基于互聯網+的特高塔施工安全管理系統

陳振新 閆循平 王剛 侯松生

（國網浙江省電力公司舟山建設分公司 浙江省舟山市 316000）

1 引言

按照國家電網公司的智能電網建設規劃，智能電網建設已經進入第三階段，在此階段將全面建成統一的堅強智能電網，技術和裝備全面達到國際先進水平。建設以信息化、自動化、互動化為特征的堅強智能電網對于輸變電工程全壽期管理提出了更高的要求。

2 基于互聯網+的380m特高塔安全施工管理系統概念

目前，世界正在經歷以數據為核心，互聯網為手段的第二次信息化浪潮，社會正在從IT（信息化）時代轉至DT（數據）時代。無所不在的網絡、無所不在的計算、無所不在的數據、無所不在的知識共同驅動了無所不在的創新。傳統的輸電線路高塔組立施工安全管理，僅僅是現場簡單、單一、局部、分散的模式，未能深度融合互聯網+技術開展相關應用研究。根據海島380m特高塔組立施工特點，將互聯網+的理念和技術引入施工安全管理，從施工現場源頭抓起，抓特高塔組立施工安全管理的三大要素“人員（高處作業人員）、機具（立塔抱桿）、環境（風雨雷）”，最大限度的實時采集與監控施工人員、電力工具和施工物理環境等重要業務信號與數據，通過各種成熟的工業物聯網平臺、互聯網通信設備，建立基于云端服務器的工業大數據系統管理平臺，構建“設備端+服務云+信號大數據”的工業體系和系統監控模式，聯通從特高塔組立高處作業人員、抱桿、環境狀態與遠程監管的數據鏈條，實現各環節的智能化、互聯網化管理，提高特高塔組立施工現場的安全生產監控水平。實現“互聯網+”與380m特高塔組立的跨界融合，提升電力工程安全施工的監控水平。

3 基于互聯網+特高塔安全管理系統的研究內容及存在的問題

3.1 研究內容

圖1：互聯網+特高塔安全管理系統

基于互聯網+的380m特高塔安全施工管理系統主要研究特高塔組立施工安全管理的三大要素“人員（高處作業人員）、機具（立塔抱桿）、環境（風雨雷）”的實時數據獲取，最大限度的實時采集與監控施工人員、電力工具和施工物理環境等重要業務信號與數據，其技術架構主要涵蓋空作業人員生命體征的智能監控系統、高處作業人員實時立體定位系統、雙平臂抱桿作業狀態和參數實時監測系統、微氣象站實時監測系統和架空輸電線路張力放線牽張力及弧垂自動監測裝置五個部分。

3.1.1 高空作業人員生命體征的智能監控系統

通過高處作業人員的生命體征參數的實時監測，保證作業前、作業中高處作業人員的身體生理狀態始終滿足安全作業要求。結合VR虛擬特高塔組立高處作業場景，對施工人員是否適合上塔作業給予判斷。

3.1.2 高處作業人員實時立體定位系統

通過實時定位系統，監測每一個高處作業人員的準確定位，掌握每一個人實時動態，結合模糊識別技術，及時發現并制作高處作業人員的違章行為。

3.1.3 雙平臂抱桿作業狀態和參數實時監測系統

通過遠程視頻、抱桿起吊重量幅度力矩等重要參數信號等實時監測系統，掌握抱桿實時工作狀態，結合抱桿許用參數等比對，提前發出預告報警等措施，保證設備狀態良好。

3.1.4 微氣象站實時監測系統

在海島特高塔施工現場，開發設置實時實地微氣象監測系統，監測與特高塔施工安全有重大關聯的主要氣象指標（風雨雷）參數，有效指導施工安全管理。

3.1.5 架空輸電線路張力放線牽張力及弧垂自動監測裝置

結合張力放線，監測張力機出口處導線的放線張力，監測牽引機進口處牽引繩的牽引力，監測線路主要放線控制檔的導線弧垂及凈高，牽引力、弧垂、凈高等監控數據全部在牽張場匯總顯示，用于張力控制調整。

