帶電作業(yè)強電磁場環(huán)境下生命體征監(jiān)測系統(tǒng)的設計與實現(xiàn)

虞馳，秦威南，趙俊杰，張帆，彭勇

(1.國網(wǎng)浙江省電力有限公司金華供電公司，浙江 金華321017；2.中國電力科學研究院有限公司，武漢430074)

0 引言

在目前的電網(wǎng)體系中，超、特高壓輸電線路發(fā)揮著越來重要的作用。鑒于其地位的重要性，超、特高壓輸電線路一旦發(fā)生緊急缺陷，需要通過帶電作業(yè)進行消缺[1]。但在實際作業(yè)過程中，由于帶電作業(yè)的特殊性，作業(yè)人員面臨著工作環(huán)境惡劣、作業(yè)人員的生命安全情況無法得到有效監(jiān)護等問題[2-3]。這些問題的出現(xiàn)造成了許多超、特高壓線路運維單位的帶電消缺工作不能及時實施，從而影響線路的正常運行。為解決上述實際工作中出現(xiàn)的突出問題，亟須開展相關技術研究，提升超、特高壓輸電線路帶電作業(yè)工作效率及安全性。

現(xiàn)有的諸多體征監(jiān)測設備，往往面臨著在帶電作業(yè)的高強度交變電磁場環(huán)境下設備無法正常工作以及系統(tǒng)無法正常通信的問題[4-7]。同時，現(xiàn)有的體征監(jiān)測設備都是通過參數(shù)的閾值來反映用戶的健康狀況，僅能在用戶出現(xiàn)健康問題時做出警告而達不到危險預防的目的，在帶電作業(yè)過程中難以提前預測作業(yè)人員身體可能出現(xiàn)的不利狀況，無法保障其生命安全。針對上述問題，本文通過溫度模塊和PPG模塊實現(xiàn)了對體征信息的高精度監(jiān)測，運用4G通信技術實現(xiàn)體征信息的實時回傳。在此基礎上設計了可切換多頻帶通濾波器，實現(xiàn)了監(jiān)測設備在帶電作業(yè)高強度交變電磁場環(huán)境下的正常工作。移動端軟件采用時間序列分析法對作業(yè)人員的體征數(shù)據(jù)進行分析，從而實現(xiàn)了對作業(yè)人員健康狀況的預測評估，大大提高了體征監(jiān)測系統(tǒng)的使用價值，實現(xiàn)了對作業(yè)人員體征信息的實時監(jiān)測和健康預測，減少了帶電作業(yè)安全隱患，對確保作業(yè)人員的生命安全具有重要意義。

1 生命體征監(jiān)測系統(tǒng)架構

圖1為生命體征監(jiān)測系統(tǒng)的整體結(jié)構。設備開機后，初始化各個模塊，獲取數(shù)據(jù)采集模塊采集的PPG信號和溫度數(shù)據(jù)，然后通過采集到的PPG信號和溫度數(shù)據(jù)計算出心率、血氧飽和度、血壓以及體溫的數(shù)值，利用4G通訊技術將體征信息轉(zhuǎn)換為IP協(xié)議，再通過4G網(wǎng)絡發(fā)送到后臺服務器，在手機端或PC端可通過軟件登錄與設備進行綁定連接獲取其發(fā)送的數(shù)據(jù)，最后將獲得的數(shù)據(jù)進行顯示，同時可進行相關數(shù)據(jù)的查詢與功能設置。

2 生命體征監(jiān)測系統(tǒng)硬件設計

生命體征監(jiān)測系統(tǒng)設備是一款基于4G無線通信技術的分布式供電、通信一體化數(shù)據(jù)采集裝備，實現(xiàn)數(shù)據(jù)采集裝備的高度集成化、模塊化。該設備以STM32芯片為主控模塊，與電源、顯示、PPG、溫度、4G通信等模塊集成后進行一體化封裝，可以完成數(shù)據(jù)采集、數(shù)據(jù)傳輸和供電等功能，其整體結(jié)構圖如圖2所示。

