鄭學召 王喜龍 劉會林

摘 要：為了有效預防地鐵站施工事故的發(fā)生，以地鐵站施工中的險兆事件為研究對象，建立了行為安全“2-4”模型的預警行為模型，分析了地鐵站安全施工對險兆事件實時監(jiān)測預警系統(tǒng)的要求，總結了無線Mesh網(wǎng)絡的特點、基本結構以及網(wǎng)絡拓撲結構，對比了測距定位方法的優(yōu)缺點，闡明了無線脈沖定位原理。基于無線Mesh/有線光纖網(wǎng)絡設計了一種地鐵站施工險兆事件實時監(jiān)測預警系統(tǒng)，該系統(tǒng)可加強施工現(xiàn)場與外界的通信溝通，提高險兆事件實時監(jiān)控的能力、人與物的定位精度，可為地鐵站安全生產(chǎn)調度、安全避險、應急救援提供指導。結果表明：系統(tǒng)可及時發(fā)現(xiàn)險兆事件，有效防止地鐵施工事故的發(fā)生;隧道施工人員、管理人員以及車輛的定位誤差在30 cm以內，系統(tǒng)根據(jù)險兆事件位置，通過通信系統(tǒng)讓附近人員迅速采取預警行為，防止地鐵施工事故的發(fā)生;在未發(fā)現(xiàn)險兆事件或預警行為失效時，系統(tǒng)可縮短應急疏散時間，在同等條件下有廣播通信比無廣播通信的疏散時間縮小2～3倍。

關鍵詞：地鐵站;現(xiàn)場測試;險兆事件;監(jiān)測預警系統(tǒng)

中圖分類號：TU 91 ? 文獻標志碼：A

DOI：10.13800/j.cnki.xakjdxxb.2019.0405 ? 文章編號：1672-9315（2019）04-0589-08

Abstract：In order to prevent the occurrence of subway station construction accidents，the near miss incidents in the construction of subway stations are taken as the research object.The early warning behavior model of behavioral safety “2-4” model is established，and the real time monitoring and early warning system for the danger station events of the subway station project is expounded.The requirements，the characteristics of the wireless Mesh network，the basic structure and the network topology are summarized.The advantages and disadvantages of the ranging positioning method are compared.The principle of wireless pulse positioning is studied.Based on wireless Mesh/wired fiber network，a real time monitoring and early warning system for near miss incidents of subway station construction danger events was designed.This system strengthens the communication between the construction site and the outside world，improves the real time monitoring ability of near miss incidents，and the positioning accuracy of people and objects.Guidance for safe production scheduling，safe haven，and emergency rescue of subway stations is provided.The application results show that：System can detect the near miss incidents in time to prevent subway construction accidents;The positioning error of tunnel construction personnel，management personnel and vehicles is less than 30 cm.The system quickly helps nearby personnel go through communication system according to the location of the near miss incidents and adopt early warning behavior to prevent the occurrence of subway construction accidents.The system can shorten the emergency evacuation time when no near miss incidents or early warning behaviors are found to be invalid.Under the same conditions，the broadcast communication has a 2～3 times less evacuation time than the non broadcast communication.

Key words：subway station;field testing;near miss incidents;monitoring and early warning system

