智能氣囊防護(hù)服的高墜測試試驗(yàn)研究

杜子文 賈新卷 董 藝 叢順 張?jiān)诔?沈雅雯

（中建四局工程技術(shù)研究院，廣州 510000）

0 引言

建筑施工現(xiàn)場環(huán)境復(fù)雜、項(xiàng)目工期緊、交叉作業(yè)多、管理難度大，安全事故時(shí)有發(fā)生，給個(gè)人、企業(yè)乃至社會(huì)帶來了不可估量的損失。因此，加快推進(jìn)施工現(xiàn)場的安全風(fēng)險(xiǎn)防范工作成了亟需解決的難題。從2009年至2018年的安全事故統(tǒng)計(jì)數(shù)據(jù)來看［1］，高墜事故的發(fā)生率一直高居五大傷害之首。因此，避免高空墜落事故的發(fā)生和研發(fā)新型的高墜防護(hù)產(chǎn)品是當(dāng)前建筑施工安全領(lǐng)域有效解決高墜事故發(fā)生率和致死率的必要手段。

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，興起的反光馬甲也成了避免施工現(xiàn)場機(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)人員采取全面有效的安全防護(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。有鑒于此，本文主要從施工人員的防護(hù)裝備上著手，首先通過技術(shù)創(chuàng)新和現(xiàn)有技術(shù)的集成再創(chuàng)新設(shè)計(jì)了新型智能防護(hù)服，而后采用高墜試驗(yàn)對(duì)全新設(shè)計(jì)的防護(hù)服的防護(hù)效果進(jìn)行測試。研發(fā)智能氣囊防護(hù)服是否可達(dá)到預(yù)期效果，從而體現(xiàn)了對(duì)作業(yè)人員的人文關(guān)懷。

我國建筑施工領(lǐng)域信息化應(yīng)用程度整體不高，近幾年隨著智慧工地的不斷推進(jìn)，不斷滿足智慧工地的施工要求，如何將工程施工管理變得更智能、高效、安全、便捷的問題就顯得尤為突出。關(guān)鍵在于將施工過程的基礎(chǔ)數(shù)據(jù)進(jìn)行實(shí)時(shí)采集、傳輸、存儲(chǔ)、管理、分析和有效處理等實(shí)現(xiàn)可視化、動(dòng)態(tài)跟蹤管控。通過信息化、智能化的手段，加強(qiáng)作業(yè)人員施工過程的保護(hù)效果，從而將通過5G、物聯(lián)網(wǎng)、傳感設(shè)備、云計(jì)算等技術(shù)，給傳統(tǒng)智能氣囊高墜防護(hù)服進(jìn)行智能化升級(jí)，搭建新型智能穿戴設(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)場安全防范帶來全新的智慧化體驗(yàn)。

國內(nèi)目前在高墜假人測試試驗(yàn)不是十分廣泛，建筑行業(yè)多見于安全兜網(wǎng)、安全帶的測試，高墜試驗(yàn)也往往在沖擊試驗(yàn)臺(tái)上進(jìn)行，將樣品通過壓塊壓緊底板固定在落錘的試驗(yàn)臺(tái)面上。錘頭重量和沖擊高度按預(yù)定試驗(yàn)條件設(shè)定，加速度計(jì)置于錘頭之上。試驗(yàn)過程中數(shù)據(jù)同步采集、傳輸、分析，從而獲取試件沖擊載荷與時(shí)間的數(shù)據(jù)。在測量沖擊力的試驗(yàn)中也會(huì)選擇分布式壓電薄膜作為傳感器，國內(nèi)許多壓電薄膜均沒有標(biāo)定量程，多見電荷式和壓電式通常需要電荷放大器進(jìn)行轉(zhuǎn)換，所以其量程和采集頻響難以滿足本試驗(yàn)要求，故本試驗(yàn)采用采集儀DH8302搭配國外進(jìn)口的分布式壓電傳感器和1B108壓阻式加速度傳感器相結(jié)合的方式進(jìn)行。

1 高墜防護(hù)服設(shè)計(jì)

本文所研究的智能氣囊高墜防護(hù)空調(diào)服主要應(yīng)用于施工現(xiàn)場作業(yè)人員的個(gè)體防護(hù)領(lǐng)域。通過在防護(hù)服主體內(nèi)部嵌入安全氣囊和設(shè)置電子電路信息模塊，電子電路信息模塊包括磁吸導(dǎo)通裝置、控制單元、通訊模塊和觸發(fā)裝置，利用控制單元判斷工人的工作安全情況，在工人從高空墜落后控制單元做出判斷并發(fā)出指令控制觸發(fā)裝置接通高壓氣瓶，高壓氣瓶對(duì)安全氣囊快速充氣及時(shí)對(duì)工人進(jìn)行防護(hù)［2］。利用人體感應(yīng)系統(tǒng)與通訊模塊連接，實(shí)時(shí)監(jiān)測工人的身體狀況。通過在通訊模塊內(nèi)設(shè)置定位裝置，在危險(xiǎn)情況發(fā)生后可通過定位裝置及時(shí)對(duì)工人定位并施救［3］。防護(hù)服外觀設(shè)計(jì)及現(xiàn)場實(shí)拍分別見圖1、圖2。

