智能安全帽在電力現場作業安全督導管理系統的應用

國網上海市電力公司市區供電公司 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，打造以智能安全帽為前端載體、安全督導系統為后端支撐的電力現場作業安全督導管理系統。實現作業現場人員實時定位、語音對講和視頻圖像傳輸、一鍵報警等功能，為管理人員進行安全監控、工作質量評價和工作指導提供依據，全面提升電力安全管理智能化水平，保障現場作業人員生命安全以及電網設備安全。

安全管理是電力生產工作的重中之重，各電力企業堅持把安全工作放在一切工作的首位，不斷創新監管手段加強安全管理。在電力安全生產過程中，現場作業由于其數量多分布廣、作業環境封閉且大多數地點偏僻等特點，對現場作業人員的安全監督難度加大。現場作業行為是否規范直接影響安全事故發生的概率，傳統的安全監督模式已不能適應智能化電網發展的要求。

智能安全帽和電力現場作業相融合，可在很大程度上提高作業現場的安全防護水平。目前國內已有一些電網企業開展智能安全帽的產品研究，但業務特征差異較大。基于此，本項目采用物聯網新技術，融合北斗高精度定位功能，研究智能安全帽在電力現場作業安全督導管理系統的應用，實現人員實時定位、作業實時監控、實時互動和實時報警等功能，推動安全監督管理智能化、自動化，助力智能電網發展。

1 系統總體架構

電力現場作業安全督導管理系統由前端和后端兩組應用組成，前端以模塊化智能安全帽為核心，集成北斗定位、可視對講、室內定位等模塊；后端以可視化信息展現為主的安全督導管理系統為支撐，實時獲取并展現現場作業人員室內外地理位置、作業現場視頻信息、報警信息等，并可對作業現場進行遠程監督指導，實現前后端互動。主要應用架構如圖1所示。

圖1 系統總體架構

電力現場作業安全督導管理系統為一級部署，服務器系統部署在總監控中心，通過互聯網與監控調度中心相連。作業現場音視頻信息可以與監控調度中心或者其他授權用戶進行實時共享。

2 智能安全帽模塊化集成

在傳統安全帽上根據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。智能安全帽運行模式包括工作、休眠和關機三種，并設有3個指示燈顯示電源模塊、定位模塊和通信模塊的運行狀態。

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，負責系統數據傳輸的加密、解密、協議解析、協議組建、數據信息存儲、驅動結構的驅動控制、通信數據的轉換等。數據加密和解密可以通過軟件和硬件兩種方式實現。

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；能有效監測當前電量情況。智能設備供電可支持連續30天不充電（每天工作不超過10h，與后臺消息上報周期為5分鐘）；可通過電量指示燈提示當前電量信息。

2.3 聲光提示模塊

同時采用LED燈和蜂鳴器進行聲光提示。LED燈指示包括GPS網絡狀態、NB-IOT網絡狀態、電源使用狀態；蜂鳴器主要把LED燈各種狀態以及異常報警信息告知終端。

2.4 安全帽電子標簽和二維碼及重力傳感器模塊

標簽采用短距離高頻無線通信技術，電子設備之間實現非接觸式點對點數據傳輸；二維碼設計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軸速度變化狀態判斷終端的運動狀態。可將二維碼、電子標簽與人員、資產進行綁定管理。

2.5 北斗高精度定位模塊

能獨立完成北斗、GPS定位及時間獲取功能。具備GNSS衛星定位功能，默認采用北斗+GPS雙系統定位。同時具備授時功能，僅給予北斗RNSS的時間信息。在信號良好條件下定位精度可優于3m，能按照設定的時間間隔發送單點位置報告；在位置報告過程中，當RNSS定位失效時，能夠及時通知工作人員和后端。根據用戶開機前的初始化條件，首次定位時間可分為冷啟動、溫啟動和熱啟動三種，不同的啟動方式對捕獲時間和標稱精度參數要求不同。

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、數據傳輸等接口，能夠實現集群通話、雙向對講、視頻回傳和數據存儲等功能，可作為藍牙耳機使用。裝在安全帽上能捕捉到佩戴者第一人稱視角的視頻圖像，最高可達到720P高清分辨率。攝像機支持本地存儲，在無網絡時也可進行錄像、抓拍。

2.7 室內定位模塊

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

2.8 網絡通信模塊

智能安全帽通過NB-IoT進行數據傳輸，同時支持中國移動、中國聯通的NB-IoT網絡實現數據回傳。通信基本要求如表1所示。

表1 通信模塊基本要求

3 系統應用功能設計

系統應用功能分為前端應用、后端應用。后端系統通過視頻服務接口與前端視頻系統進行應用集成。

3.1 模塊化智能安全帽移動應用（前端應用）

負責完成作業人員室內外位置定位、實時圖像采集、音頻采集、安全求救/報警等，利用4G/NB-IoT網絡將音視頻圖像，傳輸至安全督導系統服務端。

北斗定位：實時分析、展示人員所處室外的位置信息。

室內定位：實時分析解算當前人員所處室內位置信息。

視頻/圖像采集：對現場環境進行拍照、錄像，并進行存儲。

音頻對講：與后端管理人員進行語音通話，進行遠程互動。

狀態監測：對智能安全帽的各個核心模塊進行狀態監測。

電量監測：對智能安全帽電池的電量進行監控顯示，對異常電量進行報警。

數據回傳：對作業現場采集的音視頻、圖像、位置、狀態等信息上報傳輸到后端系統。

一鍵告警：當發生緊急情況時通過觸發智能安全帽上的緊急報警按鈕，向督導中心一鍵報警。

3.2 現場作業安全督導管理系統應用（后端應用）

接收并處理前端應用上傳的作業現場信息，負責完成終端設備的管理和現場視頻圖像的監控展現、分發和存儲。

終端設備管理：管理智能安全帽的基礎信息、配置信息、狀態信息、使用記錄信息等。

作業人員管理：管理作業人員的基本信息、與智能安全帽的綁定信息等。

視頻接入：對作業現場人員的智能安全帽上的視頻信號進行接入，實現對作業現場的實時視頻監控。

信息監控：對作業現場視頻、人員位置、智能安全帽各模塊運行參數、工作狀態等進行實時展示。

路徑跟蹤：根據人員歷史位置信息，實時繪制人員的行動軌跡并形象化展示。

音頻對講：根據現場監控情況對現場人員實時發起語音，進行工作監督和指導。

安全報警：對監控異常狀態、現場報警求救信息進行告警，輔助就近安排人員和裝備進行增援。

分析評估：根據現場作業全過程監控信息，分析評估現場作業的安全質量，支持輔助決策。

結束語：本課題采用模塊化智能安全帽集成方案，構建了后端管理人員和前端現場作業人員安全互動的橋梁，實現了安全監督智能化和全過程覆蓋，有效解決安全監管難、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。當前智能安全帽在電力作業現場中的應用還處于起步階段，但是通過項目的試點應用，已經驗證了相關技術的先進性和可行性，具備更大業務范圍應用的基礎，可在變電站巡檢、設備檢修、線路作業、事故搶修等生產運營工作中開展此應用。