0 引 言

2017年是國家實施“十三五”規(guī)劃的重要一年，城市軌道交通以運量大、正點準時、速度快、無污染[1]的優(yōu)點進入快速發(fā)展的新時期，不僅在上海、北京等一線城市大規(guī)模建設，還以較快的發(fā)展速度逐步向二、三線城市擴展。截止2017年末，我國有48個城市在建地鐵，在建里程5 636 km[2]，共有62個城市的城市軌道交通線網(wǎng)規(guī)劃獲批，規(guī)劃線路總長7 424 km，預計2020年，我國在建里程將超過9 000 km[3]。如何杜絕地鐵施工事故的發(fā)生具有重要意義，錢七虎院士提出建立安全監(jiān)控中心是地下工程建設安全管理實施的對策之一[4];李元海等指出高效率的安全信息管理在地鐵工程施工過程風險監(jiān)控中占據(jù)著十分重要的地位，是減少人員傷亡和財產(chǎn)損失的重要保障[5];Einstein H.H基于地鐵施工事故的預防，將風險分析引入到隧道與地下工程中[6];Sturk等提出了地下工程建設風險決策分析系統(tǒng)，并成功應用于斯德哥爾摩環(huán)路項目中[7];徐江等人運用ABAQUS軟件對基坑開挖支撐過程進行了全工況模擬，針對分析所得的危險區(qū)域制定了具有針對性的安全監(jiān)測方案，并成功應用[8];王興華定義了地鐵施工災害系統(tǒng)的基本內涵，構建了地鐵施工災害模型的概念框架，建立了地鐵施工災害模型基礎數(shù)據(jù)庫[9]。盡管地鐵施工安全管理的研究取得了一定成果，但我國地鐵施工事故依然時有發(fā)生，每1 000 km死亡人數(shù)仍在7人左右[10]。

筆者在現(xiàn)有研究的基礎上，以險兆事件為研究對象，建立了行為安全“2-4”模型的預警行為模型，分析了無線Mesh網(wǎng)絡、人員定位的原理，基于無線Mesh/有線光纖網(wǎng)絡設計了險兆事件實時監(jiān)測預警系統(tǒng)，并結合現(xiàn)場試驗分析了該系統(tǒng)在地鐵站施工中的應用效果。

1 險兆事件及預警行為模型的構建

1.1 險兆事件

事故在發(fā)生之前，往往會出現(xiàn)大量征兆，這些征兆在安全管理上稱為險兆事件。地鐵施工中主要存在的險兆事件，見表1，其是地鐵施工事故發(fā)生的前饋信號，有效的預警行為可以發(fā)揮“屏蔽”作用，阻斷事故鏈條，有效避免事故的發(fā)生[11]。

1.2 行為安全“2-4”模型的預警行為模型

通過研究發(fā)現(xiàn)，預警行為暫無確切的定義，筆者提出預警行為的定義：在事故顯現(xiàn)期，根據(jù)人的不安全行為以及物的不安全狀態(tài)，事故引發(fā)者及其所在組織內部人員預先警告，避免事故發(fā)生的行為。

從圖1可以看出，當預警行為不及時或失效時，不安全動作和不安全物態(tài)在各自的軌跡中發(fā)生了接觸，造成事故的發(fā)生。

2 無線Mesh網(wǎng)絡及定位原理

2.1 無線Mesh網(wǎng)絡

2.1.1 網(wǎng)絡特征分析

無線Mesh網(wǎng)絡是無線寬帶接入網(wǎng)絡技術，是一種具有自組織、多跳、多點分布特性的寬帶無線網(wǎng)絡[13]，讓處于該網(wǎng)絡覆蓋范圍內的所有用戶對互聯(lián)網(wǎng)進行高速無線訪問，其具有如下特點[14-17]。

高帶寬：無線Mesh網(wǎng)絡是一種無線多跳網(wǎng)絡，可選用較短的傳輸鏈路，數(shù)據(jù)傳輸速率可達到6 Mbit/s.

兼容性：Mesh網(wǎng)絡可兼容各種網(wǎng)絡，通過相應的網(wǎng)關與Internet，Wi Fi局域網(wǎng)、公網(wǎng)等網(wǎng)絡相連。

支持非視距傳輸：在沒有直接視距鏈路的情況下，支持非視距連接。

前期投資少：網(wǎng)絡易于構成、易于維護，前期投資較少。

可靠性高：擁有強大的自組網(wǎng)能力和自愈合能力，可靠性較高。

自動平衡負載：支持網(wǎng)格化網(wǎng)絡拓撲結構，在接入點負載過重時，網(wǎng)絡系統(tǒng)自動將用戶密集區(qū)一部分用戶的業(yè)務轉移到其他可選鏈路中，平衡了整個網(wǎng)絡的負載。

