有限空间现场作业智能管控系统研究与应用

何星躲，柯 楠，陈 晨，张彦龙，李昭阳

（1.许继电气股份有限公司，河南 许昌 461000；2.国网上海市电力公司，上海 200122）

0 引 言

随着电网系统的快速发展以及城市发展的需要，地下电缆铺设的情况越来越普遍。目前，我国对地下电缆沟、井等有限空间的监管力度较弱，并且电缆沟、井情况复杂，检修难度大。有限空间大多自然通风条件差，长期处于封闭状态，造成有限空间内部易燃易爆、有毒有害气体积聚，存在中毒、缺氧窒息、燃爆等危险；此外，有限空间作业一旦出现事故，受环境因素、自身结构特点制约，应急救援、处置难度很大，盲目施救极易导致事故进一步扩大，从而造成二次伤害[1-3]。国网基建部下发了《关于进一步加强输电线路基础深基坑作业安全风险管控的通知》，明确规定了深基坑作业的安全技术措施和作业风险管控要求。因此，有限空间作业必须加强安全管理，有效预防和遏制作业过程中缺氧窒息、中毒和燃爆等事故的发生。

目前，安全管控的研究主要是通过图像和视频进行作业人员识别[4,5]。我国电力系统的有限空间现场作业安全管控仍然依靠人员监督和作业人员自身安全意识来保障人身安全，不过近年来也有诸多学者深入研究机器视觉、智能传感、多传感器数据融合等先进技术，来弥补有限空间安全管控方面的漏洞，从而防止电力作业现场发生事故，保障安全生产[6-10]。其中，张心阳等人提出一种多维度智能管控平台，通过集成智能控制系统，将有限空间作业中产生的各类数据信息进行联动，形成高效的信息共享机制，同时通过App 与现场作业人员联系起来，提升管控平台的实用性[6]。杨鸿珍等人设计了一种可穿戴式智能感知装置用于测量电网有限空间环境数据，主控内核单片机与主采集模块多合一传感器模组共同实现对现场作业环境数据实时采集和处理分析，并通过蓝牙无线通信模块将信号传输至上位机和手机App，实现对超阈值数据及时报警，有效保障作业人员的生命安全[7]。但是，目前市面上还没有完全符合有限空间作业安全智能管控要求的可靠性产品，仍然需要广大科研工作者深入开发研究。

文章以视频采集设备和智能传感设备为基础，设计一套基于多源传感器数据融合的有限空间现场作业管控智能系统。利用复杂环境下的无线组网技术、作业人员智能化人脸识别及现场作业管控等技术，实现有限空间作业环境的实时监测与智能预警、作业人员生命体征智能监测、作业全程可视化监控和智能井盖及新风系统的安全智能管控，从而完成有限空间现场作业的全方位安全监督，保障现场作业人员的安全，提高有限空间现场作业管理的自动化、智能化水平，保证作业质量和效率的综合提升，保障电力安全生产，最终实现有效预防和遏制有限空间安全事故发生的目的。

1 总体设计

1.1 系统总体架构

充分考虑有限空间现场作业需要监测的物理量、智能管控设备以及产品的便捷性、实用性等，将系统总体设计为电源模块、通信模块、软件模块（核心开发板）、智能管控系统以及就地化屏显模块共5 部分，如图1 所示。其中，软件模块包括传感器模块、视频监控模块、智能管控模块和声光告警模块等。

图1 系统总体设计

1.2 系统硬件

文章选用瑞芯微的RK1808 AIoT 芯片，采用22 nm FD-SOI 工艺制造，满足极致低功耗需求；中央处理器（Central Processing Unit，CPU）上采用双核架构，兼容性强，可支持多种网络模型转换框架；满足人脸识别、姿势估计以及目标检测等人工智能模型算法。此外，RK1808 芯片提供多种外设接口，方便用户在开发过程中进行使用扩展：（1）传感器接口，具有集成电路总线（Inter-Integrated Circuit，I2C）、脉冲宽度调制（Pulse Width Modulation，PWM）、串行外设接口（Serial Peripheral Interface，SPI）等多种传感器接口；（2）设备接口，具有通用串行总线（Universal Serial Bus，USB）2.0、USB3.0 和外围组件快速互连（Peripheral Component Interconnect express，PCIe）等设备接口，支持千兆以太网和外置模块接入；（3）视频接口，输出接口支持移动产业处理器接口（Mobile Industry Processor Interface，MIPI）、通用中间格式（Common Intermediate Format，CIF）和BT1120 视频输出，输入接口支持MIPI 和RGB 显示；（4）音频接口，支持麦克风阵列输出，同时支持音频输入。

作业现场布控球选用iDS-MCD20M/32G/GLE 200 万定焦小人工智能（Artificial Intelligence，AI）布控球，该布控球采用1/2.9 CMOS 3.9 mm 定焦，集成3G/4G、Wi-Fi 无线网络传输、视音频编解码等功能，非常适合临时作业场景。布控球可选择直接电源和电池供电2 种方式，其单电池可支持15 h 连续工作。此外，支持三脚架、壁装、磁吸等多种安装方式，支持消息完整性检查（Messages Integrity Check，MIC）、扬声器和双向语音对讲，支持TF 卡存储。

就地显示屏采用广州致远电子有限公司的7 寸液晶屏套件LCDD-800480W070TC，提供通用的液晶屏接口，I2C 接触屏接口，无需外接电源，使用简单，具有资源丰富、背光可调、接口齐全（包含液晶屏供电电源、四线电阻式触摸屏等接口）和可靠性高等优点。

