智能安全氣囊高墜防護(hù)空調(diào)服的設(shè)計(jì)研究

杜子文， 董 藝， 賈新卷， 張延欣， 季永新， 叢 順， 蘇中華

(1.中建四局 工程技術(shù)研究院， 廣州 510665； 2.廣州信安智囊有限公司， 廣州 511400)

近些年，隨著信息智能技術(shù)的爆炸式發(fā)展，智能穿戴設(shè)備的功能性研究已經(jīng)成為大眾的焦點(diǎn)，但在建筑施工領(lǐng)域關(guān)于智能氣囊高墜防護(hù)服的應(yīng)用研究較為罕見。國(guó)外關(guān)于氣囊防護(hù)服的研究主要集中在安全氣囊的觸發(fā)系統(tǒng)，通過(guò)摔倒試驗(yàn)收集判別裝置的數(shù)據(jù)，加以數(shù)據(jù)算法優(yōu)化，波形過(guò)濾得到檢測(cè)系統(tǒng)。日本早稻田大學(xué)的Tamura等于2007年通過(guò)16個(gè)實(shí)驗(yàn)對(duì)象測(cè)得了不同近似的加速度波形，在2009年基于偵查算法研制一款氣囊服[1]。隨后，Tamura等在2011年開發(fā)了可穿戴式氣囊，其以加速度和角速度作為觸發(fā)傳感器，能在跌倒前300 ms觸發(fā)氣囊[2]。美國(guó)斯坦福大學(xué)的Kurt等在2017年研究出充氣式氣囊騎行頭盔，使穿戴者在騎行遇險(xiǎn)后得腦震蕩的風(fēng)險(xiǎn)降8倍[3]。中國(guó)研發(fā)智能氣囊防護(hù)服的理論非常少，Shi等在2006年開發(fā)出違紀(jì)點(diǎn)系統(tǒng)的人體移動(dòng)安全氣囊系統(tǒng)[4]。該系統(tǒng)主要用于老人防護(hù)產(chǎn)品安全腰帶用來(lái)保護(hù)髖關(guān)節(jié)。2006年，中國(guó)保安協(xié)會(huì)研究推出一款摩托車安全氣囊防護(hù)服，主要保護(hù)騎手的頸部、胸部、腰部和尾椎等要害部位[5]。由以上闡述的氣囊防護(hù)功能服現(xiàn)有產(chǎn)品信息可知，國(guó)內(nèi)外特別是日本和歐洲研究氣囊防護(hù)服較早且成果頗豐，相關(guān)技術(shù)較為成熟，主要聚焦在摩托車騎行、極限運(yùn)動(dòng)和應(yīng)急救援等防護(hù)服方面，并已在不同行業(yè)的氣囊防護(hù)服市場(chǎng)初具規(guī)模。

根據(jù)2015—2020年全國(guó)建筑行業(yè)安全事故統(tǒng)計(jì)情況來(lái)看，高墜傷亡事故仍居其他事故之首。目前，建筑工人的安全保護(hù)措施主要以安全帶、安全帽、安全網(wǎng)，這“三寶”為主，反光馬甲也成了避免施工現(xiàn)場(chǎng)機(jī)械傷人的“法寶”。當(dāng)高墜意外事故發(fā)生時(shí)，傳統(tǒng)的安全馬甲及安全帶的防護(hù)性有一定的局限，難以對(duì)作業(yè)人員采取全面有效地安全防護(hù)。因此，除加強(qiáng)人員安全意識(shí)外，切實(shí)提升施工現(xiàn)場(chǎng)人員穿戴設(shè)備的智能化水平，可以減少此類事故的發(fā)生，保障人員生命安全。 因此除了加強(qiáng)施工現(xiàn)場(chǎng)安全管控外，應(yīng)加緊研發(fā)適用于施工現(xiàn)場(chǎng)的防護(hù)設(shè)備[6]。

