運用于輸電線路高空作業工人的新型安全帽

陳華超

（廣東惠州供電局，廣東 惠州516001）

背景：安全防護的目的是為工作人員提供必要的、基礎的安全防護，減少、避免日常維檢工作中的意外傷害，是電力系統日常工作中的重要環。在運輸電路高空作業時，工作人員必須佩戴相應的個人防護設備。安全帽無疑是個人防護設備中最基礎的一個，幾乎在所有的工況條件下都必須佩戴。個人防護設備的佩戴可以給工作人員提供物理防護，減少職業傷害。同時，個人防護設備的佩戴還有利于提高工作人員的心理安全感，提高工作質量和工作效率。不過，從當前的安全帽設計來看，雖然考慮了其基本的安全防護性能，不過卻沒有結合輸電線路高空作業實際進行智能化的改進。輸電線路高空作業中，即使制定了相應的安全技術措施、危險點控制措施和組織措施，但是誤操作事故也時有發生，給高空作業人員帶來巨大的人身和設備事故。造成這種問題的主要原因是在輸電線路高空作業中各個節點的安全監控缺乏連續性，不能實現高空作業的全過程監控。基于上述背景，本創新研制一種新型的電力安全帽，通過對其進行二次開發和設計，實現對輸電線路高空作業操作過程的實時視頻監控和雙向語音溝通功能，實現作業現場的實時監測和反饋，彌補現有安全帽中智能設計和應用不足的缺陷，提高現場工作人員和管理人員之間的溝通效率。

功能需求分析：硬件部分：高清網絡攝像頭：輸電線路高空作業比較復雜，經常會遇到一些檢修人員不能獨立處理的問題。所以通過高清網絡攝像頭設計可以讓后臺管理人員了解當前的現場故障情況，指導、協助檢修人員完成輸電線路高空故障處理，提高檢修效率。無線通訊模塊：將高清網絡攝像頭采集到的數據傳輸給后臺管理系統，便于后臺進行數據分析和處理。集成板卡：包括電源電路、控制電路、控制接口和通信等。LED照明設備：可以通過開關進行控制，主要用于外界照明不足時的補充照明。語音對講設備：實現輸電線路高空作業人員和后臺管理人員之間的實時通話，可以多頻段進行更換，主要的語音輸出設備。電源模塊：主要負責整個控制系統和照明裝置的供電。網絡通信部分：網絡通信部分主要用于硬件設備與軟件設備之間的數據傳輸。在本設計中，結合輸電線路高空作業要求，選擇4G 和WIFI 兩種通信模式。軟件管理部分：軟件管理部分以現代通信技術為基礎，通過集成開發相關軟件管理部分實現對輸電線路高空作業的遠程指揮與管理。軟件管理系統通過接收器接受到網絡攝像頭采集到的信號，并將信號傳輸給計算機系統，并在計算機終端進行顯示，從而實現對輸電線路高空作業的遠程監管和控制，提高高空作業效率和質量。通過軟件管理系統可以對高空作業人員的的檢修作業、檢修環境等進行監測，實現對高空作業人員的可視化管理，提高高空作業的安全性和有效性，實現高空作業的全方位、全流程監管。同時，遇到突然情況時還可以進行及時的響應和救援，提高高空作業質量。

圖1

系統組成：本創新的目的在于提高運輸線路高空作業中現場作業人員、地面技術人員和工作監護人之間的溝通效率，實現現場作業的實時反饋和監測。為了實現上述目的，本創新的系統技術方案為：創新所設計新型安全帽主要包括智能安全帽、服務器和數據處理終端。智能安全帽又包括安全帽、高清網絡攝像頭、喇叭、數據傳輸模塊、照明燈、麥克風等設備。智能安全帽可以接受數據處理終端傳送的信息，并通過喇叭和光學棱鏡對音頻數據和顯示數據進行展現。數據處理終端主要負責內部數據的轉發和傳送，是智能安全帽與服務器之間的橋梁，因此數據處理終端的功能包括音頻采集、編碼、解碼、播放和數據傳輸。數據處理終端與智能安全帽和服務器之間的信號傳輸主要通過WIFI 或者4G 來實現。服務器系統主要包括WIFI 與4G 模塊、存儲模塊、電池、數據存儲、圖像和語音識別、管理等模塊。通過服務器系統管理人員可以和現場的高空作業人員進行音頻通話，對高空作業人員的檢修過程進行存儲，便于后期使用。

