基于電力系統應用的智能化新型安全帽設計與開發

陳淼 李真璐

摘 要：針對現有電力行業安全帽智能設計與智能應用不足的缺點，提出了實現實時監測與通信功能的智能安全帽設計與開發。新型智能安全帽包括安全帽終端、智能監控應用平臺兩個部分，提出了智能安全帽終端的工業設計方案，構建了智能監控應用平臺的功能架構、數據接口及通信方式。樣機制造實現了作業現場實時監測、通信、溫度濕度報警燈功能。

關鍵詞：安全帽 智能 監控

中圖分類號：TM76 文獻標識碼：A 文章編號：1674-098X（2017）12（b）-0045-03

安全防護一直是電力系統日常工作中非常重要的環節。為了減少巡視、檢修等日常工作過程中的意外傷害，往往要求工作人員根據實際工作環境佩戴個人防護設備（PPE），而安全帽幾乎是在所有工況下都需要佩戴的防護設備。相關研究表明，使用個人防護設備可以防止高達37%的職業傷害[1]，并且在物理防護的同時能夠增加工作者的心理安全感，進而提升工作質量與工作效率[2]。

然而，目前安全帽的設計與佩戴中，都只注重考慮了安全帽的基本功能，即安全防護性，而忽略了以安全帽為平臺的智能設計與應用[3-5]。安全帽在電力行業日常工作中普及程度高，若能夠以安全帽為平臺進行二次設計與二次開發，進而實現作業現場的實時監測與實時反饋，能夠有效促進決策人員對實際現場情況的了解與把握，提高管理人員與現場工作人員的溝通效率，進而實現管理決策與現場實際的有效聯動。本文以安全帽為基礎，基于人體工程學、集成電路技術、工業設計等理論，提出了實現現場監測功能的智能安全帽技術，以彌補現有安全帽中智能設計與智能應用不足的缺點。

1 新型智能安全帽終端及其遠程應用平臺的設計

1.1 整體設計方案

新型智能安全帽旨在實現現場作業實時監測、實時通信、溫度濕度自動預警等智能化高級應用，不再將安全帽視為一件普通的工作防護設備，而是將安全帽作為一個連接后方管理人員與前線作業人員的平臺。在本文提出的整體設計方案中，該平臺分為安全帽終端和智能監控應用平臺兩個部分。其中，安全帽終端旨在實現現場的數據采集與通信，并集成溫度濕度預警、意外傷害防護等安全功能為一體；智能監控應用平臺旨在實現后臺的數據處理與傳輸、圖像識別、實時通話等功能，實現不同作業現場、不同作業人員的統一監控與指揮。

安全帽終端與智能監控平臺的整體功能設計具體包括以下幾項。

（1）集成耳機和麥克風功能，實現網絡語音通信功能，把現場的信息回傳給后臺。

（2）集成傳感器，具備GPS、溫度、濕度等功能，現場溫度或濕度過高后自動報警提示。

（3）集成攝像頭功能，可實現對現場作業的實時監控和采集。

（4）工作現場語音視頻信號在本地高效壓縮處理后，通過4G網絡實時傳至后臺服務器，實現遠程指揮監控和現場雙向通話。

1.2 智能安全帽終端設計與開發

在硬件結構方面，智能安全帽終端采取人體工程學設計，對攝像頭、集成電路班、內部走線進行協同考量與統一設計，最大限度地保證安全性與舒適性。攝像頭位于安全帽正面中心處，即佩戴人員額頭上方，方便取景，集成電路設計在安全帽左側，并對安裝集成電路部位的頭盔外形進行重新設計，以適應集成電路的安裝。安全帽終端的正面、側面如圖1所示。

值得指出的是，雖然增加了攝像頭、集成電路模塊等相關附件，但是整體重量并未出現明顯上升，足以保證安全帽的佩戴舒適性。另一方面，通過攝像頭、集成電路的合理布局與分區隔離設計，可以保證佩戴人員的安全防護。

在安全帽內部安裝有集成電路板，集成電路板包含了供電電源模塊、GPS模塊、WiFi模塊、CMOS傳感器、主芯片等若干組成部分。集成電路起到了監測、通信、預警決策等作用，是智能安全帽終端的核心部件，其各個組成部分如圖2所示。

由圖2可以看出，集成電路板由鋰電池及其管理芯片、按鍵和LED燈、主芯片、WiFi模塊、GPS模塊、CMOS傳感器構成。其中，CMOS傳感器進行溫度、濕度等環境指標的測量感應；WiFi模塊可以連接工作現場局域網與遠程平臺進行通信；GPS模塊用于獲取位置坐標信息；按鍵和LED燈用于用戶及時控制及狀態反饋；鋰電池則提供集成電路板正常運行所需能量。

1.3 智能監控應用平臺設計開發

智能監控應用平臺是與智能安全帽終端配套使用的遠程系統，平臺將集中展示所有在線并佩戴智能頭盔的現場施工人員，方便決策人員實時查看現場影像情況、定位施工人員工作位置、實現與現場工作實時對講，實現設備維護管理、工作單管理等流程的自動化辦公。除了這些基本功能，平臺可以加入圖像識別、視頻識別、虛擬現實等高級應用功能，增加遠程應用平臺的智能性，對工作人員所做工作、設備現狀等進行圖片、視頻智能識別，對設備現狀、潛在故障、工作人員作業過程是否達標、是否符合安全規范等各個方面進行綜合評價。遠程監控應用平臺的架構圖如圖3所示，由基礎設施層、數據接入層、數據整合層、基礎服務層、高級服務層等幾部分構成。基礎設施層包括主機、操作系統、安全帽終端等硬件設施；數據接入層與數據整合層則接入不同類型的數據信息并進行加工處理；基礎服務層包括了數據展現、圖形生成、報表生成、查詢統計等基礎服務；高級服務層則包含了作業場景分析、設備故障識別、危險動作預警、虛擬現實等高級功能。

2 結語

為提高在電網現場作業的可控性，本文設計并研制了智能化與平臺化的新型智能安全帽系統，包括安全帽終端與智能監控平臺兩個部分，在現場作業過程中可實時視頻對講，遠程指揮，現場溫度濕度自動報警，現場人員實時定位、記錄自動保存并上傳到服務器等。遠程監控平臺的高級功能將實現設備故障識別、危險動作預警等智能化應用。通過安全帽與攝像機巧妙地結合起來，帽子總重量與現有安全帽一樣并不增加負擔，維持了人員配戴的舒適性，既保證人員安全又可以提高工作流程的自動化及智能化水平。值得指出的是，本文所提出的智能化安全帽及其應用平臺具有通用性，不僅可以在電力行業進行廣泛應用，在工廠、建筑、橋梁、隧道等作業場所都可以根據本文進行安全帽智能化改造，推廣應用前景廣闊。

參考文獻

[1] 張振偉.安全帽的舒適性設計研究[D].中南大學，2009.

[2] 蔣旭日.淺談國內外安全帽生產技術[J].中國個體防護裝備，2010（4）：31-34.

[3] 黃偉文.安全帽防護面罩改進與應用[J].工業技術創新，2016，3（6）：1151-1154.

[4] 張敏，王茂人，陳香琳.基于實時檢測的送風濾塵安全帽設計[J].機電一體化，2013，19（5）：62-64.

[5] 肖明東，孫煒.淺談多功能防護安全帽設計[J].中國高新技術企業，2013（32）：37-38.