基于智能安全帽的數(shù)字化安全監(jiān)管平臺設計

陸啟榮 趙新朋 梁利華

(1.浙江大學建筑工程學院 浙江 杭州 310058; 2.浙江大學工程師學院浙江 杭州 310058; 3.浙江高信技術(shù)股份有限公司 浙江 杭州310020; 4.浙江工業(yè)大學機械工程學院 浙江 杭州 310032)

“安全生產(chǎn)”是我國建筑施工工程行業(yè)響應黨和國家“以人為本”的基本思想。道路施工是我國安全事故高發(fā)的行業(yè)，存在諸多安全隱患[1-2]。安全帽能夠預防事故，并保護自身安全。然而，在實際施工中，由于部分員工安全施工意識不足、安全管理者少等原因，安全帽的不合理佩戴現(xiàn)象比較普遍，無法做到全面監(jiān)管[3]。

為適應工程現(xiàn)場的多樣性，在傳統(tǒng)安全帽上加入智能模塊，如實時定位[4-6]、音視頻通信[7-8]、遠程協(xié)助和監(jiān)管考勤[9]、脫帽預警[10-11]等功能，同時配合管理云平臺或手機應用程序，可為企業(yè)提高整體安全性，實現(xiàn)降本增效。但是，目前的智能安全帽尚缺乏從施工作業(yè)安全監(jiān)管的角度進行系統(tǒng)化研究，如安全帽的正確佩戴應包括帽帶的正確佩戴、中暑等突發(fā)性生理狀況的安全監(jiān)控、道路分散式施工的現(xiàn)實管理難等問題。

為此，針對分散式道路施工人員的安全監(jiān)管，開發(fā)了施工作業(yè)安全行為監(jiān)管和生理參數(shù)檢測的智能安全帽，并研發(fā)了基于智能安全帽的遠程監(jiān)管平臺。

1 施工作業(yè)的智能安全帽設計

道路施工存在工期緊、任務重、工種多、工序復雜，容易形成交叉作業(yè)等諸多問題。交叉作業(yè)中，物件綁扎不牢、工具攜帶不規(guī)范、材料運輸執(zhí)行力不嚴等，導致物料掉落、物體散落等，極有可能造成物體打擊與高處墜落事故。施工單位雖然經(jīng)常性組織開展日常、專項、綜合等檢查工作，然而部分單位安全檢查流于形式、層次化不足，未針對隱患存在的根本原因進行分析、采取有針對性的整改與預防措施，更有單位實行“以罰代管”的現(xiàn)象。

本文基于實地考察、制度調(diào)研和施工人員交流的基礎上，結(jié)合智能安全帽應用落實，發(fā)現(xiàn)道路施工作業(yè)存在以下問題。

（1）現(xiàn)場施工作業(yè)人員的來源較為復雜、流動性大，導致施工現(xiàn)場的安全管理工作受到重重阻礙，施工人員安全意識淡薄，存在安全帽佩戴不規(guī)范的問題。

（2）道路通常采取“分段實施、統(tǒng)籌兼顧”的思路進行施工，某一班組的工段可能較長（如3 km長路段，同一班組人員匯集需要約30 min），需要研究基于智能化戴帽或脫帽手段判斷上班或下班，從而實現(xiàn)自動監(jiān)管。

研究表明：現(xiàn)場施工人員身體狀況（心率、血氧等）和安全行為存在顯著的相關(guān)性，目前監(jiān)管設備以作業(yè)行為規(guī)范狀態(tài)為主，存在監(jiān)管盲區(qū)。

基于此，開發(fā)了道路施工作業(yè)需求的智能安全帽，進行了智能安全帽功能設計，具體如圖1 所示。根據(jù)施工作業(yè)現(xiàn)場的實際情況，基于施工作業(yè)安全監(jiān)管的智能安全帽由控制盒、前額監(jiān)測模塊以及帽帶監(jiān)測模塊3個部分組成。前額監(jiān)測模塊基于光電傳感器和光生物傳感器采集血氧、體溫和心率等生理健康參數(shù)，并通過邊緣計算分析及設置的閾值進行監(jiān)測和預警；帽帶監(jiān)測模塊基于高精度激光測距傳感器，并結(jié)合前額監(jiān)測模塊的光電傳感器，對正常工作過程的脫帽、未正確佩戴帽帶等違規(guī)作業(yè)行為進行監(jiān)測、分析和預警；控制盒安裝在安全帽后側(cè)外部，其內(nèi)包含定位模塊、電源系統(tǒng)、通信模塊和邊緣計算模塊等。智能安全帽基于通信模塊與云平臺進行數(shù)據(jù)交互，在云平臺上實現(xiàn)數(shù)據(jù)可視化和記錄、設備管理、報警管理等功能。