本創新的功能具體設計如下：通過麥克風和耳機實現網絡語音通話，實現后臺管理與現場作業人員之間的實時語音通話功能；通過網絡攝像頭對現場作業進行實時監控，同時把現場作業視頻傳輸給服務器系統，由服務器進行存儲和管理；高空作業現場的語音信號通過FM模塊處理之后，借助4G 技術傳送到服務器，從而實現后臺管理者對現場作業人員的遠程指揮和監控，實現雙方實時信息溝通(圖1)。

技術實施方案：視頻設備配置：本系統中，視頻數據采集通過網絡攝像頭來實現。網絡攝像頭位于安全帽前端，要求攝像頭的主軸方向要與正常佩戴安全帽時人眼的視線平視位置同軸。通過網絡攝像頭可以對高空作業人員的目視內容進行記錄。在參數設置上，要求攝像頭的像素較高，要能滿足輸電線路高空作業檢修需求，確保圖像清晰度和可辨度；視頻數據的存儲模式為JEPG 模式；采用125°超大廣角鏡頭，提高現場目標捕捉范圍。

語音設備配置：通過4G 通信網和WiFi 熱點連接2 種網絡連接方式完成雙向實時通話。語音通話設備包括受話器與耳機，耳機位于智能安全帽的前部邊緣，耳機將語音信號傳送給受話器。本設計后臺服務器還具有群呼功能，可以實現對現場的群體性調度和指揮。無線網絡配置方案：本文所設計的網線網絡配置采用4G 與WIFI 結合模式。照明設備配置：本設計在智能安全帽上的網絡攝像頭同軸方向配置1.2W 照明燈和二極管激光器。照明設備設立獨立開關，可以對20 米范圍內的目標進行照明和定位。電源配置：本文設計終端電源系統為2600 mA·h 鋰電池。鋰電池安置在智能安全帽的后部，當電池電壓低于3.6V 時，系統將會發出低壓警報，并在10 分鐘之后自動關機。電源充電可以通過USB 數據接口來實現。

FM自制模塊：本文所設計FM自制模塊主要包括SP7021F收音集成芯片、BH1417F 集成發射芯片和TDA2822M 功放芯片。

創新點：a.通過自制FM模塊實現音頻實時接收與發射達到無線通話功能，FM模塊集成了輸入輸出模塊，輸出模塊插入普通無麥克風耳機，輸入模塊連接有源線夾式麥克風。高空工作人員使用安全帽時，將耳機和麥克風分別佩戴至耳朵與衣領處，即可進行實時語音通話；b.地面人員通過移動終端連接攝像頭熱點觀看實時影像，實現多人高空作業現場視覺共享功能，并佩戴安全帽戴上耳機和麥克風實現多人的實時通訊對話功能。c.外殼使用ABS 塑料，將電源、FM模塊、攝像頭安裝入內，外殼縫隙使用防水膠進行粘合, 加上外殼使用四顆螺絲進行固定從而達到防水絕緣耐高溫的功能，保護外殼內的設備，將電源、FM模塊和攝像頭的電路進行并聯。并使用五金配件將外殼與安全帽連接，拆裝容易便捷。

技術關鍵點：a.FM模塊為自己畫電路圖所形成的產品。自制FM模塊的專有鏈路為HZ，為專用鏈路，利用自制FM音頻發射與接收雙向實時模塊進行通訊交互，實現音頻實時接收與發射達到無線通話功能；b.5.8GFPV 攝像頭創新應用于輸電線路高空作業工人工作中。利用攝像頭自帶熱點功能實現短距離實時傳輸圖像功能，實現實時圖像傳輸功能，保證實時無線通話與實時視頻功能不受外界網絡影響，能應用于全部輸電線路工作（圖像及音頻有效通訊范圍200 米內）；c. 不改變安全帽已有外觀的便捷安裝方式。將電源、FM模塊、攝像頭等配件集成安裝ABS 塑料外殼，能夠便捷的安裝在安全帽位置，并且在某零部件壞的情況下能將該模塊立刻替換，無需維護即換即用。