鄭學(xué)召 姜 鵬 劉會(huì)林 郭 軍 張嬿妮

(1. 西安科技大學(xué)安全科學(xué)與工程學(xué)院，710054， 西安； 2. 西安科技大學(xué)國家礦山應(yīng)急救援西安研究中心，710054， 西安；3. 中鐵十六局集團(tuán)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(shè)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(huì)引發(fā)嚴(yán)重的施工安全事故。

當(dāng)事故發(fā)生時(shí)，指揮人員通過應(yīng)急通信系統(tǒng)不但可以在第一時(shí)間對(duì)施工人員進(jìn)行定位，了解事故現(xiàn)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(yīng)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(cái)產(chǎn)損失。

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

1 地鐵站施工中應(yīng)急通信技術(shù)

地鐵站施工中應(yīng)急通信技術(shù)主要是針對(duì)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(shí)，能夠保持通信暢通，為施工人員迅速撤離危險(xiǎn)區(qū)域提供便利。

在地鐵站施工過程中會(huì)產(chǎn)生大量粉塵。粉塵屬于有耗介質(zhì)[3]，對(duì)電磁信號(hào)的傳輸會(huì)產(chǎn)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(shè)備的故障率較高。因此，地鐵施工環(huán)境對(duì)于應(yīng)急通信的抗干擾能力、抗故障能力和信號(hào)的服務(wù)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(shí)，指揮中心如果能在第一時(shí)間對(duì)施工人員的位置進(jìn)行定位，并通過視、音頻了解現(xiàn)場情況，對(duì)于快速撤離施工人員、有效地減少人員傷亡和財(cái)產(chǎn)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(guān)鍵。目前，地鐵站施工中的應(yīng)急通信技術(shù)主要包括應(yīng)急廣播、視頻監(jiān)控、人員定位、應(yīng)急電話、應(yīng)急告警、對(duì)講等技術(shù)。先進(jìn)的應(yīng)急通信技術(shù)對(duì)于地鐵站施工至關(guān)重要，能夠有效地提高應(yīng)急效率，減少事故損失。

2 地鐵站施工中應(yīng)急通信技術(shù)的研究現(xiàn)狀

從19世紀(jì) 60年代開始，歐美等國家不斷將應(yīng)急通信新技術(shù)應(yīng)用于地下隧道施工。20世紀(jì) 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(shù)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(yīng)急通信技術(shù)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(duì)地鐵站施工過程中的應(yīng)急通信技術(shù)做了大量的研究，取得了矚目的成果。

2.1 應(yīng)急廣播技術(shù)

應(yīng)急廣播通信技術(shù)于20世紀(jì)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(shù)取得了較大發(fā)展，并在地鐵站施工中得以推廣應(yīng)用，成為提示施工人員及時(shí)撤離的重要工具。20世紀(jì)80年代，美國的科研人員提出了IP(互聯(lián)網(wǎng)協(xié)議)網(wǎng)絡(luò)廣播組播的構(gòu)想。90年代，IP應(yīng)急網(wǎng)絡(luò)廣播技術(shù)已比較成熟。近幾年，研究人員通過對(duì)人員身份認(rèn)證的方式，首次研發(fā)出了具有分組功能的IP應(yīng)急網(wǎng)絡(luò)廣播技術(shù)。

近幾年，我國的應(yīng)急廣播技術(shù)發(fā)展迅速，比較成熟的產(chǎn)品是KXT23型IP應(yīng)急網(wǎng)絡(luò)廣播和KTK113型數(shù)字廣播。這兩種廣播都采用了以太網(wǎng)進(jìn)行數(shù)字廣播的方式，實(shí)現(xiàn)了對(duì)講功能和自動(dòng)播放功能。

以上應(yīng)急廣播設(shè)備大多只有語音通訊功能，缺少如一鍵呼叫等應(yīng)急功能，難以滿足地鐵站施工過程中應(yīng)急通信的要求。針對(duì)這一問題，文獻(xiàn)[5]提出了一種應(yīng)急廣播系統(tǒng)的設(shè)想，該系統(tǒng)具有一鍵呼叫功能。在災(zāi)難發(fā)生時(shí)，操作人員摁下緊急操作鍵，便可在1 min之內(nèi)通知所有的施工人員進(jìn)行撤離，縮短了撤離時(shí)間，進(jìn)一步減少了人員傷亡。在此基礎(chǔ)上，文獻(xiàn)[6]等研發(fā)了一種采用工業(yè)以太網(wǎng)進(jìn)行語音傳輸?shù)膽?yīng)急廣播系統(tǒng)，實(shí)現(xiàn)了自動(dòng)定時(shí)播放、多路廣播、自動(dòng)化系統(tǒng)聯(lián)動(dòng)等功能。當(dāng)事故發(fā)生時(shí)，系統(tǒng)通過已知的應(yīng)急預(yù)案，可以自動(dòng)執(zhí)行應(yīng)急方案，指揮施工人員迅速撤離現(xiàn)場，提高應(yīng)急效率。

