智能高空安全帶研發(fā)與應用

程化冰,李 皓,朱世杰,魏 紅

(1.中石化第五建設有限公司,廣東廣州 510100 2.中國石油化工集團有限公司健康安全環(huán)保監(jiān)管部,北京 100728 3.中石化煉化工程集團股份有限公司,北京 100029)

目前,建設工程項目日趨大型化、復雜化,施工工藝和技術難度不斷提高,但建筑工地的安全管理大多還采用傳統(tǒng)管理模式,安全管理普遍存在信息缺乏、信息傳遞渠道不通暢、信息反饋不及時等問題[1]。廣義上的物聯(lián)網(wǎng)可以看作是信息空間與物理空間的融合,將一切事物數(shù)字化、網(wǎng)絡化,在物品之間、物品與人之間、人與現(xiàn)實環(huán)境之間實現(xiàn)高效信息交互方式,并通過新的服務模式使各種信息技術融入社會行為[2]。

以某種建設施工高空作業(yè)使用的智能安全帶為例,利用物聯(lián)網(wǎng)技術,創(chuàng)新智能安全帶設計理念、結構、應用,提出智能安全帶的性能優(yōu)化及發(fā)展方向。

1 高處作業(yè)概況

1.1 高處作業(yè)事故頻發(fā)

石油化工新建項目多涉及動火作業(yè)、用電作業(yè)、破土作業(yè)、受限空間作業(yè)及高處作業(yè)等直接作業(yè)環(huán)節(jié),有作業(yè)面狹窄、高處作業(yè)多、交叉作業(yè)頻繁和大型吊裝多等問題[3],由于高處作業(yè)的工作量大、操作人員多、員工的流動性大,加上多工種的交叉、立體作業(yè),并且臨時設施多,現(xiàn)場條件差等各種不安全因素多,再加上一線工人的文化素質(zhì)較低、安全生產(chǎn)意識不強,導致高處作業(yè)的事故率偏高[4]。

建筑施工高處墜落事故發(fā)生數(shù)目和死亡人數(shù)較高的原因大都是由從業(yè)人員的不安全行為造成的[4]。作業(yè)人員安全帶不按規(guī)定系掛現(xiàn)象日趨嚴重,目前對人員不及時系掛安全帶的不良行為,所采取的手段是管理人員進行巡視監(jiān)控,人為的監(jiān)控存在不及時、不全面的現(xiàn)狀,不能做到實時監(jiān)控。經(jīng)統(tǒng)計,高處墜落事故占某石化行業(yè)典型生產(chǎn)安全事故發(fā)生率的14%,如圖1所示,僅次于火災及爆炸,因此減少和避免高處墜落事故的發(fā)生,是降低施工建筑業(yè)傷亡事故的關鍵。

圖1 某石化行業(yè)典型生產(chǎn)安全事故發(fā)生率

1.2 高處墜落事故根本原因

高處墜落事故的發(fā)生原因除了設計缺陷、管理缺陷(安全設施落實不到位,使得工人即使有安全帶也無系掛點等)外,大多都是由于人員未正確系掛和使用安全帶等墜落防護設施所導致的[5]。施工人員安全意識欠缺表現(xiàn)為:安全帶忘記穿戴、穿戴不正確、未系掛等;監(jiān)管存在盲區(qū)與失配:缺乏安全帶全生命周期監(jiān)管,出現(xiàn)固定銷缺失、掛舌變形、掛繩斷股,以及現(xiàn)場人盯人監(jiān)管配比少等。

1.3 傳統(tǒng)安全帶使用過程中存在的問題

當前國內(nèi)外市場上高空作業(yè)安全帶常用的是傳統(tǒng)的五點式安全帶,傳統(tǒng)的五點式安全帶對于作業(yè)人員的安全屬于被動式的防護,很大程度上依賴現(xiàn)場的監(jiān)管工作以及施工人員自身的安全意識。而往往現(xiàn)場人員雜亂,監(jiān)管人員配比不足,施工人員安全意識不到位,可能未正確穿戴安全帶并且系掛緩沖繩,導致存在較大的高空作業(yè)安全隱患。

2 智能安全帶研發(fā)思路

國家“十三五”規(guī)劃綱要明確提出“發(fā)展物聯(lián)網(wǎng)開環(huán)應用”,將致力于加強通用協(xié)議和標準的研究,推動物聯(lián)網(wǎng)不同行業(yè)不同領域應用間的互聯(lián)互通、資源共享和應用協(xié)同。國家物聯(lián)網(wǎng)應用示范工程在多個行業(yè)領域展開,為諸多行業(yè)實現(xiàn)精細化管理提供了有力的支撐,大大提升了管理能力和水平,改變了行業(yè)運行模式。