以現場系統感知數據為基礎來構建互聯網+特高塔大數據安全監控系統，通過對電力工程項目數據的實時采集和深度處理，提升工程監控水平，改善項目整體的監控水平。

3.2 當前存在的問題

目前隨著人工智能和通訊技術的發展，關于電力施工安全的智能穿戴設備被廣泛采用。但目前的智能穿戴設備組成簡單，功能受限，有些設計不太合理，這其中尤以施工人員的安全因素最為重要，這不僅因為施工人員操控其他要素，更因為施工人員自身時刻隨時面臨著一系列重大的安全隱患，這構成了當前互聯網+特高塔安全管理系統的主要問題并亟待解決，具體表現在施工環境監控、施工資質與授權、施工人員健康監控和施工現場預警救援四個方面。

3.2.1 施工環境監控

由于野外施工環境的復雜性及其動態多變特性，因此無法提前準確測量當前環境條件參數，也無法及可靠預測其未來的變化趨勢，但是諸如溫度、濕度、壓力以及可見度等環境參數都會對施工的安全性帶來重大影響，如何實時、準確并高性價比地檢測施工現場的環境參數，并基于大數據模型可靠地預測其未來的變換趨勢，進而提前采取安全防患措施，對于提高電力施工具有重大的現實意義。

3.2.2 施工資質與授權

當前，對人員施工資質授權和違規施工缺乏有效監督，是導致安全隱患事故頻繁發生的第一重大因素。有效可靠的人員施工資質監控應該是動態，它包括了施工前的合法授權、施工中的有效性鑒別以及施工后終結判斷三個階段的一個系統過程，其中，核心是任何一個階段下的違規施工如何進行預警和處置。

3.2.3 施工人員健康監控

首先，隨著施工勞動強度的加大和施工時間的延長，施工人員的健康狀況必然受到影響，這是一個自然的生理過程監控；其次，人員的健康狀況會受到施工環境條件的影響，環境條件的改變也會對人員健康造成不可預期的影響；最后，施工資質水平高低以及是否按照規范施工會干預人員健康自然生理過程的變化。現有的技術條件未能做到上述三個方面互聯互動的實時監控和可靠預判，導致了大量意外安全事故的頻發。

3.2.4 施工現場預警救援

當施工現場發送意外致使人員生命受到嚴重危險或者人員意識失去知覺時，現有的脈搏、血壓、血氧等傳感器信息處理技術手段無法檢測昏厥人員的危急信號。例如，當施工人員頭部受到重物撞擊失去知覺時，自身無法發出求救信號時，現有技術手段缺乏緊急有效的求救措施，從而貽誤了寶貴的生命救援時間。另外，當施工人員上塔作業時，尤其當所處塔位距離地面較高時，施工人員作業即處于高發事故狀況，此時缺乏足夠有效的安全監控和必要的作業輔導，從而為隱患的發生埋下了伏筆。

4 一種互聯網+特高塔安全管理系統及其核心技術的實現

4.1 系統結構

針對上述問題，論文提出了一種基于電力施工環境智能感知預警及人體安危緊急救援的自組網安全帽，并結合全景相機進而構建了互聯網+特高塔安全管理系統，其原理如圖1所示。該系統由安全帽本體、全景相機和平臺服務器三塊硬件構成，其中，安全帽本體包括身份識別與授權模塊、施工環境感知與預警模塊、人體生理特征檢測模塊、測距模塊、生命危急檢測模塊、語音模塊、控制主系統和電源模塊。

4.2 核心技術實現

4.2.1 控制主系統

控制主系統基于ARM構架嵌入式微機系統，其與平臺服務器通過4G無線連接并在內部設置有UWB定位或藍牙定位模塊、數據存儲模塊和數據處理模塊。定位模塊用于定位施工人員的地理位置信息并向平臺服務器傳輸該位置信息數據。數據存儲模塊存有施工人員的身份特征信息、施工人員正常生理特征參數、安全施工環境參數和施工人員頭部壓力安全信息。數據處理模塊要實現的功能包括：

