電力作業(yè)現(xiàn)場可穿戴安全保障系統(tǒng)設計與實現(xiàn)

(1.國網(wǎng)四川省電力公司電力科學研究院，四川 成都 610041；2.成都信息工程大學控制工程學院，四川 成都 610025)

0 引 言

在高海拔、高寒等電力作業(yè)現(xiàn)場，由于高度缺氧、紫外線照射和溫差變化大等影響，對工作人員安全評價和管理難度加大，迫切需要一種能夠在惡劣環(huán)境下保障電力作業(yè)人員安全的裝置，輔助現(xiàn)場人員對復雜環(huán)境和自身體征狀況及時感知，進行團隊溝通和安全管理。

南京郵電大學開展了一種可穿戴式消防交互設備系統(tǒng)設計研究[1]，對消防員災害狀態(tài)下的身體機能、活動輕度、體溫和呼吸率等進行監(jiān)測。電子科技大學開展了可穿戴技術(shù)在企業(yè)現(xiàn)場設備維護作業(yè)及在心血管遠程監(jiān)護中的應用研究[2-3]。中國電力科學研究院將可穿戴技術(shù)運用到安全帽和電子手表上，結(jié)合后臺監(jiān)護系統(tǒng)實現(xiàn)對電力作業(yè)人員的安全監(jiān)護，對人員的不安全行為及時進行警告，發(fā)生安全事故時及時開展應急救援[4]。電網(wǎng)企業(yè)現(xiàn)有的電力作業(yè)現(xiàn)場通信終端具備音視頻錄制、4G通信功能，已內(nèi)置重力傳感器、震動模塊、GPS 定位，但不具備環(huán)境數(shù)據(jù)采集功能；此外，近場通信對講機和應急單兵終端不可穿戴，功能單一且使用方式落后，難以保障惡劣環(huán)境下作業(yè)人員的安全。

下面設計和實現(xiàn)了一種基于可穿戴設備和物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)的惡劣電力作業(yè)環(huán)境安全保障系統(tǒng)，采用能夠監(jiān)測心電的智能手表和監(jiān)測大氣環(huán)境的可穿戴通信網(wǎng)關(guān)，實現(xiàn)電力現(xiàn)場作業(yè)人員健康和環(huán)境狀況的監(jiān)測預警、可穿戴設備/可視終端及后臺的安全高效通信等功能，以保障工作人員的職業(yè)健康安全和安全生產(chǎn)。

1 系統(tǒng)架構(gòu)設計

考慮到高原等惡劣環(huán)境工作現(xiàn)場的情況復雜，現(xiàn)場安全保障需要的功能點眾多，設計了一種可擴展的可穿戴安全保障架構(gòu)，使用無線可穿戴式網(wǎng)關(guān)，集中管理個體所有的可穿戴設備信息，并與后臺服務器進行數(shù)據(jù)交換，如圖1所示。

該系統(tǒng)由可穿戴信息采集設備、信息處理網(wǎng)關(guān)、應用系統(tǒng)3部分組成。可穿戴信息采集設備采集工作人員心電、脈搏、體溫、血氧、血壓等生命體征信息，通過ZIGBEE、藍牙、WiFi無線網(wǎng)絡傳輸?shù)确绞脚c信息網(wǎng)關(guān)進行信息傳輸。信息處理網(wǎng)關(guān)主要由網(wǎng)絡通信、數(shù)據(jù)處理與集中管理模塊構(gòu)成。數(shù)據(jù)處理是整個系統(tǒng)架構(gòu)的核心模塊，主要承擔數(shù)據(jù)接入、顯示、轉(zhuǎn)換、存儲等任務以及內(nèi)置語音對講、GPS定位、環(huán)境信息(紫外線強度、氣壓、溫度等)采集和4G通信等功能。應用系統(tǒng)提供健康管理、信息援助與協(xié)同決策功能。

1.1 信息采集裝置

智能手機實施方案如圖2所示，采用業(yè)務分離及模塊化的設計思路，將可穿戴智能手表分為手表模組與生理信號采集兩部分。在智能手表模組部分，完成智能手表的常用功能，如操作系統(tǒng)、藍牙傳輸、屏驅(qū)動、存儲等；在生理信號采集部分，完成心電、心率、血氧、體溫的采集和數(shù)據(jù)預處理。兩者通過并口進行通信，生理信號采集部分將生理信號采集和預處理完畢后傳輸給智能手表，在智能手表上通過專業(yè)的健康分析算法進行顯示。健康信息可通過藍牙同步至手機和可穿戴網(wǎng)關(guān)，用戶通過手機或后臺進行日常健康管理。

1.2 信息處理網(wǎng)關(guān)