圖2 硬件整體結(jié)構圖

2.1 體征監(jiān)測模塊

體征監(jiān)測模塊主要由溫度模塊和PPG模塊構成。其中，溫度模塊采用DS18B20接觸式溫度傳感器，體積小、精度高，主要測溫范圍在-10 ℃～85 ℃之間，測量精度可以達到0.1 ℃[8]。

PPG模塊的主要功能是進行血氧飽和度、心率以及血壓的監(jiān)測，其原理是將通過人體的光束進行捕獲和分析，并根據(jù)分析結(jié)果來反映人體組織上的功能和信息[9-10]。PPG模塊采用高度集成的SON7015傳感器，模塊體積小，數(shù)據(jù)輸出快，采樣率可編程控制。

2.2 強電磁環(huán)境下設備抗干擾設計

特高壓輸電線路帶電作業(yè)工況下的電磁環(huán)境較為復雜，電力線路的交變電流在周圍空間產(chǎn)生交變磁場，導致數(shù)字通信網(wǎng)出現(xiàn)誤碼、故障或失真等問題，破壞通信裝置的正常運行、降低傳輸質(zhì)量。針對上述問題，并綜合考慮功能、價格、開發(fā)難度等因素，最終選擇了集GSM、GPS、GPRS功能于一體的STM32號4G通信模塊[11]，實現(xiàn)了強電磁環(huán)境下體征監(jiān)測信息的實時有效回傳。

與此同時，超、特高壓線路產(chǎn)生的交變電磁輻射也會對監(jiān)測設備的正常運行產(chǎn)生干擾，從而對設備的測量精度及信號處理產(chǎn)生影響，因此必須采取相應的措施來保證設備在強交變電磁場環(huán)境下正常運行[12-13]。然而，輸電線路產(chǎn)生的電磁場難以從根源上消除，只能通過濾波技術對電磁干擾進行抑制，從而保證設備的正常運行。傳統(tǒng)濾波器無法滿足該設備復雜通信環(huán)境以及高強度電磁工作環(huán)境的要求，針對設備的特殊性，本文設計了可切換多頻帶通濾波器，實現(xiàn)了濾波器對信號的選擇性地濾除，更靈活地滿足設備的通信以及抗電磁干擾的需求?？汕袚Q射頻濾波器由4個部分組成：短路階躍阻抗諧振器、雙模諧振器、輸入和輸出饋線以及憶阻器。通過憶阻器實現(xiàn)了對短路階躍阻抗諧振器諧振狀態(tài)的控制，使得諧振器的諧振響應發(fā)生相應改變。同時，對短路階躍阻抗諧振器進行改進優(yōu)化，改進后的短路階躍阻抗諧振器的等效傳輸線模型如圖3所示。與傳統(tǒng)短路階躍阻抗諧振器相比，該諧振器的在原來的基礎上加載了兩條開路微帶線，由4個部分組成：低阻抗部分(Y5，w5)、高阻抗中間部分(Y6，w6)、短路的高阻抗部分(Y7，w7)和開路式短截線部分(Y8，w8)。其中Yj代表各部分微帶線的特征導納，wj表示其電長度。

圖3 短路階躍阻抗諧振器優(yōu)化后的等效模型

傳統(tǒng)的短路階躍阻抗諧振器相比，改進后的諧振器可以產(chǎn)生fL和fH兩個諧振點。改進后的短路階躍阻抗諧振器產(chǎn)生的諧振頻率可以通過諧振器的等效電路模型進行分析。在圖3諧振器的等效模型中，Ya、Yb和Yc分別代表圖3中從各端口看進去的等效導納，可以得到fL和fH處的輸入導納分別為：

(1)

(2)