本文將針對(duì)目前國(guó)內(nèi)外智能氣囊防護(hù)服的現(xiàn)狀，基于人體要害部位工學(xué)理論和醫(yī)學(xué)理論，從智能氣囊高墜防護(hù)服的結(jié)構(gòu)款式、囊袋性能、導(dǎo)通創(chuàng)新、算法的優(yōu)化等進(jìn)行設(shè)計(jì)[7-8]，意外發(fā)生時(shí)對(duì)人體起到緩沖消能的作用。智能氣囊高墜防護(hù)空調(diào)服屬于防護(hù)功能裝范疇，是針對(duì)特定環(huán)境中的危害因素，通過(guò)分析施工現(xiàn)場(chǎng)作業(yè)人員作業(yè)狀態(tài)下的肘關(guān)節(jié)、肩關(guān)節(jié)、腰關(guān)節(jié)、頸椎、脊椎、頭部等部位的運(yùn)動(dòng)特征分析不同工種在運(yùn)動(dòng)狀態(tài)各部位皮膚的伸縮變化規(guī)律，獲得防護(hù)服的結(jié)構(gòu)分割線。通過(guò)不同作業(yè)人員的穿戴示范，實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)運(yùn)動(dòng)軌跡和姿態(tài)，獲取識(shí)別裝置中加速度、角速度的數(shù)值，總結(jié)出不同工種、不同運(yùn)動(dòng)狀態(tài)下的運(yùn)動(dòng)曲線規(guī)律，從而作為閾值設(shè)置的重要參照依據(jù)[9]。在防護(hù)服的內(nèi)側(cè)加裝制冷裝置，改善高溫環(huán)境下的穿戴舒適性。采用一體式編織氣囊工藝制造，原材料采用高強(qiáng)纖維和硅酮橡膠以滿足安全帶耐磨、耐用、人體承載強(qiáng)度的要求[10]。氣瓶釋放壓縮氣體形成氣囊，吸收和緩沖外力形成防護(hù)作用，達(dá)到人體免受意外跌撞傷害和減輕意外沖擊傷害的目的，具有防壓功能和安全警示功能[11]。因此本研發(fā)對(duì)施工現(xiàn)場(chǎng)人員的高墜保護(hù)具有深刻意義。

1 防護(hù)服的整體介紹

智能防護(hù)安全服全稱為基于多模態(tài)感知的智能安全氣囊高墜防護(hù)空調(diào)服，由反光安全服、保護(hù)氣囊、感應(yīng)模塊、控制單元、觸發(fā)裝置、空調(diào)系統(tǒng)等構(gòu)成，能深度感知人體運(yùn)動(dòng)狀態(tài)，精確判定危險(xiǎn)狀況，當(dāng)人員出現(xiàn)高空墜落情況時(shí)，會(huì)快速觸發(fā)充氣保護(hù)裝置，保護(hù)人體頸部和軀干重要身體器官，集成的空調(diào)風(fēng)道系統(tǒng)可以保證穿戴舒適性，集成通信、體征監(jiān)測(cè)、智慧圍欄等功能。本防護(hù)服與智能監(jiān)測(cè)系統(tǒng)與智慧救援系統(tǒng)相關(guān)聯(lián)，提高項(xiàng)目一線安全管理智能化水平，為一線工人的生命安全多一份保障和關(guān)懷。智能高墜防護(hù)空調(diào)服的組成框架如圖1所示。

圖1 智能高墜防護(hù)空調(diào)服的組成框架

2 智能防護(hù)服結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

前期設(shè)計(jì)根據(jù)防護(hù)服的結(jié)構(gòu)形式分了兩大類，從防護(hù)服對(duì)人體的保護(hù)范圍的角度出發(fā)設(shè)計(jì)了下列6款防護(hù)服，詳見表1。所有防護(hù)服設(shè)計(jì)防護(hù)均為最大抗沖擊高度15 m。