開發(fā)智能系統(tǒng),結合當下的物聯(lián)網(wǎng)技術,通過智能安全帶管理系統(tǒng),實現(xiàn)對人員不及時系掛安全帶的不安全行為進行實時監(jiān)控,將安全帶的被動防護轉(zhuǎn)化為主動提醒,可以有效提升人員安全管理實效,改善作業(yè)人員穿戴安全帶不積極的情況,使智能安全帶相較于傳統(tǒng)的安全帶更能保障作業(yè)人員的人身安全。智能安全帶及使用流程見圖2、圖3。

圖2 智能安全帶結構

圖3 智能安全帶使用流程

2.1 智能模塊提醒

當領取智能模塊開機時,語音提醒作業(yè)人員通過微信掃描二維碼,實現(xiàn)作業(yè)人員與新型智能安全帶的綁定。歸還時,語音提醒作業(yè)人員到達指定安全區(qū)域歸還設備。智能模塊感知安全帶穿戴、系掛情況。

2.2 危險區(qū)域安全帶穿戴提醒

多種方式劃定不同場景下的危險區(qū)域:一是通過Web端繪制(圖4)或現(xiàn)場行走形成平面區(qū)域包絡線,劃定危險區(qū)域;二是針對現(xiàn)場的不同危險作業(yè)場景,通過放置實現(xiàn)不同功能的信標站,劃定不同類型的危險區(qū)域。

圖4 Web端繪制危險區(qū)域

后臺根據(jù)定位器上報的數(shù)據(jù)判定安全帶定位信息不在高處作業(yè)危險區(qū)域內(nèi)時,發(fā)送指令讓定位器安全帶穿戴預警指示燈點亮提醒;后臺根據(jù)定位器上報的數(shù)據(jù)判定進入高處作業(yè)危險區(qū)域后,發(fā)送指令讓定位器指示燈點亮提醒,并定期發(fā)送語音預警提醒一次要穿戴安全帶以及系掛掛鉤;后臺根據(jù)定位器上報的數(shù)據(jù)判定當安全帶正確穿戴后,發(fā)送指令讓定位器指示燈顯示熄滅,不再提醒。

2.3 行動軌跡回放

通過對行走軌跡的回放,實現(xiàn)對作業(yè)人員安全帶使用全過程追溯。以綠色的軌跡代表作業(yè)人員規(guī)范使用安全帶,紅色的軌跡代表作業(yè)人員沒有按規(guī)定穿戴安全帶或者系扣掛鉤而引發(fā)警報。

2.4 統(tǒng)計管理

根據(jù)不同項目/分包商/作業(yè)區(qū)域等對報警信息數(shù)據(jù)進行統(tǒng)計,分析人員報警信息,快速定位主要的不規(guī)范行為,其中可橫向?qū)Ρ炔煌职?、不同作業(yè)人員的報警次數(shù),快速定位問題分包商/個人。

3 智能安全帶組成及技術參數(shù)

智能安全帶系統(tǒng)主要包括3部分:一是安全帶主機;二是傳感卡扣及掛鉤;三是電子信標。

3.1 安全帶主機

安全帶主機組成結構主要包括通訊系統(tǒng)、定位系統(tǒng)GPS+GPRS、智能語音預警喇叭、電源等,如圖5所示。BLE 5.0藍牙通信技術用于設備間信號傳遞以及電子信標的信號檢測,GPS定位技術用于危險區(qū)域的粗精度位置獲取,GPRS通信技術用于上傳安全帶主機的位置信息,智能語音報警喇叭用于危險行為提醒報警。主機功能參數(shù)見表1。

表1 安全帶主機功能參數(shù)

圖5 安全帶主機結構

3.2 傳感卡扣及掛鉤

通過安裝在新型卡扣及掛鉤上的傳感器來檢測磁場的變化從而判斷開關是否閉合,實時感知安全帶的佩戴及系掛狀態(tài)。傳感卡扣及掛鉤如圖6所示,卡扣及掛鉤模塊參數(shù)見表2。傳導電壓隨磁場強度的變化而變化,磁場越強,電壓越高,磁場越弱,電壓越低,當電壓高于一定閾值時開關閉合,信號通過藍牙傳輸?shù)桨踩珟е鳈C。由安全帶主機通過GPRS通信技術上傳到服務器,服務器根據(jù)預設邏輯判斷是否需要發(fā)出危險預警,最后下發(fā)指令給安全帶主機,主機根據(jù)具體的安全帶穿戴情況來判斷發(fā)出相應的語音提醒警報。

表2 卡扣、掛鉤模塊參數(shù)

