郑学召 王喜龙 刘会林

摘 要：為了有效预防地铁站施工事故的发生，以地铁站施工中的险兆事件为研究对象，建立了行为安全“2-4”模型的预警行为模型，分析了地铁站安全施工对险兆事件实时监测预警系统的要求，总结了无线Mesh网络的特点、基本结构以及网络拓扑结构，对比了测距定位方法的优缺点，阐明了无线脉冲定位原理。基于无线Mesh/有线光纤网络设计了一种地铁站施工险兆事件实时监测预警系统，该系统可加强施工现场与外界的通信沟通，提高险兆事件实时监控的能力、人与物的定位精度，可为地铁站安全生产调度、安全避险、应急救援提供指导。结果表明：系统可及时发现险兆事件，有效防止地铁施工事故的发生;隧道施工人员、管理人员以及车辆的定位误差在30 cm以内，系统根据险兆事件位置，通过通信系统让附近人员迅速采取预警行为，防止地铁施工事故的发生;在未发现险兆事件或预警行为失效时，系统可缩短应急疏散时间，在同等条件下有广播通信比无广播通信的疏散时间缩小2～3倍。

关键词：地铁站;现场测试;险兆事件;监测预警系统

中图分类号：TU 91   文献标志码：A

DOI：10.13800/j.cnki.xakjdxxb.2019.0405   文章编号：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年是国家实施“十三五”规划的重要一年，城市轨道交通以运量大、正点准时、速度快、无污染[1]的优点进入快速发展的新时期，不仅在上海、北京等一线城市大规模建设，还以较快的发展速度逐步向二、三线城市扩展。截止2017年末，我国有48个城市在建地铁，在建里程5 636 km[2]，共有62个城市的城市轨道交通线网规划获批，规划线路总长7 424 km，预计2020年，我国在建里程将超过9 000 km[3]。如何杜绝地铁施工事故的发生具有重要意义，钱七虎院士提出建立安全监控中心是地下工程建设安全管理实施的对策之一[4];李元海等指出高效率的安全信息管理在地铁工程施工过程风险监控中占据着十分重要的地位，是减少人员伤亡和财产损失的重要保障[5];Einstein H.H基于地铁施工事故的预防，将风险分析引入到隧道与地下工程中[6];Sturk等提出了地下工程建设风险决策分析系统，并成功应用于斯德哥尔摩环路项目中[7];徐江等人运用ABAQUS软件对基坑开挖支撑过程进行了全工况模拟，针对分析所得的危险区域制定了具有针对性的安全监测方案，并成功应用[8];王兴华定义了地铁施工灾害系统的基本内涵，构建了地铁施工灾害模型的概念框架，建立了地铁施工灾害模型基础数据库[9]。尽管地铁施工安全管理的研究取得了一定成果，但我国地铁施工事故依然时有发生，每1 000 km死亡人数仍在7人左右[10]。

笔者在现有研究的基础上，以险兆事件为研究对象，建立了行为安全“2-4”模型的預警行为模型，分析了无线Mesh网络、人员定位的原理，基于无线Mesh/有线光纤网络设计了险兆事件实时监测预警系统，并结合现场试验分析了该系统在地铁站施工中的应用效果。

1 险兆事件及预警行为模型的构建

1.1 险兆事件

事故在发生之前，往往会出现大量征兆，这些征兆在安全管理上称为险兆事件。地铁施工中主要存在的险兆事件，见表1，其是地铁施工事故发生的前馈信号，有效的预警行为可以发挥“屏蔽”作用，阻断事故链条，有效避免事故的发生[11]。

1.2 行为安全“2-4”模型的预警行为模型

通过研究发现，预警行为暂无确切的定义，笔者提出预警行为的定义：在事故显现期，根据人的不安全行为以及物的不安全状态，事故引发者及其所在组织内部人员预先警告，避免事故发生的行为。

从图1可以看出，当预警行为不及时或失效时，不安全动作和不安全物态在各自的轨迹中发生了接触，造成事故的发生。

2 无线Mesh网络及定位原理

2.1 无线Mesh网络

2.1.1 网络特征分析

无线Mesh网络是无线宽带接入网络技术，是一种具有自组织、多跳、多点分布特性的宽带无线网络[13]，让处于该网络覆盖范围内的所有用户对互联网进行高速无线访问，其具有如下特点[14-17]。

高带宽：无线Mesh网络是一种无线多跳网络，可选用较短的传输链路，数据传输速率可达到6 Mbit/s.

兼容性：Mesh网络可兼容各种网络，通过相应的网关与Internet，Wi Fi局域网、公网等网络相连。

支持非视距传输：在没有直接视距链路的情况下，支持非视距连接。

前期投资少：网络易于构成、易于维护，前期投资较少。

可靠性高：拥有强大的自组网能力和自愈合能力，可靠性较高。

自动平衡负载：支持网格化网络拓扑结构，在接入点负载过重时，网络系统自动将用户密集区一部分用户的业务转移到其他可选链路中，平衡了整个网络的负载。

2.1.2 基本结构

Mesh网络的基本结构：骨干网型Mesh结构、客户端型Mesh结构、混合型Mesh结构[18]。其中混合型Mesh结构是骨干网型Mesh结构和客户端型Mesh结构的结合，其网络架构示意图如图2所示。

2.1.3 网络拓扑结构

与传统的无线网络不同，Mesh网络是一种点对点的网状网络[19]。传统的无线网络大多是点到多点的星型网络，所有终端节点必须与中心节点交换数据，而点对点网络拓扑结构可以互相通信而不必通过中心节点，网络拓扑结构如图3所示。

2.2 定位原理

2.2.1 测距定位方法的比较

测距定位技术可根据到达时间（time of arrival，TOA）、到达时间差（time difference of arrival，TDOA）、到达角度（Angle of Arrival，AOA）和接收信号强度（Received Signal Strength，RSS）进行分类，文献[20]比较了4种测距定位技术的优缺点，对比结果见表2.

