智能安全帽在电力现场作业安全督导管理系统的应用

国网上海市电力公司市区供电公司 刘莹旭 金 琪 徐生康 李文雯 周 凉 郁耀芳

本文采用“云大物移智”、北斗定位等新技术，打造以智能安全帽为前端载体、安全督导系统为后端支撑的电力现场作业安全督导管理系统。实现作业现场人员实时定位、语音对讲和视频图像传输、一键报警等功能，为管理人员进行安全监控、工作质量评价和工作指导提供依据，全面提升电力安全管理智能化水平，保障现场作业人员生命安全以及电网设备安全。

安全管理是电力生产工作的重中之重，各电力企业坚持把安全工作放在一切工作的首位，不断创新监管手段加强安全管理。在电力安全生产过程中，现场作业由于其数量多分布广、作业环境封闭且大多数地点偏僻等特点，对现场作业人员的安全监督难度加大。现场作业行为是否规范直接影响安全事故发生的概率，传统的安全监督模式已不能适应智能化电网发展的要求。

智能安全帽和电力现场作业相融合，可在很大程度上提高作业现场的安全防护水平。目前国内已有一些电网企业开展智能安全帽的产品研究，但业务特征差异较大。基于此，本项目采用物联网新技术，融合北斗高精度定位功能，研究智能安全帽在电力现场作业安全督导管理系统的应用，实现人员实时定位、作业实时监控、实时互动和实时报警等功能，推动安全监督管理智能化、自动化，助力智能电网发展。

1 系统总体架构

电力现场作业安全督导管理系统由前端和后端两组应用组成，前端以模块化智能安全帽为核心，集成北斗定位、可视对讲、室内定位等模块；后端以可视化信息展现为主的安全督导管理系统为支撑，实时获取并展现现场作业人员室内外地理位置、作业现场视频信息、报警信息等，并可对作业现场进行远程监督指导，实现前后端互动。主要应用架构如图1所示。

图1 系统总体架构

电力现场作业安全督导管理系统为一级部署，服务器系统部署在总监控中心，通过互联网与监控调度中心相连。作业现场音视频信息可以与监控调度中心或者其他授权用户进行实时共享。

2 智能安全帽模块化集成

在传统安全帽上根据需要集成安装各类电子模块，可将智能安全帽的不同模块做成外挂式，方便灵活拆卸和安装，如：可视对讲模块、北斗高精度定位模块等。智能安全帽运行模式包括工作、休眠和关机三种，并设有3个指示灯显示电源模块、定位模块和通信模块的运行状态。

2.1 集成电路模块

集成电路主要利用MO+核的处理器为核心处理控制器件，负责系统数据传输的加密、解密、协议解析、协议组建、数据信息存储、驱动结构的驱动控制、通信数据的转换等。数据加密和解密可以通过软件和硬件两种方式实现。

2.2 电源模块

采用可拆卸聚合物电池，电池容量大于等于3000mAh；能有效监测当前电量情况。智能设备供电可支持连续30天不充电（每天工作不超过10h，与后台消息上报周期为5分钟）；可通过电量指示灯提示当前电量信息。

2.3 声光提示模块

同时采用LED灯和蜂鸣器进行声光提示。LED灯指示包括GPS网络状态、NB-IOT网络状态、电源使用状态；蜂鸣器主要把LED灯各种状态以及异常报警信息告知终端。

2.4 安全帽电子标签和二维码及重力传感器模块

标签采用短距离高频无线通信技术，电子设备之间实现非接触式点对点数据传输；二维码设计需支持安全帽上有弧度识别的要求；G-Sensor通过重力加速度3轴速度变化状态判断终端的运动状态。可将二维码、电子标签与人员、资产进行绑定管理。

2.5 北斗高精度定位模块

能独立完成北斗、GPS定位及时间获取功能。具备GNSS卫星定位功能，默认采用北斗+GPS双系统定位。同时具备授时功能，仅给予北斗RNSS的时间信息。在信号良好条件下定位精度可优于3m，能按照设定的时间间隔发送单点位置报告；在位置报告过程中，当RNSS定位失效时，能够及时通知工作人员和后端。根据用户开机前的初始化条件，首次定位时间可分为冷启动、温启动和热启动三种，不同的启动方式对捕获时间和标称精度参数要求不同。

