地铁站施工中应急通信技术的现状分析*

郑学召 姜 鹏 刘会林 郭 军 张嬿妮

(1. 西安科技大学安全科学与工程学院，710054， 西安； 2. 西安科技大学国家矿山应急救援西安研究中心，710054， 西安；3. 中铁十六局集团有限公司，100018，北京//第一作者，副教授)

为了缓解城市的交通压力，改善交通环境，很多城市开始建设地铁来缓解交通问题。然而，其特有的地下隧道施工方式可能会引发严重的施工安全事故。

当事故发生时，指挥人员通过应急通信系统不但可以在第一时间对施工人员进行定位，了解事故现场情况，而且还可以指挥施工人员迅速撤离，减少人员伤亡。因此，在地铁站施工过程中，建立灵活可靠的应急通信系统尤为重要，它能够有效地避免事故恶化，减少国家的财产损失。

本文介绍了地铁站施工中的应急通信技术，概述了现有技术的研究现状，并提出了亟需解决的问题及发展趋势，以期为今后地铁站施工中应急通信技术的应用和研究提供参考。

1 地铁站施工中应急通信技术

地铁站施工中应急通信技术主要是针对施工过程中突发事件的通信保障手段。其目的是在发生突发事件时，能够保持通信畅通，为施工人员迅速撤离危险区域提供便利。

在地铁站施工过程中会产生大量粉尘。粉尘属于有耗介质[3]，对电磁信号的传输会产生影响。而且在施工过程中，环境比较恶劣(例如空气湿度大)，设备的故障率较高。因此，地铁施工环境对于应急通信的抗干扰能力、抗故障能力和信号的服务半径提出了更高的要求。在地铁站施工过程中，发生突发事件时，指挥中心如果能在第一时间对施工人员的位置进行定位，并通过视、音频了解现场情况，对于快速撤离施工人员、有效地减少人员伤亡和财产损失具有重大意义。因此，如何确定施工人员的位置信息，并利用多媒体通信指挥施工人员快速、安全、有效地撤离，已成为地铁站施工中减少人员伤亡的关键。目前，地铁站施工中的应急通信技术主要包括应急广播、视频监控、人员定位、应急电话、应急告警、对讲等技术。先进的应急通信技术对于地铁站施工至关重要，能够有效地提高应急效率，减少事故损失。

2 地铁站施工中应急通信技术的研究现状

从19世纪 60年代开始，欧美等国家不断将应急通信新技术应用于地下隧道施工。20世纪 80年代美国将超低频无线通信系统投入使用，90年代澳大利亚国家矿山技术开发公司研制超低频透地PED(Productivity Enhancement Devicer)系统[4]。我国地铁站施工中应急通信技术的研究起步较晚，通常采用的是电话通信方式。近年来，许多研究人员对地铁站施工过程中的应急通信技术做了大量的研究，取得了瞩目的成果。

2.1 应急广播技术

应急广播通信技术于20世纪60年代起源于美国，随后在众多科研人员的共同努力下该技术取得了较大发展，并在地铁站施工中得以推广应用，成为提示施工人员及时撤离的重要工具。20世纪80年代，美国的科研人员提出了IP(互联网协议)网络广播组播的构想。90年代，IP应急网络广播技术已比较成熟。近几年，研究人员通过对人员身份认证的方式，首次研发出了具有分组功能的IP应急网络广播技术。

近几年，我国的应急广播技术发展迅速，比较成熟的产品是KXT23型IP应急网络广播和KTK113型数字广播。这两种广播都采用了以太网进行数字广播的方式，实现了对讲功能和自动播放功能。

以上应急广播设备大多只有语音通讯功能，缺少如一键呼叫等应急功能，难以满足地铁站施工过程中应急通信的要求。针对这一问题，文献[5]提出了一种应急广播系统的设想，该系统具有一键呼叫功能。在灾难发生时，操作人员摁下紧急操作键，便可在1 min之内通知所有的施工人员进行撤离，缩短了撤离时间，进一步减少了人员伤亡。在此基础上，文献[6]等研发了一种采用工业以太网进行语音传输的应急广播系统，实现了自动定时播放、多路广播、自动化系统联动等功能。当事故发生时，系统通过已知的应急预案，可以自动执行应急方案，指挥施工人员迅速撤离现场，提高应急效率。

2.2 视频监控技术

视频监控系统能够真实地反映现场画面，便于指挥人员迅速决策。在地铁站施工过程中，发生突发事件时，指挥人员可以通过视频监控系统动态掌握施工人员的位置并能充分了解事故现场情况。因此，视频监控功能对于地铁站施工中的应急通信技术具有不可或缺的作用。

20世纪90年代，美国MSA公司生产了DAN 6400安全监测系统，德国BEBRO公司研制了PROMOS安全监控系统[7]。这两种系统融合了语音通信技术和视频监控技术，兼有监控和通信功能，并且具有兼容多个监控系统的功能，能够覆盖地铁站施工过程的全部区域，为地铁站施工安全提供保障。

国内在引进先进的视频监控技术的同时，也对地铁站施工中的视频监控技术进行了广泛而深入的研究，取得了较多的成果。文献[8]研究出一种新型应急视频监控技术，该技术以ZigBee为基础，利用中继器建立一条无线通信链路，并通过红外摄像头对隧道内的施工人员进行视频图像采集。但由于地铁隧道内的大型机械和粉尘的存在，对该技术的无线信号造成了一定影响。针对这一缺点，文献[9]等设计了基于ADSL(非对称数字用户线)的远程监控系统，该系统具有先进的视频监控能力，稳定性高，传输速率快。在事故发生时，它能够及时准确地找到事发地点，提高应急效率。为了减少应急反应时间，重庆煤科院和常州煤科院研制出KJ90监测监控系统[10]、KJ95N型煤矿综合监控系统[11]等综合监控设备。这些系统能对地铁站施工中的各个环节进行实时监控，在发生紧急情况时，指挥中心可以立即采取应急措施，从而提高应急效率，减少人员伤亡。

