摘要：介绍当前我国地铁消防应急通信现状，梳理当前地铁内部的通信系统，包括地铁专用通信系统、公网通信系统和公安（消防）无线通信系统。分析当前消防部队使用的及适用于地铁环境的应急通信装备，包括常规异频中继电台、通信导向绳、多载波通信技术及装备、消防应急Mesh中继设备、多载波Mesh图传设备、透地通信技术等。就如何提高消防部队在地铁环境中的应急通信能力提出建议。

    关键词：地铁；消防；应急通信；消防装备

    近年来，城市轨道交通的发展日益迅速。据不完全统计，截止到2015年底，我国已有北京、上海、广州、天津等27个城市先后建成并开通运营地铁交通线路，总里程达3472ｋｍ。全国地铁交通年客运总量达138亿人次。地铁的建设与使用，极大地缓解了地面交通拥堵，方便了人们的出行。但地铁客流大、空间相对狭小、密闭，因而此场所具有很多安全隐患。据统计，1990年以来全世界共发生重大地铁灾害20多起，造成逾400人死亡，千余人受伤。通过梳理近年来发生的多起地铁灾害案例发现，地铁内的通信系统在应对一般性事故时可以发挥作用，但在坍塌、爆炸等重大灾害事故发生时容易遭到破坏，导致通信瘫痪。由于地铁内部环境复杂，空间密闭，加之隧道壁和车体对电磁波的遮挡和吸收等影响，致使普通的通信装备无法满足使用要求，应配备使用适应这一特殊环境的专业应急通信技术及装备，满足地铁消防应急通信的需要。

    1 地铁内部通信系统现状

    当前的地铁内部通信系统主要有三大类，一是地铁专用通信系统；二是公网通信系统；三是公安（消防）无线通信系统。

   1.1地铁专用通信系统

    地铁专用通信系统是主要为地铁运营提供通信服务的通信系统。该系统主要包括传输系统、无线通信系统、公务电话系统、专用电话系统、视频监控系统、广播系统、时钟系统、电源及接地系统、集中维护告警系统、乘客信息系统等。其中，地铁专用无线通信系统和广播系统对消防通信是很好的补充。地铁专用无线通信系统采用数字集群，根据地铁线路和网络特点，沿地铁隧道壁铺设泄漏电缆进行信号覆盖。因泄漏电缆既具有信号传输作用，又具有电台的天线功能，通过对外导体开口的控制，可将受控的电磁波能量沿线路均匀的辐射及接收，实现对隧道内通信电磁场盲区的覆盖，达到移动通信畅通的目的。地铁的广播系统是控制中心调度人员和车站值班员向旅客通告列车运行以及安全、向导等服务信息的通信设备，可在发生故障、灾害等紧急情况时发布警报，指挥救援或疏导乘客。

    1.2公网通信系统

    公网通信系统是电信运营服务商为公众提供通信服务的移动通信系统。目前，中国移动、中国联通、中国电信等移动电信服务运营商通信网络均进行了地铁内部网络覆盖，其方式是通过光纤将信号引入地铁，通过光纤分插复用器（ADM）引入到各地铁站，实现通信覆盖。在地铁站内，分合路平台将公网运营商的2G、3G、4G信号进行合路，并将合路信号馈入泄漏电缆，利用室内分布系统将信号源的信号分布在轨道交通内每个区域（包括站台、站厅、设备间、办公区域、人行通道、隧道等），并保证这些区域拥有理想的信号覆盖。

   1.3地铁公安（消防）集群系统

    该系统是公安（消防）集群系统的一部分。据调研，我国大部分城市的消防地铁通信都依托该系统建立。地铁公安（消防）集群通信系统采用数字集群网络，采用全基站小区制集中引入方式，主要由集群基站、无线交换机、互联互通设备、固定台、调度台、手持台、车载台、网管及天馈系统等设备构成，其系统拓扑结构如图1所示。

图1 地铁公安（消防）集群系统拓扑图

    对地下车站、高架站厅、控制中心、停车场、车辆段库内一般采用室内天线进行信号覆盖；而对站台、隧道、临时停车线一般采用泄漏同轴电缆进行信号覆盖。该系统是公安、消防在地铁进行高效通信联络的重要手段，出现重大事件时实施统一指挥的重要工具。该系统特点鲜明、优势明显：一是集群系统预先部署安装，无需现场架设，快捷高效；二是地铁站内、站台、隧道等处实现信号全覆盖；三是集群通信系统方案成熟，工作稳定可靠。