2.6 可视对讲模块

可视对讲模块有拍照键、录像键、电源键、摄像头和USB充电、数据传输等接口，能够实现集群通话、双向对讲、视频回传和数据存储等功能，可作为蓝牙耳机使用。装在安全帽上能捕捉到佩戴者第一人称视角的视频图像，最高可达到720P高清分辨率。摄像机支持本地存储，在无网络时也可进行录像、抓拍。

2.7 室内定位模块

导航系统主要采用LANDMARC算法和基于RSSI定位原理的三角定位算法LANDMARC算法。通过引入坐标信息已知的参考标签，分析比较参考标签和待测标签的信号值来达到定位的目的。标签读写器根据(Re-ceived Signal Strength Indicator，RSSI)来判断所读标签的位置。当某个待定位标签和参考标签地理位置相近时，它们在读写器上的信号值大小相似。由于参考标签的坐标信息已知，因此可以找到信号值与其相近的参考标签，利用加权算法可计算出待测标签的坐标。

2.8 网络通信模块

智能安全帽通过NB-IoT进行数据传输，同时支持中国移动、中国联通的NB-IoT网络实现数据回传。通信基本要求如表1所示。

表1 通信模块基本要求

3 系统应用功能设计

系统应用功能分为前端应用、后端应用。后端系统通过视频服务接口与前端视频系统进行应用集成。

3.1 模块化智能安全帽移动应用（前端应用）

负责完成作业人员室内外位置定位、实时图像采集、音频采集、安全求救/报警等，利用4G/NB-IoT网络将音视频图像，传输至安全督导系统服务端。

北斗定位：实时分析、展示人员所处室外的位置信息。

室内定位：实时分析解算当前人员所处室内位置信息。

视频/图像采集：对现场环境进行拍照、录像，并进行存储。

音频对讲：与后端管理人员进行语音通话，进行远程互动。

状态监测：对智能安全帽的各个核心模块进行状态监测。

电量监测：对智能安全帽电池的电量进行监控显示，对异常电量进行报警。

数据回传：对作业现场采集的音视频、图像、位置、状态等信息上报传输到后端系统。

一键告警：当发生紧急情况时通过触发智能安全帽上的紧急报警按钮，向督导中心一键报警。

3.2 现场作业安全督导管理系统应用（后端应用）

接收并处理前端应用上传的作业现场信息，负责完成终端设备的管理和现场视频图像的监控展现、分发和存储。

终端设备管理：管理智能安全帽的基础信息、配置信息、状态信息、使用记录信息等。

作业人员管理：管理作业人员的基本信息、与智能安全帽的绑定信息等。

视频接入：对作业现场人员的智能安全帽上的视频信号进行接入，实现对作业现场的实时视频监控。

信息监控：对作业现场视频、人员位置、智能安全帽各模块运行参数、工作状态等进行实时展示。

路径跟踪：根据人员历史位置信息，实时绘制人员的行动轨迹并形象化展示。

音频对讲：根据现场监控情况对现场人员实时发起语音，进行工作监督和指导。

安全报警：对监控异常状态、现场报警求救信息进行告警，辅助就近安排人员和装备进行增援。

分析评估：根据现场作业全过程监控信息，分析评估现场作业的安全质量，支持辅助决策。

结束语：本课题采用模块化智能安全帽集成方案，构建了后端管理人员和前端现场作业人员安全互动的桥梁，实现了安全监督智能化和全过程覆盖，有效解决安全监管难、安全稽查覆盖率低、安全问题暴露不充分等问题，推动安全管理迈上新台阶。当前智能安全帽在电力作业现场中的应用还处于起步阶段，但是通过项目的试点应用，已经验证了相关技术的先进性和可行性，具备更大业务范围应用的基础，可在变电站巡检、设备检修、线路作业、事故抢修等生产运营工作中开展此应用。