運用于輸電線路高空作業(yè)工人的新型安全帽

陳華超

（廣東惠州供電局，廣東 惠州516001）

背景：安全防護的目的是為工作人員提供必要的、基礎的安全防護，減少、避免日常維檢工作中的意外傷害，是電力系統(tǒng)日常工作中的重要環(huán)。在運輸電路高空作業(yè)時，工作人員必須佩戴相應的個人防護設備。安全帽無疑是個人防護設備中最基礎的一個，幾乎在所有的工況條件下都必須佩戴。個人防護設備的佩戴可以給工作人員提供物理防護，減少職業(yè)傷害。同時，個人防護設備的佩戴還有利于提高工作人員的心理安全感，提高工作質量和工作效率。不過，從當前的安全帽設計來看，雖然考慮了其基本的安全防護性能，不過卻沒有結合輸電線路高空作業(yè)實際進行智能化的改進。輸電線路高空作業(yè)中，即使制定了相應的安全技術措施、危險點控制措施和組織措施，但是誤操作事故也時有發(fā)生，給高空作業(yè)人員帶來巨大的人身和設備事故。造成這種問題的主要原因是在輸電線路高空作業(yè)中各個節(jié)點的安全監(jiān)控缺乏連續(xù)性，不能實現(xiàn)高空作業(yè)的全過程監(jiān)控?；谏鲜霰尘埃緞?chuàng)新研制一種新型的電力安全帽，通過對其進行二次開發(fā)和設計，實現(xiàn)對輸電線路高空作業(yè)操作過程的實時視頻監(jiān)控和雙向語音溝通功能，實現(xiàn)作業(yè)現(xiàn)場的實時監(jiān)測和反饋，彌補現(xiàn)有安全帽中智能設計和應用不足的缺陷，提高現(xiàn)場工作人員和管理人員之間的溝通效率。

功能需求分析：硬件部分：高清網(wǎng)絡攝像頭：輸電線路高空作業(yè)比較復雜，經(jīng)常會遇到一些檢修人員不能獨立處理的問題。所以通過高清網(wǎng)絡攝像頭設計可以讓后臺管理人員了解當前的現(xiàn)場故障情況，指導、協(xié)助檢修人員完成輸電線路高空故障處理，提高檢修效率。無線通訊模塊：將高清網(wǎng)絡攝像頭采集到的數(shù)據(jù)傳輸給后臺管理系統(tǒng)，便于后臺進行數(shù)據(jù)分析和處理。集成板卡：包括電源電路、控制電路、控制接口和通信等。LED照明設備：可以通過開關進行控制，主要用于外界照明不足時的補充照明。語音對講設備：實現(xiàn)輸電線路高空作業(yè)人員和后臺管理人員之間的實時通話，可以多頻段進行更換，主要的語音輸出設備。電源模塊：主要負責整個控制系統(tǒng)和照明裝置的供電。網(wǎng)絡通信部分：網(wǎng)絡通信部分主要用于硬件設備與軟件設備之間的數(shù)據(jù)傳輸。在本設計中，結合輸電線路高空作業(yè)要求，選擇4G 和WIFI 兩種通信模式。軟件管理部分：軟件管理部分以現(xiàn)代通信技術為基礎，通過集成開發(fā)相關軟件管理部分實現(xiàn)對輸電線路高空作業(yè)的遠程指揮與管理。軟件管理系統(tǒng)通過接收器接受到網(wǎng)絡攝像頭采集到的信號，并將信號傳輸給計算機系統(tǒng)，并在計算機終端進行顯示，從而實現(xiàn)對輸電線路高空作業(yè)的遠程監(jiān)管和控制，提高高空作業(yè)效率和質量。通過軟件管理系統(tǒng)可以對高空作業(yè)人員的的檢修作業(yè)、檢修環(huán)境等進行監(jiān)測，實現(xiàn)對高空作業(yè)人員的可視化管理，提高高空作業(yè)的安全性和有效性，實現(xiàn)高空作業(yè)的全方位、全流程監(jiān)管。同時，遇到突然情況時還可以進行及時的響應和救援，提高高空作業(yè)質量。

圖1

系統(tǒng)組成：本創(chuàng)新的目的在于提高運輸線路高空作業(yè)中現(xiàn)場作業(yè)人員、地面技術人員和工作監(jiān)護人之間的溝通效率，實現(xiàn)現(xiàn)場作業(yè)的實時反饋和監(jiān)測。為了實現(xiàn)上述目的，本創(chuàng)新的系統(tǒng)技術方案為：創(chuàng)新所設計新型安全帽主要包括智能安全帽、服務器和數(shù)據(jù)處理終端。智能安全帽又包括安全帽、高清網(wǎng)絡攝像頭、喇叭、數(shù)據(jù)傳輸模塊、照明燈、麥克風等設備。智能安全帽可以接受數(shù)據(jù)處理終端傳送的信息，并通過喇叭和光學棱鏡對音頻數(shù)據(jù)和顯示數(shù)據(jù)進行展現(xiàn)。數(shù)據(jù)處理終端主要負責內部數(shù)據(jù)的轉發(fā)和傳送，是智能安全帽與服務器之間的橋梁，因此數(shù)據(jù)處理終端的功能包括音頻采集、編碼、解碼、播放和數(shù)據(jù)傳輸。數(shù)據(jù)處理終端與智能安全帽和服務器之間的信號傳輸主要通過WIFI 或者4G 來實現(xiàn)。服務器系統(tǒng)主要包括WIFI 與4G 模塊、存儲模塊、電池、數(shù)據(jù)存儲、圖像和語音識別、管理等模塊。通過服務器系統(tǒng)管理人員可以和現(xiàn)場的高空作業(yè)人員進行音頻通話，對高空作業(yè)人員的檢修過程進行存儲，便于后期使用。