面料采用聚丙乙烯面料，網(wǎng)狀、具有超強(qiáng)的透氣性能。SHW1、SHW2系列防護(hù)范圍主要對(duì)人體腹部、胸部、脊柱、背部、腰部等要害進(jìn)行防護(hù)。SHW1系列結(jié)構(gòu)形式和傳統(tǒng)的反光衣類似，在腋下兩側(cè)加設(shè)網(wǎng)狀織料，其彈性更好，更易于拉伸，主要目的是當(dāng)防護(hù)服內(nèi)的囊袋充氣后，腋下兩側(cè)部位向外展開避免對(duì)人體造成二次傷害。SHW11主要是加了脊椎的防護(hù)，其主要用于脊椎易于受傷的保護(hù)；SHW12對(duì)人體的髖關(guān)節(jié)進(jìn)行了防護(hù)，其主要用于防摔的保護(hù)；SHW13既對(duì)脊椎又對(duì)髖關(guān)節(jié)進(jìn)行保護(hù)。SHW21系列防護(hù)服采用一體式設(shè)計(jì)，前部和后部采用整片囊袋，在防護(hù)服兩側(cè)設(shè)計(jì)插扣，一定程度上利于氣流的流通，對(duì)于降溫起到良好的作用。SHW21加設(shè)對(duì)脊椎保護(hù)；SHW22款防護(hù)服對(duì)人體的髖關(guān)節(jié)進(jìn)行保護(hù)；SHW23增加設(shè)計(jì)了脊椎部位、髖關(guān)節(jié)部位的囊袋設(shè)計(jì)。SHW13和SHW23一定程度上加大了防護(hù)范圍但也增加了防護(hù)的重量，所以在防護(hù)服輕量化設(shè)計(jì)和研發(fā)方面是需要突破的難點(diǎn)。為此在防護(hù)服結(jié)構(gòu)、囊袋的設(shè)計(jì)和選材上進(jìn)行了比對(duì)，又在囊袋織料和涂料上入手，采用一體式編織氣囊工藝制造，原材料采用高強(qiáng)纖維和硅酮橡膠以滿足安全帶耐磨、耐用、人體承載強(qiáng)度的要求。除此之外，在氣瓶的材料上進(jìn)行了優(yōu)化，氣體采用了高壓惰性氣體氦氣、儲(chǔ)氣罐壓縮氣瓶采用碳纖維涂層合金內(nèi)膽儲(chǔ)存氦氣，加大氣罐容積等措施。

表1 不同款式防護(hù)服結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

3 囊袋設(shè)計(jì)及材料性能

3.1 囊袋設(shè)計(jì)

圖2所示為SHW13、SHW22款防護(hù)服的囊袋設(shè)計(jì)圖以及帶頭部保護(hù)囊袋展開效果圖。囊袋采用的是一體式編織氣囊工藝制造，原材料采用高強(qiáng)纖維和硅酮橡膠以滿足安全帶耐磨、耐用、人體承載強(qiáng)度的要求。

圖2 囊袋平面設(shè)計(jì)圖及頭部保護(hù)囊袋展開效果圖

3.2 囊袋性能測(cè)試

隨機(jī)取10 cm×10 cm囊袋樣品，壓腳直徑為(10.5±1)mm，在溫度(20±2)℃、相對(duì)適度(65±4)%環(huán)境中調(diào)濕24 h后實(shí)測(cè)得質(zhì)量為284.3、287.9 g/m2，實(shí)測(cè)厚度為0.33、0.33 mm，見表2。

表2 囊袋質(zhì)量和厚度實(shí)測(cè)值

隨機(jī)取塊350 mm×50 mm囊袋樣品，隔距為200 mm，拉伸速率為100 mm/min，預(yù)張力為5 N，在溫度(20±2)℃相對(duì)適度(65±4)%環(huán)境中調(diào)濕24 h,實(shí)測(cè)斷裂強(qiáng)力、斷裂伸長(zhǎng)率，見表3。

表3 囊袋斷裂強(qiáng)度和斷裂伸長(zhǎng)率實(shí)測(cè)值

隨機(jī)取塊200 mm×50 mm囊袋樣品，隔距為100 mm，拉伸速率為100 mm/min，在溫度(20±2)℃、相對(duì)適度(65±4)%環(huán)境中調(diào)濕24 h,實(shí)測(cè)撕裂強(qiáng)力，見表4。

表4 囊袋撕裂強(qiáng)力實(shí)測(cè)值 單位：N

隨機(jī)取塊356 mm×100 mm囊袋樣品，厚度為0.33 mm，拉伸速率為100 mm/min，預(yù)張力為5 N，在溫度(23±2)℃、相對(duì)適度(50±5)%環(huán)境中調(diào)濕24 h,實(shí)測(cè)燃燒速率，見表5。

表5 囊袋燃燒速率實(shí)測(cè)值單位：mm/min

經(jīng)對(duì)囊袋的各項(xiàng)性能進(jìn)行檢測(cè)，數(shù)據(jù)表明囊袋的厚度、重量、斷裂強(qiáng)力、斷裂伸長(zhǎng)率、撕裂強(qiáng)力、阻燃速率均符合規(guī)范ISO3801:1977、ISO5084:1996、ISO13934-1:2013、ISO13937-2:2000、GB 8410—2006的要求。