2.2 視頻監(jiān)控技術(shù)

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

20世紀(jì)90年代，美國MSA公司生產(chǎn)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(shù)和視頻監(jiān)控技術(shù)，兼有監(jiān)控和通信功能，并且具有兼容多個(gè)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(nèi)在引進(jìn)先進(jìn)的視頻監(jiān)控技術(shù)的同時(shí)，也對(duì)地鐵站施工中的視頻監(jiān)控技術(shù)進(jìn)行了廣泛而深入的研究，取得了較多的成果。文獻(xiàn)[8]研究出一種新型應(yīng)急視頻監(jiān)控技術(shù)，該技術(shù)以ZigBee為基礎(chǔ)，利用中繼器建立一條無線通信鏈路，并通過紅外攝像頭對(duì)隧道內(nèi)的施工人員進(jìn)行視頻圖像采集。但由于地鐵隧道內(nèi)的大型機(jī)械和粉塵的存在，對(duì)該技術(shù)的無線信號(hào)造成了一定影響。針對(duì)這一缺點(diǎn)，文獻(xiàn)[9]等設(shè)計(jì)了基于ADSL(非對(duì)稱數(shù)字用戶線)的遠(yuǎn)程監(jiān)控系統(tǒng)，該系統(tǒng)具有先進(jìn)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(shí)，它能夠及時(shí)準(zhǔn)確地找到事發(fā)地點(diǎn)，提高應(yīng)急效率。為了減少應(yīng)急反應(yīng)時(shí)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(shè)備。這些系統(tǒng)能對(duì)地鐵站施工中的各個(gè)環(huán)節(jié)進(jìn)行實(shí)時(shí)監(jiān)控，在發(fā)生緊急情況時(shí)，指揮中心可以立即采取應(yīng)急措施，從而提高應(yīng)急效率，減少人員傷亡。

2.3 人員定位技術(shù)

事故發(fā)生時(shí)，時(shí)間就是生命。如果指揮人員能夠快速準(zhǔn)確地掌握施工人員的具體位置，可在一定程度上挽救遇險(xiǎn)人員的生命，減少經(jīng)濟(jì)損失。目前，地鐵站施工中的人員定位技術(shù)已經(jīng)有了較大的發(fā)展。人員定位技術(shù)最早可以追溯到1991年南非德比爾公司使用的地下礦產(chǎn)運(yùn)輸機(jī)自動(dòng)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(shí)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(shè)計(jì)了一個(gè)信號(hào)發(fā)射源，通過頂板的天線來接收發(fā)射源的信號(hào)，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(xiàn)漏檢。南非設(shè)計(jì)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(zhǔn)確率高、定位距離遠(yuǎn)等優(yōu)點(diǎn)。

我國地鐵站施工人員定位技術(shù)的研究起步較晚[14]，國內(nèi)主要采用的是KJ297型人員定位系統(tǒng)。該系統(tǒng)能實(shí)時(shí)監(jiān)測施工人員的位置，并能顯示出人員的運(yùn)動(dòng)軌跡。但該技術(shù)只能把施工人員定位在一定范圍內(nèi)，并不能進(jìn)行精準(zhǔn)定位。針對(duì)這一缺陷，文獻(xiàn)[15]設(shè)計(jì)了一種基于ZigBee技術(shù)的人員定位系統(tǒng)，通過對(duì)讀卡器與標(biāo)簽的設(shè)計(jì)，使該系統(tǒng)能夠?qū)κ┕と藛T進(jìn)行精準(zhǔn)定位，提高了應(yīng)急效率。在此基礎(chǔ)上，文獻(xiàn)[16]提出了將WSN(無線傳感器網(wǎng)絡(luò))技術(shù)應(yīng)用于人員定位技術(shù)的設(shè)想，通過對(duì)WSN算法的研究，提出了適合施工環(huán)境的節(jié)點(diǎn)布置方案，從而進(jìn)行精準(zhǔn)定位。

2.4 其他應(yīng)急通信技術(shù)

