智能气囊安全防护服研究现状与展望*

丛顺 杜子文 董艺

（中建四局工程技术研究院，广州 510000）

0 引言

随着建筑高度的不断升高，大量高层建筑拔地而起，随之而来的建筑工地施工安全问题越发引人瞩目。高处作业由于防护不当容易导致高坠事故，高空坠落占建筑工地工伤事故的大多数，对施工人员的生命安全和国家财产带来严重威胁［1］。常见的造成高空坠落的原因有很多，包括临边防护不到位，施工现场结构体系失稳坍塌，作业过程中安全网搭设不规范，施工人员安全意识淡薄，未按照相关技术规范佩戴安全带进行操作等。另外，高空作业环境常常复杂多变，恶劣的极端气流天气和强烈震动也是造成高坠的偶发因素。目前对高空作业人员除了进行相关的安全教育交底外，施工单位也增加搭设了各种防护设施和装备，这些措施有效保证了建筑工人高空施工的安全性，但对于意外发生坠落的情况还缺乏针对性的系统保护［2］。

为了能够有效降低高空坠落产生的风险，已有众多学者对高空作业的安全防护进行了研究。高处作业安全防护的研究越来越注重施工人员穿戴设备的可靠性与稳定性，伴随着现阶段智能化、网络化、数字化的不断提升，智能穿戴技术越来越受到市场的欢迎。目前，工程项目中专为高空作业施工人员设计的安全气囊防护系统，是给作业者随身穿戴的安全服，当未系安全带的场景下突发高空坠落，降落过程中，衣服内置的传感器感应相应参数并经特定算法进行处理后传出信号，气瓶接收信号并释放气体，触发使得衣服内安全气囊充气膨胀，让身体在落地的瞬间，增加了一个“空气垫”，增大其接触面积与受力时间，从而达到缓冲并吸能来保护人体不受较大伤害，这样就大大减少了高空坠落带来的人员伤亡。

1 调研现状

目前，建筑工地上施工人员随身穿戴的防护设备中仅有安全帽对人员头部有一定的防护效果，其设计出发点就是能够防止意外硬物的撞击对头部产生损伤。然而身体各关键部位并未做到全面保护，特别是高处作业人员的防护服装大部分只有反光指示条、显著性颜色、防雨防撕裂的基础功能，当遇到意外坠落受到强烈撞击时，对身体不存在任何保护作用［3］。

在2019年期间，我国建设行业正发展迅猛，建筑业产值增加70 904亿元。作为建设行业高风险工种之一，当年建筑工地事故也较为多发。2019年1月至7月建筑工地各类高发事故中，高处坠落共发生157起，占总事故次数的52.3%；共死亡167人，占总死亡人数的46.2%。坍塌事故共发生39起，占总事故次数的13%；共死亡71人，占总死亡人数的19.7%。

由以上数据可以明显看出，高处坠落和坍塌事故在建筑施工现场各类高发事故中占大多数。经统计分析，高空坠落事故中，发生频次较高的主要有施工临边坠落、高处悬空作业坠落、屋面坠落、拆装工程坠落、爬梯施工坠落、吊顶安装坠落、模板脚手架施工坠落、高空平台作业坠落等［4］。

建筑工地由于高处作业而导致的施工事故频发，除了与作业人员主观安全意识缺乏和施工管理组织人员的监管不到位有关之外，还同目前施工作业人员的安全防护服不完善有很大关系。在国外，智能防护服在安全工程领域的研究与应用已发展成为趋势。目前，国内的“中国制造2025”“工业4.0”也成为驱动防护服智能化升级的主要动力［5］，然而在防灾救援、建筑高空施工、极限运动这些重要安全作业领域的安全防护功能服的研究还稍显不足，市场需求量极大。

2 气囊防护服发展现状

气囊防护服系统的组成主要有：气囊触发装置、姿态传感器系统、气瓶、内囊、外衣面料等。这类气囊式安全防护服在目前市场上的主要成熟功能性产品包括：摩托车安全气囊服、气囊式救援服以及防摔服等［6］。应用范围涉及赛车、各类运动、飞行、警察装备、消防部门装备等。

2.1 摩托车安全气囊防护服

起步最早的摩托车防护服系列产品，其安全防护功能主要结合人体生理学与工程学原理进行开发设计，并在摩托车比赛和日常骑行过程中取得了示范性成果。早期的防护技术包括：背部加厚的驼峰、膝盖部位的护膝垫块和肘部的滑块设计等。

融入安全气囊的理念后，整套防护服包括夹克层、衬里层和折叠气囊层。全球范围内最先研究摩托运动气囊式安全防护服的品牌主要有日本的Hit-Air，意大利Dainese的D-Air、Alpinestars的Tech-Air、Clover（幸运草）以及法国Helite的GP Air、Vented等，并且相应的产品分为赛车版和街道版。这种气囊服只需通过一根连接于摩托车的联通快速充气单元开关的钢丝绳，或在轮胎上装有感应器和坐垫下方装有加速感应器来启动内胆，这样使得摩托驾乘人员无论行驶在高速的赛道还是骑行在崎岖的山地道路上，一旦触发安全气囊，就会为其提供必要及时的安全保护，系统结构见下图1。