2.1.2 基本結構

Mesh網(wǎng)絡的基本結構：骨干網(wǎng)型Mesh結構、客戶端型Mesh結構、混合型Mesh結構[18]。其中混合型Mesh結構是骨干網(wǎng)型Mesh結構和客戶端型Mesh結構的結合，其網(wǎng)絡架構示意圖如圖2所示。

2.1.3 網(wǎng)絡拓撲結構

與傳統(tǒng)的無線網(wǎng)絡不同，Mesh網(wǎng)絡是一種點對點的網(wǎng)狀網(wǎng)絡[19]。傳統(tǒng)的無線網(wǎng)絡大多是點到多點的星型網(wǎng)絡，所有終端節(jié)點必須與中心節(jié)點交換數(shù)據(jù)，而點對點網(wǎng)絡拓撲結構可以互相通信而不必通過中心節(jié)點，網(wǎng)絡拓撲結構如圖3所示。

2.2 定位原理

2.2.1 測距定位方法的比較

測距定位技術可根據(jù)到達時間（time of arrival，TOA）、到達時間差（time difference of arrival，TDOA）、到達角度（Angle of Arrival，AOA）和接收信號強度（Received Signal Strength，RSS）進行分類，文獻[20]比較了4種測距定位技術的優(yōu)缺點，對比結果見表2.

2.2.2 無線脈沖定位原理

無線脈沖人員定位技術利用了TDOA定位方法，不受信號傳輸衰減影響，定位精度高，適合地鐵隧道人、物的定位。無線脈沖定位示意圖如圖4所示，隧道內人員、重要設備設置定位標簽，隧道間隔150～200 m部署定位基站。定位基站實時接收定位標簽發(fā)射的ns級的無線電磁脈沖信號，并記錄信號到達基站的時間，計算定位標簽與定位1號基站和2號基站的距離差，計算定位標簽到各基站的距離。數(shù)據(jù)信號經(jīng)無線Mesh網(wǎng)絡/有線光纖網(wǎng)絡回傳至地面監(jiān)控中心人員定位結算服務器，服務器利用位置計算算法，計算出人員、車輛（定位標簽）的坐標[21-23]。

3 系統(tǒng)總體設計

3.1 系統(tǒng)需求分析

地鐵站施工中幾乎沒有公網(wǎng)（移動、聯(lián)通、電信）無線信號覆蓋，施工現(xiàn)場與外界鮮有可靠、穩(wěn)定的通信聯(lián)系，給施工作業(yè)、聯(lián)合調試、駐守人員與外界的聯(lián)絡帶來極大的不便。安全施工對設備的要求可簡要概括如下[24-25]。

1）地鐵站工程建設規(guī)模大、合同工期長、導洞及橫通道數(shù)目多，系統(tǒng)應當具備承載多路圖像傳輸、任意節(jié)點間語音互通的能力、多路有線或者無線網(wǎng)絡接入能力;

2）地鐵站工程施工過程中的破壞因素多、安全風險大，系統(tǒng)應當具備網(wǎng)絡自動愈合的能力、高帶寬傳輸?shù)哪芰?、高速移動傳輸?shù)哪芰Α⒏邩藴虱h(huán)境防護的能力、耐外力沖擊的能力;

3）地鐵站工程的工程技術復雜，基坑深度一般超過30 m，導洞及橫通道長度一般超過400 m，系統(tǒng)應當具備遠距離傳輸數(shù)據(jù)的能力;

4）地鐵站工程的周邊環(huán)境、地質條件復雜多變、工程協(xié)調量大，系統(tǒng)應當具有安全生產(chǎn)調度、視頻監(jiān)控、語音通信、報警聯(lián)動、緊急呼叫、人員和設備位置監(jiān)測的功能。