信息處理網(wǎng)關(guān)是數(shù)據(jù)匯聚、處理和輸出的關(guān)鍵設備。監(jiān)測信息包括生命體征信息、位置信息與環(huán)境信息，它們包含不同具體指標，來源于不同的可穿戴設備。以生命體征信息為例，包含心電、脈搏、體溫、血氧、血壓等指標。信息處理網(wǎng)關(guān)接收處理數(shù)據(jù)信息后，將結(jié)果通過4G網(wǎng)絡上傳至后端服務器，系統(tǒng)將數(shù)據(jù)可視化后在Web端顯示其結(jié)果。后臺管理系統(tǒng)主要負責對現(xiàn)場作業(yè)人員設備信息的匯總、分析、管理、存儲及反饋，可進行環(huán)境監(jiān)測、健康分析與異常報警。

網(wǎng)關(guān)系統(tǒng)硬件結(jié)構(gòu)如圖3所示，可穿戴安全保障網(wǎng)關(guān)主要分為電源、語音對講及信息處理模塊3部分。電源模塊采用12 V鋰電池供電，并具有系統(tǒng)供電穩(wěn)壓及充放電管理，它直接供給語音對講和信息處理模塊。語音對講模塊主要完成團隊作業(yè)時的近場溝通；信息處理模塊可分為傳感器、網(wǎng)絡傳輸、近場網(wǎng)關(guān)與基本信息4部分。傳感器集成了環(huán)境感知模塊和GPS，可定位作業(yè)人員地理信息位置，并采集當?shù)氐沫h(huán)境情況(溫濕度、大氣氣壓、紫外線等)；網(wǎng)絡傳輸主要采用4G模組，用于本地信息與后臺的交互；近場網(wǎng)關(guān)采用藍牙和WiFi模組，主要用于集成和擴展可穿戴設備；NFC作為個體標識，用手表掃描后可讀取其人員基本信息，存儲模組將完成本地的一些歷史數(shù)據(jù)存檔。

圖1 可穿戴電力作業(yè)安全保障系統(tǒng)架構(gòu)

圖2 智能手表實施方案

圖3 網(wǎng)關(guān)系統(tǒng)硬件結(jié)構(gòu)

2 人員健康狀態(tài)評價

基于采集的氣象環(huán)境和人體生理體征信息，如何進行人員健康狀態(tài)評價是本系統(tǒng)的關(guān)鍵。下面先介紹特征因子提取，然后通過機器學習的方法進行生命狀態(tài)評價分類，并以疲勞度為例進行人體安全度判別。

2.1 生理體征衡量指標

人體生理信號分為周期性生理信號和非周期性生理信號兩類[5]。人體周期性生理信號有PPG(脈搏波)、ECG(心電信號)等，可以反映人體疲勞和壓力情況；非周期性信號如體溫、血壓可直接反映人體生命體征狀態(tài)[6]。非周期性信號是能夠表征生命狀態(tài)的特征因子，但由于其往往數(shù)據(jù)量大，需要進行時頻分析，預處理得出特征因子。

例如心電數(shù)據(jù)[7]，時域特征因子選用HR(心電R波數(shù))和SD(R波間隔標準差)；頻域特征因子選用HF(高頻段功率值)、LF(低頻段功率值)及VLF(極低頻段功率值)為特征因子。

2.2 生命狀態(tài)評價分類

系統(tǒng)傳感器采集人體的心電、心率、血壓等特征參數(shù)，通過時頻分析、多尺度熵分析等方式預處理提取出特征因子向量，并將其劃分為訓練樣本集和測試樣本集，利用機器學習中的多分類支持向量機(DAG-SVMS)根據(jù)訓練樣本集來確定最優(yōu)多分類超平面算法。標定模塊利用得到的多分類器模型對測試樣本集進行處理，完成樣本數(shù)據(jù)的特征分類，其具體步驟如圖4所示。其中，算法標定模塊流程如圖5所示。

圖4 DAG-SVM實施思路

圖5 算法標定模塊流程

2.3 人員安全度判別

作業(yè)人員安全度判別方法流程如圖6所示[7]，將人員的疲勞度等級Gn分為5級，即狀態(tài)良好、輕度疲勞、疲勞、比較疲勞及非常疲勞，分別對應G1至G5，取值為1～5。根據(jù)X對作業(yè)人員疲勞程度進行判別，X越小，安全度越高，其中f的取值在0和1之間。

如前所述，作業(yè)人員心電數(shù)據(jù)指標包括時域指標和頻域指標。基于心電的差異性原理，通過心率變異度等指標進行人員的疲勞度判別。將支持向量機SVM與心電數(shù)據(jù)相結(jié)合，其中，SVM的訓練過程為：采集電力工作場景下已作業(yè)疲勞和未作業(yè)疲勞人員的心電數(shù)據(jù)，得到數(shù)據(jù)集；對數(shù)據(jù)集提取心電數(shù)據(jù)指標，包括時域指標和頻域指標；將提取心電數(shù)據(jù)指標的輸入SVM完成訓練和標定。