為了計算簡便，可假設Y6=Y7=Y8并且定義導納比W=Y5/Y6。然后根據(jù)諧振條件YL=0和YH=0，可以得到有關諧振頻率fL和fH的兩個方程式分別如式(3)—(4)所示。

Y6(Wtanw5tanw6-1)cotw7+Wtanw5+tanw6=0

(3)

Y6(Wtanw5tanw6-1)(tanw8-cotw7)-

Wtanw5-tanw6=0

(4)

綜合式(3)—(4)進行分析，可以看出，當5、6、7段的線長增加時，諧振頻率fL和fH均降低；當調(diào)節(jié)微帶線8時，只有諧振頻率fH變化，而諧振頻率fL幾乎保持不變。也就是說，開路短節(jié)線部分僅影響諧振器產(chǎn)生的較高諧振頻率fH，而對較低的諧振頻率fL沒有影響。所以，通過調(diào)節(jié)各段微帶線長度可以將改進式短路階躍阻抗諧振器的2個諧振頻率調(diào)諧至所需要的諧振點，從而靈活地滿足設備的通信以及抗電磁干擾的需求。

3 基于時間序列法的體征數(shù)據(jù)預測

現(xiàn)有的體征監(jiān)測設備在測量體征數(shù)據(jù)后，都是通過參數(shù)閾值對用戶進行健康評價，即根據(jù)正常體征數(shù)據(jù)范圍評估用戶狀況。該方式最大缺陷在于：由于體征監(jiān)測是實時的，所以監(jiān)測設備只能在用戶出現(xiàn)亞健康狀態(tài)時做出警告，達不到風險預防的目的。例如在帶電作業(yè)過程中，等電位人員可能出現(xiàn)心率不正常的情況，若采用一般的監(jiān)測設備都是在數(shù)據(jù)超出正常范圍時，才發(fā)出報警。但對于帶電作業(yè)來說，由于其復雜的作業(yè)環(huán)境，一旦作業(yè)人員健康狀況出現(xiàn)異常便無法及時做出相應的避險操作。所以，體征監(jiān)測系統(tǒng)需要具備預測未來作業(yè)人員體征數(shù)據(jù)的能力，這樣才能及時提醒地面監(jiān)控人員和作業(yè)人員注意規(guī)避健康風險。本系統(tǒng)移動端軟件通過基于時間序列方法的體征信息分析，達到了對作業(yè)人員健康風險評估，提前了解其健康狀況的目的，有效地保障了作業(yè)人員的生命安全。

3.1 時間序列預測方法的選擇

基于時間序列的數(shù)據(jù)預測有很多，各種算法針對不同的數(shù)據(jù)，預測的準確度也有所不同，所以需要根據(jù)實際情況進行算法的選擇。作業(yè)人員在帶電作業(yè)過程中，由于外界環(huán)境的變化，其體征信息不可避免地會在正?；虿徽５姆秶鷥?nèi)進行波動，并不是一直處于平穩(wěn)狀態(tài)，所以需要算法可以通過體征數(shù)據(jù)的波動對作業(yè)人員的健康狀況做出準確的預測。同時，在一定時間內(nèi)體征數(shù)據(jù)的變化趨勢受前一段數(shù)據(jù)的影響較大，對作業(yè)人員的健康狀況進行預測的過程中，算法所采用數(shù)據(jù)的時效性必須要滿足實際健康預測的標準。最后，由于軟件處理能力的限制，算法需要滿足計算簡單、可靠性較高的要求，在不需要進行大規(guī)模的數(shù)據(jù)儲存和調(diào)用的基礎上，達到實時性地對作業(yè)人員健康狀況預測評估，提前規(guī)避風險的目的。

綜合考慮軟件處理能力以及體征預測結(jié)果準確性的限制，最終選擇指數(shù)平滑算法，其特點是給予歷史數(shù)據(jù)一個權數(shù)，權數(shù)根據(jù)數(shù)據(jù)離預測期時間的長短由近到遠呈指數(shù)遞減。該算法在實際應用中只需要選擇一個模型參數(shù)a即可進行預測，過程簡單，對軟件的計算處理能力要求不高。并且，由于該方法能夠適應數(shù)據(jù)模式的變化，預測結(jié)果準確性較高。

