基于人體體征的帶電作業安全預警系統試驗研究

隆晨海，楊淼，李金亮，李文波，熊子萱

(1.國網湖南省電力有限公司電力科學研究院，湖南長沙410007；2.國網湖南省電力有限公司永州供電分公司，湖南永州425000)

隨著我國電網的建設和發展，帶電作業技術在電力系統的安全可靠運行和提高經濟效益方面發揮著越來越重要的作用[1-2]。考慮到帶電作業中事故頻發，時刻威脅到作業人員的生命安全，因此帶電作業安全防護成為帶電作業技術開展的關鍵[3-4]。目前安全防護主要依靠屏蔽服，然而屏蔽服對于人體來說是一個封閉的環境，當作業人員身穿屏蔽服進行帶電作業時，由于代謝量、出汗量增加，屏蔽服內環境的溫度和濕度都會升高，同時人體也將產生一系列的生理反應，易使工人們感到疲勞、乏力、意識模糊，很難集中精力認真工作，帶來安全問題，從而增加帶電工作現場事故發生的概率。

文獻 [5-8]針對電場強度以及轉移電流等屏蔽防護參數對輸電線路帶電作業人員的安全防護進行相關研究；文獻 [9-11]主要是對不同電壓等級輸電線路作業人員進出等電位方式以及最小安全距離等進行相關研究。可見已有的帶電作業安全防護均只考慮了電場、電流等參數變化對人體造成的影響，而忽略了因封閉的屏蔽服使人體體征變化帶來的影響。在傳統的人體體征的溫度測量方式中，已有文獻 [12]運用溫濕度傳感IC和人體心肺功能測定儀等先進手段，在實際穿著條件下，對主觀熱感覺和各種客觀變量進行試驗測定，并建立了著裝人體熱感覺預測模型；文獻 [13]考慮到直腸溫度數據在實際極端熱環境現場很難測量，采用易測量的口腔溫度值代替直腸溫度，提出新生理熱應力指標來分析人體的熱耐受力。但因帶電作業環境的測量局限性，這些已有傳統的體征測量方案不能適應帶電作業的發展的需求，因此迫切需要建立一種適用于帶電作業中人員自身安全預警方法及系統，以避免帶電作業中安全問題的發生。

本文提出了基于多特征參量融合的人體健康安全指標智能算法，研發了人體體征安全預警系統及裝置，并通過試驗研究了該裝置的功能性以及在高壓電場的環境中是否滿足帶電作業實際生產需求并給出明確結論。該系統裝置對預防或減少帶電作業人身傷害等事故發生具有一定工程應用價值。

1 系統理論研究

1.1 人體狀態評價參數

國內外眾多專家進行的廣泛研究表明，對人體熱舒適來說，有6個主要影響因素，其中與環境有關的有4個因素:空氣溫度、速度、濕度及環境平均輻射溫度；與人有關的有2個因素:人體代謝率 (活動量)及服裝熱阻[14]。針對帶電作業環境中的人員，由于屏蔽服內無空氣流速和環境輻射，且服裝熱阻基本為常量，所以只考慮屏蔽服內環境的溫度和濕度，而人體代謝率可用體溫和心率表征。考慮到測量的實際條件，由于數據采集裝置內置于屏蔽服內且只能在人體外部進行測量，所以評價參數選取人體皮膚溫度 (胸部)、人體心率、屏蔽服內環境溫度、屏蔽服內環境濕度，如圖1所示。

人體體溫分為核心溫度和體表皮膚溫度，核心溫度通常用直腸溫度和口腔溫度表征，但由于帶電作業環境中測量的局限性，無法實現測量核心溫度，本系統使用皮膚溫度 (胸部)作為評價參數。表1給出了人體皮膚溫度與人體感覺的關系，一般認為人體感到熱舒適時的皮膚溫度在28～34℃之間，皮膚溫度為34.5～35.5℃是出汗的臨界溫度，當皮膚溫度升高至38℃時，熱病的發生率也就升高。

圖1 人體狀態評價參數的選取

表1 人體皮膚溫度與人體感覺的關系

心率參數由于對溫度變化感應靈敏、易于測量且測量耗時短，因此被廣泛應用于評價熱環境中的人體狀態。正常人心率為75 bpm(通常在60～120 bpm范圍)，熱環境中勞動人員的極限心率被規定為180 bpm[16]。在勞動過程中，當勞動者心率超過正常范圍時，應當立刻終止作業，防止勞動者身體機能出現障礙，造成工作事故。