4 智能防護(hù)服制冷系統(tǒng)設(shè)計(jì)

隨著研究的不斷推進(jìn)，成功開發(fā)了上述系列產(chǎn)品，針對(duì)上述產(chǎn)品進(jìn)行一系列高墜測(cè)試，同時(shí)展開施工現(xiàn)場(chǎng)問(wèn)卷調(diào)研。經(jīng)統(tǒng)計(jì)發(fā)現(xiàn)，現(xiàn)場(chǎng)作業(yè)人員對(duì)頭部保護(hù)的要求極高，同時(shí)對(duì)穿戴的舒適性提出了較高的要求，為此特意設(shè)計(jì)圖3所示的新款防護(hù)服。

圖3 新款智能氣囊防護(hù)服設(shè)計(jì)圖

圖3(a)為防護(hù)服展開的形狀，加大了頭部和髖關(guān)節(jié)的防護(hù)；圖3(b)為囊袋平鋪開的形狀，這款防護(hù)服在設(shè)計(jì)上注重了一個(gè)細(xì)節(jié)就是全方位作業(yè)帶的纜繩口在防護(hù)服的背部留設(shè)這樣將全方位作業(yè)帶穿在防護(hù)服內(nèi)側(cè)給作業(yè)人員雙保險(xiǎn)；圖3(c)為制冷系統(tǒng)示意圖，為了解決作業(yè)人員室外高溫下的穿戴不適的問(wèn)題，提供更加舒適的工作環(huán)境，在防護(hù)服內(nèi)部設(shè)置制冷系統(tǒng)，制冷系統(tǒng)通過(guò)太陽(yáng)能電池發(fā)電提供電力支持，節(jié)省能源。同時(shí)防護(hù)服的內(nèi)襯采用超吸附纖維SAF，SAF在接觸外界熱力時(shí)溫度可下降6 ℃，同時(shí)加裝高速風(fēng)扇和內(nèi)置換熱管網(wǎng)作為制冷系統(tǒng)，環(huán)形換熱毛細(xì)管網(wǎng)利用復(fù)合碳纖維材料。圖3(d)設(shè)置了微型冷凝器、冷凝器、高速風(fēng)扇，在冷凝器內(nèi)放置制冷劑，冷凝器通過(guò)節(jié)流閥與蒸發(fā)器相連，通過(guò)高速風(fēng)扇實(shí)現(xiàn)毛細(xì)管網(wǎng)內(nèi)的氣流流通。

將此空調(diào)服置于氣囊服內(nèi)部進(jìn)行融合可拆卸，既起到摔倒、跌落、高墜等防護(hù)作用，實(shí)現(xiàn)工人在高溫環(huán)境下持續(xù)作業(yè)的目的。智能氣囊高墜防護(hù)空調(diào)服以安全氣囊為設(shè)備載體，以控制單元為控制核心，以通信模塊為通信手段，以可視化智慧管理平臺(tái)為管理系統(tǒng)，并利用太陽(yáng)能發(fā)電的制冷系統(tǒng)為工人提供更加舒適的工作環(huán)境，在發(fā)生危險(xiǎn)情況時(shí)實(shí)現(xiàn)對(duì)工人高墜情況下的智能防護(hù)。

5 智能防護(hù)服導(dǎo)通裝置設(shè)計(jì)

目前常用的承插式導(dǎo)通裝置采用的電流較大，二極管會(huì)散熱容易導(dǎo)致設(shè)備表面發(fā)黑，耗電量大、電池體積大、質(zhì)量大、操作不方便，電子元件容易被高溫?fù)p壞，耗電量大需經(jīng)常性充電，不便于推廣應(yīng)用。插口式導(dǎo)通裝置設(shè)計(jì)復(fù)雜，易造成線路導(dǎo)通不良，極易導(dǎo)致線路斷線，使保護(hù)裝置起不到應(yīng)有的作用。鑒于此設(shè)計(jì)了一種便捷、美觀、高性能的紐扣式磁吸導(dǎo)通裝置并獲得了專利授權(quán)。此裝置用于信號(hào)檢測(cè)，所以采用微電子技術(shù)，穿戴紐扣進(jìn)行觸發(fā)開關(guān)，電子元件進(jìn)行優(yōu)化設(shè)計(jì)，最大化地減小鋰電池體積。不采用二極管，將磁吸式充電巧妙地運(yùn)用于此裝置，讓充電更加簡(jiǎn)單。正確穿戴設(shè)備并扣好紐扣指示燈會(huì)長(zhǎng)亮，當(dāng)不正確穿戴會(huì)發(fā)出報(bào)警。