圖2 防護(hù)服現(xiàn)場實(shí)拍

從防護(hù)服的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)、氣囊囊袋的厚度、沖擊韌度、氣室的有效寬度、防護(hù)服的防護(hù)范圍都進(jìn)行了一系列的測試。在識(shí)別裝置中的線性加速度、陀螺儀等都進(jìn)行了精密設(shè)計(jì)和嚴(yán)格的算法參數(shù)設(shè)定［4］。在控制單元模塊的數(shù)據(jù)處理模塊中加大數(shù)據(jù)的采集和處理能力加工優(yōu)化，尤其在算法模塊除了優(yōu)化計(jì)算公式在參數(shù)設(shè)置上進(jìn)行充分論證外，還采用了濾波處理數(shù)據(jù)曲線優(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。氣囊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［5］。導(dǎo)通裝置采用磁吸紐扣式導(dǎo)通的結(jié)構(gòu)，觸發(fā)裝置采用微電子觸發(fā)微量炸藥點(diǎn)火裝置。

高精密度跌落識(shí)別裝置由MEMS重力計(jì)、MEMS陀螺儀和MEMS線性加速度計(jì)等傳感器構(gòu)成。結(jié)合高精密度預(yù)測算法，能深度感知不同人體運(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。充氣保護(hù)裝置基于人體仿真模型及人體墜落的約束模型，優(yōu)化氣體質(zhì)量流率、氣囊安裝位置、氣囊初始?jí)毫Α⑴艢馄鹗級(jí)毫Φ葏?shù)，對(duì)人體實(shí)施最佳的保護(hù)效果，運(yùn)用最優(yōu)的安全帶氣囊充氣方式，實(shí)現(xiàn)在提高人體綜合保護(hù)效果的前提下盡可能減少人體關(guān)鍵部位受到的損傷。

為解決人體在室外高溫下的危害問題，在防護(hù)服內(nèi)部設(shè)置有制冷系統(tǒng)，可以為工人提供更加舒適的工作環(huán)境，且制冷系統(tǒng)通過太陽能電池發(fā)電為整個(gè)系統(tǒng)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），其可在接觸外界熱力時(shí)溫度可下降6℃，同步加裝高速風(fēng)扇和內(nèi)置換熱管網(wǎng)作為空調(diào)衣制冷系統(tǒng)，見圖3。

圖3 空調(diào)制冷服結(jié)構(gòu)及內(nèi)襯管網(wǎng)

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，又可以在高溫環(huán)境下持續(xù)作業(yè)的目的。從而成功研制了一種智能氣囊高墜防護(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，以通訊模塊為通信手段，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)，對(duì)高空施工的工作人員提供更有效的安全防護(hù)。

當(dāng)作業(yè)人員發(fā)生高墜時(shí)，控制單元內(nèi)感應(yīng)到相關(guān)參數(shù)可及時(shí)通過特定算法進(jìn)行信號(hào)識(shí)別，再通過判別模塊對(duì)危險(xiǎn)情況作出判斷，觸發(fā)裝置打開氣瓶充氣，氣囊展開，及時(shí)作出保護(hù)措施。

控制單元判斷危險(xiǎn)情況的過程分為一級(jí)預(yù)判、二級(jí)終判、三級(jí)觸發(fā)和四級(jí)展開4個(gè)過程。其中，一級(jí)預(yù)判為識(shí)別裝置的信息識(shí)別過程，時(shí)間控制在100 ms以內(nèi)；二級(jí)終判為智能算法數(shù)據(jù)處理模塊的數(shù)據(jù)處理過程，時(shí)間控制在50 ms以內(nèi)；三級(jí)觸發(fā)為判別模塊的危險(xiǎn)判定觸發(fā)過程，時(shí)間控制在50 ms以內(nèi)，智能防護(hù)服結(jié)構(gòu)框架見圖4。

圖4 智能防護(hù)服結(jié)構(gòu)框架

安全氣囊在60 ms內(nèi)完成充氣并完全展開，整個(gè)觸發(fā)展開過程嚴(yán)格控制在260 ms以內(nèi)。

2 試驗(yàn)?zāi)康募皽y試系統(tǒng)組成

為明確防護(hù)服的保護(hù)效果，量化智能防護(hù)服囊袋的消能效應(yīng)，比較不同囊袋的防護(hù)效果。從而設(shè)計(jì)不同結(jié)構(gòu)、不同厚度的囊袋氣室等來滿足高墜時(shí)的緩沖和吸收沖擊力以便達(dá)到人體不受傷害地目的，同時(shí)標(biāo)定出各型號(hào)智能防護(hù)服的防護(hù)高度。

