空間安全作業運維指揮管理系統研究與應用

王 闖，張家坤，曹南華，劉福月，李希稷

（山東濰坊抽水蓄能有限公司，山東 濰坊 262699）

在設備安裝、維護、涂裝、防腐和專業基礎設施建設過程中，企業往往需要進入有限的經營空間。在實際工作中，由于管理不善，容易造成人身傷害，威脅操作人員的生命健康，影響安全生產。受限空間作業引發的人身事故經常被各種新聞媒體報道，必須引起各級管理者的高度重視[1]，是安全生產管理中必須嚴格控制的安全風險點。遠程控制電廠有限空間安全運行維護指揮管理終端，可以在施工人員進入有限空間工作前先投入需要檢測的地點實時采集作業現場環境參數、現場視頻，并且可以在一定范圍內移動以便于對工作場所環境情況有更好的了解，同時可以在施工中同步采集現場作業人員的視頻數據、音頻數據、空氣環境參數等指標數據，并將這些信息通過無線通信方式實時傳輸到便攜指揮管理后臺，方便現場監護人員實時掌握現場的工作環境和人員情況，有效地管理現場運維作業人員，降低現場作業風險，提供現場作業工作效率，降低安全隱患。

1 案例分析

案例1：2015年3月31日佛坪金水河西花電站4＃引水隧道導井窒息事故，一班4人作業時發生中毒窒息事故，事故造成2人死亡，2人受傷。事故原因：作業人員沒有對隧道內含氧量和有毒有害氣體進行檢測，現場負責人沒有盡到安全監管責任，沒有對作業人員及時進行安全生產危險點的指導和糾正。

案例2：2020年7月2日9時10分左右，國網湖南省電力有限公司堆子嶺220千伏輸變電工程施工點，承建施工單位為湖南省送變電工程有限公司，發生一起作業人員被困事件，5名專業分包人員當時在深基坑施工作業，在有限空間內窒息死亡。

可見，需要一套一體化系統，對在建設中的抽水蓄能電站挖掘隧道中有限空間現場運維作業實行實時氣體環境監測，同時進行可視化管理，及時、直觀地把握有限空間的情況，做出反應，以滿足行業安全生產發展的需要。

2 空間安全作業運維指揮管理系統研究

有限空間安全作業運維指揮管理系統對于不同的應用，需要實現不同的傳感能力。電流傳感器具有小型化、多樣化、低功耗和自處理等特點，其功能和性能仍在被豐富和提高。如今，各大部件制造商針對可穿戴設備的巨大市場需求，推出了一系列低功耗、高集成度的傳感解決方案。

2.1 人機交互

在人機交互方面，國外的一些技術已根據其成熟程度逐步商業化，并有相互融合的趨勢。在可穿戴人機交互技術方面，中國繼續跟蹤先進技術并進行引進，整體技術水平有了很大提高，尤其是語音和觸摸交互方面，接近行業領先水平[2]。國內語音交互技術起步較晚，但發展迅速，基于中文語音交互技術有很多成熟的商業應用。

2.2 通信技術

在通信技術方面，各種通信手段已經非常成熟，可以根據不同環境提供各種解決方案，主要包含無線與有線兩種，具體如1所示。

表1 無線通信與有線通信對比

受空間有限的特殊環境影響，有線通信技術難以采用，可以很好地應用無線通信技術。無線通信技術能夠適應現場極端惡劣的環境，保證通信網絡在惡劣環境下的安全性和可靠性。

3 空間安全作業運維指揮管理系統應用

3.1 工程分析

濰坊抽水蓄能電站在建設過程中，施工條件差，工期長，施工生產活動危險，不安全因素多，安全管理意義重大。抽水蓄能電站建設中常見的危險有害因素包括人為因素、環境因素和管理因素[3]。其中，環境因素一般指工作場所和現場的惡劣環境，包括室內工作場所、室外工作場所、地下（水下）工作環境等惡劣環境。水電施工中常見的問題，如天氣和環境惡劣，施工場地不平，地下洞室冒頂、塌壁、涌水，作業現場混亂、地下洞室開挖通風不良、照明不足，安全通道狹窄不暢等。洞室掘進施工面的危險源及危險因素是洞室密閉、空氣對流不暢，可能導致的事故是窒息中毒、人員傷亡。本項目有限空間是指基建及機組運行后的有限空間，包括蝸殼、引水隧洞、集水井、電纜隧道、GIS 開關室等基建期作業區域和運行生產階段作業區域。筆者依托近場自組網技術、超寬帶定位技術的用于有限空間現場環境的便攜式前端遙控探測設備，聯合先進企業力量，開展有限空間現場環境的便攜式前端遙控探測設備的應用研究[4]。

