智能安全帽在電力現(xiàn)場作業(yè)安全督導(dǎo)管理系統(tǒng)的應(yīng)用

國網(wǎng)上海市電力公司市區(qū)供電公司 劉瑩旭 金 琪 徐生康 李文雯 周 涼 郁耀芳

本文采用“云大物移智”、北斗定位等新技術(shù)，打造以智能安全帽為前端載體、安全督導(dǎo)系統(tǒng)為后端支撐的電力現(xiàn)場作業(yè)安全督導(dǎo)管理系統(tǒng)。實(shí)現(xiàn)作業(yè)現(xiàn)場人員實(shí)時(shí)定位、語音對講和視頻圖像傳輸、一鍵報(bào)警等功能，為管理人員進(jìn)行安全監(jiān)控、工作質(zhì)量評價(jià)和工作指導(dǎo)提供依據(jù)，全面提升電力安全管理智能化水平，保障現(xiàn)場作業(yè)人員生命安全以及電網(wǎng)設(shè)備安全。

安全管理是電力生產(chǎn)工作的重中之重，各電力企業(yè)堅(jiān)持把安全工作放在一切工作的首位，不斷創(chuàng)新監(jiān)管手段加強(qiáng)安全管理。在電力安全生產(chǎn)過程中，現(xiàn)場作業(yè)由于其數(shù)量多分布廣、作業(yè)環(huán)境封閉且大多數(shù)地點(diǎn)偏僻等特點(diǎn)，對現(xiàn)場作業(yè)人員的安全監(jiān)督難度加大?，F(xiàn)場作業(yè)行為是否規(guī)范直接影響安全事故發(fā)生的概率，傳統(tǒng)的安全監(jiān)督模式已不能適應(yīng)智能化電網(wǎng)發(fā)展的要求。

智能安全帽和電力現(xiàn)場作業(yè)相融合，可在很大程度上提高作業(yè)現(xiàn)場的安全防護(hù)水平。目前國內(nèi)已有一些電網(wǎng)企業(yè)開展智能安全帽的產(chǎn)品研究，但業(yè)務(wù)特征差異較大。基于此，本項(xiàng)目采用物聯(lián)網(wǎng)新技術(shù)，融合北斗高精度定位功能，研究智能安全帽在電力現(xiàn)場作業(yè)安全督導(dǎo)管理系統(tǒng)的應(yīng)用，實(shí)現(xiàn)人員實(shí)時(shí)定位、作業(yè)實(shí)時(shí)監(jiān)控、實(shí)時(shí)互動和實(shí)時(shí)報(bào)警等功能，推動安全監(jiān)督管理智能化、自動化，助力智能電網(wǎng)發(fā)展。

1 系統(tǒng)總體架構(gòu)

電力現(xiàn)場作業(yè)安全督導(dǎo)管理系統(tǒng)由前端和后端兩組應(yīng)用組成，前端以模塊化智能安全帽為核心，集成北斗定位、可視對講、室內(nèi)定位等模塊；后端以可視化信息展現(xiàn)為主的安全督導(dǎo)管理系統(tǒng)為支撐，實(shí)時(shí)獲取并展現(xiàn)現(xiàn)場作業(yè)人員室內(nèi)外地理位置、作業(yè)現(xiàn)場視頻信息、報(bào)警信息等，并可對作業(yè)現(xiàn)場進(jìn)行遠(yuǎn)程監(jiān)督指導(dǎo)，實(shí)現(xiàn)前后端互動。主要應(yīng)用架構(gòu)如圖1所示。

圖1 系統(tǒng)總體架構(gòu)

電力現(xiàn)場作業(yè)安全督導(dǎo)管理系統(tǒng)為一級部署，服務(wù)器系統(tǒng)部署在總監(jiān)控中心，通過互聯(lián)網(wǎng)與監(jiān)控調(diào)度中心相連。作業(yè)現(xiàn)場音視頻信息可以與監(jiān)控調(diào)度中心或者其他授權(quán)用戶進(jìn)行實(shí)時(shí)共享。

2 智能安全帽模塊化集成

在傳統(tǒng)安全帽上根據(jù)需要集成安裝各類電子模塊，可將智能安全帽的不同模塊做成外掛式，方便靈活拆卸和安裝，如：可視對講模塊、北斗高精度定位模塊等。智能安全帽運(yùn)行模式包括工作、休眠和關(guān)機(jī)三種，并設(shè)有3個(gè)指示燈顯示電源模塊、定位模塊和通信模塊的運(yùn)行狀態(tài)。

