智能高空安全带研发与应用

程化冰,李 皓,朱世杰,魏 红

(1.中石化第五建设有限公司,广东广州 510100 2.中国石油化工集团有限公司健康安全环保监管部,北京 100728 3.中石化炼化工程集团股份有限公司,北京 100029)

目前,建设工程项目日趋大型化、复杂化,施工工艺和技术难度不断提高,但建筑工地的安全管理大多还采用传统管理模式,安全管理普遍存在信息缺乏、信息传递渠道不通畅、信息反馈不及时等问题[1]。广义上的物联网可以看作是信息空间与物理空间的融合,将一切事物数字化、网络化,在物品之间、物品与人之间、人与现实环境之间实现高效信息交互方式,并通过新的服务模式使各种信息技术融入社会行为[2]。

以某种建设施工高空作业使用的智能安全带为例,利用物联网技术,创新智能安全带设计理念、结构、应用,提出智能安全带的性能优化及发展方向。

1 高处作业概况

1.1 高处作业事故频发

石油化工新建项目多涉及动火作业、用电作业、破土作业、受限空间作业及高处作业等直接作业环节,有作业面狭窄、高处作业多、交叉作业频繁和大型吊装多等问题[3],由于高处作业的工作量大、操作人员多、员工的流动性大,加上多工种的交叉、立体作业,并且临时设施多,现场条件差等各种不安全因素多,再加上一线工人的文化素质较低、安全生产意识不强,导致高处作业的事故率偏高[4]。

建筑施工高处坠落事故发生数目和死亡人数较高的原因大都是由从业人员的不安全行为造成的[4]。作业人员安全带不按规定系挂现象日趋严重,目前对人员不及时系挂安全带的不良行为,所采取的手段是管理人员进行巡视监控,人为的监控存在不及时、不全面的现状,不能做到实时监控。经统计,高处坠落事故占某石化行业典型生产安全事故发生率的14%,如图1所示,仅次于火灾及爆炸,因此减少和避免高处坠落事故的发生,是降低施工建筑业伤亡事故的关键。

图1 某石化行业典型生产安全事故发生率

1.2 高处坠落事故根本原因

高处坠落事故的发生原因除了设计缺陷、管理缺陷(安全设施落实不到位,使得工人即使有安全带也无系挂点等)外,大多都是由于人员未正确系挂和使用安全带等坠落防护设施所导致的[5]。施工人员安全意识欠缺表现为:安全带忘记穿戴、穿戴不正确、未系挂等;监管存在盲区与失配:缺乏安全带全生命周期监管,出现固定销缺失、挂舌变形、挂绳断股,以及现场人盯人监管配比少等。

1.3 传统安全带使用过程中存在的问题

当前国内外市场上高空作业安全带常用的是传统的五点式安全带,传统的五点式安全带对于作业人员的安全属于被动式的防护,很大程度上依赖现场的监管工作以及施工人员自身的安全意识。而往往现场人员杂乱,监管人员配比不足,施工人员安全意识不到位,可能未正确穿戴安全带并且系挂缓冲绳,导致存在较大的高空作业安全隐患。

2 智能安全带研发思路

国家“十三五”规划纲要明确提出“发展物联网开环应用”,将致力于加强通用协议和标准的研究,推动物联网不同行业不同领域应用间的互联互通、资源共享和应用协同。国家物联网应用示范工程在多个行业领域展开,为诸多行业实现精细化管理提供了有力的支撑,大大提升了管理能力和水平,改变了行业运行模式。

开发智能系统,结合当下的物联网技术,通过智能安全带管理系统,实现对人员不及时系挂安全带的不安全行为进行实时监控,将安全带的被动防护转化为主动提醒,可以有效提升人员安全管理实效,改善作业人员穿戴安全带不积极的情况,使智能安全带相较于传统的安全带更能保障作业人员的人身安全。智能安全带及使用流程见图2、图3。

图2 智能安全带结构

图3 智能安全带使用流程

2.1 智能模块提醒

当领取智能模块开机时,语音提醒作业人员通过微信扫描二维码,实现作业人员与新型智能安全带的绑定。归还时,语音提醒作业人员到达指定安全区域归还设备。智能模块感知安全带穿戴、系挂情况。

2.2 危险区域安全带穿戴提醒

多种方式划定不同场景下的危险区域:一是通过Web端绘制(图4)或现场行走形成平面区域包络线,划定危险区域;二是针对现场的不同危险作业场景,通过放置实现不同功能的信标站,划定不同类型的危险区域。

图4 Web端绘制危险区域

后台根据定位器上报的数据判定安全带定位信息不在高处作业危险区域内时,发送指令让定位器安全带穿戴预警指示灯点亮提醒;后台根据定位器上报的数据判定进入高处作业危险区域后,发送指令让定位器指示灯点亮提醒,并定期发送语音预警提醒一次要穿戴安全带以及系挂挂钩;后台根据定位器上报的数据判定当安全带正确穿戴后,发送指令让定位器指示灯显示熄灭,不再提醒。

2.3 行动轨迹回放

通过对行走轨迹的回放,实现对作业人员安全带使用全过程追溯。以绿色的轨迹代表作业人员规范使用安全带,红色的轨迹代表作业人员没有按规定穿戴安全带或者系扣挂钩而引发警报。