空氣溫度是影響熱舒適的主要因素，直接影響到人體通過對流及輻射的熱交換。環境溫度高于42℃已經不利于人們的生活和工作[17]。

當空氣溫度在20～25℃范圍內，相對濕度在30%～85%之間變化時，對人體熱感覺幾乎無影響[18]。但當空氣溫度較高時，人體皮膚潮濕，人體蒸發散熱量就取決于空氣相對濕度而不取決于汗液分泌率，此時，空氣相對濕度就成為影響人體熱感覺的主要因素。

1.2 安全預警指標設置

綜合考慮體溫、心率兩個體征參數和環境溫度、濕度兩個環境參數，建立適用于帶電作業環境的綜合安全預警指標SWI如式 (1)所示。

式中Tsi和HRi為帶電作業環境中任意時刻人體的胸部皮膚溫度值和心率值；Ts0和HR0為進入帶電作業環境之前初始時刻人體的胸部皮膚溫度值和心率值；Ta和RH為帶電作業環境中與Tsi和HRi同時刻測量得到的屏蔽服內環境溫度和屏蔽服內環境濕度。

由于正常狀態下，Ts一般比核心溫度大概低2℃，這里將人體胸部皮膚溫度值的極限值定為37.5℃，心率極限值為180 bpm，屏蔽服內的環境溫度和相對濕度的極限值分別為42℃和100%。為了使SWI指標的值在0～10之間，以顯著地表征人體狀態，公式 (1)中a和b的關系為:a＋b＝5。對于屏蔽服的內環境，不考慮風速和平均輻射溫度等因素，對權重值進行歸一化處理，可將屏蔽服內環境溫度和屏蔽服內環境濕度的權重值定為0.8∶0.2，因此，a＝4，b＝1。 所以， 綜合安全預警指標SWI的計算公式如 (2)式所示。

1.3 安全預警方法的實現

根據作業人員在帶電作業環境中SWI的監控值，確定報警等級:C1級SWI預警狀態進行C1級報警，提醒工人不要長時間工作；C2級SWI預警狀態進行C2級報警，提醒工人應適度休息；心率變異狀態和C3級SWI預警狀態進行C3級報警，強制工人停止工作進入休息。安全預警方法的實現流程圖如圖2所示。

圖2 安全預警方法的實現流程

2 系統結構組成

基于人體體征的帶電作業安全預警系統旨在實現高效、準確在線監測帶電作業人員體溫、心率、體表溫度、濕度等體征狀態，并實時傳輸數據，提供有效數據分析，及時作出安全預警。

基于人體體征的安全預警系統主要由電源模塊、微處理器模塊、WIFI通信模塊、數據采集模塊和報警模塊五個模塊組成。微處理器通過四個傳感器來采集人體的心率、體溫以及人體所處環境的體表溫濕度后進行記錄和分析。微處理器實時將記錄的數據及分析的結果通過WIFI通信發給現場監控平臺。如果微處理器分析數據得出人體處在一個非安全狀態及環境時，驅動振動馬達振動，LED指示燈閃爍，蜂鳴器發出報警聲，并通過WIFI通信給現場監控平臺發出報警信號。系統總體結構如圖3所示。

圖3 人體體征安全預警系統結構

綜合考慮測量精度等因素，上述模塊安裝在一個盒子內。心率傳感器的電極安裝在一條帶子上，帶子設有連接扣，方便把帶子佩戴在人體胸部，而安裝有模塊的盒子通過金屬導電按扣與帶子連接，如圖4—6所示。

圖4 人體體征安全預警系統分體式設計

圖5 人體體征安全預警系統背面外觀

圖6 人體體征安全預警系統正面外觀

3 系統試驗研究

3.1 裝置功能性試驗

為測試人體體征安全預警裝置在實際環境中的使用情況，在帶電作業現場進行裝置的功能性試驗，通過測試WIFI通信距離、人體心率值、人體體溫 (皮膚溫度)值、小環境內溫濕度值以及振動馬達、指示燈的工作情況驗證系統功能。試驗重點是檢驗人體運動和人體不同工作角度對測量結果的影響。