2.1 集成電路模塊

集成電路主要利用MO+核的處理器為核心處理控制器件，負(fù)責(zé)系統(tǒng)數(shù)據(jù)傳輸?shù)募用?、解密、協(xié)議解析、協(xié)議組建、數(shù)據(jù)信息存儲、驅(qū)動結(jié)構(gòu)的驅(qū)動控制、通信數(shù)據(jù)的轉(zhuǎn)換等。數(shù)據(jù)加密和解密可以通過軟件和硬件兩種方式實(shí)現(xiàn)。

2.2 電源模塊

采用可拆卸聚合物電池，電池容量大于等于3000mAh；能有效監(jiān)測當(dāng)前電量情況。智能設(shè)備供電可支持連續(xù)30天不充電（每天工作不超過10h，與后臺消息上報(bào)周期為5分鐘）；可通過電量指示燈提示當(dāng)前電量信息。

2.3 聲光提示模塊

同時(shí)采用LED燈和蜂鳴器進(jìn)行聲光提示。LED燈指示包括GPS網(wǎng)絡(luò)狀態(tài)、NB-IOT網(wǎng)絡(luò)狀態(tài)、電源使用狀態(tài)；蜂鳴器主要把LED燈各種狀態(tài)以及異常報(bào)警信息告知終端。

2.4 安全帽電子標(biāo)簽和二維碼及重力傳感器模塊

標(biāo)簽采用短距離高頻無線通信技術(shù)，電子設(shè)備之間實(shí)現(xiàn)非接觸式點(diǎn)對點(diǎn)數(shù)據(jù)傳輸；二維碼設(shè)計(jì)需支持安全帽上有弧度識別的要求；G-Sensor通過重力加速度3軸速度變化狀態(tài)判斷終端的運(yùn)動狀態(tài)?？蓪⒍S碼、電子標(biāo)簽與人員、資產(chǎn)進(jìn)行綁定管理。

2.5 北斗高精度定位模塊

能獨(dú)立完成北斗、GPS定位及時(shí)間獲取功能。具備GNSS衛(wèi)星定位功能，默認(rèn)采用北斗+GPS雙系統(tǒng)定位。同時(shí)具備授時(shí)功能，僅給予北斗RNSS的時(shí)間信息。在信號良好條件下定位精度可優(yōu)于3m，能按照設(shè)定的時(shí)間間隔發(fā)送單點(diǎn)位置報(bào)告；在位置報(bào)告過程中，當(dāng)RNSS定位失效時(shí)，能夠及時(shí)通知工作人員和后端。根據(jù)用戶開機(jī)前的初始化條件，首次定位時(shí)間可分為冷啟動、溫啟動和熱啟動三種，不同的啟動方式對捕獲時(shí)間和標(biāo)稱精度參數(shù)要求不同。

2.6 可視對講模塊

可視對講模塊有拍照鍵、錄像鍵、電源鍵、攝像頭和USB充電、數(shù)據(jù)傳輸?shù)冉涌?，能夠?qū)崿F(xiàn)集群通話、雙向?qū)χv、視頻回傳和數(shù)據(jù)存儲等功能，可作為藍(lán)牙耳機(jī)使用。裝在安全帽上能捕捉到佩戴者第一人稱視角的視頻圖像，最高可達(dá)到720P高清分辨率。攝像機(jī)支持本地存儲，在無網(wǎng)絡(luò)時(shí)也可進(jìn)行錄像、抓拍。

2.7 室內(nèi)定位模塊

導(dǎo)航系統(tǒng)主要采用LANDMARC算法和基于RSSI定位原理的三角定位算法LANDMARC算法。通過引入坐標(biāo)信息已知的參考標(biāo)簽，分析比較參考標(biāo)簽和待測標(biāo)簽的信號值來達(dá)到定位的目的。標(biāo)簽讀寫器根據(jù)(Re-ceived Signal Strength Indicator，RSSI)來判斷所讀標(biāo)簽的位置。當(dāng)某個(gè)待定位標(biāo)簽和參考標(biāo)簽地理位置相近時(shí)，它們在讀寫器上的信號值大小相似。由于參考標(biāo)簽的坐標(biāo)信息已知，因此可以找到信號值與其相近的參考標(biāo)簽，利用加權(quán)算法可計(jì)算出待測標(biāo)簽的坐標(biāo)。

2.8 網(wǎng)絡(luò)通信模塊

智能安全帽通過NB-IoT進(jìn)行數(shù)據(jù)傳輸，同時(shí)支持中國移動、中國聯(lián)通的NB-IoT網(wǎng)絡(luò)實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)回傳。通信基本要求如表1所示。

表1 通信模塊基本要求

3 系統(tǒng)應(yīng)用功能設(shè)計(jì)