基于智能手表的慣性傳感數(shù)據(jù)采集[7]，運動數(shù)據(jù)指標包括作業(yè)時間WT、作業(yè)程度WD、狀態(tài)系數(shù)K、跌倒姿態(tài)P1、墜落姿態(tài)P2。其中，作業(yè)時間WT為記錄的累計持續(xù)振動時間，WD為運動數(shù)據(jù)的均方差，K為抬手狀態(tài)時間的歸一化系數(shù)。

生理信號很大程度上是精神疲勞，作業(yè)姿態(tài)統(tǒng)計和應急識別的結(jié)果很大可能是體力疲勞，本方法基于自身生理信號與作業(yè)姿態(tài)融合的方式對作業(yè)人員疲勞程度進行判別，對疲勞程度識別更準確。

圖6 作業(yè)人員安全度判別方法流程

3 安全管理軟件系統(tǒng)

采用大數(shù)據(jù)分析，基于工作人員健康采集數(shù)據(jù)，結(jié)合歷史數(shù)據(jù)和環(huán)境參數(shù)，實時監(jiān)測和預測作業(yè)人員的健康狀態(tài)、疲勞度分析及預警，防范人身意外，為人員分工、作業(yè)計劃時間安排及勞動防護提供輔助決策。基于地理信息和人員定位，可視化顯示人員作業(yè)點位置、任務協(xié)作和人員健康實時狀態(tài)。將數(shù)據(jù)存儲和處理均放在服務器端，可穿戴手表與網(wǎng)關(guān)之間通過藍牙通信，網(wǎng)關(guān)通過4G網(wǎng)絡及虛擬專用網(wǎng)，接入服務器。

作業(yè)人員通過手機終端與個體可穿戴網(wǎng)關(guān)相連，可獲取環(huán)境信息、定位信息、健康信息，同時可連接后臺服務器以推送綜合信息。普通用戶的健康數(shù)據(jù)信息通過APP收集后以加密接口方式與平臺進行通信，平臺管理員通過管理后臺對平臺數(shù)據(jù)進行管理。手機APP與可穿戴網(wǎng)關(guān)、后臺服務器的網(wǎng)絡通信架構(gòu)如圖7所示。

圖7 系統(tǒng)網(wǎng)絡通信架構(gòu)

4 系統(tǒng)實現(xiàn)及應用

可穿戴系統(tǒng)指標參數(shù)如表1所示。可穿戴智能手表可以實時監(jiān)測作業(yè)人員心電、脈搏、呼吸、心率、體溫，并通過無線通訊的方式向可穿戴網(wǎng)關(guān)傳送信息。可穿戴網(wǎng)關(guān)具有語音對講功能，保障團隊協(xié)作過程中的通信正常。另外，可穿戴網(wǎng)關(guān)內(nèi)置環(huán)境監(jiān)測系統(tǒng)，能夠測量高原溫濕度、紫外線、大氣氣壓。后臺安全管理軟件系統(tǒng)可進行日常人員健康狀況的管理，防止惡劣天氣出勤、曬傷、高原反應等。

表1 可穿戴系統(tǒng)實現(xiàn)指標

可穿戴設備的使用效果如圖8所示，網(wǎng)關(guān)與可視化終端集成在臂章上，與智能手表無線通信。

使用該系統(tǒng)后，人員生命體征、環(huán)境信息、人員歷史狀況等進行了信息化展現(xiàn)，作業(yè)場景安全防護水平大大提高。

圖8 可穿戴設備使用效果

圖9為疲勞度的分析應用界面。

圖9 疲勞度分析

5 結(jié) 語

研制了惡劣電力作業(yè)環(huán)境的可穿戴安全保障系統(tǒng)，包括心電健康智能手表和具備近場通信、遠程通信和環(huán)境監(jiān)測的可穿戴網(wǎng)關(guān)。提出和實現(xiàn)了基于生理特征信號的復雜環(huán)境人體健康管理算法，實現(xiàn)健康狀態(tài)的實時評價和智能預警。

所研制的網(wǎng)關(guān)以臂章形式穿戴或手持系統(tǒng)與智能手表結(jié)合，可實現(xiàn)環(huán)境、生命體征、位置數(shù)據(jù)、運動數(shù)據(jù)等信息的實時采集，具有良好的適用性和擴展性，形成一套基于物聯(lián)網(wǎng)、可穿戴技術(shù)的人身安全和企業(yè)安全生產(chǎn)保障軟硬件架構(gòu)。該項目完成后進行產(chǎn)品試制，可應用于藏區(qū)電網(wǎng)調(diào)試、高海拔地區(qū)檢修試驗、智能變電站等作業(yè)現(xiàn)場，替代現(xiàn)場原有的對講機等單一設備，提高現(xiàn)場安全管控的智能化和有效性。