运用于输电线路高空作业工人的新型安全帽

陈华超

（广东惠州供电局，广东 惠州516001）

背景：安全防护的目的是为工作人员提供必要的、基础的安全防护，减少、避免日常维检工作中的意外伤害，是电力系统日常工作中的重要环。在运输电路高空作业时，工作人员必须佩戴相应的个人防护设备。安全帽无疑是个人防护设备中最基础的一个，几乎在所有的工况条件下都必须佩戴。个人防护设备的佩戴可以给工作人员提供物理防护，减少职业伤害。同时，个人防护设备的佩戴还有利于提高工作人员的心理安全感，提高工作质量和工作效率。不过，从当前的安全帽设计来看，虽然考虑了其基本的安全防护性能，不过却没有结合输电线路高空作业实际进行智能化的改进。输电线路高空作业中，即使制定了相应的安全技术措施、危险点控制措施和组织措施，但是误操作事故也时有发生，给高空作业人员带来巨大的人身和设备事故。造成这种问题的主要原因是在输电线路高空作业中各个节点的安全监控缺乏连续性，不能实现高空作业的全过程监控。基于上述背景，本创新研制一种新型的电力安全帽，通过对其进行二次开发和设计，实现对输电线路高空作业操作过程的实时视频监控和双向语音沟通功能，实现作业现场的实时监测和反馈，弥补现有安全帽中智能设计和应用不足的缺陷，提高现场工作人员和管理人员之间的沟通效率。

功能需求分析：硬件部分：高清网络摄像头：输电线路高空作业比较复杂，经常会遇到一些检修人员不能独立处理的问题。所以通过高清网络摄像头设计可以让后台管理人员了解当前的现场故障情况，指导、协助检修人员完成输电线路高空故障处理，提高检修效率。无线通讯模块：将高清网络摄像头采集到的数据传输给后台管理系统，便于后台进行数据分析和处理。集成板卡：包括电源电路、控制电路、控制接口和通信等。LED照明设备：可以通过开关进行控制，主要用于外界照明不足时的补充照明。语音对讲设备：实现输电线路高空作业人员和后台管理人员之间的实时通话，可以多频段进行更换，主要的语音输出设备。电源模块：主要负责整个控制系统和照明装置的供电。网络通信部分：网络通信部分主要用于硬件设备与软件设备之间的数据传输。在本设计中，结合输电线路高空作业要求，选择4G 和WIFI 两种通信模式。软件管理部分：软件管理部分以现代通信技术为基础，通过集成开发相关软件管理部分实现对输电线路高空作业的远程指挥与管理。软件管理系统通过接收器接受到网络摄像头采集到的信号，并将信号传输给计算机系统，并在计算机终端进行显示，从而实现对输电线路高空作业的远程监管和控制，提高高空作业效率和质量。通过软件管理系统可以对高空作业人员的的检修作业、检修环境等进行监测，实现对高空作业人员的可视化管理，提高高空作业的安全性和有效性，实现高空作业的全方位、全流程监管。同时，遇到突然情况时还可以进行及时的响应和救援，提高高空作业质量。

图1

系统组成：本创新的目的在于提高运输线路高空作业中现场作业人员、地面技术人员和工作监护人之间的沟通效率，实现现场作业的实时反馈和监测。为了实现上述目的，本创新的系统技术方案为：创新所设计新型安全帽主要包括智能安全帽、服务器和数据处理终端。智能安全帽又包括安全帽、高清网络摄像头、喇叭、数据传输模块、照明灯、麦克风等设备。智能安全帽可以接受数据处理终端传送的信息，并通过喇叭和光学棱镜对音频数据和显示数据进行展现。数据处理终端主要负责内部数据的转发和传送，是智能安全帽与服务器之间的桥梁，因此数据处理终端的功能包括音频采集、编码、解码、播放和数据传输。数据处理终端与智能安全帽和服务器之间的信号传输主要通过WIFI 或者4G 来实现。服务器系统主要包括WIFI 与4G 模块、存储模块、电池、数据存储、图像和语音识别、管理等模块。通过服务器系统管理人员可以和现场的高空作业人员进行音频通话，对高空作业人员的检修过程进行存储，便于后期使用。

