防毒面具智能化

郝璐瑤 尹赫 朱羽喬 牛陸君 朱甲甲

摘要：伴隨著社會的進步，防毒面具從最初的戰(zhàn)爭防護逐漸轉向工業(yè)防護、勞動和應急救援，在這些領域中，無論是從業(yè)人員，還是救援人員，都面對復雜、難測的危險，他們的人身安全受到極大的威脅。如何保護他們的生命健康是巨大的需求，也是要解決的最大的問題。本項目致力于研發(fā)一款防毒面具，通過實時監(jiān)測人員的生命體征，保證人員在工作過程中的安全。

關鍵詞：安全防護，智能檢測，頭盔

0 ?選題背景及項目意義

0.1 ?選題背景

多數(shù)情況下，作業(yè)人員只采用簡單的口罩、眼罩及防毒面具在有毒的環(huán)境中進行作業(yè)或檢查;而在發(fā)生緊急情況時，如大量泄漏有毒氣體、燃燒爆炸等，救援隊伍雖然有更有效、更安全的防護設備，但仍然是需要將自己置身于危險之中，得不到有效的監(jiān)護。

0.2 ?項目研究意義

根據(jù)《職業(yè)病防治法》和《“健康中國2030”規(guī)劃綱要》，該項目通過建立長期監(jiān)測人體技能數(shù)據(jù)的平臺以及監(jiān)測設備—防毒頭盔，來針對處于慢性中毒危險的作業(yè)人群進行防護，降低慢性中毒的對人體造成的危害，保障從業(yè)人員的生命健康。本項目有以下實際意義：增加了防毒護具的功能性;降低了慢性中毒的風險;加強了信息的即時性。

1 項目的基本內(nèi)容

1.1 ?項目思路

結合防毒頭盔、消防面具，對安全防護如何智能化的探索。

1.2 ?項目重難點

防毒頭盔的監(jiān)測技術需要有關技術的學習;防毒頭盔選取材料的學習;監(jiān)測平臺的搭建及運行;有關監(jiān)測數(shù)據(jù)的采集標準;防毒頭盔的測試所需的場所及設備.

1.3 ?項目創(chuàng)新點

1.3.1 ?增加防毒護具的功能性

通過增加電子設備或與其相應結合，達到監(jiān)測作業(yè)人員身體機能的作用。并且可以結合實際需要增加通訊作用等;

1.3.2 ?降低了慢性中毒的風險

通過實時的監(jiān)測、定時地記錄有毒環(huán)境下作業(yè)人員的身體機能信息，極大地提高在有毒環(huán)境下作業(yè)人員的安全保障;

1.3.3 ?加強了信息的即時性

當發(fā)生緊急情況時，結合各類監(jiān)測設備，能夠及時有效地進行決斷，避免更嚴重的損失發(fā)生.

1.4 ?研究方法

1.4.1 ?查閱書籍：通過查閱書籍資料，系統(tǒng)總結在防毒防護過程中的發(fā)展，創(chuàng)新，特別是21世紀以來在大數(shù)據(jù)人工智能的結合防毒防護的巨大進步.

1.4.2 ?總結概括：在對防毒頭盔發(fā)展可行性進行相關性的系統(tǒng)分析之前，在對已經(jīng)收集的資料進行詳細地分類、匯總，根據(jù)分類的情況，逐一對所分類的資料進行提煉與總結，最終提取出所需要的內(nèi)容[1] 。

1.4.3 ?跨學科研究：有關防毒頭盔的相關研究可以分為許多不同的觀點，涉及的科學內(nèi)容非常廣泛.從防毒頭盔想法的構建開始，首先需要基礎學科知識的儲備，然后需要在設計方面的考慮，同時還需要考慮材料的選取以及運用程序代碼構建網(wǎng)站，網(wǎng)站的運行管理，設置監(jiān)測數(shù)據(jù)的采集標準并不定期更新數(shù)據(jù)，另外還需要做大量實驗來測試頭盔的性能。

1.4.4 ?整體化思考：復雜問題，并不由許多簡單而簡單的集合構成，而是具有一定的體系。在新形勢的要求下防毒頭盔不再僅需要有防毒的功能，同時還需要隨時隨地能夠監(jiān)測使用者的生命體征，以確保人員的生命健康。

