一種基于可穿戴計算的智慧安全管理系統總體架構

呂躍躍，王緒霄，溫焜南

（中廣核研究院有限公司，廣東 深圳 518000）

0 引言

在安全管理中，人機料法環是影響安全管理效果的主要因素。人，指制造產品的人員；機，指制造產品所用的設備；料，指制造產品所使用的原材料；法，指制造產品所使用的方法；環，指產品制造過程中所處的環境。在核電廠的安全管理工作中，主要通過人工的方法對上述環節進行管理，實現對安全狀態的整體把控。其中，人的安全是安全管理的重中之重。

對人員的安全管理與防護主要以傳統的勞保裝備（安全帽、勞保服、勞保鞋、安全帶等）為基礎，通過培訓、監督等方式實現工作人員正確使用勞保裝備，從而實現對工作人員的安全管理。

市面上已經出現針對勞動保護的智能可穿戴產品，多以安全帽的形式展現，該類產品集成了攝像頭、定位模塊、加速度計和陀螺儀，能夠完成視頻、音頻信號的采集與傳輸、人員定位、運動狀態監測等功能，有力彌補了傳統勞保裝備的局限性。目前，該類系統多以獨立個體存在，系統化應用仍有待提高。

圖1 總體架構Fig.1 Overall architecture

本文提出一種以可穿戴設備為底層節點，以多樣化傳輸網絡為骨架，綜合應用數據挖掘技術，最終實現全廠人員風險的主動識別、主動提醒功能的系統架構。

1 總體架構設計

基于可穿戴計算的核電廠智慧安全管理系統整體架構如圖1 所示。系統共有3 個結構層次，分別為數據采集層、數據傳輸層和推理應用層。其中，數據采集層采用自組網的組織方式，自動實現底層可穿戴設備間的自組網，網絡傳輸協議具有高度靈活性，低功耗性能突出，提供底層采集數據（環境數據、體征數據等）的可靠傳輸通道；數據傳輸層以高速無線網關為基礎，實現底層采集數據從自組網至數據存儲于挖掘平臺的傳輸；推理應用層以海量數據存儲于挖掘為基礎，實現風險集中管理、集中分析與綜合應用，包含但不限于應急指揮、綜合預警等。

2 詳細架構設計

2.1 數據采集層

數據采集層由若干子網組成，每個子網包含終端節點、路由器和協調器三部分。在單個數據采集子網內，由協調器管理整個子網，進行子網內所有節點的數據進行采集和清洗，并上傳至數據傳輸層；同時，協調器負責將數據傳輸層指令數據下發至子網內的各終端設備。子網的組網方式為自組網，終端節點可以直接和協調器相連，也可以通過其他路由器以多跳的方式和協調器相連，從而實現所有安全帽與協調器的數據通信[1]。

2.1.1 智能可穿戴設備

圖2 數據采集層架構圖Fig.2 Data collection layer architecture diagram

圖3 智能安全帽結構框圖Fig.3 Block diagram of smart safety helmet

智能可穿戴設備由智能安全帽、勞保鞋、智能耳塞、護目鏡、智能勞保服組成。智能安全帽是單套智能可穿戴設備的核心。在單套可穿戴設備系統中，勞保鞋、智能耳塞等設備先和智能安全帽組網，形成互聯互通的單一節點；然后，由智能安全帽以路由器或終端節點的形式，參與數據采集層自組網。智能安全帽、智能耳塞和智能護目鏡是智能可穿戴設備最重要的信息化載體，分別描述如下：

1）智能安全帽

在智能可穿戴設備中，智能安全帽是數據采集和處理的中樞設備。智能安全帽的系統框圖如圖3 所示，智能安全帽以主控SOC 為基礎，輔以電路傳感器、通信接口、揚聲器等外圍電路組成。

主體設備上的主攝像頭應采用4K 星光攝像頭，滿足在不同照度（含夜間無照明）環境下使用要求。主攝像頭應配備三軸機械微型自穩云臺，以提升運動狀態下拍攝的抗抖動特性。主體設備應具備接收不同分辨率攝像頭信號的能力。溫濕度、光照等傳感器用于測量實時的環境參數，為環境參數的識別提供數據基礎。加速度/陀螺儀主要用于完成碰撞、跌落、跌倒等異常狀況的識別。氣體傳感器采用高性能、低功耗/無源傳感器，實時監測空氣中的成分，完成缺氧、常見有毒氣體超標等異常情況的挖掘。

