一種適用于煤化工行業檢修作業環境的安全衛士系統

收稿日期：2023-07-11

DOI：10.19850/j.cnki.2096-4706.2024.05.036

摘" 要：近年來，煤化工企業依然存在各種零碎事故頻發的問題，為了提高煤化工企業安全生產管理水平，需要利用信息化技術為安全生產提供技術保障。因此，文章提出了一種適用于煤化工檢修作業環境的安全衛士系統，可對現場檢修作業人員起到很好的監督保護作用，大幅降低安全事故的發生概率，有效提高煤化工企業的現場作業效率和安全管理水平。

關鍵詞：智能安全帽；煤化工企業；安全生產管理；安全管理系統

中圖分類號：TP315" " 文獻標識碼：A" 文章編號：2096-4706（2024）05-0167-05

A Safety Guard System Suitable for Overhaul Work Environment in Coal Chemical Industry

SONG Zidong， WANG Tao， XU Haidong， CHEN Zhenyu， LIANG Yinchan

（Information Technology Center of Ningxia Coal Industry Co.， Ltd.， CHN Energy， Yinchuan" 750011， China）

Abstract： In recent years， coal chemical enterprises still face the problem of frequent occurrence of various sporadic accidents. In order to improve the safety production management level of coal chemical enterprises， it is necessary to use informatization technology to provide technical support for safety production. Therefore， this paper proposes a safety guard system suitable for overhaul work environment in coal chemical industry， which can effectively supervise and protect on-site overhaul operator， significantly reduce the probability of safety accidents， and effectively improve the on-site operation efficiency and safety management level of coal chemical enterprises.

Keywords： smart safety helmet; coal chemical enterprise; safety production management; safety management system

0" 引" 言

近年來，隨著煤化工安全生產保障設施的不斷完善及安全管理手段的不斷提升，絕大部分重大安全事故得以杜絕，但是依然存在零碎事故頻發的問題[1，2]。特別是在煤化工罐體安全檢修中，罐體內大概率存在能傷害人體危險氣體，而通信信號被罐體隔絕導致無法遠程監控安全檢修人員狀態及作業環境，是煤化工安全生產保障的一個盲區[3，4]。

安全帽是煤化工企業員工不可或缺的一種保護工具，主要功能是減少或降低不利外界因素對人體頭部的傷害。隨著行業的不斷發展，對安全的不斷重視，市場需求對傳統煤化工用安全帽提出了新的要求，在原有的保護功能基礎上，以外掛方式增加由各種智能化模塊組成的煤化工用安全衛士頭戴裝置[5]，代替各種獨立的影、音、照明、傳感等設備，可以解放雙手，減少設備的多樣性，降低生產維護成本，滿足煤化工行業對檢修作業現場環境和管理的特殊要求。同時系統設計一種便攜式化工類防爆基站，能夠根據罐外通信信號情況，只能中繼和調制合適制式及頻段的通信信號至罐內，解決罐內信號盲區問題，使得安全檢修人員狀態及作業環境能夠被遠程監控[6]。

1" 總體設計方案

本文設計和開發的煤化工安全衛士系統適合在煤化工特殊防爆環境下使用，使用場景主要為煤化工作業及維修現場，特征為有二類區域防爆要求，部分場景（如罐體內無無線信號覆蓋），背景噪音尤其大，有有害氣體存在的可能（一氧化碳/硫化氫）。根據以上使用場景特點，需要主體設備設計的本質安全以便防爆場景使用，提供便攜式基站進行信號轉發及覆蓋以用于無信號覆蓋的使用場景，收音設備需要具備抗噪功能，提供有害氣體及生命監測及報警功能保證人員安全，提供便攜式視頻記錄儀以實時回傳作業場景視頻[7]。

如圖1所示，煤化工安全衛士系統由智能頭戴裝置、多功能監測儀、便攜式視頻記錄儀、便攜式基站、公有/私有云服務及調度指揮平臺組成。

多功能監測儀通過藍牙和智能頭戴裝置連接及數據轉發。智能頭戴裝置及便攜式視頻記錄儀室外有通信信號覆蓋情況下，通過GPS/北斗進行定位，通過運營商公網（3G/4G/5G）或者Wi-Fi網絡和云端進行通信。

圖1" 煤化工安全衛士系統結構圖

在室內且沒有通信信號覆蓋情況下，便攜式基站提供UWB定位信號覆蓋及無線通信信號覆蓋，智能頭戴裝置和便攜式視頻記錄儀通過UWB信號進行定位，通過便攜式基站的無線通信信號向外通信，便攜式基站的接收天線外拉至有無線信號區域或者有線接入以太網，通過運營商公網（3G/4G/5G）或者以太網和云端通信。