圖1 智能安全帽功能圖

2 施工作業(yè)監(jiān)管平臺系統(tǒng)架構(gòu)

不安全行為是工人表現(xiàn)出來的非正常行為。根據(jù)國家標準《企業(yè)職工傷亡事故分類》（GB 6441-1986）的定義，不安全行為是指能造成安全事故的人為錯誤。廣義上來講，工人的不安全行為是指任何能直接或者間接導致安全事故發(fā)生的行為，包括員工的違規(guī)行為、引起安全事故發(fā)生的不安全動作以及沒有按照安全規(guī)程去完成的行為。

圖2是本文設計的道路施工作業(yè)安全監(jiān)管平臺系統(tǒng)架構(gòu)圖。安全監(jiān)管平臺采集智能安全帽上的各傳感器，對作業(yè)人員的定位信息、生理參數(shù)、佩戴情況進行實時監(jiān)測，通過智能安全帽的通信模塊和安全監(jiān)管平臺的云服務器進行網(wǎng)關(guān)通信；云服務器通過部署安全監(jiān)管平臺系統(tǒng)的Java服務將安全帽傳輸上來的數(shù)據(jù)按協(xié)議文檔進行標準化和規(guī)范化的解析和計算，將結(jié)果信息存儲到數(shù)據(jù)庫服務器。最后，由Web 前端搭建的界面和小程序，通過HTTP協(xié)議和Java后端服務進行數(shù)據(jù)對接，將數(shù)據(jù)通過系統(tǒng)權(quán)限的控制對擁有不同權(quán)限的操作人員進行共享和可視化顯示。

圖2 安全監(jiān)管系統(tǒng)整體方案

3 監(jiān)管平臺功能設計與實現(xiàn)

基于BIM 和PT 技術(shù)的工人不安全行為預警系統(tǒng)的基本原理是通過實時收集施工現(xiàn)場中工人的不安全行為信息和位置信息，并將相關(guān)信息與BIM 模型中的非安全環(huán)境信息有效集成，進行不安全行為分析與預警信息反饋。根據(jù)上述工人不安全行為分類與預警原理，對工人不安全行為預警的信息需求進行分析。

道路施工作業(yè)安全監(jiān)管平臺系統(tǒng)主要包含兩個部分，分別為可視化管理系統(tǒng)和消息隊列遙測傳輸服務，圖3為平臺系統(tǒng)的主流程圖。

3.1 可視化管理系統(tǒng)的設計和實現(xiàn)

可視化管理系統(tǒng)主要分為系統(tǒng)基礎功能設置、設備和云服務的數(shù)據(jù)交互、數(shù)據(jù)庫存儲、服務數(shù)據(jù)分析預警、數(shù)據(jù)可視化展示、手機小程序配合網(wǎng)頁多端操作等。

可視化管理系統(tǒng)按模塊化設計形成系統(tǒng)管理、設備管理、項目管理、可視化駕駛艙的功能模塊，通過各個模塊的配合實現(xiàn)系統(tǒng)的完整運行。

3.1.1 人員定位系統(tǒng)

通過智能安全帽定位模塊獲取到佩戴人員當前的定位信息，并通過智能安全帽上的通信模塊將數(shù)據(jù)傳輸?shù)綌?shù)據(jù)庫服務器，安全監(jiān)管平臺從數(shù)據(jù)庫中獲取到人員定位信息通過數(shù)據(jù)協(xié)議和頁面交互，將作業(yè)人員的定位信息實時展示在安全監(jiān)管平臺大屏駕駛艙上，管理人員通過駕駛艙實時掌握所有人員的位置信息。日常管理中可以配合系統(tǒng)劃定考勤區(qū)域開展人員考勤工作，緊急情況下方便對人員進行調(diào)度。

智能安全帽的定位模塊選用ATGM332D-5N，支持多種衛(wèi)星導航系統(tǒng)，包含32 個跟蹤通道，可以同時接收6個衛(wèi)星導航系統(tǒng)的GNSS信號，并且實現(xiàn)聯(lián)合定位、導航與授時。