2 ?智能化架構基礎

2.1 ?傳感器技術

2.1.1 有關傳感器

傳感器是一種檢測信息裝置。傳感器的發(fā)展等同于讓一個毫無知覺的物體有了眼睛、耳朵、嘴巴、鼻子等靈動的人類身上的感官，讓物體擁有了人的某些屬性，仿佛活了起來。一如科幻作家在其書中描繪的未來世界一樣，當物有了意識，人類社會便變得更加方便。他們可以預測危險，規(guī)避危險，甚至在高危行業(yè)可以讓他們?nèi)スぷ鞔嫒肆Φ墓ぷ?。從感知區(qū)別來看通常傳感器分為氣敏元件、聲敏原件、色敏元件、味敏元件等。在新韋式大詞典中定義，認為是功率傳輸?shù)墓ぞ遊2]。

2.1.2 ?氣體傳感器

比如二氧化硫、一氧化氮、氮氧化物、硫化氫、光氣等都是常見的工業(yè)有毒氣體，其中二氧化硫、氮氧化物、光氣都屬于刺激性氣味，而窒息性氣體像一氧化氮、硫化氫如何檢測這些氣體必須得要靠必要的氣體傳感器。

MQ135傳感器在有毒氣體監(jiān)測方面異常靈感，特別是對硫化物、本系蒸汽，還有煙霧[3]。田莉，方有康，胡益彬認為這是一款多領域可用，價格低廉的傳感器[4]。在智能頭盔頭部裝備這兩款氣體傳感器，能夠為檢測有毒有害氣體提供便利。

關于傳感器的選用，胡茜，葛思擘，王伊卿，李偉則選取了2種可以檢測氣體酸堿性的電化學傳感器，主要是基于對環(huán)境PH值的考慮[5]。

結合具體的工業(yè)生產(chǎn)過程其實前者更適用一些。

2.1.3 ?心率傳感器

常見的判斷人的生命健康主要通過呼吸、體溫、脈搏、血壓，醫(yī)院病房里主要通過心電圖機進行監(jiān)測。于卓含用光電容積脈搏波原理的光電傳感器進行實驗比對，同時設置對照組：心率手環(huán)產(chǎn)品，實驗證明通過該原理設計的準確率較高，能夠滿足對人體的生理監(jiān)測[6]。

2.3 ?5G無線通訊技術

第五代移動通信技術簡稱5G，有很多前幾代移動通信技術都不具備的優(yōu)勢。（一）標準高，大數(shù)據(jù)量傳輸視頻內(nèi)容流暢。（二）延時率低，遠程操控便利。（三）網(wǎng)絡容量大，能滿足巨大互聯(lián)網(wǎng)需求（四）頻譜效率要比LTE提升10倍以上。（五）覆蓋率高同時，網(wǎng)速快（六）提高了流量、連接數(shù)。

5G的這些優(yōu)勢，如果能夠運用在工業(yè)生產(chǎn)和救援過程中，會為實時監(jiān)測提供更大的幫助，不僅保證了監(jiān)測視頻的流暢度和信息的傳輸，也最大程度為人員的安全提供了保障。但從目前5G的發(fā)展來看，5G在理論應用于實踐過程中仍存在較多問題，比如其容量和覆蓋不可以同時兼得。學者就曾指出頻段越高，基站覆蓋范圍越小，運營商必須建設更多基站以滿足5G的網(wǎng)絡需求[7]。

現(xiàn)實生活中是復雜的，在中大型工廠中，各種器械設備在運行過程中不可避免會產(chǎn)生大量熱能同時散發(fā)著輻射，會對信號進行干擾。同樣在救援過程中面臨著各種不確定的因素或高溫或低溫或黑暗或磁場，都會影響對信號的接收與發(fā)射。5G采用TDD雙工模式，既可以實現(xiàn)同一頻段下同時發(fā)送和接收信號，能夠及時得到反饋信息，縮短信息傳輸時間，避免延遲。但這種技術面臨著強大的自干擾問題。