裝置解決氣囊服智能導(dǎo)通問(wèn)題，設(shè)計(jì)了一款紐扣式的導(dǎo)通裝置內(nèi)置電路元件、主板、電池、觸發(fā)開關(guān)、磁吸充電孔、信號(hào)檢測(cè)裝置、工作指示燈。紐扣式導(dǎo)通裝置內(nèi)置工作指示燈可以實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)主回路的工作狀態(tài)，并設(shè)置了無(wú)線通信接口，通過(guò)協(xié)議方式定期將數(shù)據(jù)傳輸在裝備上，在可視化監(jiān)測(cè)系統(tǒng)的電腦端或手機(jī)端實(shí)時(shí)觀測(cè)紐扣式磁吸導(dǎo)通裝置的運(yùn)行情況，當(dāng)發(fā)生故障時(shí)及時(shí)處理。采用紐扣式的開關(guān)，巧妙地接通了電流回路。彈起式開關(guān)設(shè)置在紐扣正下端，既可以達(dá)到安全氣囊服的紐扣正常使用功能，又可以在正確穿戴好設(shè)備扣好紐扣時(shí)接通整個(gè)穿戴設(shè)備智能系統(tǒng)。采用磁吸式充電裝置，既方便快捷又不占體積，裝置靈活、精巧、便捷、質(zhì)量小、易于操作，解決了傳統(tǒng)導(dǎo)通裝置體積大、質(zhì)量大、不便于操作、笨拙等問(wèn)題。本發(fā)明外殼采用3D打印技術(shù)打印，材質(zhì)為高性能聚氨酯，具備耐高溫、防靜電等能效。裝置分別設(shè)置了上下蓋兩部分，上下蓋采用螺栓連接，在上蓋預(yù)留兩個(gè)孔洞，一個(gè)為安裝紐扣的孔洞，另一個(gè)孔洞是安裝磁吸式充電裝置的。采用紐扣式磁吸導(dǎo)通裝置，既方便快捷不占體積又體現(xiàn)了穿戴設(shè)備的人性化設(shè)計(jì)。紐扣式磁吸導(dǎo)通裝置如圖4所示。

圖4 紐扣式磁吸導(dǎo)通裝置

6 智能防護(hù)服算法設(shè)計(jì)優(yōu)化

6.1 硬件設(shè)計(jì)

高精密度跌落識(shí)別裝置由重力加速度計(jì)、陀螺儀和線性加速度計(jì)等傳感器構(gòu)成。結(jié)合高精密度預(yù)測(cè)算法，能深度感知人體運(yùn)動(dòng)狀態(tài)，精確判定工人危險(xiǎn)狀況，并快速觸發(fā)充氣保護(hù)裝置。采用微電子觸發(fā)裝置，收到觸發(fā)信號(hào)立即啟動(dòng)儲(chǔ)氣罐開關(guān)，使防護(hù)氣囊在人體落地之前充分展開，實(shí)現(xiàn)對(duì)人的重要部位有效保護(hù)。重力計(jì)及重力加速度計(jì)是測(cè)量重力加速度的電子元件；陀螺儀測(cè)量人體姿態(tài)旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)；線性加速度測(cè)量人體所產(chǎn)生的加速度[12]。在MPU內(nèi)部集成重力加速度計(jì)、陀螺儀和線性加速度計(jì)等傳感器，數(shù)據(jù)控制器可以接收傳感器的傳輸數(shù)據(jù)進(jìn)行分析處理并對(duì)數(shù)據(jù)及時(shí)存儲(chǔ)。MPU對(duì)加速度、陀螺儀分別用了3個(gè)16位的采集電路，將采集到的模擬量值轉(zhuǎn)化為可輸出的數(shù)字量ACCX、ACCY、ACCZ和GYROX、GYROY、GYROZ。