如圖2所示，調度指揮平臺通過以太網和云端進行通信，獲取現場視頻、圖像和傳感器數據，并可以連接智能頭戴裝置和便攜式視頻記錄儀和現場進行實時語音視頻通信。

2" 各模塊技術方案

2.1" 智能頭戴裝置

如圖3所示，智能頭戴裝置由中控主板、Wi-Fi/3G/4G/5G/藍牙數據數據傳輸模塊、攝像模塊、脫帽監測模塊、UWB精確定位模塊、GNSS定位模塊（GPS/北斗）、抗噪揚聲器、抗噪收音器、電源管理模塊、電池、LED照明模塊組成。其中，Wi-Fi/3G/4G/5G/藍牙數據傳輸模塊、攝像模塊、脫帽監測模塊、UWB精確定位模塊、GNSS定位模塊、左抗噪揚聲器、抗噪收音器均接入中控主板，通過中控主板供電，實現控制及數據中轉傳輸。

Wi-Fi/3G/4G/5G數據傳輸模塊可將視頻、語音及傳感數據通過無線通信和云端交互。人員在室外時，GNSS定位模塊接收衛星數據實現定位，在室內時，UWB精確定位模塊通過和便攜式基站進行信號飛行時間測定，計算使用人在室內環境中相對于便攜式基站的精確位置?？乖臌溈孙L部分采用雙麥降噪，通過物理及算法差分以確保在現場嘈雜特殊環境中高通話質量。攝像模塊使用星光級低照度高清攝像頭，可保證在昏暗的環境中進行視頻/圖像的攝取，內置DSP芯片提高視頻通話質量和圖片采集的清晰度。脫帽監測模塊監測作業人員是否按在作業區域規定佩戴安全帽，如在作業區域沒有監測到安全帽被佩戴，智能頭戴裝置會本地報警并發送報警信息至云端。

電源管理模塊管理電池的充放電，電池采用具有防爆證書的防爆鋰電池，電源管理模塊中的電池保護板輸出具備兩級本安栓，并且根據防爆要求提供串限流電阻及保險做第三級保護。電源管理模塊給中控主板供電并接收中控主板的控制信號。LED照明模塊直接和電源管理模塊連接，并通過單獨的開關控制開閉，可為使用者在昏暗甚至無光作業環境中提供明亮、穩定的光源，具備三級照明模式。

2.2" 便攜式視頻記錄儀設計

如圖4所示，便攜式視頻記錄儀和智能頭戴裝置設計基本相同，只是沒有脫帽監測模塊，定位和通信原理也和便攜式視頻記錄儀一致。

2.3" 便攜式基站設計

如圖5所示，便攜式基站由電源組件，定位組件，通信組件三部分組成。

電源組件包括電源管理模塊和電池，電池采用具有防爆證書防爆鋰電池，電源管理模塊管理電池的充放電，電源管理模塊中的電池保護板輸出具備兩級本安栓，并且根據國家煤礦Ⅱ區防爆要求提供串限流電阻及保險做第三級保護，電源組件給定位組件和通信組件供電。

定位組件由GNSS天線，GNSS定位模塊，定位控制器，UWB定位模塊及UWB天線組成，GNSS定位模塊和GNSS天線連接接收定位衛星信號，UWB定位模塊和UWB天線通過測量信號飛行時間，計算便攜式視頻記錄儀和智能頭戴裝置相對于便攜式基站的精確位置，定位控制器通過定位衛星信號確認便攜式基站定位數據，再根據視頻記錄儀和智能頭戴裝置相對于便攜式基站的精確位置計算出視頻記錄儀和智能頭戴裝置定位數據，然后把結果發送給通信組件中的通信控制器。

通信組件由數據傳輸模組、信號分析模組、通信控制器、SDR軟件無線電模組組成、DAC/ADC模塊、模擬射頻接收機/發射機及寬頻天線組成。數據傳輸模組支持Wi-Fi/3G/4G/5G/以太網數據傳輸，通過外置天線或者有線方式連接通信網絡。數據傳輸模組接收到的信號通過信號分析模組進行分析，確認通信制式和頻率，信號分析模組包括信道模擬器、信號識別、同步解調、PCI/SRIO、數字下變頻、數字信道化、基帶預處理和PCIE/RapidIO八大功能單元。信號分析模組解析后的信號傳遞給通信控制器，由通信控制器決定即將轉換為的室內覆蓋信號模式和信道。解析后的信號和通信控制器的轉換指令接著傳遞給SDR軟件無線電模組，SDR軟件無線電模組由資源分配控制器、DSP數字信號處理、FPGA現場可編程門陣列、SPU鉆用處理單元及GPP通用處理器組成，SDR軟件無線電模組將信號按通信控制器的轉換指令進行轉換，按新的信號模式和頻率進行輸出。SDR軟件無線電模組的信號通過ADC/DAC轉換后發送給模擬射頻接收機/發射機，模擬射頻接收機/發射機工作頻率200～5 000 MHz，最后由寬頻天線進行補盲信號覆蓋。

2.4" 多功能監測儀設計

多功能監測儀通過藍牙和智能頭戴裝置連接，提供溫度，H2S，CO和O2四種環境參數的監控，監控數據通過智能頭戴裝置進行數據轉發，一旦參數超限，多功能監測儀本地聲光報警，并傳遞報警信號給云端，調度指揮中心也會通過云端自動下達遠程監控指令遠程打開智能頭戴裝置的攝像頭、麥克風和喇叭，了解現場環境情況，對作業人員下達應急指令。監測功能界面如圖6所示。