在骑行中突发撞击事故和摔倒时，骑行人员首先会从摩托车上人车分离，这样其与摩托车的距离就会超出安全距离，然后保险插头被拔出，触发安全气囊系统瞬间充气展开。气囊服的及时展开能够有效缓解甚至吸收来自不同方向给与骑行人员的撞击能量，降低其受伤的程度，对骑手的背部、肘部、膝盖、肩膀、臀部和尾椎等都能提供有效保护。同时，有了安全气囊的防护，也可以防止骑手的护具被磨破，并作为“空气垫”对人体背部起到保护作用，减少脊柱受伤的风险。

以上品牌的安全气囊服可用于正式比赛和日常骑行，某些品牌兼有夏装和冬装，功能上分为强化防水、简易防雨两款。气囊由特殊复合材料制成，不易损坏且富有弹性，同时气囊可重复使用，更换充气系统后可将气囊重新卷回囊袋，短时间内即可重新复位触发机制。

2.2 气囊式救援服

气囊式救援服的典型应用就在充气救生衣系列产品中。日本Hit-Air公司在2012年开发Airbag Protector Vest救援服，并于2014年开始研制空气袋Air Hoof（如表1所列）。此类充气式救援服并不需要气瓶充气，使用者通过嘴或打气筒即可向气囊内实现充气展开。另外，在气囊内壁增加特殊材质的多边形减震材料HEXA PAD，可以并行达到双重防护功能。HEXA PAD是通过聚乙烯材料经过特殊加工而成，采用完美契合的六边形结构，能够缓冲来自不同方向的冲击力并平衡受力不均产生的影响。此材质结构内藏于本体的前部、颈部以及背部的各处气囊内侧（HEXA PAD厚度约为15 mm），可保障穿戴者的舒适性和可靠性［7］。

表1 Airbag Protector Vest救援服与Air Hoof产品说明

2.3 气囊式防摔服

人口老龄化在全球范围内迅速加剧，这为气囊式防摔功能服的研发提供了空间。老人在行走和活动过程中容易发生危险，国内专门针对老人防摔气囊服的研究也渐渐成为热点。表2是对几款气囊式防摔功能服的介绍。

表2 气囊式防摔服说明

由以上阐述的气囊防护功能服现有产品信息可知，国内外特别是日本和欧洲研究气囊防护服较早且成果颇丰，相关技术较为成熟，主要聚焦在摩托车骑行、极限运动和应急救援等防护服方面，并已在不同行业的气囊防护服市场初具规模。

3 智能气囊安全防护服

现阶段，在高空作业施工领域，气囊式安全防护服的总体发展趋势是借助信息化和数字化的强大运行能力，结合不同类型的传感器，穿戴智能化程度不断提升［8］。基于多模态识别技术的智能气囊安全服由智能控制系统、运动参数采集模块、安全提醒模块以及安全保护模块组成。当高空施工人员发生意外坠落时，智能安全服中的智能控制系统通过分析采集模块收集而来的运动参数信息，判断当前发生坠落危险，并联动安全提醒模块进行提醒，同时触发安全保护模块进入工作状态，保护坠落人员的人身安全。智能气囊安全防护服工作原理流程如图2所示。

智能防护服内各硬件和软件系统组成以及囊袋具体的触发过程有：

1）智能控制系统中处理器芯片内包括跌落检测的主控制函数算法和实现与各模块之间控制的若干子函数；智能控制系统实时接收并处理传感器数据，并向提醒模块及保护模块发送数据、控制指令。

2）运动参数采集模块使用一种9轴传感器，该传感器具有加速度计、陀螺仪以及磁力计，每个部分都具有X、Y、Z 3个方向；传感器用于采集高空施工人员多个维度的运动模态数据，并与控制系统进行连接。

3）安全提醒模块一般由蜂鸣器和LED指示灯组成；安全提醒模块接收控制系统发送过来的安全提醒指令并做出信号指示。

4）安全保护模块由安全服、安全气囊以及电子气体发生器等构成；当发生意外坠落时，控制系统发送开关指令，气体发生装置触发并迅速释放气体填充安全气囊，用以保护坠落人员的安全。

4 结语

近些年，我国在气囊防护服研发应用上，通过引进技术合作生产，并对已有功能进行研发创新，现阶段已经取得了一定的成果，但主要还是运用在国内的警服及消防等方面。另外，智能防护功能服由于集成组件较多，目前成本普遍较高，因此在国内大多数行业的普及率较低，只应用在赛车、马术、滑雪等危险性较高的竞技性专业比赛中，对于施工现场高处作业人员以及人们的日常安全防护还没有投入较多使用。

为了弥补上述局限与弊端，使得施工现场高处作业人员生命安全更好的得到保护，今后的智能气囊防护服正趋向轻便、经济适用的方向发展。通过研发更加轻便的穿戴材料，使防护服既防雨防水，又能达到防火耐高温的功能效果，同时不失美观和经济适用。目前，已有相应的空调制冷系统在防护服内进行了集成，并达到了良好的散热效果。伴随今后信息化、智能化的不断发展，智能定位、智能预报、智能监测等功能将陆续应用到安全防护服系统内，并逐步实现云端控制与智慧响应。