6.2 數(shù)據(jù)處理優(yōu)化

圖5和圖6為加速度和角速度的三軸采集的優(yōu)化數(shù)值，將加速度和陀螺儀的三軸數(shù)值[13]無(wú)限的趨近于一種運(yùn)動(dòng)趨勢(shì)達(dá)到一種穩(wěn)定狀態(tài)，經(jīng)算法模塊處理后的三軸波形運(yùn)動(dòng)變化基本一致。圖7為經(jīng)算法模塊處理后的波形，可以看出兩條波形在曲率上基本趨于一致，同增同減，除了利用公式優(yōu)化算法外還進(jìn)行了濾波處理，這樣更便于尋找觸發(fā)閾值。

圖5 加速度三軸實(shí)測(cè)值波形

圖6 角速度三軸實(shí)測(cè)值波形

圖7 經(jīng)算法加速度和角速度合成波形

圖8所示波形為本算法的真實(shí)數(shù)值波形，其經(jīng)過(guò)濾波器處理[14]。可以看出整條曲線有明顯的近似周期性的變化特征，系列1、2、3分別為加速度計(jì)的XYZ三軸數(shù)值實(shí)測(cè)值；系列4、5、6分別為陀螺儀的XYZ三軸數(shù)值實(shí)測(cè)值；系列7、8、9、10加速度、陀螺儀通過(guò)公式算法合成[15]數(shù)據(jù)；系列12、13為判定數(shù)據(jù)；系列11為輸出的最終觸發(fā)數(shù)據(jù)所示波形。從圖中可以看出，在37、95 s數(shù)據(jù)判別裝置都有初判的形態(tài)，但均未持續(xù)此種形態(tài)所以為觸發(fā)裝置。在105 s時(shí)判別裝置進(jìn)行了50 ms的初判并進(jìn)行了50 ms的終判，確定為閾值進(jìn)行裝置觸發(fā)[16]。在施工現(xiàn)場(chǎng)研發(fā)人員經(jīng)上萬(wàn)余次的觸發(fā)測(cè)試，表明該優(yōu)化后的算法和濾波處理方案可行。

圖8 經(jīng)算法、濾波器優(yōu)化后的加速度和陀螺儀

7 智能防護(hù)服的可視化系統(tǒng)

通過(guò)5G、物聯(lián)網(wǎng)、傳感設(shè)備、云計(jì)算等技術(shù)，給智能氣囊高墜防護(hù)服進(jìn)行智能化升級(jí)，搭建智能穿戴設(shè)備管理平臺(tái)實(shí)現(xiàn)智能穿戴設(shè)備的可視化管理，這些跨行業(yè)技術(shù)的融合給施工現(xiàn)場(chǎng)安全防范帶來(lái)全新的智慧化體驗(yàn)。

以智能全方位作業(yè)帶、智能氣囊防護(hù)服、智能視屏安全帽、智能氣囊防護(hù)空調(diào)服等智能穿戴設(shè)備為載體，搭建智慧化可視云平臺(tái)，基于物聯(lián)網(wǎng)、5G和GPS定位、WIFI定位、藍(lán)牙定位等定位技術(shù)手段，通過(guò)穿戴設(shè)備的傳感器進(jìn)行數(shù)據(jù)采集?？刂茊卧屯ㄐ拍K以數(shù)據(jù)傳輸?shù)膮f(xié)議模式實(shí)時(shí)向云平臺(tái)發(fā)送數(shù)據(jù)實(shí)現(xiàn)設(shè)備的可視化管理。當(dāng)施工現(xiàn)場(chǎng)發(fā)生意外事故，能通過(guò)后臺(tái)或微信或手機(jī)App實(shí)現(xiàn)及時(shí)報(bào)警、準(zhǔn)確定位，作業(yè)人員SOS狀態(tài)下的主動(dòng)呼叫系統(tǒng)和被叫系統(tǒng)響應(yīng)，可實(shí)時(shí)查看作業(yè)人員生命特征和位置，從而提高救援效率和搜救精準(zhǔn)度。智能穿戴設(shè)備管理平臺(tái)監(jiān)測(cè)界面如圖9所示。

圖9 智能穿戴設(shè)備管理平臺(tái)監(jiān)測(cè)界面

8 高墜測(cè)試試驗(yàn)

8.1 測(cè)試方法

1)50～90 kg假人無(wú)防護(hù)服狀態(tài)下，高墜沖擊力等效為50～90 kg重物從不同的測(cè)試高度掉落沖擊，測(cè)試壓力傳感器的感應(yīng)值大小，不同的重物形狀尺寸決定接觸面積大小。

