有限空間現場作業智能管控系統研究與應用

何星躲，柯 楠，陳 晨，張彥龍，李昭陽

（1.許繼電氣股份有限公司，河南 許昌 461000；2.國網上海市電力公司，上海 200122）

0 引 言

隨著電網系統的快速發展以及城市發展的需要，地下電纜鋪設的情況越來越普遍。目前，我國對地下電纜溝、井等有限空間的監管力度較弱，并且電纜溝、井情況復雜，檢修難度大。有限空間大多自然通風條件差，長期處于封閉狀態，造成有限空間內部易燃易爆、有毒有害氣體積聚，存在中毒、缺氧窒息、燃爆等危險；此外，有限空間作業一旦出現事故，受環境因素、自身結構特點制約，應急救援、處置難度很大，盲目施救極易導致事故進一步擴大，從而造成二次傷害[1-3]。國網基建部下發了《關于進一步加強輸電線路基礎深基坑作業安全風險管控的通知》，明確規定了深基坑作業的安全技術措施和作業風險管控要求。因此，有限空間作業必須加強安全管理，有效預防和遏制作業過程中缺氧窒息、中毒和燃爆等事故的發生。

目前，安全管控的研究主要是通過圖像和視頻進行作業人員識別[4,5]。我國電力系統的有限空間現場作業安全管控仍然依靠人員監督和作業人員自身安全意識來保障人身安全，不過近年來也有諸多學者深入研究機器視覺、智能傳感、多傳感器數據融合等先進技術，來彌補有限空間安全管控方面的漏洞，從而防止電力作業現場發生事故，保障安全生產[6-10]。其中，張心陽等人提出一種多維度智能管控平臺，通過集成智能控制系統，將有限空間作業中產生的各類數據信息進行聯動，形成高效的信息共享機制，同時通過App 與現場作業人員聯系起來，提升管控平臺的實用性[6]。楊鴻珍等人設計了一種可穿戴式智能感知裝置用于測量電網有限空間環境數據，主控內核單片機與主采集模塊多合一傳感器模組共同實現對現場作業環境數據實時采集和處理分析，并通過藍牙無線通信模塊將信號傳輸至上位機和手機App，實現對超閾值數據及時報警，有效保障作業人員的生命安全[7]。但是，目前市面上還沒有完全符合有限空間作業安全智能管控要求的可靠性產品，仍然需要廣大科研工作者深入開發研究。

文章以視頻采集設備和智能傳感設備為基礎，設計一套基于多源傳感器數據融合的有限空間現場作業管控智能系統。利用復雜環境下的無線組網技術、作業人員智能化人臉識別及現場作業管控等技術，實現有限空間作業環境的實時監測與智能預警、作業人員生命體征智能監測、作業全程可視化監控和智能井蓋及新風系統的安全智能管控，從而完成有限空間現場作業的全方位安全監督，保障現場作業人員的安全，提高有限空間現場作業管理的自動化、智能化水平，保證作業質量和效率的綜合提升，保障電力安全生產，最終實現有效預防和遏制有限空間安全事故發生的目的。

1 總體設計

1.1 系統總體架構

充分考慮有限空間現場作業需要監測的物理量、智能管控設備以及產品的便捷性、實用性等，將系統總體設計為電源模塊、通信模塊、軟件模塊（核心開發板）、智能管控系統以及就地化屏顯模塊共5 部分，如圖1 所示。其中，軟件模塊包括傳感器模塊、視頻監控模塊、智能管控模塊和聲光告警模塊等。

圖1 系統總體設計

1.2 系統硬件

文章選用瑞芯微的RK1808 AIoT 芯片，采用22 nm FD-SOI 工藝制造，滿足極致低功耗需求；中央處理器（Central Processing Unit，CPU）上采用雙核架構，兼容性強，可支持多種網絡模型轉換框架；滿足人臉識別、姿勢估計以及目標檢測等人工智能模型算法。此外，RK1808 芯片提供多種外設接口，方便用戶在開發過程中進行使用擴展：（1）傳感器接口，具有集成電路總線（Inter-Integrated Circuit，I2C）、脈沖寬度調制（Pulse Width Modulation，PWM）、串行外設接口（Serial Peripheral Interface，SPI）等多種傳感器接口；（2）設備接口，具有通用串行總線（Universal Serial Bus，USB）2.0、USB3.0 和外圍組件快速互連（Peripheral Component Interconnect express，PCIe）等設備接口，支持千兆以太網和外置模塊接入；（3）視頻接口，輸出接口支持移動產業處理器接口（Mobile Industry Processor Interface，MIPI）、通用中間格式（Common Intermediate Format，CIF）和BT1120 視頻輸出，輸入接口支持MIPI 和RGB 顯示；（4）音頻接口，支持麥克風陣列輸出，同時支持音頻輸入。

作業現場布控球選用iDS-MCD20M/32G/GLE 200 萬定焦小人工智能（Artificial Intelligence，AI）布控球，該布控球采用1/2.9 CMOS 3.9 mm 定焦，集成3G/4G、Wi-Fi 無線網絡傳輸、視音頻編解碼等功能，非常適合臨時作業場景。布控球可選擇直接電源和電池供電2 種方式，其單電池可支持15 h 連續工作。此外，支持三腳架、壁裝、磁吸等多種安裝方式，支持消息完整性檢查（Messages Integrity Check，MIC）、揚聲器和雙向語音對講，支持TF 卡存儲。

就地顯示屏采用廣州致遠電子有限公司的7 寸液晶屏套件LCDD-800480W070TC，提供通用的液晶屏接口，I2C 接觸屏接口，無需外接電源，使用簡單，具有資源豐富、背光可調、接口齊全（包含液晶屏供電電源、四線電阻式觸摸屏等接口）和可靠性高等優點。

