳大利亞芒特艾薩公司研發(fā)了一種基于RFID(無線射頻識別)的人員定位系統(tǒng)[13]。該系統(tǒng)在施工人員的安全帽上設計了一個信號發(fā)射源，通過頂板的天線來接收發(fā)射源的信號，從而得知施工人員的具體位置信息；但該系統(tǒng)定位精度低，容易出現漏檢。南非設計了一種基于RFID新型人員定位系統(tǒng)，該系統(tǒng)具有定位速度快、定位準確率高、定位距離遠等優(yōu)點。

我國地鐵站施工人員定位技術的研究起步較晚[14]，國內主要采用的是KJ297型人員定位系統(tǒng)。該系統(tǒng)能實時監(jiān)測施工人員的位置，并能顯示出人員的運動軌跡。但該技術只能把施工人員定位在一定范圍內，并不能進行精準定位。針對這一缺陷，文獻[15]設計了一種基于ZigBee技術的人員定位系統(tǒng)，通過對讀卡器與標簽的設計，使該系統(tǒng)能夠對施工人員進行精準定位，提高了應急效率。在此基礎上，文獻[16]提出了將WSN(無線傳感器網絡)技術應用于人員定位技術的設想，通過對WSN算法的研究，提出了適合施工環(huán)境的節(jié)點布置方案，從而進行精準定位。

2.4 其他應急通信技術

當地鐵站施工過程中發(fā)生緊急事件時，現場的施工人員可以通過應急電話，在最短的時間內報告事故情況。同時，指揮人員可以通過應急電話指揮現場施工人員撤離，實現地面與事故現場的雙向交流。我國研制出一種應急電話，在接受外部控制信號時同路的電話都會發(fā)出聲光報警，可用于警示施工人員及時撤離危險區(qū)域。而且該電話內部裝有浮充電池組，當外部供電臨時中斷時，不會影響電話的使用。文獻[17]設計了一種采用光纖自愈環(huán)路傳輸鏈路的應急電話系統(tǒng)，不會因為鏈路出現斷點而使應急電話和指揮中心的通信中斷，使系統(tǒng)的可靠性有了顯著提高。

應急告警技術是地鐵站施工中應急通信的重要手段。北京市政工程研究院與北京交通大學聯(lián)合研制出TMIGS應急告警系統(tǒng)(多元信息遠程實時預警、風險管理及應急響應系統(tǒng))[18]。該系統(tǒng)在地鐵站施工中發(fā)生事故時可以通過警燈和鳴笛發(fā)出警報來警告施工人員迅速撤離危險區(qū)域，而且還可以利用隧道中的基站進行通信，使指揮人員能夠了解現場情況。

對講技術也是地鐵站施工中應急通信的常見手段。文獻[19]設計了一種基于ARM(Acorn RISC Machine)，具有雙向語音通信、一鍵呼救等功能的無線對講系統(tǒng)，為施工人員及時匯報現場情況提供了便利。文獻[20]設計了一種基于ZigBee的無線對講通信系統(tǒng)，該系統(tǒng)能在無外來電源的情況下長時間工作，且具有便攜式、自組網等特點。

3 亟需解決的問題及下一步研究建議

3.1 亟需解決的問題

目前，國內外學者對于地鐵站施工中應急通信技術進行了大量的研究，并取得了很大的進展，在一定程度上減少了地鐵站施工事故的傷亡人數。通過對應急通信技術的應用與研究現狀分析，發(fā)現有以下幾個亟需解決的主要問題：

(1) 地鐵站施工環(huán)境較復雜，對于人員定位技術提出了更高的要求。提高人員定位精度，減少數據誤差是地鐵站施工中的迫切需求。

(2) 目前，我國對于地鐵站施工中應急通信技術智能化的研究較少，應研發(fā)可以根據應急預案自主指揮施工人員撤離的功能。

(3) 地鐵站施工中，由于受到環(huán)境自身條件的影響和發(fā)射功率的限制，增加了應急通信的延時性，影響應急通信的質量。

3.2 下一步研究建議

根據地鐵站施工中應急通信技術的研究現狀和市場需求，我國地鐵站施工中的應急通信技術還有很大的發(fā)展空間。未來地鐵站施工應急通信技術將會向著響應時間更快捷、功能更完善的方向發(fā)展，現對下一步研究作如下建議：

(1) 進一步加強對于人員定位技術中的讀卡器和標簽研究，提高人員定位精度，減少數據誤差，從而提高應急效率，減少人員傷亡。

(2) 進一步加強地鐵站施工中應急通信技術智能化、集成化、模塊化的研究，完善自主應急功能，在發(fā)生事故時，可以縮短應急時間，提高效率。

(3) 加強地鐵站施工中應急通信系統(tǒng)接收信號的靈敏度，減少應急通信的延時性，提高應急通信的質量，減少應急反應時間，以提高應急效率。

4 結語

隨著科研人員不斷深入研究，地鐵站施工中應急通信技術取得了較大的進展。但地鐵站施工安全形勢依然嚴峻，仍需不斷加強應急通信技術的研究，研制具有創(chuàng)新性和革命性的新技術，特別是把智能化引入應急通信系統(tǒng)的研究與應用中，以便提高應急效率、減少人員傷亡和財產損失。與此同時，還要加大地鐵站施工安全管理力度以及應急通信建設的資金投入，這樣才能使地鐵站施工安全再上一個臺階。