（1）比對施工人員身份特征信息并決定是否給予施工授權；（2）實時比對施工人員的生理特征數據并決定是否發出生命預警信號；

（3）實時比對施工環境數據并決定是否發出施工環境預警信號；

（4）實時比對施工人員的頭部所受壓力信號數據并決定是否自動向平臺服務器發出生命危急求救信號和自動觸發語音模塊（7）播放語音求救信號。

4.2.2 身份識別與授權模塊

該模塊主要是一個攝像頭模塊，用于采集人臉正面圖像信息并傳輸給控制主系統，然后將控制主系統授權處理結果通過語音模塊播放給施工人員。

4.2.3 施工環境感知與預警模塊

該模塊的實現方式為溫度傳感器、濕度傳感器、PM2.5傳感器和風力傳感器，用于實時采集施工環境的溫度、濕度、PM2.5濃度和風力強度并傳輸給控制主系統，然后將控制主系統施工環境處理結果通過語音模塊播放給施工人員，當不符合安全施工環境時通過語音模塊反復播放預警信息。

4.2.4 人體生理特征檢測模塊

該模塊包括數字脈搏傳感器、血壓傳感器和血氧傳感器，用于實時采集施工人員的脈搏、血壓和血氧并傳輸給控制主系統，然后將控制主系統的施工人員生理特征處理結果通過語音模塊播放給施工人員，當不符合正常生理指標時通過語音模塊反復播放預警信息。

4.2.5 測距模塊

該模塊為UWB（或藍牙定位）定位電路，用于實時檢測施工人員上塔作業時的位置，實時將施工人員定位信息發送至監控中心，使得監控中心安全員可以對塔上遠距離作業人員進行實時監控和作業輔導，避免意外事故發生。

4.2.6 生命危急檢測模塊

該模塊是一個壓力傳感器，實時檢測施工人員頭部所受壓力信號并傳輸給控制主系統當施工人員遇到突發情況下的重物撞擊而失去知覺時，此時的傳感器會檢測到一個較大的壓力信號數據，該數據會自動觸發控制主系統報告平臺服務器，同時自動啟動語音模塊發出緊急語音求救信號。

4.2.7 全景相機

全景相機采集施工現場全景，結合VR技術、全景沙盤技術，構建施工現場及380米高塔模型，并通過4G無線網絡傳輸給平臺服務器，從而為施工管理提供直觀、實際、有效的數據，提升工程組織、安全、質量、進度的過程管控能力。另一方面，施工人員帶上VR眼鏡進入施工現場所在的可視化沙盤，可隨意選擇高塔全景觀測點、高塔260米平臺等觀測點，讓作業人員身臨其境地置身于各種真實、復雜的施工虛擬環境之中，大膽嘗試各種實際操作。加強其在特高塔組立施工中的現實體驗感覺，鍛煉提升高處作業能力，保證作業人員人生安全，降低培訓成本。并結合生命體征監測，在VR模擬體驗階段監測作業人員的身體狀態，對施工人員是否適合上塔作業給予判斷。

5 系統實施效果

本系統遵循軟硬件的一般規范操作，打開電源模塊的開關，將控制主系統與平臺服務器連接，將安全帽平拿在手中，頭部正對著安全帽殼外表面，通過語音模塊錄入施工人員的身份證號碼，通過攝像頭采集施工人員的臉部正面照片，等到獲得語音播報的施工授權結果后，施工人員戴好安全帽并系好帽內的松緊帶，施工環境感知與預警模塊和人體生理特征檢測模塊開關工作，1-3分鐘后若沒有聽到預警語音消息，則施工人員可以開始施工。在施工過程中一旦聽到施工環境預警語音或者人體生理特征預警語音后，施工人員應當停止施工。當施工人員頭部受到較大的重物撞擊壓力時，則能夠聽到主控制系統發出的危急求救語音消息，隨后也能聽到平臺服務器發出的語音確認消息，施工人員通過語音模塊和平臺服務器確認安全后，此時可以通過手動開關關閉該生命危急求救語音。當施工人員上塔作業位置距離地面較遠時，則能夠聽到平臺服務器發過來的語音作業輔導信息。本系統經過多次不間斷的10小時連續監測以及為期2個月的工程使用，未發生任何故障，因此，具備了推廣使用的條件。