圖4 智能護目鏡Fig.4 Smart goggles

智能安全帽配有豐富的通信接口，適應不同情況下的信息交互需求，在保證性能的同時，充分提升系統的續航能力。

2）智能護目鏡

智能護目鏡的結構框圖如圖4 所示。智能護目鏡主要搭載兩枚輔助攝像頭，并預留顯示單元接口。智能護目鏡不設置單獨的供電和運算處理單元，所有供電和運算處理均通過共享主體設備的資源實現。在兩枚輔助攝像頭中，輔助攝像頭1 用于第一視角關鍵信息的視頻采集；輔助攝像頭2 用于眼動控制的眼睛狀態采集輸入端。智能護目鏡選用星光級攝像頭，在低光照條件下無需補光即可實現視頻信息的高清采集。

3）智能耳塞

智能耳塞采用標準3.5mm 與智能安全帽進行信息交互。智能耳塞集成麥克風接口，實現音頻信息采集。除聽力耳塞功能外，智能耳塞具備隔噪能力，滿足聽力防護型耳塞的功能要求。

以智能安全帽為核心，輔以智能護目鏡和智能耳塞，形成單套智能可穿戴核心系統，共同完成安全防護、信息采集、智能傳輸等核心功能。

2.1.2 協調器

協調器是單個自組網的核心，其由兩部分功能組成：①完成整個自組網的數據管理，實現所有終端與協調器的數據通信；②實現單個自組網與數據傳輸層的數據通信[2]。

智能安全帽同時具備終端節點、協調器和路由器的通信能力。用戶可根據需要，靈活配置智能安全帽，實現終端節點、協調器和路由器角色的自適應轉變，完成底層數據的數據鏈自適應組網，實現底層數據的實時上傳。

2.2 數據傳輸層

數據傳輸層以高速無線/有線網關和核心交換機為基礎[3]，實現數據采集層至推理應用層的數據交互。數據傳輸層的結構簡圖如圖4 所示。

2.3 推理應用層

推理應用層以數據存儲與挖掘為基礎，深度分析當前的人員狀態風險、環境風險，給出安全管理建議。以數據挖掘的結果為基礎，形成風險管理平臺，并提供應急指揮與綜合預警服務。此外，推理應用層將推理結果送入云端，便于遠程用戶在線使用。推理應用層主要結構如圖5 所示。

圖5 單套智能可穿戴設備組網示意圖Fig.5 Network diagram of a single set of smart wearable devices

圖6 數據傳輸層示意圖Fig.6 Schematic diagram of data transmission layer

2.3.1 數據存儲與挖掘

數據存儲與挖掘主要包含3 個環節，簡述如下：

1）數據清洗：完成數據清理，包括數據采樣、有效性判斷等，實現有效數據的整理與收集，在保證數據有效性的同時降低數據存儲量，實現數據源信息的優化與整合。

2）數據存儲：根據數據清洗的結果，對數據進行分類存儲。優化數據存儲結構，便于挖掘階段海量數據的快速讀取。

3）數據挖掘：以數據存儲的結果為基礎，進行海量數據的挖掘工作。挖掘內容包含實時風險數據挖掘、歷史風險數據挖掘和風險預測分析，為上層應用提供結論支撐[4,5]。

2.3.2 風險管理

以數據挖掘的結果為基礎，將實時風險、歷史風險和風險預測結果以可視化的形式分類顯示；根據風險及現場實時情況，給出報警信息，提示相關人員介入處理。

2.3.3 應急指揮和綜合預警

應急指揮以現場數據和挖掘結果為基礎，實現現場發生事故時全廠人員的指揮管理，具備救援路徑規劃、救援技能遠程支援、應急指揮演練等功能。

圖7 推理應用層結構簡圖Fig.7 A simplified diagram of the inference application layer structure

綜合預警以現場數據和挖掘結果為基礎，將報警信息傳遞至應急指揮平臺、廠區聲響報警、人員穿戴設備等，實現風險狀態的區域化與特定人群報警，便于風險信息的快速傳遞。

2.3.4 應用終端（組）

應用終端組主要滿足移動辦公和非定點辦公的功能需求。風險管理平臺、綜合預警和應急指揮平臺的各類信息經隔離等處理后，送入廣域網，應用終端（組）可在能夠連接廣域網的地點實現遠程接入，從而完成工作所需的各類信息交互。

3 結束語

本文給出一種完整的基于可穿戴計算的核電廠智慧安全管理系統整體架構，以此為基礎構建系統，能夠實現傳統安全管理向信息化、智能化方向的轉變，有效提升安全管理水平，降低安全事故概率，提升安全監督水平，降低工作失誤概率，間接保證工作進度，提升經濟效益。此外，該類系統變被動監督為主動監督，變被動保護為主動保護，大大提升風險狀態下救援、報警的實時性，降低事故發生概率及事故發生后的影響。