3.2 指數(shù)平滑預測算法

為了驗證一次指數(shù)平滑法對體征數(shù)據(jù)的預測能力，需要將測試值進行一次指數(shù)平滑，并將預測結(jié)果與通過醫(yī)療設備測量到的心率進行對比，分析本次指數(shù)平滑預測結(jié)果的準確性。一次指數(shù)平滑，其預測公式如式(5)所示。

(5)

將預測結(jié)果與實測心率值進行比較，預測數(shù)據(jù)產(chǎn)生了些許的滯后，其滯后程度與平滑系數(shù)a的大小呈負相關。所以，還需要對一次平滑算法做出修正，將一次平滑得到的結(jié)果再做一次指數(shù)平滑。

同理，二次指數(shù)平滑對體征數(shù)據(jù)的預測能力的驗證，選用的初始值是前一次的指數(shù)平滑值，通過二次指數(shù)平滑之后，將得到的預測值與實際測量的心率數(shù)值進行比較，分析計算結(jié)果的準確性。二次指數(shù)平滑的計算公式為：

(6)

二次平滑法需要與一次指數(shù)平滑法配合，建立相應的預測數(shù)學模型，然后才能通過模型確定預測值，其數(shù)學模型為：

y′t=mt+nt×T

(7)

結(jié)果顯示，當加權系數(shù)為0.5時，預測結(jié)果可以將實測值的變化情況反映出來，滿足實際的預測需求。同理，三次指數(shù)平滑是一種對二次指數(shù)平滑作再一次指數(shù)平滑的方法，并與二次指數(shù)平滑法配合，建立預測的數(shù)學模型，然后通過模型確定預測值。當加權系數(shù)為 0.3和0.5時，三次平滑算法的預測結(jié)果也能將實際值的變化情況體現(xiàn)出來。但是相較于二次指數(shù)平滑，三次指數(shù)平滑通過三次迭代的乘加運算得到預測值，計算更加復雜。

3.3 預測模型的建立

通過上述分析，綜合考慮預測結(jié)果準確性以及計算簡便性，最終選擇通過二次指數(shù)平滑算法建立作業(yè)人員體征信息評估的預測模型。

指數(shù)平滑算法一般選擇15次的測量數(shù)據(jù)作為計算樣本，將測量到的血壓、心率和血氧數(shù)據(jù)分別用Bi、Hi和Si表示，其中下標i表示測量的次數(shù)。運用指數(shù)平滑算法，對測量的數(shù)據(jù)進行二次平滑，得到體溫預測值Tt，心率預測值Ht，血氧預測值St以及血壓預測值Bt，并通過得到的預測值對作業(yè)人員的健康狀況進行判斷。預測評估模型可以建立為：1)采集體溫、心率、血壓和血氧的數(shù)據(jù)，通過二次指數(shù)平滑，通過得到的預測值對作業(yè)人員下一階段健康狀況進行判斷；2)將得到的4項預測數(shù)據(jù)進行等級劃分，將4項體征數(shù)據(jù)的預測值與正常標準值進行對比，并將其分為正常、異常和危險3個等級，記做1、2 和 3；3)由于這4項健康指標對人體健康狀況的影響程度有所不同，所以需要對預測的數(shù)據(jù)進行加權處理，假設加權向量為矩陣A，A=[a1，a2，a3，a4]T，最后風險評估指數(shù)為Risk。則風險評估指數(shù)Risk=A[Tt，Ht，St，Bt]；4)通過風險指數(shù)對作業(yè)人員的健康風險進行判斷，風險指數(shù)越大，作業(yè)人員的可能出現(xiàn)健康風險的概率就越大。