2.2.2 无线脉冲定位原理

无线脉冲人员定位技术利用了TDOA定位方法，不受信号传输衰减影响，定位精度高，适合地铁隧道人、物的定位。无线脉冲定位示意图如图4所示，隧道内人员、重要设备设置定位标签，隧道间隔150～200 m部署定位基站。定位基站实时接收定位标签发射的ns级的无线电磁脉冲信号，并记录信号到达基站的时间，计算定位标签与定位1号基站和2号基站的距离差，计算定位标签到各基站的距离。数据信号经无线Mesh网络/有线光纤网络回传至地面监控中心人员定位结算服务器，服务器利用位置计算算法，计算出人员、车辆（定位标签）的坐标[21-23]。

3 系统总体设计

3.1 系统需求分析

地铁站施工中几乎没有公网（移动、联通、电信）无线信号覆盖，施工现场与外界鲜有可靠、稳定的通信联系，给施工作业、联合调试、驻守人员与外界的联络带来极大的不便。安全施工对设备的要求可简要概括如下[24-25]。

1）地铁站工程建设规模大、合同工期长、导洞及横通道数目多，系统应当具备承载多路图像传输、任意节点间语音互通的能力、多路有线或者无线网络接入能力;

2）地铁站工程施工过程中的破坏因素多、安全风险大，系统应当具备网络自动愈合的能力、高带宽传输的能力、高速移动传输的能力、高标准环境防护的能力、耐外力冲击的能力;

3）地铁站工程的工程技术复杂，基坑深度一般超过30 m，导洞及横通道长度一般超过400 m，系统应当具备远距离传输数据的能力;

4）地铁站工程的周边环境、地质条件复杂多变、工程协调量大，系统应当具有安全生产调度、视频监控、语音通信、报警联动、紧急呼叫、人员和设备位置监测的功能。

3.2 系统组成架构设计

数据信息底层融合传输的原理：通过数据采集模块将采集到的地铁施工现场视/音频、定位信息等参数传输至多媒体信息处理器，采用无线Mesh网络/有线光纤网络的方式将数据信息传输至调度中心。经计算机设备将数字信号还原成视频信息、音频信息、定位信息可视化显示出来，同时根据现场要求将视频数据通过视频传输MSTP专线链路传输到地铁公司应急指挥中心。

基于上述分析，研制出地铁站施工险兆事件实时监测预警系统，系统组成架构示意图如图5所示。该系统主要包括由数据采集模块、传输模块、调度中心、地铁公司应急指挥中心等。

3.3 监测预警方法

险兆事件监测预警方法示意图如图6所示，通过音视频监控、脉冲无线定位对施工现场进行监测，判断是否有险兆事件，通過无线Mesh网络和光纤网络发出预警信息，从不安全动作和不安全物态2个方面采取预警行为，防止地铁施工事故的发生。在预警行为不及时或失效时，通过无线Mesh网络和光纤网络发出疏散信息，并通过视频回放与定位标签最后活动区域确定被困人员位置，进行救援。

4 现场应用

4.1 项目概况

西安地铁6号线TJSG 16标段广济街站，是西安市修建地铁以来的第一座全暗挖车站，车站主体施工采用6导洞“PBA”法施工，采用单柱双跨拱顶直墙混凝土框架结构，全长208 m，标准段宽199 m，高16.73 m，中心里程处轨面埋深24.51 m，顶板覆土约10.4 m，总建筑面积12 563.32 m2.

4.2 现场应用

在每个施工掌子面、地面材料加工区、渣土堆放区安装球形摄像机以及网络音箱，在横通道、运渣车清洗处、出入口大门内、外侧以及闸机出入口处安装枪式摄像机以及定位基站，地铁施工人员及安全管理人员佩戴定位标签，具体设备布置方式如图7，图8所示。

4.3 效果分析

1）及时发现险兆事件，防止地铁施工事故。如图9所示，系统通信信号稳定，音频画面清晰，可及时从视频监控中发现地铁施工存在的险兆事件，从而采取预警行为，防止地铁施工事故的发生。

3）在险兆事件未及时发现或预警行为失效时，缩短施工人员应急疏散时间，并通过回放视频、查看定位标签最后活动区域的方式确定被困人员位置，为人员搜救提供可靠的参考资料。在有广播通信和无广播通信的情况下，分别对3组人员的疏散时间进行测试，测试结果如图11所示，有广播通信比无广播通信的疏散时间缩小2～3倍。

5 结 论

1）针对地铁施工中的险兆事件，建立了行为安全“2-4”模型的预警行为模型，从不安全动作和不安全物态2个方面采取预警行为，可防止地铁施工事故的发生。

2）基于无线Mesh/有线光纤网络，提出了险兆事件实时监测预警方法，研发了险兆事件实时监测预警系统。

3）应用结果表明险兆事件实时监测预警系统的性价比高，适用性强，具有良好的应用前景和商业价值，在地铁站安全生产调度、安全避险、应急救援中将发挥重要作用。

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