3.2 提前勘測設備

研發了一套在施工前，對有限空間進行提前勘測的前端遙控探測設備，同時可保護人員安全的單兵設備，如圖1所示，該設備在施工前、施工中可進行安全監測，同時統一由現場監護人員通過有限空間現場環境的便攜指揮管理后臺實時掌握現場的工作環境和人員情況，有效地管理現場作業人員，降低現場作業風險，提供現場作業工作效率，降低安全隱患。該系統的工作流程如下：首先，人員進行有限空間工作之前使用前端遙控探測設備對有限空間情況用視頻+氣體探測器進行前期探測，確保有限空間情況是否安全。其次，確定安全后人員佩戴前端單兵設備進入有限空間開始工作，單兵設備可以實時傳輸視頻、雙向通話，并且實時測量有限空間氣體、輻射量情況。最后，監護人員通過便攜指揮管理后臺監控人員工作情況，從單兵設備獲取前端實時數據，遇到突發情況可以根據現場視頻和氣體探測數據對有限空間情況進行雙重復合判斷。

圖1 單兵設備

3.3 遙控探測設備

在現場集中運行維護模式下，由主站和抽水蓄能電站共同完成運行維護功能。在現場集中運行維護模式下，抽水蓄能電站自動化設備的集中監控、集中維護和集中管理功能主要在抽水蓄能電站現場完成。抽水蓄能電站自動化設備的參數配置在抽水蓄能電站末端的運行維護終端上進行[5]。有權限的操作員進入車站，登錄運維配置終端，使用統一配置工具，調用目標設備參數，修改并發布。抽水蓄能電站現場完成的抽水蓄能電站自動化設備運行維護的主要任務，不僅包括運行維護人員的運行信息任務，還包括運維終端運行環境監控、運維終端運行過程監控、運維終端歸檔管理。主站完成運維主站的運行管理、參數管理等輔助功能?，F場集中運行維護模式，采用自動模式完成運行維護任務，比人工主導的運行維護模式效率更高，減少了人工失誤的概率。但現場集中運行維護模式仍取決于抽水蓄能電站的運行維護配置終端。抽水蓄能電站廠址與主站之間的任務處理過程復雜，通信容易出差，處理效率不高。特別是對于主站監測數據量大的抽水蓄能電站，工作量更大。同時，主站和變電站通過通信網絡交換信息，操作和維護信息的容量也受到協議和通道等諸多因素的限制。隨著運維專業化的不斷演進，現場集中運維模式的規模和難度越來越大，運維壓力越來越大。

便攜式前端遙控探測設備是可以經由便攜指揮管理后臺進行遠程遙控及通信控制的探測設備，具有以下功能：①設備搭載高清云臺攝像機，可以實現360°旋轉，并且可以90°～0°俯仰操作，可以通過便攜指揮管理后臺觀測有限空間情況；②配套安裝四合一氣體檢測儀，可以對可燃氣+氧氣+任意兩種毒害氣體（可根據有限空間實際情況增加）自由組合進行檢測，能靈活滿足現場需求，對于有限空間有毒、可燃氣體進行實時探測并將測試數據傳輸至便攜指揮管理后臺；③配套安裝一臺輻射檢測儀，測量α、β、γ和X射線，可以檢查局部的輻射泄露和核輻射污染，檢查周圍環境中的氡輻射、石材等材料的放射性、地下鉆管和設備的放射性，精確定位輻射源；④對遙控底盤視現場情況可進行遙控移動，監控范圍更靈活。

3.4 指揮管理后臺

在接入過程中，主要有兩種不同的接入方案，獨立硬件模式下的接入方案：運維配置終端作為客戶端，與間隔層和站控層設備進行通信，自動化設備將這些信息傳輸給配置終端。在該方案中，運行維護配置終端設備和交互信息流不僅是配置參數，也是運行數據[6]。運維配置終端通過其他硬件集成方式下的接入方案：與二級運維管控平臺交換信息，從平臺獲取所需信息。在這種方案下，運維配置終端與設備之間交換的信息只有配置參數，沒有其他信息流。如果采用硬件集成方案，則配置終端與二級運維管控平臺之間的信息交互，然后配置軟件模塊之間的數據交互，無須硬件通信。

監護人員通過便攜指揮管理后臺對施工情況進行監控，從有限空間現場環境的便攜式前端遙控探測設備和單兵設備獲取前端實時數據，遇到突發情況可以根據現場視頻和氣體探測數據對有限空間情況進行雙重復合判斷。指揮管理后臺具備以下功能：①軟件嵌入移動指揮箱，開機后即可通過軟件無線遠程管理終端接入設備；②多路語音集群對講功能，指揮員可實時遠程遙控指揮前端多個單兵；③氣體檢測數據及現場視頻數據的信息回傳至監控中心。

4 結束語

本文上述研究，獲得以下結論。

一是便攜式前端遙控探測設備的研制。融合嵌入式技術、機器人技術、遠程遙控技術、無線網絡通信技術、RS485通信技術等多種技術，并基于數據庫技術和計算機編程語言技術，開發高可靠性有限空間危險環境狀態無線監測設備。

二是便攜指揮管理后臺的開發。監護人員通過便攜指揮管理后臺控制前端遙控探測設備的工作情況對電纜溝進行狀態監測。監測狀態包含當前和歷史的溫度、可燃氣體、有害氣體、氧氣含量、輻射量。以便對要工作的有限空間內部情況有個詳細的了解，為人員工作提供有力保護。

三是組網通信技術。應用當前國際上先進的遠程擴頻技術，無線自組網、傳輸距離遠、高強度加密，滿足電站內的組網通信?！?/p>