3.1.2 安全帽佩戴監(jiān)控系統(tǒng)

智能安全帽帽箍上安裝有SFH 7050光電傳感器，基于反射式PPG 信號，用于監(jiān)測頭盔正確佩戴。智能安全帽下顎帽帶上安裝有VL53L0X 高精度激光測距傳感器，用于下顎帽帶的佩戴檢測。

圖4 為智能安全帽佩戴監(jiān)控的原理圖，當智能安全帽處于正常佩戴情況下，安全帽的光電傳感器與施工佩戴人員前額緊貼，可以測量得到人體的生理參數(shù)，此時當下顎帽帶處于正確佩戴時，則將檢測數(shù)據(jù)傳輸至云服務器。

圖4 智能安全帽佩戴監(jiān)控原理

當作業(yè)人員未正確佩戴智能安全帽，無法正常檢測到應有的生理參數(shù)時，后端服務則通過上傳的數(shù)據(jù)進行分析和處理，蜂鳴器開始進行聲光報警，監(jiān)管系統(tǒng)將下發(fā)短信給佩戴人員，通過安全帽和短信的方式提醒人員正確佩戴智能安全帽。同時，系統(tǒng)將預警的數(shù)據(jù)進行入庫存儲，在駕駛艙和后臺管理系統(tǒng)進行查看。監(jiān)管系統(tǒng)佩戴狀態(tài)檢測和可視化的流程如圖5所示。

圖5 智能安全帽佩戴狀態(tài)檢測流程

3.1.3 安全帽生理參數(shù)監(jiān)測系統(tǒng)

生理參數(shù)的監(jiān)測為施工作業(yè)人員身體狀況的保障提供了重要信息依據(jù)。不同的施工區(qū)域所處的施工環(huán)境存在很大差異，在高溫情況下，可能導致作業(yè)人員有中暑等風險，作業(yè)人員身體狀況出現(xiàn)異常情況，無法得到及時的通知和監(jiān)測。智能安全帽選用AFE 4404 反射式光電容積傳感器，支持3 個開關(guān)發(fā)光二極管和一個光電二極管，實現(xiàn)心率和血氧飽和度的監(jiān)測。

道路施工作業(yè)安全監(jiān)管系統(tǒng)基于智能安全帽的AFE 4404傳感器的采集，獲取心率、血氧等生理參數(shù)，通過無線傳輸技術(shù)將參數(shù)發(fā)送到云服務器，后臺服務根據(jù)約定的協(xié)議進行參數(shù)解析，通過監(jiān)管系統(tǒng)設置的閾值參數(shù)進行分析判斷，得出生理參數(shù)是否處于異常的結(jié)果，一旦出現(xiàn)異常，將立即發(fā)送短信通知到施工人員并反饋到監(jiān)控大屏，同時也將下發(fā)通知給安全帽，安全帽則立即發(fā)出聲光報警，其工作原理如圖6所示。

圖6 智能安全帽生理參數(shù)監(jiān)檢流程

按照相關(guān)標準，正常成年人心率的正常范圍是60～100次/min，正常成年人的血氧飽和度一般在95%以上。對于一般人員而言，最大運動心率=（220-現(xiàn)在年齡）×0.8。通過智能安全帽在不同工地，近100個施工人員在不同時段的試用（圖7為施工人員作業(yè)時的心率和血氧監(jiān)測實測示例），基于目前測得的數(shù)據(jù)統(tǒng)計分析，考慮心率正常范圍初步設置為50～120 次/min、心率波動閾值為平均值的50%、血氧正常范圍為大于90%、血氧波動閾值為平均值的5%。未來，隨著獲取的數(shù)據(jù)量增加，進行大數(shù)據(jù)分析并設置。

圖7 施工人員作業(yè)時的心率、血氧監(jiān)測

3.1.4 道路施工作業(yè)班組上下班檢測

在實際施工作業(yè)中存在一些特殊的情況，同一個班組人員可能會負責多個工段的施工。工段之間的距離各不相同，有的存在超過幾公里距離的差異，這種情況下，按照系統(tǒng)設置的安全帽佩戴比例進行判斷會存在較大誤差，因此采用設置班組長的形式，以班組長的佩戴情況為依據(jù)，優(yōu)先對班組長的佩戴情況進行判斷，其他情況則根據(jù)所設置的上班佩戴閾值進行判斷，通過系統(tǒng)的判斷將上下班數(shù)據(jù)反饋到平臺。監(jiān)管系統(tǒng)對道路施工作業(yè)班組上下班檢測和可視化的流程具體見圖8。

