基于互聯(lián)網(wǎng)+的特高塔施工安全管理系統(tǒng)

陳振新 閆循平 王剛 侯松生

（國網(wǎng)浙江省電力公司舟山建設(shè)分公司 浙江省舟山市 316000）

1 引言

按照國家電網(wǎng)公司的智能電網(wǎng)建設(shè)規(guī)劃，智能電網(wǎng)建設(shè)已經(jīng)進入第三階段，在此階段將全面建成統(tǒng)一的堅強智能電網(wǎng)，技術(shù)和裝備全面達到國際先進水平。建設(shè)以信息化、自動化、互動化為特征的堅強智能電網(wǎng)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(lián)網(wǎng)+的380m特高塔安全施工管理系統(tǒng)概念

目前，世界正在經(jīng)歷以數(shù)據(jù)為核心，互聯(lián)網(wǎng)為手段的第二次信息化浪潮，社會正在從IT（信息化）時代轉(zhuǎn)至DT（數(shù)據(jù)）時代。無所不在的網(wǎng)絡(luò)、無所不在的計算、無所不在的數(shù)據(jù)、無所不在的知識共同驅(qū)動了無所不在的創(chuàng)新。傳統(tǒng)的輸電線路高塔組立施工安全管理，僅僅是現(xiàn)場簡單、單一、局部、分散的模式，未能深度融合互聯(lián)網(wǎng)+技術(shù)開展相關(guān)應(yīng)用研究。根據(jù)海島380m特高塔組立施工特點，將互聯(lián)網(wǎng)+的理念和技術(shù)引入施工安全管理，從施工現(xiàn)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(yè)人員）、機具（立塔抱桿）、環(huán)境（風雨雷）”，最大限度的實時采集與監(jiān)控施工人員、電力工具和施工物理環(huán)境等重要業(yè)務(wù)信號與數(shù)據(jù)，通過各種成熟的工業(yè)物聯(lián)網(wǎng)平臺、互聯(lián)網(wǎng)通信設(shè)備，建立基于云端服務(wù)器的工業(yè)大數(shù)據(jù)系統(tǒng)管理平臺，構(gòu)建“設(shè)備端+服務(wù)云+信號大數(shù)據(jù)”的工業(yè)體系和系統(tǒng)監(jiān)控模式，聯(lián)通從特高塔組立高處作業(yè)人員、抱桿、環(huán)境狀態(tài)與遠程監(jiān)管的數(shù)據(jù)鏈條，實現(xiàn)各環(huán)節(jié)的智能化、互聯(lián)網(wǎng)化管理，提高特高塔組立施工現(xiàn)場的安全生產(chǎn)監(jiān)控水平。實現(xiàn)“互聯(lián)網(wǎng)+”與380m特高塔組立的跨界融合，提升電力工程安全施工的監(jiān)控水平。

3 基于互聯(lián)網(wǎng)+特高塔安全管理系統(tǒng)的研究內(nèi)容及存在的問題

3.1 研究內(nèi)容

圖1：互聯(lián)網(wǎng)+特高塔安全管理系統(tǒng)

基于互聯(lián)網(wǎng)+的380m特高塔安全施工管理系統(tǒng)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(yè)人員）、機具（立塔抱桿）、環(huán)境（風雨雷）”的實時數(shù)據(jù)獲取，最大限度的實時采集與監(jiān)控施工人員、電力工具和施工物理環(huán)境等重要業(yè)務(wù)信號與數(shù)據(jù)，其技術(shù)架構(gòu)主要涵蓋空作業(yè)人員生命體征的智能監(jiān)控系統(tǒng)、高處作業(yè)人員實時立體定位系統(tǒng)、雙平臂抱桿作業(yè)狀態(tài)和參數(shù)實時監(jiān)測系統(tǒng)、微氣象站實時監(jiān)測系統(tǒng)和架空輸電線路張力放線牽張力及弧垂自動監(jiān)測裝置五個部分。

3.1.1 高空作業(yè)人員生命體征的智能監(jiān)控系統(tǒng)

通過高處作業(yè)人員的生命體征參數(shù)的實時監(jiān)測，保證作業(yè)前、作業(yè)中高處作業(yè)人員的身體生理狀態(tài)始終滿足安全作業(yè)要求。結(jié)合VR虛擬特高塔組立高處作業(yè)場景，對施工人員是否適合上塔作業(yè)給予判斷。

3.1.2 高處作業(yè)人員實時立體定位系統(tǒng)

通過實時定位系統(tǒng)，監(jiān)測每一個高處作業(yè)人員的準確定位，掌握每一個人實時動態(tài)，結(jié)合模糊識別技術(shù)，及時發(fā)現(xiàn)并制作高處作業(yè)人員的違章行為。