本创新的功能具体设计如下：通过麦克风和耳机实现网络语音通话，实现后台管理与现场作业人员之间的实时语音通话功能；通过网络摄像头对现场作业进行实时监控，同时把现场作业视频传输给服务器系统，由服务器进行存储和管理；高空作业现场的语音信号通过FM模块处理之后，借助4G 技术传送到服务器，从而实现后台管理者对现场作业人员的远程指挥和监控，实现双方实时信息沟通(图1)。

技术实施方案：视频设备配置：本系统中，视频数据采集通过网络摄像头来实现。网络摄像头位于安全帽前端，要求摄像头的主轴方向要与正常佩戴安全帽时人眼的视线平视位置同轴。通过网络摄像头可以对高空作业人员的目视内容进行记录。在参数设置上，要求摄像头的像素较高，要能满足输电线路高空作业检修需求，确保图像清晰度和可辨度；视频数据的存储模式为JEPG 模式；采用125°超大广角镜头，提高现场目标捕捉范围。

语音设备配置：通过4G 通信网和WiFi 热点连接2 种网络连接方式完成双向实时通话。语音通话设备包括受话器与耳机，耳机位于智能安全帽的前部边缘，耳机将语音信号传送给受话器。本设计后台服务器还具有群呼功能，可以实现对现场的群体性调度和指挥。无线网络配置方案：本文所设计的网线网络配置采用4G 与WIFI 结合模式。照明设备配置：本设计在智能安全帽上的网络摄像头同轴方向配置1.2W 照明灯和二极管激光器。照明设备设立独立开关，可以对20 米范围内的目标进行照明和定位。电源配置：本文设计终端电源系统为2600 mA·h 锂电池。锂电池安置在智能安全帽的后部，当电池电压低于3.6V 时，系统将会发出低压警报，并在10 分钟之后自动关机。电源充电可以通过USB 数据接口来实现。

FM自制模块：本文所设计FM自制模块主要包括SP7021F收音集成芯片、BH1417F 集成发射芯片和TDA2822M 功放芯片。

创新点：a.通过自制FM模块实现音频实时接收与发射达到无线通话功能，FM模块集成了输入输出模块，输出模块插入普通无麦克风耳机，输入模块连接有源线夹式麦克风。高空工作人员使用安全帽时，将耳机和麦克风分别佩戴至耳朵与衣领处，即可进行实时语音通话；b.地面人员通过移动终端连接摄像头热点观看实时影像，实现多人高空作业现场视觉共享功能，并佩戴安全帽戴上耳机和麦克风实现多人的实时通讯对话功能。c.外壳使用ABS 塑料，将电源、FM模块、摄像头安装入内，外壳缝隙使用防水胶进行粘合, 加上外壳使用四颗螺丝进行固定从而达到防水绝缘耐高温的功能，保护外壳内的设备，将电源、FM模块和摄像头的电路进行并联。并使用五金配件将外壳与安全帽连接，拆装容易便捷。

技术关键点：a.FM模块为自己画电路图所形成的产品。自制FM模块的专有链路为HZ，为专用链路，利用自制FM音频发射与接收双向实时模块进行通讯交互，实现音频实时接收与发射达到无线通话功能；b.5.8GFPV 摄像头创新应用于输电线路高空作业工人工作中。利用摄像头自带热点功能实现短距离实时传输图像功能，实现实时图像传输功能，保证实时无线通话与实时视频功能不受外界网络影响，能应用于全部输电线路工作（图像及音频有效通讯范围200 米内）；c. 不改变安全帽已有外观的便捷安装方式。将电源、FM模块、摄像头等配件集成安装ABS 塑料外壳，能够便捷的安装在安全帽位置，并且在某零部件坏的情况下能将该模块立刻替换，无需维护即换即用。