3 ?有關智能化普及

3.1 ?技術層面

實時監(jiān)測的過程中，對網(wǎng)絡的需求較大，區(qū)別于傳統(tǒng)的攝像頭，其需要具有高清畫質(zhì)，同時專業(yè)性較強，那么就面臨著一個最大的問題：信號傳輸問題。學者成金蓬曾經(jīng)過對4G無線通信技術、藍牙技術、紅外無線通信技術、無線局域網(wǎng)技術、 Zig bee技術這5種技術的比對后，認為考慮到復雜的環(huán)境和傳輸內(nèi)容的大小，采用4G無線通信技術來傳輸視頻數(shù)據(jù)[8]?；诂F(xiàn)在移動通信技術的發(fā)展，4G技術明顯優(yōu)勢不如5G技術，但是5G技術現(xiàn)在仍不成熟，仍存在較多問題，因此在普及方面還任重道遠。

3.2 ?成本層面

其次智能頭盔其涵蓋的技術較多，應用成本高，而中小型工廠在企業(yè)經(jīng)營過程中常常又會面臨融資困難等問題，救援機關每年下?lián)艿馁Y金有限，故而成本方面將會是在普及過程中的一大困難。

3.3 ?意識層面

3.3.1 ?正確意識

無論是智能產(chǎn)品，藥類，食品，大多數(shù)我們?nèi)粘Ｉ钪薪佑|到的產(chǎn)品都有其使用說明書，通過閱讀說明書我們能夠正確的了解到如何使用該產(chǎn)品。但也常常出現(xiàn)不讀說明書或者說明書閱讀不仔細，導致誤用或使用不恰當?shù)群蠊Ｒ虼嗽谑褂梦锲返臅r候特別是本項目研究的智能頭盔時，應對使用者進行培訓，使其掌握正確使用的方法。

3.3.2 ?使用意識

在工廠中，負責人應考慮到成本，不遵循《勞動法》中對勞動者的權益保障，既不進行安全教育也不配備相應的安全防護工具;在工業(yè)生產(chǎn)過程中，從業(yè)者未認識到工業(yè)材料的危險性，或者存在僥幸心理，在工作的過程中不佩戴必要的防護工具。以上無論是工廠負責人還是從業(yè)者，在現(xiàn)實生活中都可能存在，他們安全意識不強，導致的后果不僅是對從業(yè)者的傷害，更是對安全社會建設產(chǎn)生極大阻礙。

3.3.3 ?維管意識

劉中立在其文章中指出防毒面具要做好維護與保管工作，其中包括常規(guī)維護、定期維護、重點維護、保管[9]。在現(xiàn)實生活中，人們往往只注意到防毒面具的使用層面，很容易忽視到維管工作，例如：在使用防毒面具后應及時清洗;涂滑石粉來保存器具。長此以往導致的后果，只會使產(chǎn)品的使用年齡驟減，性能下降。

4 ?總結

歷史不斷在被更迭，重寫只在今天。于今天而言，防毒頭盔是個新詞。新事物從其出現(xiàn)到廣被接受的過程總是漫長且困難的，防毒頭盔未來的路還很長，還有很多問題亟待解決.

參考文獻：

[1]汪亞靜，蘇州相城區(qū)農(nóng)村特色產(chǎn)業(yè)發(fā)展與布局研究，蘇州科技大學建筑與城市規(guī)劃學院，2016.06.

[2]王維浩，防毒面具，第二課堂：英文版，2020年第1期28-29

[3]傳感器，儀器儀表世界網(wǎng)，2013.01.03

[4]謝樹俊，于樂忠，朱軍等，感溫/可燃氣體/一氧化氮3復合火災探測器[J]消防科學與技術，2009

[5]田莉，方有康，胡益彬，有毒氣體檢測報警監(jiān)控系統(tǒng)設計，南京航空航天大學，金城學院，2016.06

[6]胡茜，葛思擘，王伊卿，李偉，電化學氣敏傳感器的原理及其應用，西安交通大學自動控制研究所，2006.07

[7]于卓含，智能消防頭盔系統(tǒng)中相關技術的研究，哈爾濱理工大學，2018.3

[8]5G普及后值得關注的四大無線技術

[9]成金蓬，基于LTE的智能頭盔設計與系統(tǒng)應用，西安科技大學，2020.07

[10]劉中立，過濾型頭盔式防毒面具應用探討，河南信陽平橋國家糧食儲備庫，2002.10.31

基金項目：本文系吉林省大學生國家級創(chuàng)新創(chuàng)業(yè)計劃項目《實時監(jiān)測防毒頭盔設計與研發(fā)》（課題編號202010191144）階段性研究成果之一。