3.2 系統(tǒng)組成架構設計

數(shù)據(jù)信息底層融合傳輸?shù)脑恚和ㄟ^數(shù)據(jù)采集模塊將采集到的地鐵施工現(xiàn)場視/音頻、定位信息等參數(shù)傳輸至多媒體信息處理器，采用無線Mesh網(wǎng)絡/有線光纖網(wǎng)絡的方式將數(shù)據(jù)信息傳輸至調度中心。經(jīng)計算機設備將數(shù)字信號還原成視頻信息、音頻信息、定位信息可視化顯示出來，同時根據(jù)現(xiàn)場要求將視頻數(shù)據(jù)通過視頻傳輸MSTP專線鏈路傳輸?shù)降罔F公司應急指揮中心。

基于上述分析，研制出地鐵站施工險兆事件實時監(jiān)測預警系統(tǒng)，系統(tǒng)組成架構示意圖如圖5所示。該系統(tǒng)主要包括由數(shù)據(jù)采集模塊、傳輸模塊、調度中心、地鐵公司應急指揮中心等。

3.3 監(jiān)測預警方法

險兆事件監(jiān)測預警方法示意圖如圖6所示，通過音視頻監(jiān)控、脈沖無線定位對施工現(xiàn)場進行監(jiān)測，判斷是否有險兆事件，通過無線Mesh網(wǎng)絡和光纖網(wǎng)絡發(fā)出預警信息，從不安全動作和不安全物態(tài)2個方面采取預警行為，防止地鐵施工事故的發(fā)生。在預警行為不及時或失效時，通過無線Mesh網(wǎng)絡和光纖網(wǎng)絡發(fā)出疏散信息，并通過視頻回放與定位標簽最后活動區(qū)域確定被困人員位置，進行救援。

4 現(xiàn)場應用

4.1 項目概況

西安地鐵6號線TJSG 16標段廣濟街站，是西安市修建地鐵以來的第一座全暗挖車站，車站主體施工采用6導洞“PBA”法施工，采用單柱雙跨拱頂直墻混凝土框架結構，全長208 m，標準段寬199 m，高16.73 m，中心里程處軌面埋深24.51 m，頂板覆土約10.4 m，總建筑面積12 563.32 m2.

4.2 現(xiàn)場應用

在每個施工掌子面、地面材料加工區(qū)、渣土堆放區(qū)安裝球形攝像機以及網(wǎng)絡音箱，在橫通道、運渣車清洗處、出入口大門內、外側以及閘機出入口處安裝槍式攝像機以及定位基站，地鐵施工人員及安全管理人員佩戴定位標簽，具體設備布置方式如圖7，圖8所示。

4.3 效果分析

1）及時發(fā)現(xiàn)險兆事件，防止地鐵施工事故。如圖9所示，系統(tǒng)通信信號穩(wěn)定，音頻畫面清晰，可及時從視頻監(jiān)控中發(fā)現(xiàn)地鐵施工存在的險兆事件，從而采取預警行為，防止地鐵施工事故的發(fā)生。

3）在險兆事件未及時發(fā)現(xiàn)或預警行為失效時，縮短施工人員應急疏散時間，并通過回放視頻、查看定位標簽最后活動區(qū)域的方式確定被困人員位置，為人員搜救提供可靠的參考資料。在有廣播通信和無廣播通信的情況下，分別對3組人員的疏散時間進行測試，測試結果如圖11所示，有廣播通信比無廣播通信的疏散時間縮小2～3倍。

5 結 論

1）針對地鐵施工中的險兆事件，建立了行為安全“2-4”模型的預警行為模型，從不安全動作和不安全物態(tài)2個方面采取預警行為，可防止地鐵施工事故的發(fā)生。

2）基于無線Mesh/有線光纖網(wǎng)絡，提出了險兆事件實時監(jiān)測預警方法，研發(fā)了險兆事件實時監(jiān)測預警系統(tǒng)。

3）應用結果表明險兆事件實時監(jiān)測預警系統(tǒng)的性價比高，適用性強，具有良好的應用前景和商業(yè)價值，在地鐵站安全生產(chǎn)調度、安全避險、應急救援中將發(fā)揮重要作用。

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