試驗(yàn)?zāi)康挠?個(gè)，一是通過多種工況下的現(xiàn)場試驗(yàn)進(jìn)行觀察，穿上智能防護(hù)服的假人多次發(fā)生高墜后，對(duì)身體不同關(guān)節(jié)、部位的著地次數(shù)進(jìn)行概率分析，即整理出最容易受傷部位。二是通過假人高墜沖擊力試驗(yàn)等效轉(zhuǎn)化為瞬態(tài)沖擊力加載試驗(yàn)（分為測試組和對(duì)照組），分析發(fā)生高墜后損傷情況。根據(jù)上述試驗(yàn)?zāi)康?，試?yàn)方案具體為假人無囊袋高墜試驗(yàn)和假人穿有囊袋測試試驗(yàn)。

模擬采用在假人表面或表面以下一定位置布設(shè)傳感器來進(jìn)行信號(hào)傳導(dǎo)。根據(jù)前期了解到的壓力傳感器的數(shù)據(jù)傳輸大多以有線傳輸為主，少見無線信號(hào)的傳輸。同時(shí)考慮到試驗(yàn)時(shí)假人的實(shí)驗(yàn)次數(shù)、傳感器的耐沖擊力及試驗(yàn)的環(huán)境，最后采用采集儀DH8302搭配國外進(jìn)口的分布式壓電傳感器和1B108壓阻式加速度傳感器相結(jié)合的方式進(jìn)行等效簡化計(jì)算。通過對(duì)比實(shí)驗(yàn)組和對(duì)照組相同工況下囊袋的消能效果，并可以與人體要害部位生理學(xué)上的承載能力進(jìn)行比較，測試系統(tǒng)組成見圖5，測試方案見圖6。

圖5 測試系統(tǒng)組成示意

圖6 測試方案

3 試驗(yàn)理論依據(jù)

3.1 第一種情形：假人放置于地面，假人身上布設(shè)傳感器未穿防護(hù)服

在施工現(xiàn)場搭設(shè)不同高度的試驗(yàn)臺(tái)，將一定質(zhì)量的沙袋（沙袋重量近似成年人體重）從試驗(yàn)臺(tái)沿滑軌自由墜落（假設(shè)空氣阻力為0，重力加速度g=9.8 m/s2）。以沙袋為研究對(duì)象，規(guī)定地面以上為正方向，選擇假人與沙袋接觸面為零勢面。沙袋沿滑軌自由下落過程，假人為靜止?fàn)顟B(tài)，當(dāng)沙袋撞擊至假人上部時(shí)，假人沒有破損［6］。

沙袋在從測試臺(tái)一定高度自由墜落后，根據(jù)機(jī)械能守恒定律可知：

沙袋自由墜落后的末速

沙袋與假人碰撞的過程，沙袋沖擊假人時(shí)持續(xù)的時(shí)間為t，對(duì)地面假人的沖擊力為F，由牛頓第三定律可知，墜落過程沙袋的沖擊力與地面假人的沖擊力是相互作用力，大小相等，作用方向相反。沙袋沖擊假人后末速度：v沙2=0 m/s。

由動(dòng)量定理可得：

由t1=0 s、t2=t s、v沙2=0 m/s可得：

將式（2）代入式（4）得：

式中，h為試驗(yàn)高度；F為假人所受到沙袋的平均沖擊力；t為沙袋沖擊假人時(shí)持續(xù)的時(shí)間；m為沙袋的質(zhì)量；重力加速度g=9.8 m/s2。

3.2 第二種情形：假人放置于地面，假人身上布設(shè)傳感器，假人穿防護(hù)服當(dāng)沙袋自由下落瞬間，手動(dòng)觸發(fā)防護(hù)服，點(diǎn)火充氣

沙袋沿滑軌自由落體后所具有的重力勢能不能全部轉(zhuǎn)換成氣囊囊袋的變形能［7］，其中有一部分轉(zhuǎn)換為囊袋的變形能，另一部分通過氣囊傳遞到假人身上，即沙袋的機(jī)械能通過囊袋的變形能進(jìn)行消能外還有一部分變成了假人的破壞能，本試驗(yàn)假人的破壞能可通過傳感器采集。此種狀態(tài)下，E≠E假人，根據(jù)能量守恒定律：