3.1.3 雙平臂抱桿作業(yè)狀態(tài)和參數(shù)實時監(jiān)測系統(tǒng)

通過遠程視頻、抱桿起吊重量幅度力矩等重要參數(shù)信號等實時監(jiān)測系統(tǒng)，掌握抱桿實時工作狀態(tài)，結(jié)合抱桿許用參數(shù)等比對，提前發(fā)出預(yù)告報警等措施，保證設(shè)備狀態(tài)良好。

3.1.4 微氣象站實時監(jiān)測系統(tǒng)

在海島特高塔施工現(xiàn)場，開發(fā)設(shè)置實時實地微氣象監(jiān)測系統(tǒng)，監(jiān)測與特高塔施工安全有重大關(guān)聯(lián)的主要氣象指標（風雨雷）參數(shù)，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(jiān)測裝置

結(jié)合張力放線，監(jiān)測張力機出口處導線的放線張力，監(jiān)測牽引機進口處牽引繩的牽引力，監(jiān)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(jiān)控數(shù)據(jù)全部在牽張場匯總顯示，用于張力控制調(diào)整。

以現(xiàn)場系統(tǒng)感知數(shù)據(jù)為基礎(chǔ)來構(gòu)建互聯(lián)網(wǎng)+特高塔大數(shù)據(jù)安全監(jiān)控系統(tǒng)，通過對電力工程項目數(shù)據(jù)的實時采集和深度處理，提升工程監(jiān)控水平，改善項目整體的監(jiān)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(shù)的發(fā)展，關(guān)于電力施工安全的智能穿戴設(shè)備被廣泛采用。但目前的智能穿戴設(shè)備組成簡單，功能受限，有些設(shè)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(gòu)成了當前互聯(lián)網(wǎng)+特高塔安全管理系統(tǒng)的主要問題并亟待解決，具體表現(xiàn)在施工環(huán)境監(jiān)控、施工資質(zhì)與授權(quán)、施工人員健康監(jiān)控和施工現(xiàn)場預(yù)警救援四個方面。

3.2.1 施工環(huán)境監(jiān)控

由于野外施工環(huán)境的復(fù)雜性及其動態(tài)多變特性，因此無法提前準確測量當前環(huán)境條件參數(shù)，也無法及可靠預(yù)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(huán)境參數(shù)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(xiàn)場的環(huán)境參數(shù)，并基于大數(shù)據(jù)模型可靠地預(yù)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(xiàn)實意義。

3.2.2 施工資質(zhì)與授權(quán)

當前，對人員施工資質(zhì)授權(quán)和違規(guī)施工缺乏有效監(jiān)督，是導致安全隱患事故頻繁發(fā)生的第一重大因素。有效可靠的人員施工資質(zhì)監(jiān)控應(yīng)該是動態(tài)，它包括了施工前的合法授權(quán)、施工中的有效性鑒別以及施工后終結(jié)判斷三個階段的一個系統(tǒng)過程，其中，核心是任何一個階段下的違規(guī)施工如何進行預(yù)警和處置。

3.2.3 施工人員健康監(jiān)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(jiān)控；其次，人員的健康狀況會受到施工環(huán)境條件的影響，環(huán)境條件的改變也會對人員健康造成不可預(yù)期的影響；最后，施工資質(zhì)水平高低以及是否按照規(guī)范施工會干預(yù)人員健康自然生理過程的變化?，F(xiàn)有的技術(shù)條件未能做到上述三個方面互聯(lián)互動的實時監(jiān)控和可靠預(yù)判，導致了大量意外安全事故的頻發(fā)。

3.2.4 施工現(xiàn)場預(yù)警救援

當施工現(xiàn)場發(fā)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(xiàn)有的脈搏、血壓、血氧等傳感器信息處理技術(shù)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(fā)出求救信號時，現(xiàn)有技術(shù)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(yè)時，尤其當所處塔位距離地面較高時，施工人員作業(yè)即處于高發(fā)事故狀況，此時缺乏足夠有效的安全監(jiān)控和必要的作業(yè)輔導，從而為隱患的發(fā)生埋下了伏筆。

4 一種互聯(lián)網(wǎng)+特高塔安全管理系統(tǒng)及其核心技術(shù)的實現(xiàn)

4.1 系統(tǒng)結(jié)構(gòu)