本創(chuàng)新的功能具體設計如下：通過麥克風和耳機實現(xiàn)網(wǎng)絡語音通話，實現(xiàn)后臺管理與現(xiàn)場作業(yè)人員之間的實時語音通話功能；通過網(wǎng)絡攝像頭對現(xiàn)場作業(yè)進行實時監(jiān)控，同時把現(xiàn)場作業(yè)視頻傳輸給服務器系統(tǒng)，由服務器進行存儲和管理；高空作業(yè)現(xiàn)場的語音信號通過FM模塊處理之后，借助4G 技術傳送到服務器，從而實現(xiàn)后臺管理者對現(xiàn)場作業(yè)人員的遠程指揮和監(jiān)控，實現(xiàn)雙方實時信息溝通(圖1)。

技術實施方案：視頻設備配置：本系統(tǒng)中，視頻數(shù)據(jù)采集通過網(wǎng)絡攝像頭來實現(xiàn)。網(wǎng)絡攝像頭位于安全帽前端，要求攝像頭的主軸方向要與正常佩戴安全帽時人眼的視線平視位置同軸。通過網(wǎng)絡攝像頭可以對高空作業(yè)人員的目視內容進行記錄。在參數(shù)設置上，要求攝像頭的像素較高，要能滿足輸電線路高空作業(yè)檢修需求，確保圖像清晰度和可辨度；視頻數(shù)據(jù)的存儲模式為JEPG 模式；采用125°超大廣角鏡頭，提高現(xiàn)場目標捕捉范圍。

語音設備配置：通過4G 通信網(wǎng)和WiFi 熱點連接2 種網(wǎng)絡連接方式完成雙向實時通話。語音通話設備包括受話器與耳機，耳機位于智能安全帽的前部邊緣，耳機將語音信號傳送給受話器。本設計后臺服務器還具有群呼功能，可以實現(xiàn)對現(xiàn)場的群體性調度和指揮。無線網(wǎng)絡配置方案：本文所設計的網(wǎng)線網(wǎng)絡配置采用4G 與WIFI 結合模式。照明設備配置：本設計在智能安全帽上的網(wǎng)絡攝像頭同軸方向配置1.2W 照明燈和二極管激光器。照明設備設立獨立開關，可以對20 米范圍內的目標進行照明和定位。電源配置：本文設計終端電源系統(tǒng)為2600 mA·h 鋰電池。鋰電池安置在智能安全帽的后部，當電池電壓低于3.6V 時，系統(tǒng)將會發(fā)出低壓警報，并在10 分鐘之后自動關機。電源充電可以通過USB 數(shù)據(jù)接口來實現(xiàn)。

FM自制模塊：本文所設計FM自制模塊主要包括SP7021F收音集成芯片、BH1417F 集成發(fā)射芯片和TDA2822M 功放芯片。

創(chuàng)新點：a.通過自制FM模塊實現(xiàn)音頻實時接收與發(fā)射達到無線通話功能，F(xiàn)M模塊集成了輸入輸出模塊，輸出模塊插入普通無麥克風耳機，輸入模塊連接有源線夾式麥克風。高空工作人員使用安全帽時，將耳機和麥克風分別佩戴至耳朵與衣領處，即可進行實時語音通話；b.地面人員通過移動終端連接攝像頭熱點觀看實時影像，實現(xiàn)多人高空作業(yè)現(xiàn)場視覺共享功能，并佩戴安全帽戴上耳機和麥克風實現(xiàn)多人的實時通訊對話功能。c.外殼使用ABS 塑料，將電源、FM模塊、攝像頭安裝入內，外殼縫隙使用防水膠進行粘合, 加上外殼使用四顆螺絲進行固定從而達到防水絕緣耐高溫的功能，保護外殼內的設備，將電源、FM模塊和攝像頭的電路進行并聯(lián)。并使用五金配件將外殼與安全帽連接，拆裝容易便捷。

技術關鍵點：a.FM模塊為自己畫電路圖所形成的產(chǎn)品。自制FM模塊的專有鏈路為HZ，為專用鏈路，利用自制FM音頻發(fā)射與接收雙向實時模塊進行通訊交互，實現(xiàn)音頻實時接收與發(fā)射達到無線通話功能；b.5.8GFPV 攝像頭創(chuàng)新應用于輸電線路高空作業(yè)工人工作中。利用攝像頭自帶熱點功能實現(xiàn)短距離實時傳輸圖像功能，實現(xiàn)實時圖像傳輸功能，保證實時無線通話與實時視頻功能不受外界網(wǎng)絡影響，能應用于全部輸電線路工作（圖像及音頻有效通訊范圍200 米內）；c. 不改變安全帽已有外觀的便捷安裝方式。將電源、FM模塊、攝像頭等配件集成安裝ABS 塑料外殼，能夠便捷的安裝在安全帽位置，并且在某零部件壞的情況下能將該模塊立刻替換，無需維護即換即用。