當(dāng)沙袋測試的墜落高度一定，所具備的重力勢能一定，假人穿著防護(hù)服與不穿防護(hù)所受到的沖擊不同，當(dāng)著防護(hù)服時(shí)，其沙袋墜落的高度大于沙袋到防護(hù)服的實(shí)測高度，對(duì)第二種情形假人著防護(hù)服時(shí)沙袋的墜落高度進(jìn)行修正［8］：

式中，h為沙袋與防護(hù)服氣囊接觸后緩沖高度值（由高清攝像機(jī)進(jìn)行拍攝獲取慢動(dòng)作）。

從能量的角度考慮，沖擊韌度ak，表示沙袋由一定高度自由落體后，與防護(hù)服的囊袋接觸后，氣囊囊袋的吸收和緩沖能量。

式中，ak為沖擊韌度；E為物體具有的機(jī)械能；S為高墜后的接觸面積。

由此可知：地面假人的沖擊韌度與沙袋具有的機(jī)械能E成正比，沙袋與囊袋的接觸面積S成反比。

作業(yè)人員穿著防護(hù)服的實(shí)際情況，當(dāng)人體穿著氣囊防護(hù)服時(shí)，當(dāng)突發(fā)意外時(shí)囊袋迅速展開后，囊袋會(huì)受到空氣阻力，囊袋受到空氣阻力與展開囊袋的橫截面積S成正比，與人體速度成正比［9］。因此，當(dāng)氣囊的表面積越大，墜落時(shí)囊袋受到的空氣阻力越大。

根據(jù)胡克定律：

式中，為指防護(hù)服囊袋在沖擊力作用下產(chǎn)生的變形；為防護(hù)服囊袋受到的沖擊力；E為防護(hù)服囊袋的彈性系數(shù)或者楊氏模量。

4 試驗(yàn)方法及結(jié)果

目前，市面上分布式壓力傳感器的數(shù)據(jù)傳輸主要以有線為主。同時(shí)，考慮到試驗(yàn)時(shí)假人抗摔、傳感器耐沖擊力及試驗(yàn)成本，綜合衡量擬采用壓電力傳感器并進(jìn)行等效簡化計(jì)算。其中試驗(yàn)二所對(duì)應(yīng)的方案中通過對(duì)比2組試驗(yàn)相同工況下有囊袋時(shí)的消能效果，并可以同試驗(yàn)一得到的關(guān)鍵部位的人體生理學(xué)上的承載能力進(jìn)行比較。試驗(yàn)溫度：22~28℃，試驗(yàn)濕度為56%，實(shí)驗(yàn)設(shè)備見圖7。

測試方法如下：

（1）50~90 kg假人無防護(hù)服狀態(tài)下，高墜沖擊力等效為50~90 kg，重物從不同的測試高度掉落沖擊，測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重物從不同的測試高度掉落沖擊，囊袋消能后測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。

本試驗(yàn)加速度數(shù)據(jù)采用CFC600濾波器進(jìn)行處理。圖7為在一定高度下自由落體沖擊有無高墜緩沖氣囊服情況下實(shí)驗(yàn)的載荷-時(shí)間曲線。由圖7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7 測試的荷載-時(shí)間曲線

5 結(jié)論

1）智能高墜防護(hù)空調(diào)服在意外高墜事故的沖擊韌度具有一定的緩沖效果和消耗作用，表明智能氣囊防護(hù)服可對(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。

2）針對(duì)不同的作業(yè)高度，一級(jí)、二級(jí)、三級(jí)作業(yè)高空制定不同型號(hào)的智能高墜防護(hù)服對(duì)作業(yè)人的防護(hù)效果更佳。選擇囊袋織料的抗沖擊能力好的新型材料對(duì)囊袋的抗沖擊力具有良好效果，同時(shí)在制作二級(jí)作業(yè)高空防護(hù)服時(shí)加大涂料涂層厚度對(duì)提高囊袋的抗沖擊力有良好的效果。

3）在二級(jí)高空作業(yè)的防護(hù)服采取二級(jí)放氣設(shè)置，可達(dá)到良好的保護(hù)效果，在觸發(fā)點(diǎn)火裝置設(shè)置二次點(diǎn)火裝置，氣囊充氣分兩個(gè)時(shí)間段進(jìn)行逐級(jí)充氣，有效避免了因充氣瞬間沖擊力過大與地面接觸造成的二次傷害。

4）在智能防護(hù)服的輕量化設(shè)計(jì)著手，從氣瓶、布料、囊袋織料、電氣元器件、制冷系統(tǒng)、耐火條件等下功夫，讓智能氣囊服的內(nèi)襯變成囊袋、變成制冷衣，變成一件輕便的特種防護(hù)服衣，努力讓智能氣囊高墜防護(hù)空調(diào)服遍布全球的每一個(gè)施工現(xiàn)場，受益于每一位奮戰(zhàn)在工程一線的筑夢者。