2)50～90 kg假人有防護(hù)服狀態(tài)下，防護(hù)服充氣展開瞬間，高墜沖擊力等效為50～90 kg重物從不同的測(cè)試高度掉落沖擊，囊袋消能后測(cè)試壓力傳感器的感應(yīng)值大小，且防護(hù)服囊袋要全部展開，最大接觸面積為半身面積[17]。

施工現(xiàn)場(chǎng)假人高墜測(cè)試試驗(yàn)如圖10所示。

圖10 施工現(xiàn)場(chǎng)假人高墜測(cè)試試驗(yàn)

8.2 試驗(yàn)條件

試驗(yàn)溫度為22～28 ℃；試驗(yàn)濕度為56%

8.3 實(shí)驗(yàn)結(jié)果

本試驗(yàn)加速度數(shù)據(jù)采用CFC600濾波器進(jìn)行處理。圖11為斜率平緩的曲線為80 kg假人在一定高度下自由落體沖擊高墜緩沖氣囊服試驗(yàn)的載荷-時(shí)間曲線，斜率較大的曲線為80 kg假人在一定高度下自由落體沖擊無(wú)高墜緩沖氣囊服情況下試驗(yàn)的載荷-時(shí)間曲線。由圖11的數(shù)據(jù)可以看出，氣囊服對(duì)沖擊韌度具有一定的緩沖效果和能量消耗，表明智能氣囊防護(hù)服在意外高墜事故中可對(duì)作業(yè)人員起到良好的安全保護(hù)效果，具有十分廣闊的應(yīng)用前景。

圖11 測(cè)試的荷載-時(shí)間曲線

9 結(jié)語(yǔ)

1)通過(guò)對(duì)SHW12、SHW13、SHW22三款防護(hù)服的囊袋觸發(fā)展開進(jìn)行多次試驗(yàn)表明，囊袋在充氣的瞬間展開不受氣囊服的結(jié)構(gòu)影響，具有良好的試驗(yàn)效果。尤其髖關(guān)節(jié)部位、頸椎部位的氣囊展開效果達(dá)到設(shè)定目標(biāo)，氣囊氣室充氣基本均在80 ms內(nèi)完成，氣室飽滿，可緩慢釋放氣體。

2)通過(guò)隨機(jī)取樣在一定的溫濕度條件下，對(duì)氣囊囊袋的厚度、質(zhì)量、斷裂強(qiáng)度、斷裂伸長(zhǎng)率、撕裂強(qiáng)力、燃燒速率等性能檢測(cè)均滿足國(guó)家規(guī)范ISO 3801:1977、ISO 5084:1996、ISO 13934-1:2013、ISO 13937-2:2000、GB 8410—2006的要求。從材料性能保障了氣囊的緩沖性能，通過(guò)一體化編制的囊袋氣室設(shè)計(jì)促使氣體在氣室的流通不受干擾，保證了氣體的流通環(huán)境不受影響。

3)通過(guò)將制冷系統(tǒng)集成在智能防護(hù)服中，制冷效果明顯，在功效測(cè)試中表明自帶的太陽(yáng)能發(fā)電裝置滿足制冷需求電量，保障了作業(yè)人員高溫環(huán)境下的持續(xù)工作，創(chuàng)新研發(fā)的紐扣式導(dǎo)通裝置既美觀、便捷、精巧，又有良好的長(zhǎng)時(shí)間導(dǎo)通作用。

4)通過(guò)在施工現(xiàn)場(chǎng)的穿戴試驗(yàn)找出控制單元中算法模塊參數(shù)進(jìn)行優(yōu)化，并對(duì)加速度、角速度的六軸采集的波形進(jìn)行疊加合成經(jīng)濾波器處理，試驗(yàn)表明新的參數(shù)優(yōu)化和濾波器處理的算法模塊滿足施工現(xiàn)場(chǎng)作業(yè)人員運(yùn)動(dòng)姿態(tài)變化。優(yōu)化后的結(jié)果可以有效地避免錯(cuò)誤判別觸發(fā)，最大限度地提高了裝置的有效觸發(fā)，更有力地保證了防護(hù)服對(duì)施工人員的安全保護(hù)。