2 工作原理

2.1 智能井盖

智能井盖采用主从转动轴设计，通过RS485 接入边缘智能终端，与气体传感器进行智能联动，实现对井盖的智能闭锁管控，并兼具防盗功能。智能井盖的结构如图2 所示，正面主要包括四方钥匙孔、紧急解锁接口和电源接口，其中四方钥匙孔用来插入扳手控制主转动轴的转动，紧急解锁接口通过RS485 通信线接入边缘智能终端，电源接口接入移动电源，对智能井盖进行供电；反面主要包括电磁离合器、防水控制盒、卡爪、卡爪固定座和尼龙垫块等。

图2 智能井盖结构

智能井盖工作流程为：（1）智能井盖和气体传感器接通电源，气体传感器开始对电缆井内气体环境进行检测，并将检测数据上送至边缘智能终端，根据系统设定的阈值进行研判；（2）当气体检测数据超出系统设定阈值时，电磁离合器断电，主从转动轴不联动，井盖闭锁，无法从外部打开；（3）当气体检测数据在系统设定阈值范围时，电磁离合器通电，主从转动轴联动；（4）通过四方钥匙孔转动主转动轴，带动从转动轴转动，机械臂收缩，井盖可以从外部打开。

2.2 声光报警

声光报警器主要由感应器、二极管、蜂鸣器以及电源电路等构成。声光报警器通过RS485 通信线与智能管控终端进行连接，采用Modbus-RTU 协议进行通信。当传感器监测到异常数据后，反馈至智能管控终端，由智能管控终端控制声光报警模块工作；当检测气体浓度、温湿度和作业人员生命体征等参数超过设定阈值时，蜂鸣器能够及时响应，并持续报警，伴随发光二极管（Light Emitting Diode，LED）灯光闪烁。

2.3 新风系统

为了保证现场施工时进入有限空间的空气洁净，从而保证施工作业人员的安全，需要在有限空间作业现场对有限空间进行实时的通风换气，因此需要采用新风系统，并且通过气体传感器检测数据，控制新风系统的通风效率。新风系统布置在有限空间的2 个出口处，离心风机转动，从电缆井一侧井盖送风，另一侧将有限空间内部的有毒有害、易燃易爆气体以及湿气等排出，在运行过程中需要根据传感器监测数据实时调整新风系统的工作频率。高性能空气质量交换器在新风系统送风的同时，会对进入井内的空气进行新风过滤、灭毒和增氧等一系列操作，对进入有限空间内部的空气进行净化降湿处理，从而达到净化有限空间空气环境的目的。

3 系统使用流程

3.1 智能管控系统平台

有限作业空间安全智能管控系统的主要功能是基于多种有线、无线传感器采集到的检测数据，根据系统设定的阈值发出告警信息，并控制报警器报警、智能井盖闭锁和新风系统调整机组功率。由于电缆井等地下有限作业空间充满积水，在进行检测和作业前必须进行排水作业；电缆井排水作业结束后，智能井盖和传感器接通电源，开始进行井内环境监测以及新风机组通风换气。根据检测环境数据进行新风机组功率调整，当检测数据低于系统设定阈值时方可开启智能井盖；智能井盖开启后，作业人员下井布置布控球，对现场施工作业进行实时视频监控，并穿戴好可穿戴生命体征检测设备进行施工作业；系统后台可查看实时监测数据，并根据监测数据预警信息，对作业人员的生命体征和作业环境进行实时分析，发现问题及时告警。智能管控系统管控流程如图3 所示。

图3 智能管控系统管控流程

智能管控系统平台的主界面包括设备树、实时视频、实时告警、环境状态信息、生命体征信息、作业人员权限等内容的展示。可在设备树进行切换查看不同任务关联视频设备的实时图像，并进行AI 算法视频识别展示。实时展示环境状态传感器监测数据和作业人员生命体征信息，并实时显示告警信息及相关设备告警数值，包括任务名称、设备名称、告警详情、告警时间，并可查看人工智能AI 算法生成告警图片，进而进行确认和删除。

3.2 就地化显示平台

为了方便有限作业空间现场施工人员实时查看环境检测信息及施工人员的身体健康信息，开发了有限作业空间安全智能管控就地化显示系统，实现传感器检测数据的就地化显示。有限作业空间安全智能管控就地化显示系统包括数据显示主页面、数据记录页和报警阈值设置页。数据显示主页面可以实时查看易燃易爆气体、温湿度、粉尘、血氧浓度及心率等传感器数据，实时监控视频流和电池剩余电量等信息。当传感器检测数据超出报警阈值时，可进行实时告警。数据记录页包含历史传感器数据，并对检测数据状态进行判断，显示每条记录的状态是否正常，方便施工人员进行下一步操作。

4 结 论

为了保障有限空间作业人员安全，文章设计一套基于多源传感器数据融合的有限空间现场作业管控智能系统。利用作业人员智能化人脸识别和现场作业管控等技术，实现有限空间作业环境的实时监测智能预警、作业人员生命体征智能监测、作业全程可视化监控、智能井盖及新风系统的安全智能管控，从而完成有限空间现场作业的全方位安全监督，对保障有限空间作业安全监管、有效预防和遏制地下有限空间安全事故发生具有重要的意义。