    2 地铁消防应急通信技术及装备

    前述介绍的地铁专用通信系统、公众移动通信系统和地铁公安集群通信系统，优点是预先部署安装，无需现场架设，快捷高效；地铁站内、站台、隧道等处实现信号全覆盖。但当发生重大灾害时，地铁专用通信系统、公网通信系统以及地铁公安集群通信系统遭到破坏的情况下，将无法为消防救援提供通信支撑，所以在灭火救援现场，快速搭建消防专用应急通信网络，保障地铁灭火救援现场通信畅通显得十分必要。消防专用应急通信系统应具有以下特点：一是不依赖公共网络，能够快速部署架设；二是组网灵活，可具有多种网络制式：如常规、集群、COFDM、3G、4G、WIFI等；三是设备质量轻，携带方便，操作简单，适合地铁内部的复杂环境使用。笔者就当前消防部队所使用的应急通信装备以及适用于地铁环境的新型应急通信技术和装备进行分析。

    2.1常规超短波通信系统及装备

    2.1.1超短波通信电台

    超短波通信电台是消防部队的主要通信装备，具有多种体制，不同体制的数字电台间不能互通；大部分数字对讲机兼容模拟模式，可以采用模拟模式进行不同品牌、不同型号对讲机间的通信。通过实验和测试发现，频率350MHz、发射功率4～5W的数字、模拟常规电台，在地下建筑内的通信距离非常有限，无法为地铁应急救援提供通信服务。

    2.1.2常规异频中继电台

    该电台利用无线中继的方式（即通信接力），实现通信距离增加和覆盖范围加大，可以在地铁站内快速延伸通信信号的覆盖范围，能够部分解决地铁这类地下复杂建筑的信号盲区问题，其突出优点是能够快速部署，但其覆盖范围还是有一定局限性。便携式中继台的发射功率一般为25～35W，通常采用鞭状天线，如果采用高增益天线，中继电台信号的延伸范围将进一步扩大，但高增益天线较长，在地铁内容易受到建筑高度限制，影响其现场架设；多台异频中继同时使用时，应有部署预案，避免信号交叉区域产生干扰。

    2.1.3有线延伸同频中继台

    该类设备采用有线方式，建立地面与地铁内部的信链路，实现超短波通信信号的地面、地下双向同频转发，其优点是：节省频率资源；有线方式，可靠性高。缺点是：现场需部署线缆，费时费力，使用不当时会产生中继电台自激。

    2.2通信导向绳

    通信导向绳是复杂环境中应急指挥的辅助通信手段，通信可靠性较高。目前主要有普通型和光纤型两种。普通型通信导向绳集发光导向、安全救生、有线通信于一体，利用两端的调制解调设备，实现双向语音通信。光纤型通信导向绳，用光纤作材料，除具备普通型通信导向绳的功能外，还具有绳体轻、通信可靠性高、不易受到干扰、能够传输语音和图像等特点。

    2.3　多载波通信技术及装备

    多载波通信（COFDM）的原理为在频域内将给定信道分成许多正交子信道，在每个子信道上使用一个子载波进行调制，并且各子载波并行传输，如图2所示。多载波通信系统中各子信道的载波相互正交，频谱相互重叠，既减小了子载波间的相互干扰，又提高了频谱利用率，进而保证了带宽。同时，多载波在受到干扰时，如果只有少量的子载波错误，接收端有自纠错和恢复信息的能力，具有良好的抗干扰能力。另外，通过子载波的联合编码，解决了常规系统中的多径干扰问题，具有良好的抗多径干扰能力，可以在地形复杂的环境下正常工作。基于多载波通信技术的图传设备，在地下建筑内或其他复杂的建筑环境下，具有以下特点：在通信距离和图像传输效果方面相对较好；通信带宽高，满足图像和语音实时传输的要求；实现了“抗阻挡”、“非视距”、“动中通”的高速数据传输（2～20Mbps），表现出卓越的“绕射”、“穿透”性能；安装应用便捷，便携式设备可配置在火场内不同位置和不同角度，实现火场到指挥车之间的高清晰实时图像传输。

图2 多载波通信示意图

    2.4 消防应急Mesh中继设备

    Mesh网络是一种采用了自组网技术的网络，各网络节点通过相邻节点，以无线多跳方式相连，网络拓扑结构如图3所示。该网络具有自组织、自愈合能力，所谓自组织就是Mesh具有自动规划路径的能力，会找出最佳的信号传输路径进行接力传输，并可以多跳，这个特性特别适合地铁隧道应用。自愈合能力就是当某种原因网络发生中断，Mesh会自动修复，重新规划路径，选择其他节点跳转形成新的通信链路。

图3 Mesh网络拓扑结构图

    目前，基于Mesh网络开发的消防应急Mesh中继基站，可实现复杂建筑环境下的数据网络覆盖和接力通信，能搭建一条实时畅通的无线通信数据通道，进行音、视频和数据通信。工作频率为2.4G、5.8G，2.4G射频作为无线接入及现场应用覆盖，网络覆盖半径150～200m；5.8G射频用于节点间跳转接力组建Mesh链路，设备间跳转单跳距离可达1～2Km，支持至少10跳以上接力通信；最高无线通信带宽可达40Mbps；支持802.11a／b／g国际标准协议，笔记本电脑、手机等终端可通过WIFI方式方便接入等。