當(dāng)?shù)罔F站施工過程中發(fā)生緊急事件時(shí)，現(xiàn)場的施工人員可以通過應(yīng)急電話，在最短的時(shí)間內(nèi)報(bào)告事故情況。同時(shí)，指揮人員可以通過應(yīng)急電話指揮現(xiàn)場施工人員撤離，實(shí)現(xiàn)地面與事故現(xiàn)場的雙向交流。我國研制出一種應(yīng)急電話，在接受外部控制信號(hào)時(shí)同路的電話都會(huì)發(fā)出聲光報(bào)警，可用于警示施工人員及時(shí)撤離危險(xiǎn)區(qū)域。而且該電話內(nèi)部裝有浮充電池組，當(dāng)外部供電臨時(shí)中斷時(shí)，不會(huì)影響電話的使用。文獻(xiàn)[17]設(shè)計(jì)了一種采用光纖自愈環(huán)路傳輸鏈路的應(yīng)急電話系統(tǒng)，不會(huì)因?yàn)殒溌烦霈F(xiàn)斷點(diǎn)而使應(yīng)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(yīng)急告警技術(shù)是地鐵站施工中應(yīng)急通信的重要手段。北京市政工程研究院與北京交通大學(xué)聯(lián)合研制出TMIGS應(yīng)急告警系統(tǒng)(多元信息遠(yuǎn)程實(shí)時(shí)預(yù)警、風(fēng)險(xiǎn)管理及應(yīng)急響應(yīng)系統(tǒng))[18]。該系統(tǒng)在地鐵站施工中發(fā)生事故時(shí)可以通過警燈和鳴笛發(fā)出警報(bào)來警告施工人員迅速撤離危險(xiǎn)區(qū)域，而且還可以利用隧道中的基站進(jìn)行通信，使指揮人員能夠了解現(xiàn)場情況。

對(duì)講技術(shù)也是地鐵站施工中應(yīng)急通信的常見手段。文獻(xiàn)[19]設(shè)計(jì)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(duì)講系統(tǒng)，為施工人員及時(shí)匯報(bào)現(xiàn)場情況提供了便利。文獻(xiàn)[20]設(shè)計(jì)了一種基于ZigBee的無線對(duì)講通信系統(tǒng)，該系統(tǒng)能在無外來電源的情況下長時(shí)間工作，且具有便攜式、自組網(wǎng)等特點(diǎn)。

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(nèi)外學(xué)者對(duì)于地鐵站施工中應(yīng)急通信技術(shù)進(jìn)行了大量的研究，并取得了很大的進(jìn)展，在一定程度上減少了地鐵站施工事故的傷亡人數(shù)。通過對(duì)應(yīng)急通信技術(shù)的應(yīng)用與研究現(xiàn)狀分析，發(fā)現(xiàn)有以下幾個(gè)亟需解決的主要問題：

(1) 地鐵站施工環(huán)境較復(fù)雜，對(duì)于人員定位技術(shù)提出了更高的要求。提高人員定位精度，減少數(shù)據(jù)誤差是地鐵站施工中的迫切需求。

(2) 目前，我國對(duì)于地鐵站施工中應(yīng)急通信技術(shù)智能化的研究較少，應(yīng)研發(fā)可以根據(jù)應(yīng)急預(yù)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?xiàng)l件的影響和發(fā)射功率的限制，增加了應(yīng)急通信的延時(shí)性，影響應(yīng)急通信的質(zhì)量。

3.2 下一步研究建議

根據(jù)地鐵站施工中應(yīng)急通信技術(shù)的研究現(xiàn)狀和市場需求，我國地鐵站施工中的應(yīng)急通信技術(shù)還有很大的發(fā)展空間。未來地鐵站施工應(yīng)急通信技術(shù)將會(huì)向著響應(yīng)時(shí)間更快捷、功能更完善的方向發(fā)展，現(xiàn)對(duì)下一步研究作如下建議：

(1) 進(jìn)一步加強(qiáng)對(duì)于人員定位技術(shù)中的讀卡器和標(biāo)簽研究，提高人員定位精度，減少數(shù)據(jù)誤差，從而提高應(yīng)急效率，減少人員傷亡。

(2) 進(jìn)一步加強(qiáng)地鐵站施工中應(yīng)急通信技術(shù)智能化、集成化、模塊化的研究，完善自主應(yīng)急功能，在發(fā)生事故時(shí)，可以縮短應(yīng)急時(shí)間，提高效率。

(3) 加強(qiáng)地鐵站施工中應(yīng)急通信系統(tǒng)接收信號(hào)的靈敏度，減少應(yīng)急通信的延時(shí)性，提高應(yīng)急通信的質(zhì)量，減少應(yīng)急反應(yīng)時(shí)間，以提高應(yīng)急效率。

4 結(jié)語

隨著科研人員不斷深入研究，地鐵站施工中應(yīng)急通信技術(shù)取得了較大的進(jìn)展。但地鐵站施工安全形勢(shì)依然嚴(yán)峻，仍需不斷加強(qiáng)應(yīng)急通信技術(shù)的研究，研制具有創(chuàng)新性和革命性的新技術(shù)，特別是把智能化引入應(yīng)急通信系統(tǒng)的研究與應(yīng)用中，以便提高應(yīng)急效率、減少人員傷亡和財(cái)產(chǎn)損失。與此同時(shí)，還要加大地鐵站施工安全管理力度以及應(yīng)急通信建設(shè)的資金投入，這樣才能使地鐵站施工安全再上一個(gè)臺(tái)階。