圖8 班組上下班檢測和可視化

3.2 消息隊列遙測傳輸服務

智能安全帽施工安全監(jiān)管系統(tǒng)采用MQTT協(xié)議和云服務進行通信，該協(xié)議針對一些遠程設備在網(wǎng)絡狀況不良的情況下通信而設計，通過使用發(fā)布/訂閱消息模式，以一對多的消息發(fā)布方式有效地將數(shù)據(jù)進行傳輸。智能安全帽以MQTT協(xié)議和無線傳輸技術(shù)將采集到的生理參數(shù)與傳感數(shù)據(jù)傳輸?shù)組QTT 服務器，采用Java語言開發(fā)的后端服務將傳輸?shù)椒掌鞯臄?shù)據(jù)進行解析處理后存入數(shù)據(jù)庫服務器，同時以HTTP 協(xié)議的交互方式通過Web 平臺進行數(shù)據(jù)更新展示，智能安全帽設備的數(shù)據(jù)傳輸方案具體如圖9所示。

圖9 智能安全帽設備的數(shù)據(jù)傳輸

4 作業(yè)安全監(jiān)管平臺應用

基于上述系統(tǒng)架構(gòu)方案和設計思路，使用Java 和JavaScript 語言分別開發(fā)服務端和前端，開發(fā)了基于智能安全帽的安全監(jiān)管系統(tǒng)。

將系統(tǒng)應用在實際施工環(huán)境，通過監(jiān)管系統(tǒng)綁定功能將智能安全帽和作業(yè)人員進行關(guān)聯(lián)，對各項功能進行真實施工環(huán)境下的測試，取得了良好的實踐效果，在保障作業(yè)人員的安全方面起到了重要的作用。安全監(jiān)管系統(tǒng)實現(xiàn)的功能包括作業(yè)人員作業(yè)狀態(tài)、生理參數(shù)、安全帽佩戴等不同參數(shù)的監(jiān)測。

作業(yè)人員的定位和考勤功能，通過安全監(jiān)管系統(tǒng)的項目模塊設置作業(yè)人員的考勤范圍，利用智能安全帽的定位模塊獲取定位信息，通過無線傳輸數(shù)據(jù)到云服務器準確獲知作業(yè)人員的位置信息和行動軌跡。位置信息通過HTTP 傳輸?shù)骄W(wǎng)頁和小程序，通過監(jiān)控駕駛艙實時查看，通過小程序的打卡記錄作為考勤的依據(jù)，更重要的是一旦出現(xiàn)緊急情況可以通過定位信息知曉人員分布，以便更好地進行管控。

通過智能安全帽上的各類傳感器實時監(jiān)測施工作業(yè)人員的生理參數(shù)，利用內(nèi)置的算法判斷作業(yè)人員生理參數(shù)是否異常，從而做出對應的報警和短信預警，以提示作業(yè)人員做好對應的防范措施。基于對智能安全帽上傳的感應數(shù)據(jù)進行分析和處理，做出安全帽是否佩戴、帽帶是否正確佩戴的判斷，能及時發(fā)現(xiàn)作業(yè)人員在施工過程中是否佩戴規(guī)范，有效規(guī)避了施工過程中由于安全帽佩戴不規(guī)范導致的一些人身安全問題。

5 結(jié)語

在充分結(jié)合施工安全方面實際需求的基礎上，結(jié)合云平臺、物聯(lián)網(wǎng)、大數(shù)據(jù)這些技術(shù)對傳統(tǒng)的施工管理進行智能化升級，對基于智能安全帽的施工作業(yè)安全監(jiān)管平臺進行了設計，并將其在施工產(chǎn)地進行實踐，通過使用各類傳感器對作業(yè)人員進行實時監(jiān)測，基于系統(tǒng)獲取到的數(shù)據(jù)進行分析，從而得到監(jiān)控和管理的目的。基于智能安全帽的監(jiān)管系統(tǒng)在實踐應用中有助于推動施工安全監(jiān)管的信息透明化、公開化，提供了更加便利和高效率的智能管理，規(guī)范施工人員的安全帽正確佩戴，為施工人員的生命安全保駕護航。