4 系統(tǒng)軟件設計及功能測試

4.1 軟件設計

本系統(tǒng)軟件基于移動端平臺進行設計，可以通過手機或電腦登錄，查看采集到的實時體征信息以及軟件對作業(yè)人員體征信息處理后的預測報警信息。

4.2 體征監(jiān)測功能測試

實際測試中由測試人員佩戴體征監(jiān)測裝置和專用醫(yī)療儀器對人體體溫、血壓、心率、血氧飽和度進行測量和對比，測試結(jié)果如表1所示。結(jié)果表明，本監(jiān)測裝置測量的體溫、心率、血氧飽和度的相對誤差均小于2%，血壓的相對誤差均小于5%。

表1 體征監(jiān)測信息測試結(jié)果對比表

4.3 體征監(jiān)測功能測試

運用指數(shù)平滑法將測試人員的前4次體溫、血壓、心率、血氧飽和度進行分析處理，得到其體征信息的預測值，并與第5次的測量數(shù)據(jù)進行了對比，測試結(jié)果如表2所示。結(jié)果表明，本監(jiān)測移動端軟件體溫、血壓、心率以及血氧飽和度預測的相對誤差均小于5%，預測的準確性較高。

表2 體征預測信息測試結(jié)果對比表

4.4 軟件功能測試

對本系統(tǒng)軟件進行試用，對系統(tǒng)監(jiān)測的穩(wěn)定性、準確性、抗干擾能力等技術指標進行了全面測試，整體工作狀態(tài)良好，符合技術規(guī)范需求，測試結(jié)果如下所示：1)實時監(jiān)控功能，通過實時監(jiān)控界面可以準確的顯示心率、血壓、血氧、體溫的實時曲線以及軟件對體征數(shù)據(jù)處理后得到的作業(yè)人員健康狀況的報警提示，并且具備手動測量功能。2)報警信息，通過報警信息界面可進行體溫、心率、血壓、血氧歷史報警數(shù)據(jù)的統(tǒng)計查詢，為地面指揮人員的協(xié)調(diào)管理命令的下達提供了判斷的依據(jù)。3)歷史數(shù)據(jù)，可手動選擇時間段進行心率、血壓、血氧、體溫歷史數(shù)據(jù)的查詢。4)功能設置，指揮人員可以根據(jù)實際需求進行監(jiān)測頻率、監(jiān)測數(shù)據(jù)報警閾值的設置。

5 結(jié)語

本文針對特高壓線路帶電作業(yè)特點，設計并實現(xiàn)了一款抗電磁干擾的柔性可穿戴作業(yè)人員體征監(jiān)測系統(tǒng)。通過體征監(jiān)測模塊實現(xiàn)了對體征信息的高精度監(jiān)測，采用4G通信技術對體征信息進行實時回傳，達到了實時監(jiān)測的目的。同時，為了實現(xiàn)監(jiān)測設備在帶電作業(yè)高強度交變電磁場環(huán)境下的正常工作，依據(jù)設備特性設計了可切換多頻帶通濾波器，實現(xiàn)了多種工作模式切換的可能，從而更靈活地滿足設備的通信以及抗電磁干擾的需求，提高了設備的抗電磁干擾能力。在軟件方面基于手機終端和PC云端的平臺進行了開發(fā)，監(jiān)測設備通過4G無線傳輸形式將數(shù)據(jù)實時發(fā)送到移動端平臺上，移動端平臺通過時間序列預測法將獲得的體征信息進行分析處理，從而對作業(yè)人員的體征數(shù)據(jù)作出預測，并提前評估其健康狀況，極大地保障了帶電作業(yè)人員的作業(yè)安全，指揮人員可以通過手機或電腦登錄移動平臺，獲得作業(yè)人員的實時體征信息以及報警提示，從而有效地保障了帶電作業(yè)人員的工作安全，對確保帶電作業(yè)的安全、高效進行具有重要意義。