3.3 電子信標

信標效果如圖7所示,通過在危險作業(yè)區(qū)域放置信標站,并設置危險區(qū)域半徑,可實現(xiàn)危險區(qū)域三維立體空間的劃分。智能模塊和信標站都集成了BLE5.0技術,智能模塊可以通過檢測與信標站的藍牙信號的RSSI值,然后帶入到RSSI值和距離關系的函數(shù)中,以此測算目標到該信標站的距離。可以通過預設危險距離的范圍和目標到信標站的距離進行比對,從而判斷是否進入危險區(qū)域。標準信標參數(shù)和高度信標參數(shù)見表3、表4。

表3 標準信標參數(shù)

表4 高度信標參數(shù)

圖7 電子信標示意

4 智能安全帶創(chuàng)新性能

4.1 理論創(chuàng)新

系統(tǒng)設計包含微信小程序用戶端、微信小程序安全管理端、Web端管理服務平臺的軟件管理系統(tǒng),用以提供實時的施工人員安全帶穿戴狀態(tài)及系掛狀態(tài)報警信息及推送,突出解決現(xiàn)有施工安全風險動態(tài)管控和預警難題。危險作業(yè)區(qū)通過GPS標定和藍牙信標兩種方式劃定,較大范圍內(nèi)通過GPS劃定固定區(qū)域的方式劃定作業(yè)區(qū)域,在GPS無法覆蓋的區(qū)域或者小范圍內(nèi)可以通過藍牙信標來劃定作業(yè)區(qū)域,擴充了系統(tǒng)的應用場景,可實現(xiàn)區(qū)域內(nèi)的施工現(xiàn)場風險的前置和智能化的管理。

4.2 技術創(chuàng)新

一是采用高精度無縫定位技術,通過使用GPS定位系統(tǒng)、BLE5.0低延時藍牙傳輸技術以及藍牙定位系統(tǒng),實現(xiàn)區(qū)域精確劃分。根據(jù)具體項目施工的現(xiàn)場由管理人員在管理平臺上劃分出高處作業(yè)危險區(qū)域。通過3種不同的方式劃分危險區(qū)域。將GPS定位系統(tǒng)和BLE5.0低延時傳輸技術以及藍牙定位系統(tǒng)應用在建設項目中,確保作業(yè)人員在進入危險區(qū)域的第一時間收到預警消息。

二是智能語音合成技術,通過簡單預置以及現(xiàn)場合成,實現(xiàn)提醒、預警、通知等不同級別話語。當穿戴著具有定位功能的智能安全帶的員工進入危險區(qū)域時,發(fā)出智能語音警報,提示此處為危險區(qū)域,應做好相應的安全措施。將高精度無縫定位技術與智能語音合成技術結合起來,可以提高施工安全管理與預警效率和準確性,可以提高作業(yè)工人的安全防范意識,一定程度上避免施工人員不穿戴系掛安全帶的不安全行為,改善施工環(huán)境,加強高處作業(yè)過程的安全保障。

三是全局授時同步技術,通過網(wǎng)絡授時實現(xiàn)云管端的實時同步。實時監(jiān)測施工人員的定位、安全帶主機電量、以及安全帶的穿戴狀態(tài),當異常狀態(tài)發(fā)生時管理人員可以第一時間定位相應的施工人員,避免因為安全帶電量不足或者施工人員未正確佩戴安全帶而造成高處作業(yè)安全隱患。

4.3 結構創(chuàng)新

智能安全帶較傳統(tǒng)五點式安全帶,新增了主機模塊用于安全帶定位與數(shù)據(jù)傳輸;創(chuàng)新了卡扣/掛鉤外觀和結構設計,增加傳感器,通過檢測閉合狀態(tài)判斷是否正確穿戴/系掛,在原有安全帶2 336 g基礎上增重了約642.8 g質(zhì)量;智能安全帶結構設計已通過防水、防塵測試,同時考慮使用人員穿戴體驗感,符合原有的穿戴習慣,無需增加過多人員培訓成本。

5 應用情況

目前已小批量試生產(chǎn)并售出100多套智能安全帶。在中國水利水電第五工程局有限公司龍溪口航電樞紐施工項目、中鐵二十二局集團有限公司市政工程公司平石路項目、中石化南京催化劑有限公司和中石化五建公司煙臺萬華項目部等企業(yè)/項目上應用,用戶一致認為產(chǎn)品在安全生產(chǎn)領域有很大的發(fā)展應用和推廣前景,總體認可智能安全帶的功能創(chuàng)新性。應用的客戶也提出改進建議,包括推廣力度不夠、產(chǎn)品售價對比普通安全帶還是較高、危險區(qū)域較難精準劃分等。未來將繼續(xù)對智能安全帶進行持續(xù)優(yōu)化,與用戶保持深度溝通,針對高危典型作業(yè)場景提供解決方案。