2.4 统计管理

根据不同项目/分包商/作业区域等对报警信息数据进行统计,分析人员报警信息,快速定位主要的不规范行为,其中可横向对比不同分包商、不同作业人员的报警次数,快速定位问题分包商/个人。

3 智能安全带组成及技术参数

智能安全带系统主要包括3部分:一是安全带主机;二是传感卡扣及挂钩;三是电子信标。

3.1 安全带主机

安全带主机组成结构主要包括通讯系统、定位系统GPS+GPRS、智能语音预警喇叭、电源等,如图5所示。BLE 5.0蓝牙通信技术用于设备间信号传递以及电子信标的信号检测,GPS定位技术用于危险区域的粗精度位置获取,GPRS通信技术用于上传安全带主机的位置信息,智能语音报警喇叭用于危险行为提醒报警。主机功能参数见表1。

表1 安全带主机功能参数

图5 安全带主机结构

3.2 传感卡扣及挂钩

通过安装在新型卡扣及挂钩上的传感器来检测磁场的变化从而判断开关是否闭合,实时感知安全带的佩戴及系挂状态。传感卡扣及挂钩如图6所示,卡扣及挂钩模块参数见表2。传导电压随磁场强度的变化而变化,磁场越强,电压越高,磁场越弱,电压越低,当电压高于一定阈值时开关闭合,信号通过蓝牙传输到安全带主机。由安全带主机通过GPRS通信技术上传到服务器,服务器根据预设逻辑判断是否需要发出危险预警,最后下发指令给安全带主机,主机根据具体的安全带穿戴情况来判断发出相应的语音提醒警报。

表2 卡扣、挂钩模块参数

3.3 电子信标

信标效果如图7所示,通过在危险作业区域放置信标站,并设置危险区域半径,可实现危险区域三维立体空间的划分。智能模块和信标站都集成了BLE5.0技术,智能模块可以通过检测与信标站的蓝牙信号的RSSI值,然后带入到RSSI值和距离关系的函数中,以此测算目标到该信标站的距离。可以通过预设危险距离的范围和目标到信标站的距离进行比对,从而判断是否进入危险区域。标准信标参数和高度信标参数见表3、表4。

表3 标准信标参数

表4 高度信标参数

图7 电子信标示意

4 智能安全带创新性能

4.1 理论创新

系统设计包含微信小程序用户端、微信小程序安全管理端、Web端管理服务平台的软件管理系统,用以提供实时的施工人员安全带穿戴状态及系挂状态报警信息及推送,突出解决现有施工安全风险动态管控和预警难题。危险作业区通过GPS标定和蓝牙信标两种方式划定,较大范围内通过GPS划定固定区域的方式划定作业区域,在GPS无法覆盖的区域或者小范围内可以通过蓝牙信标来划定作业区域,扩充了系统的应用场景,可实现区域内的施工现场风险的前置和智能化的管理。

4.2 技术创新

一是采用高精度无缝定位技术,通过使用GPS定位系统、BLE5.0低延时蓝牙传输技术以及蓝牙定位系统,实现区域精确划分。根据具体项目施工的现场由管理人员在管理平台上划分出高处作业危险区域。通过3种不同的方式划分危险区域。将GPS定位系统和BLE5.0低延时传输技术以及蓝牙定位系统应用在建设项目中,确保作业人员在进入危险区域的第一时间收到预警消息。

二是智能语音合成技术,通过简单预置以及现场合成,实现提醒、预警、通知等不同级别话语。当穿戴着具有定位功能的智能安全带的员工进入危险区域时,发出智能语音警报,提示此处为危险区域,应做好相应的安全措施。将高精度无缝定位技术与智能语音合成技术结合起来,可以提高施工安全管理与预警效率和准确性,可以提高作业工人的安全防范意识,一定程度上避免施工人员不穿戴系挂安全带的不安全行为,改善施工环境,加强高处作业过程的安全保障。

三是全局授时同步技术,通过网络授时实现云管端的实时同步。实时监测施工人员的定位、安全带主机电量、以及安全带的穿戴状态,当异常状态发生时管理人员可以第一时间定位相应的施工人员,避免因为安全带电量不足或者施工人员未正确佩戴安全带而造成高处作业安全隐患。

4.3 结构创新

智能安全带较传统五点式安全带,新增了主机模块用于安全带定位与数据传输;创新了卡扣/挂钩外观和结构设计,增加传感器,通过检测闭合状态判断是否正确穿戴/系挂,在原有安全带2 336 g基础上增重了约642.8 g质量;智能安全带结构设计已通过防水、防尘测试,同时考虑使用人员穿戴体验感,符合原有的穿戴习惯,无需增加过多人员培训成本。

5 应用情况

目前已小批量试生产并售出100多套智能安全带。在中国水利水电第五工程局有限公司龙溪口航电枢纽施工项目、中铁二十二局集团有限公司市政工程公司平石路项目、中石化南京催化剂有限公司和中石化五建公司烟台万华项目部等企业/项目上应用,用户一致认为产品在安全生产领域有很大的发展应用和推广前景,总体认可智能安全带的功能创新性。应用的客户也提出改进建议,包括推广力度不够、产品售价对比普通安全带还是较高、危险区域较难精准划分等。未来将继续对智能安全带进行持续优化,与用户保持深度沟通,针对高危典型作业场景提供解决方案。