【获奖成果】地下工程应急安全通信一体化关键技术

习近平总书记多次作出重要指示，要坚持人民至上生命至上，切实把确保人民生命安全放在第一位落到实处。人民至上、生命至上，这是掷地有声的誓言，更是埋头苦干的行动。

党的十八大以来，以习近平同志为核心的党中央高度重视应急管理体系和能力建设。当前地球进入新一轮地震活跃期，地震灾害频发，地下工程中灾害事故尚不可避免。矿山建设和工程建设不仅要提高生产效率、减低生产成本，更要确保安全生产。能联系上、定位到，是地下应急安全的重要前提。针对灾害发生时救援需求和技术局限，突破被困人员精准快速定位困难、“全地域”地上—地下互联互通综合通讯网络的瓶颈，实现应急救援过程中地上—地下连接网络的快速搭建，对提升应急救援成功率、保障人民生命财产安全具有重要意义。

图1 工程灾害造成人员掩埋和通讯中断

面向地下工程应急安全重大需求，我校乔兰教授、李远教授团队牵头、联合多家单位，经过近10年的探索和改进，攻克众多关键技术难题，形成了地下工程应急救援特低频透地语音通信等3项技术、应急救援透地通讯定位一体化技术成果，实现了应急救援透地通讯定位一体化平台的初步建立。成果获2020年中国职业安全健康协会科学技术一等奖。

01

大地信道  争分夺秒

地下工程灾害或地震发生之后24小时内，被救出的人员存活率在90%左右，而72小时后存活率仅在20%—30%。地上、地下工程及城市中环境更为复杂，安全隐患众多，灾害发生后救援难度大，这也对被困人员的定位和地上—地下应急救援通讯研究的开展提出了指向性要求。因此，如何建立地上—地下互通互联网络体系，实现安全预警和救援中各种信息传输，灾后快速精准定位被困人员并展开应急救援，是安全维护和应急救援的重要因素。目前对于几十米至上千米的全尺度埋深深度尚无可用的定位技术，现阶段我国公路、铁路系统尚无相应的人员定位网络建设，矿山在此方面发展较快，部分矿山已安装基站对人员实行定位，但大部分基站并不能在灾后发挥正常的定位作用。

确定被困人员位置并与其建立联系是成功实施应急救援的关键，而目前仅有特低频电磁波技术可以实现此功能。国际上，加拿大Vital Alert通讯公司开发了透地通讯设备可实现通讯信号透地传输，通讯限制在450m的范围和1kbps的数据传输带宽，设备无便携式设计且无法实现信号源定位；日本的地中通讯型埋设计器设备能够保证通讯距离50—100m，筐体耐压3MPa，通讯带宽窄、距离短无法适应应急语音通讯要求且没有定位的功能。进口设备无法满足我国环境复杂多变、应用场景不断丰富的运行要求，出现了“功能不全”的问题。

图2 加拿大、日本通信设备

国内目前透地通讯技术处于研发阶段，定位多采用地表定位、地下建站的方式，无法实现与被困人员的通讯，而传统的地下空间基站定位方法在事故工况中完全失效。

考虑到透地条件下特低频通讯信号特征与传输距离具有相关性特征，因此需要对特低频传输特性分析的透地通讯及定位技术开展研究，力图解决工程事故、城市建筑坍塌及天然地质灾害应急救援等领域目前缺少灾后地上—地下通讯技术，无法保障灾后救援和被困人员的通讯联系的问题；攻克缺少灾后定位保障设施与技术的难题。

02

七年摸索  十载研发

北京科技大学牵头、多家单位参与，在矿山、交通、工民建行业实行设备研发和现场应用测试同步开展的模式，围绕地下工程特低频电磁波透地技术、地下工程施工人员透地定位和地下工程施工及运营应急安全通讯三个方面展开研究。2013年为解决矿山地下巷道应急救援通讯问题开始了与中国黄金集团的联合研发，2015年借助863项目的开展提出了地下通讯基站组网的设计，2015年开始将透地通讯和定位算法结合提出了隧道工程中透地定位技术，2017年至今将关键技术进行整合和改进使其能够适用于多工况救援需求。

图3 研究历程

在地下工程特低频电磁波透地技术方面，研究特低频电磁波传播机理，构建了特低频电磁幅值定位误差随机模型，研发了地下工程特低频电磁波透地技术，确保特低频电磁波透地技术能实现地面和地下的信息高效稳定传输。

在地下工程施工人员透地定位方面，建立地下工程实时差分定位系统空间定位传输模型、提出地下工程差分透地定位算法，评测地层电磁参数对电磁波传播的影响，确定地下工程实时差分定位系统特低频电磁波频段，完成地下工程实时差分透地定位系统的研发，确保地下工程实时差分透地技术和系统可满足地下工程施工及人员定位管理的精度要求和需求。

在地下工程施工及运营应急安全通讯方面，搭建地下工程透地通讯定位一体化平台，在特低频透地定位研发基础上，采用同频带宽并行技术，实现特低频透地通讯定位系统一体化技术研发和应用测试。

图4 工程应用情况

图5 特低频电磁波发射接收原型机

03

瞄准应用  落地生根

乔兰教授、李远教授团队致力于将科研成果推向为国为民服务的大市场，书写了高校科研飞出象牙塔的动人故事。项目研究始于智能化综采无线通信技术的应用，通过7年多不间断改进和探索，在和邢铁路天河山隧道、洺水隧道、金厂峪矿山等多家隧道、矿山巷道工程中开展了该研究，实现了地下工程应急安全通信一体化关键技术的建立。目前在终端便携式、多工况适用等方面正逐步改进，未来为应急救援和人民生命财产保障方面贡献实用性、适用性更强的技术和装备。

栉风沐雨，砥砺前行

他们

为地下工程应急安全扫清技术障碍

为人民至上、生命至上筑牢平安坚盾

誓干惊天动地事，甘当隐姓埋名人

他们

在高水平科技自立自强的使命中

勇担当，善作为

为加快建设世界科技强国贡献力量！

来源: 科转院

转自：“北科科研”微信公众号

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