2 工作原理

2.1 智能井蓋

智能井蓋采用主從轉動軸設計，通過RS485 接入邊緣智能終端，與氣體傳感器進行智能聯動，實現對井蓋的智能閉鎖管控，并兼具防盜功能。智能井蓋的結構如圖2 所示，正面主要包括四方鑰匙孔、緊急解鎖接口和電源接口，其中四方鑰匙孔用來插入扳手控制主轉動軸的轉動，緊急解鎖接口通過RS485 通信線接入邊緣智能終端，電源接口接入移動電源，對智能井蓋進行供電；反面主要包括電磁離合器、防水控制盒、卡爪、卡爪固定座和尼龍墊塊等。

圖2 智能井蓋結構

智能井蓋工作流程為：（1）智能井蓋和氣體傳感器接通電源，氣體傳感器開始對電纜井內氣體環境進行檢測，并將檢測數據上送至邊緣智能終端，根據系統設定的閾值進行研判；（2）當氣體檢測數據超出系統設定閾值時，電磁離合器斷電，主從轉動軸不聯動，井蓋閉鎖，無法從外部打開；（3）當氣體檢測數據在系統設定閾值范圍時，電磁離合器通電，主從轉動軸聯動；（4）通過四方鑰匙孔轉動主轉動軸，帶動從轉動軸轉動，機械臂收縮，井蓋可以從外部打開。

2.2 聲光報警

聲光報警器主要由感應器、二極管、蜂鳴器以及電源電路等構成。聲光報警器通過RS485 通信線與智能管控終端進行連接，采用Modbus-RTU 協議進行通信。當傳感器監測到異常數據后，反饋至智能管控終端，由智能管控終端控制聲光報警模塊工作；當檢測氣體濃度、溫濕度和作業人員生命體征等參數超過設定閾值時，蜂鳴器能夠及時響應，并持續報警，伴隨發光二極管（Light Emitting Diode，LED）燈光閃爍。

2.3 新風系統

為了保證現場施工時進入有限空間的空氣潔凈，從而保證施工作業人員的安全，需要在有限空間作業現場對有限空間進行實時的通風換氣，因此需要采用新風系統，并且通過氣體傳感器檢測數據，控制新風系統的通風效率。新風系統布置在有限空間的2 個出口處，離心風機轉動，從電纜井一側井蓋送風，另一側將有限空間內部的有毒有害、易燃易爆氣體以及濕氣等排出，在運行過程中需要根據傳感器監測數據實時調整新風系統的工作頻率。高性能空氣質量交換器在新風系統送風的同時，會對進入井內的空氣進行新風過濾、滅毒和增氧等一系列操作，對進入有限空間內部的空氣進行凈化降濕處理，從而達到凈化有限空間空氣環境的目的。

3 系統使用流程

3.1 智能管控系統平臺

有限作業空間安全智能管控系統的主要功能是基于多種有線、無線傳感器采集到的檢測數據，根據系統設定的閾值發出告警信息，并控制報警器報警、智能井蓋閉鎖和新風系統調整機組功率。由于電纜井等地下有限作業空間充滿積水，在進行檢測和作業前必須進行排水作業；電纜井排水作業結束后，智能井蓋和傳感器接通電源，開始進行井內環境監測以及新風機組通風換氣。根據檢測環境數據進行新風機組功率調整，當檢測數據低于系統設定閾值時方可開啟智能井蓋；智能井蓋開啟后，作業人員下井布置布控球，對現場施工作業進行實時視頻監控，并穿戴好可穿戴生命體征檢測設備進行施工作業；系統后臺可查看實時監測數據，并根據監測數據預警信息，對作業人員的生命體征和作業環境進行實時分析，發現問題及時告警。智能管控系統管控流程如圖3 所示。

圖3 智能管控系統管控流程

智能管控系統平臺的主界面包括設備樹、實時視頻、實時告警、環境狀態信息、生命體征信息、作業人員權限等內容的展示。可在設備樹進行切換查看不同任務關聯視頻設備的實時圖像，并進行AI 算法視頻識別展示。實時展示環境狀態傳感器監測數據和作業人員生命體征信息，并實時顯示告警信息及相關設備告警數值，包括任務名稱、設備名稱、告警詳情、告警時間，并可查看人工智能AI 算法生成告警圖片，進而進行確認和刪除。

3.2 就地化顯示平臺

為了方便有限作業空間現場施工人員實時查看環境檢測信息及施工人員的身體健康信息，開發了有限作業空間安全智能管控就地化顯示系統，實現傳感器檢測數據的就地化顯示。有限作業空間安全智能管控就地化顯示系統包括數據顯示主頁面、數據記錄頁和報警閾值設置頁。數據顯示主頁面可以實時查看易燃易爆氣體、溫濕度、粉塵、血氧濃度及心率等傳感器數據，實時監控視頻流和電池剩余電量等信息。當傳感器檢測數據超出報警閾值時，可進行實時告警。數據記錄頁包含歷史傳感器數據，并對檢測數據狀態進行判斷，顯示每條記錄的狀態是否正常，方便施工人員進行下一步操作。

4 結 論

為了保障有限空間作業人員安全，文章設計一套基于多源傳感器數據融合的有限空間現場作業管控智能系統。利用作業人員智能化人臉識別和現場作業管控等技術，實現有限空間作業環境的實時監測智能預警、作業人員生命體征智能監測、作業全程可視化監控、智能井蓋及新風系統的安全智能管控，從而完成有限空間現場作業的全方位安全監督，對保障有限空間作業安全監管、有效預防和遏制地下有限空間安全事故發生具有重要的意義。