3" 系統特點

目前大部分公開的智能安全帽，雖然將各種信息化功能和安全帽集成在一起，但是信息化設備不可拆卸，然而在煤化工行業里安全帽有18個月強制報廢規定，信息化部件價值遠大于安全帽本身，壽命也遠不止18個月，這樣會造成極大浪費。有一些安全帽支持拆卸，但是沒有信息化功能（如語音、視頻、傳感等），無法向指揮平臺傳遞現場信息。還有一些安全帽具備可拆卸的智能罩，可以通過GPS或者北斗進行室外人員定位，通過Wi-Fi或公網通信，但是沒有的室內定位解決方案，沒有配套的通信盲區應急通信手段，無法適應煤化工室內無信號覆蓋的場景應用[8-10]。

目前煤化工行業使用的安全帽，僅僅提供了安全防護功能，其他的智能安全帽方案，要么不可拆卸，要么沒有室內定位及盲區應急通信解決方案，且所有的方案不足之處在于沒有考慮到煤化工使用場景的特殊防爆要求，不是本質安全的，在煤化工防爆場景無法使用。本文設計和開發的煤化工安全衛士系統適合在煤化工特殊防爆環境下使用，該系統有以下幾個特點：

1）系統中安全衛士頭戴裝置及便攜式基站整體結構及電路設計符合國標GB3836.2本質安全要求，可用于煤化工特殊防爆環境。

2）便攜式基站利用先進的軟件無線電及通信信號處理技術，智能分析外界有效通信信號種類及頻率，將其延伸覆蓋至無信號區域，解決了罐體維修等作業場景的信號盲區問題。

3）安全衛士頭戴裝置將照明、語音通話及集群對講、聽力保護、室內及室外定位、照相及視頻攝錄、脫帽監測等功能模塊融于一體，減少了工人作業需攜帶設備數量，解放雙手，降低生產維護成本。

4）安全衛士頭戴裝置使用可拆裝設計，可靈活配置于各類安全帽之外。

5）系統利用Wi-Fi/3G/4G/5G/以太網實現云端的語音、視頻及數據的采集、傳輸與存儲。

4" 結" 論

煤化工行業各類零碎的安全事故偶有發生，給企業的社會責任和擔當帶來了負面影響，目前安全事故主要集中在單崗及零星作業人員，本文所設計的系統可對單崗及零星作業人員起到很好的監督作用，有效杜絕廠區作業人員危險和違規行為，大幅降低安全事故的發生概率，通過該系統在煤化工企業的推廣應用，企業安全效益和社會效益將得到顯著提升。同時，該系統可提高現場作業人員的工作效率，減少一定的人工成本，可以為企業實現利潤的提升。因此，該系統在煤化工行業的推廣應用，對于相關企業具有重要的社會效益、安全效益和經濟效益。本文設計和研發的煤化工安全衛士系統將實現煤化工行業安全管理模式由過去的人防和制度管理模式逐步向技防模式轉變，煤化工廠區作業由人與人之間的協作變為人與人及智能管理系統之間的協作，由經驗走向智能、由單一走向協同，將有效的提高煤化工企業的生產效率和安全管理水平。

參考文獻：

[1] 邢麗霞.關于煤化工企業安全生產管理的研究 [J].能源技術與管理，2018，43（2）：179-181.

[2] 陳旺東.煤化工企業安全生產管理分析 [J].化工管理，2020（35）：64-65.

[3] 申偉鵬.基于信息化的煤礦安全生產管理系統的設計及應用分析 [J].西部探礦工程，2023，35（12）：188-191.

[4] 陳朝暉.加強煤化工企業安全生產管理的思考 [J].化工管理，2021（26）：88-89.

[5] 崔蕾，李亞政，張楠，等.安全生產管理系統建設的研究與實踐 [J].計算機與數字工程，2023，51（8）：1725-1731.

[6] 郭雨松，于振，趙煒妹.基于可穿戴技術的電力作業安全監護平臺研究 [J].電力信息與通信技術，2015，13（1）：72-77.

[7] 潘巧，方百里，李瀚儒，等.基于體感網與邊緣計算的高空作業智能防護系統研究 [J].自動化與信息工程，2023，44（6）：15-21.

[8] 陸啟榮，宋智鵬，邱柏良，等.基于作業安全監管的智能安全帽系統設計 [J].科學技術創新，2023（18）：30-34.

[9] 周圩穎，徐楠，王輝，等.智能安全帽及其管控平臺設計 [J].物聯網技術，2023，13（7）：98-100.

[10] 高松，劉威.多場景智能頭盔監測系統的設計 [J].計算機測量與控制，2018，26（8）：10-13+45.

作者簡介：宋紫東（1993.08—），男，漢族，寧夏銀川人，工程師，碩士研究生，主要研究方向：煤化工信息化技術。