系統(tǒng)應(yīng)用功能分為前端應(yīng)用、后端應(yīng)用。后端系統(tǒng)通過視頻服務(wù)接口與前端視頻系統(tǒng)進(jìn)行應(yīng)用集成。

3.1 模塊化智能安全帽移動應(yīng)用（前端應(yīng)用）

負(fù)責(zé)完成作業(yè)人員室內(nèi)外位置定位、實(shí)時(shí)圖像采集、音頻采集、安全求救/報(bào)警等，利用4G/NB-IoT網(wǎng)絡(luò)將音視頻圖像，傳輸至安全督導(dǎo)系統(tǒng)服務(wù)端。

北斗定位：實(shí)時(shí)分析、展示人員所處室外的位置信息。

室內(nèi)定位：實(shí)時(shí)分析解算當(dāng)前人員所處室內(nèi)位置信息。

視頻/圖像采集：對現(xiàn)場環(huán)境進(jìn)行拍照、錄像，并進(jìn)行存儲。

音頻對講：與后端管理人員進(jìn)行語音通話，進(jìn)行遠(yuǎn)程互動。

狀態(tài)監(jiān)測：對智能安全帽的各個(gè)核心模塊進(jìn)行狀態(tài)監(jiān)測。

電量監(jiān)測：對智能安全帽電池的電量進(jìn)行監(jiān)控顯示，對異常電量進(jìn)行報(bào)警。

數(shù)據(jù)回傳：對作業(yè)現(xiàn)場采集的音視頻、圖像、位置、狀態(tài)等信息上報(bào)傳輸?shù)胶蠖讼到y(tǒng)。

一鍵告警：當(dāng)發(fā)生緊急情況時(shí)通過觸發(fā)智能安全帽上的緊急報(bào)警按鈕，向督導(dǎo)中心一鍵報(bào)警。

3.2 現(xiàn)場作業(yè)安全督導(dǎo)管理系統(tǒng)應(yīng)用（后端應(yīng)用）

接收并處理前端應(yīng)用上傳的作業(yè)現(xiàn)場信息，負(fù)責(zé)完成終端設(shè)備的管理和現(xiàn)場視頻圖像的監(jiān)控展現(xiàn)、分發(fā)和存儲。

終端設(shè)備管理：管理智能安全帽的基礎(chǔ)信息、配置信息、狀態(tài)信息、使用記錄信息等。

作業(yè)人員管理：管理作業(yè)人員的基本信息、與智能安全帽的綁定信息等。

視頻接入：對作業(yè)現(xiàn)場人員的智能安全帽上的視頻信號進(jìn)行接入，實(shí)現(xiàn)對作業(yè)現(xiàn)場的實(shí)時(shí)視頻監(jiān)控。

信息監(jiān)控：對作業(yè)現(xiàn)場視頻、人員位置、智能安全帽各模塊運(yùn)行參數(shù)、工作狀態(tài)等進(jìn)行實(shí)時(shí)展示。

路徑跟蹤：根據(jù)人員歷史位置信息，實(shí)時(shí)繪制人員的行動軌跡并形象化展示。

音頻對講：根據(jù)現(xiàn)場監(jiān)控情況對現(xiàn)場人員實(shí)時(shí)發(fā)起語音，進(jìn)行工作監(jiān)督和指導(dǎo)。

安全報(bào)警：對監(jiān)控異常狀態(tài)、現(xiàn)場報(bào)警求救信息進(jìn)行告警，輔助就近安排人員和裝備進(jìn)行增援。

分析評估：根據(jù)現(xiàn)場作業(yè)全過程監(jiān)控信息，分析評估現(xiàn)場作業(yè)的安全質(zhì)量，支持輔助決策。

結(jié)束語：本課題采用模塊化智能安全帽集成方案，構(gòu)建了后端管理人員和前端現(xiàn)場作業(yè)人員安全互動的橋梁，實(shí)現(xiàn)了安全監(jiān)督智能化和全過程覆蓋，有效解決安全監(jiān)管難、安全稽查覆蓋率低、安全問題暴露不充分等問題，推動安全管理邁上新臺階。當(dāng)前智能安全帽在電力作業(yè)現(xiàn)場中的應(yīng)用還處于起步階段，但是通過項(xiàng)目的試點(diǎn)應(yīng)用，已經(jīng)驗(yàn)證了相關(guān)技術(shù)的先進(jìn)性和可行性，具備更大業(yè)務(wù)范圍應(yīng)用的基礎(chǔ)，可在變電站巡檢、設(shè)備檢修、線路作業(yè)、事故搶修等生產(chǎn)運(yùn)營工作中開展此應(yīng)用。