針對上述問題，論文提出了一種基于電力施工環(huán)境智能感知預(yù)警及人體安危緊急救援的自組網(wǎng)安全帽，并結(jié)合全景相機進而構(gòu)建了互聯(lián)網(wǎng)+特高塔安全管理系統(tǒng)，其原理如圖1所示。該系統(tǒng)由安全帽本體、全景相機和平臺服務(wù)器三塊硬件構(gòu)成，其中，安全帽本體包括身份識別與授權(quán)模塊、施工環(huán)境感知與預(yù)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(tǒng)和電源模塊。

4.2 核心技術(shù)實現(xiàn)

4.2.1 控制主系統(tǒng)

控制主系統(tǒng)基于ARM構(gòu)架嵌入式微機系統(tǒng)，其與平臺服務(wù)器通過4G無線連接并在內(nèi)部設(shè)置有UWB定位或藍牙定位模塊、數(shù)據(jù)存儲模塊和數(shù)據(jù)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(wù)器傳輸該位置信息數(shù)據(jù)。數(shù)據(jù)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(shù)、安全施工環(huán)境參數(shù)和施工人員頭部壓力安全信息。數(shù)據(jù)處理模塊要實現(xiàn)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(quán)；（2）實時比對施工人員的生理特征數(shù)據(jù)并決定是否發(fā)出生命預(yù)警信號；

（3）實時比對施工環(huán)境數(shù)據(jù)并決定是否發(fā)出施工環(huán)境預(yù)警信號；

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

4.2.2 身份識別與授權(quán)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(tǒng)，然后將控制主系統(tǒng)授權(quán)處理結(jié)果通過語音模塊播放給施工人員。

4.2.3 施工環(huán)境感知與預(yù)警模塊

該模塊的實現(xiàn)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(huán)境的溫度、濕度、PM2.5濃度和風力強度并傳輸給控制主系統(tǒng)，然后將控制主系統(tǒng)施工環(huán)境處理結(jié)果通過語音模塊播放給施工人員，當不符合安全施工環(huán)境時通過語音模塊反復(fù)播放預(yù)警信息。

4.2.4 人體生理特征檢測模塊

該模塊包括數(shù)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(tǒng)，然后將控制主系統(tǒng)的施工人員生理特征處理結(jié)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(fù)播放預(yù)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(yè)時的位置，實時將施工人員定位信息發(fā)送至監(jiān)控中心，使得監(jiān)控中心安全員可以對塔上遠距離作業(yè)人員進行實時監(jiān)控和作業(yè)輔導，避免意外事故發(fā)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(tǒng)當施工人員遇到突發(fā)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(shù)據(jù)，該數(shù)據(jù)會自動觸發(fā)控制主系統(tǒng)報告平臺服務(wù)器，同時自動啟動語音模塊發(fā)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(xiàn)場全景，結(jié)合VR技術(shù)、全景沙盤技術(shù)，構(gòu)建施工現(xiàn)場及380米高塔模型，并通過4G無線網(wǎng)絡(luò)傳輸給平臺服務(wù)器，從而為施工管理提供直觀、實際、有效的數(shù)據(jù)，提升工程組織、安全、質(zhì)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(xiàn)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(yè)人員身臨其境地置身于各種真實、復(fù)雜的施工虛擬環(huán)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(xiàn)實體驗感覺，鍛煉提升高處作業(yè)能力，保證作業(yè)人員人生安全，降低培訓成本。并結(jié)合生命體征監(jiān)測，在VR模擬體驗階段監(jiān)測作業(yè)人員的身體狀態(tài)，對施工人員是否適合上塔作業(yè)給予判斷。

5 系統(tǒng)實施效果

本系統(tǒng)遵循軟硬件的一般規(guī)范操作，打開電源模塊的開關(guān)，將控制主系統(tǒng)與平臺服務(wù)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(quán)結(jié)果后，施工人員戴好安全帽并系好帽內(nèi)的松緊帶，施工環(huán)境感知與預(yù)警模塊和人體生理特征檢測模塊開關(guān)工作，1-3分鐘后若沒有聽到預(yù)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(huán)境預(yù)警語音或者人體生理特征預(yù)警語音后，施工人員應(yīng)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(tǒng)發(fā)出的危急求救語音消息，隨后也能聽到平臺服務(wù)器發(fā)出的語音確認消息，施工人員通過語音模塊和平臺服務(wù)器確認安全后，此時可以通過手動開關(guān)關(guān)閉該生命危急求救語音。當施工人員上塔作業(yè)位置距離地面較遠時，則能夠聽到平臺服務(wù)器發(fā)過來的語音作業(yè)輔導信息。本系統(tǒng)經(jīng)過多次不間斷的10小時連續(xù)監(jiān)測以及為期2個月的工程使用，未發(fā)生任何故障，因此，具備了推廣使用的條件。