    2.5多载波Mesh图传设备

    多载波Mesh图传设备的调制方式采用多载波技术调制，组网模式采用自组网Mesh技术，实现了多载波通信技术和Mesh技术的优势互补。该设备具有如下特点：系统采用低频段无线信号（300～800MGz）增强了信号在复杂建筑内的绕射能力，增加了传输距离；采用多载波（COFDM）调制方式，增强了通信带宽和抗多径传输干扰能力；采用Mesh组网方式，使网络具有自适应、自修复、自平衡特点，并可以多跳，恰好可以沿隧道部署，适合地铁内使用。对于地下二层的地铁建筑，使用时可以采用三级组网方式，如图4所示。即地面、地下一层、地下二层每层部署一个多载波Mesh图传设备，设备之间采用Mesh组网方式。单兵背负的图传设备可以自动地在3个多载波Mesh设备间快速切换，形成完整连续地视频流。相比2.4G的消防应急Mesh中继基站，在通信传输距离、信号覆盖范围、所需设备数量等方面具有优势。

图4 多载波Mesh图传设备在地铁现场组网拓扑图

    2.6透地通信技术

    透地通信一般使用甚低频、数字电磁感应技术，通过磁场携带专有数字信号进行透地，或穿透其他自然或人造建筑物，实现语音和低带宽数据的实时通信。在复杂的地下建筑中，当传统通信系统失效时，透地通信技术可作为有效的应急通信手段快速建立语音通信信道，透地通信可以为消防部队提供冗余的、独立的应急通信链路。目前，国内外正在研究透地通信方式主要有三种：一是天线磁感应近场电磁波透地通信；二是地电极电流注入的地电极电场透地通信；三是以机械振动波为载体的弹性波透地通信。其中，天线磁感应方式是当今比较成熟的透地通信技术。整体来看，透地通信技术的研究还处于初级阶段，目前还没有可用于地铁应急救援的透地通信技术装备。

    3 对地铁消防应急通信的思考

    地铁消防应急通信是一项系统性的工作。为有效建立地铁内部消防应急通信系统，保证灭火救援工作的顺利开展，在今后要做好以下几方面的工作。

    （1）加强对地铁环境中电磁波传输特性的研究。针对不同的地铁内部环境，基于当前配备的应急通信装备开展实地测试，得出设备的最佳使用效果。结合测试效果，编制应急通信装备在地铁应急救援中的作业指导文件，指导消防部队使用。

    （2）紧跟当前通信技术发展，应用高新技术研究成果，研制适合地铁环境的新型应急通信装备，实现通信技术到通信能力的转化，解决地铁内部通信网络不畅的难题，利用新装备提升消防部队在地铁环境中的应急通信能力。

    （3）突出应急通信装备的集成化、标准化和系列化研究，重点解决不同类型的通信设备之间的互联互通问题，提高应急通信保障能力，真正实现纵横贯通、全方位、一体化的综合通信网络。

    （4）加强通信装备配备。当前我国消防部队配备的应急通信装备多为通用产品，在复杂的地铁环境内部通信效果差，无法满足地铁环境下消防应急通信要求，消防部队应配备适用于地铁环境使用的专业化通信装备，以保证地铁内部通信畅通。

    （5）科学制定地铁应急通信救援预案。预案的编制应根据应急通信装备在地铁内部的测试结果，并结合灾害发生时间、地点以及灾害类型等。编制的预案要通过实地测试进行验证，并进行进一步完善。

    （6）对隧道、站台、候车室等不同灾害地点以及不同的灾害事故等级，有针对性地开展消防应急通信技术演练。应急通信演练的开展要做到全方位、多层次：既包括独立的应急通信技术演练，还应包含横向的跨域区、跨警种以及纵向多层级的应急通信技术演练。

    参考文献：

    ［1］刘亚东．对消防部队在地铁环境下应急通信保障的探讨［J］．中国新通信，2010，（8）：61－63．

    ［2］郝昱文，李晓雪，赵喆，等．突发公共事件天地一体化应急通信技术综述［J］．信息技术，2016，（4）：84－87．

    ［3］于庭安．我国城市地铁突发事件应急体系建设的研究［D］．长沙：中南大学，2008．

    ［4］幸雪初，曾凡兵．MESH网络技术在消防应急通信中的应用［J］．网络安全技术与应用，2012，（10）：68－70．

    ［5］徐放，范玉峰．Mesh技术在灭火救援应急通信中的应用［J］．消防科学与技术，2014， 33（4）：432－434．

    ［6］郝建军，孙晓晨．几种透地通信技术的分析与对比［J］．湖南科技大学学报，2014，（1）：61－65．