依次接通220 V電源和路由器，將手機與路由器進行連接，并且確保現場220 kV交流試驗線路帶電，并已測量得到當天試驗現場環境的溫度11℃和氣壓103 kPa。

被測人員按照正確的穿戴方式穿戴人體體征安全預警裝置，并穿上屏蔽服，如圖7所示。穿戴之后測量WIFI通信距離，各個方位的WIFI通信距離測量結果見表2。由測量結果可以看出，符合通訊距離設計要求。

圖7 穿戴人體體征安全預警裝置

表2 WIFI通信距離 m

測量被測人員在進入工作之前的初始體征參數，包括心率值、皮膚溫度值、屏蔽服內環境體表溫度和屏蔽服內環境體表濕度，測量結果見表3。

表3 初始體征參數測量結果

讓被測人員進入高空作業點，分別將路由器置于試驗人員的正面、左側、右側、背面，并保持三種運動狀態 (靜止、輕度運動、劇烈運動)，測量人體體征參數以及馬達報警功能，結果見表4—7。

表4 路由器在被測人員正面的測量結果

表5 路由器在被測人員左面的測量結果

表6 路由器在被測人員右面的測量結果

表7 路由器在被測人員背面的測量結果

根據公式 (2)，可以計算出當路由器放置于被測人員的正面、左側、右側、背面時，被測人員分別靜止不動、輕度運動、劇烈運動的SWI值，計算結果見表8。

表8 試驗人員SWI值

結果表明:①人體體征安全預警裝置能夠滿足不同路由器方位情況下的正常工作和準確測量，報警結果符合設計邏輯；②當被測人員處于靜止不動或者輕度運動時，SWI值＜6，系統不報警，當被測人員劇烈運動時，SWI值＞6，發現體征異常，安全預警系統報警。

3.2 高壓電場試驗

為了測試在實際使用環境中高壓電場對人體體征安全預警裝置的影響，選擇皮膚溫度 (Tsi)、體表環境溫度 (Ta)、體表環境濕度 (RH)三個參數作為監測對象在高壓實驗室檢驗高壓電場對測量和通訊的影響。

試驗方案如圖8所示，將穿戴式安全預警裝置捆綁在兔子身上，用60 dB屏蔽服包裹后吊裝在長串復合絕緣子下端鋼腳處，長串復合絕緣子與卷揚機連接，可遙控控制其升降；高壓引線與包裹兔子后的屏蔽服可靠連接，通過控制卷揚機升降保證高壓引線及屏蔽服不放生放電及閃絡。隨后逐步加壓，同時檢測設備信號通信是否正常，設備是否安全，在電壓等級為220 kV、330 kV、500 kV以及630 kV各穩壓5 min，采集9個信號數據 (每30 s采集一個)，如果信號均正常則繼續升壓并測試信號，確定該設備最大抗干擾電壓值。

圖8 高壓電場試驗方案

試驗過程中，由于長串復合絕緣子處于潮濕狀態，發生了較大程度的電暈放電現象，可以聽到明顯的電暈放電聲音，電暈放電對信號的傳輸存在一定影響。

試驗結果見表9—12，當試驗電壓為220 kV、330 kV和500 kV時，盡管存在電暈影響，仍然能有效從 APP讀取監測數據。當持續加壓至630 kV時，信號受電場干擾，無法讀取數據。試驗結果表明，穿戴式體征檢測設備具備500 kV及以下的抗強電場干擾能力，使用過程安全，無爆炸、發熱等現象，同時具備較強的環境適應能力，可抵抗較大程度的電暈放電。試驗完成后兔子無異常狀況。

表9 試驗電壓220 k V時的監測數據

表10 試驗電壓330 k V的監測數據

表11 試驗電壓500 k V的監測數據

表12 試驗電壓630 k V的監測數據

4 結語

1)人體體征安全預警裝置能夠滿足不同路由器方位情況下的正常工作和準確測量，報警結果符合設計邏輯，當被測人員SWI值＞6時，安全預警系統可以準確報警。

2)該裝置具備500 kV及以下的抗強電場干擾能力，使用過程安全，無爆炸、發熱等現象，同時具備較強的環境適應能力，可抵抗較大程度的電暈放電，可以滿足一般環境條件下帶電作業要求。