2.3 人员定位技术

事故发生时，时间就是生命。如果指挥人员能够快速准确地掌握施工人员的具体位置，可在一定程度上挽救遇险人员的生命，减少经济损失。目前，地铁站施工中的人员定位技术已经有了较大的发展。人员定位技术最早可以追溯到1991年南非德比尔公司使用的地下矿产运输机自动测位系统[12]。1995年澳大利亚芒特艾萨公司研发了一种基于RFID(无线射频识别)的人员定位系统[13]。该系统在施工人员的安全帽上设计了一个信号发射源，通过顶板的天线来接收发射源的信号，从而得知施工人员的具体位置信息；但该系统定位精度低，容易出现漏检。南非设计了一种基于RFID新型人员定位系统，该系统具有定位速度快、定位准确率高、定位距离远等优点。

我国地铁站施工人员定位技术的研究起步较晚[14]，国内主要采用的是KJ297型人员定位系统。该系统能实时监测施工人员的位置，并能显示出人员的运动轨迹。但该技术只能把施工人员定位在一定范围内，并不能进行精准定位。针对这一缺陷，文献[15]设计了一种基于ZigBee技术的人员定位系统，通过对读卡器与标签的设计，使该系统能够对施工人员进行精准定位，提高了应急效率。在此基础上，文献[16]提出了将WSN(无线传感器网络)技术应用于人员定位技术的设想，通过对WSN算法的研究，提出了适合施工环境的节点布置方案，从而进行精准定位。

2.4 其他应急通信技术

当地铁站施工过程中发生紧急事件时，现场的施工人员可以通过应急电话，在最短的时间内报告事故情况。同时，指挥人员可以通过应急电话指挥现场施工人员撤离，实现地面与事故现场的双向交流。我国研制出一种应急电话，在接受外部控制信号时同路的电话都会发出声光报警，可用于警示施工人员及时撤离危险区域。而且该电话内部装有浮充电池组，当外部供电临时中断时，不会影响电话的使用。文献[17]设计了一种采用光纤自愈环路传输链路的应急电话系统，不会因为链路出现断点而使应急电话和指挥中心的通信中断，使系统的可靠性有了显著提高。

应急告警技术是地铁站施工中应急通信的重要手段。北京市政工程研究院与北京交通大学联合研制出TMIGS应急告警系统(多元信息远程实时预警、风险管理及应急响应系统)[18]。该系统在地铁站施工中发生事故时可以通过警灯和鸣笛发出警报来警告施工人员迅速撤离危险区域，而且还可以利用隧道中的基站进行通信，使指挥人员能够了解现场情况。

对讲技术也是地铁站施工中应急通信的常见手段。文献[19]设计了一种基于ARM(Acorn RISC Machine)，具有双向语音通信、一键呼救等功能的无线对讲系统，为施工人员及时汇报现场情况提供了便利。文献[20]设计了一种基于ZigBee的无线对讲通信系统，该系统能在无外来电源的情况下长时间工作，且具有便携式、自组网等特点。

3 亟需解决的问题及下一步研究建议

3.1 亟需解决的问题

目前，国内外学者对于地铁站施工中应急通信技术进行了大量的研究，并取得了很大的进展，在一定程度上减少了地铁站施工事故的伤亡人数。通过对应急通信技术的应用与研究现状分析，发现有以下几个亟需解决的主要问题：

(1) 地铁站施工环境较复杂，对于人员定位技术提出了更高的要求。提高人员定位精度，减少数据误差是地铁站施工中的迫切需求。

(2) 目前，我国对于地铁站施工中应急通信技术智能化的研究较少，应研发可以根据应急预案自主指挥施工人员撤离的功能。

(3) 地铁站施工中，由于受到环境自身条件的影响和发射功率的限制，增加了应急通信的延时性，影响应急通信的质量。

3.2 下一步研究建议

根据地铁站施工中应急通信技术的研究现状和市场需求，我国地铁站施工中的应急通信技术还有很大的发展空间。未来地铁站施工应急通信技术将会向着响应时间更快捷、功能更完善的方向发展，现对下一步研究作如下建议：

(1) 进一步加强对于人员定位技术中的读卡器和标签研究，提高人员定位精度，减少数据误差，从而提高应急效率，减少人员伤亡。

(2) 进一步加强地铁站施工中应急通信技术智能化、集成化、模块化的研究，完善自主应急功能，在发生事故时，可以缩短应急时间，提高效率。

(3) 加强地铁站施工中应急通信系统接收信号的灵敏度，减少应急通信的延时性，提高应急通信的质量，减少应急反应时间，以提高应急效率。

4 结语

随着科研人员不断深入研究，地铁站施工中应急通信技术取得了较大的进展。但地铁站施工安全形势依然严峻，仍需不断加强应急通信技术的研究，研制具有创新性和革命性的新技术，特别是把智能化引入应急通信系统的研究与应用中，以便提高应急效率、减少人员伤亡和财产损失。与此同时，还要加大地铁站施工安全管理力度以及应急通信建设的资金投入，这样才能使地铁站施工安全再上一个台阶。