基于智能安全帽的数字化安全监管平台设计

陆启荣 赵新朋 梁利华

(1.浙江大学建筑工程学院 浙江 杭州 310058; 2.浙江大学工程师学院浙江 杭州 310058; 3.浙江高信技术股份有限公司 浙江 杭州310020; 4.浙江工业大学机械工程学院 浙江 杭州 310032)

“安全生产”是我国建筑施工工程行业响应党和国家“以人为本”的基本思想。道路施工是我国安全事故高发的行业，存在诸多安全隐患[1-2]。安全帽能够预防事故，并保护自身安全。然而，在实际施工中，由于部分员工安全施工意识不足、安全管理者少等原因，安全帽的不合理佩戴现象比较普遍，无法做到全面监管[3]。

为适应工程现场的多样性，在传统安全帽上加入智能模块，如实时定位[4-6]、音视频通信[7-8]、远程协助和监管考勤[9]、脱帽预警[10-11]等功能，同时配合管理云平台或手机应用程序，可为企业提高整体安全性，实现降本增效。但是，目前的智能安全帽尚缺乏从施工作业安全监管的角度进行系统化研究，如安全帽的正确佩戴应包括帽带的正确佩戴、中暑等突发性生理状况的安全监控、道路分散式施工的现实管理难等问题。

为此，针对分散式道路施工人员的安全监管，开发了施工作业安全行为监管和生理参数检测的智能安全帽，并研发了基于智能安全帽的远程监管平台。

1 施工作业的智能安全帽设计

道路施工存在工期紧、任务重、工种多、工序复杂，容易形成交叉作业等诸多问题。交叉作业中，物件绑扎不牢、工具携带不规范、材料运输执行力不严等，导致物料掉落、物体散落等，极有可能造成物体打击与高处坠落事故。施工单位虽然经常性组织开展日常、专项、综合等检查工作，然而部分单位安全检查流于形式、层次化不足，未针对隐患存在的根本原因进行分析、采取有针对性的整改与预防措施，更有单位实行“以罚代管”的现象。

本文基于实地考察、制度调研和施工人员交流的基础上，结合智能安全帽应用落实，发现道路施工作业存在以下问题。

（1）现场施工作业人员的来源较为复杂、流动性大，导致施工现场的安全管理工作受到重重阻碍，施工人员安全意识淡薄，存在安全帽佩戴不规范的问题。

（2）道路通常采取“分段实施、统筹兼顾”的思路进行施工，某一班组的工段可能较长（如3 km长路段，同一班组人员汇集需要约30 min），需要研究基于智能化戴帽或脱帽手段判断上班或下班，从而实现自动监管。

研究表明：现场施工人员身体状况（心率、血氧等）和安全行为存在显著的相关性，目前监管设备以作业行为规范状态为主，存在监管盲区。

基于此，开发了道路施工作业需求的智能安全帽，进行了智能安全帽功能设计，具体如图1 所示。根据施工作业现场的实际情况，基于施工作业安全监管的智能安全帽由控制盒、前额监测模块以及帽带监测模块3个部分组成。前额监测模块基于光电传感器和光生物传感器采集血氧、体温和心率等生理健康参数，并通过边缘计算分析及设置的阈值进行监测和预警；帽带监测模块基于高精度激光测距传感器，并结合前额监测模块的光电传感器，对正常工作过程的脱帽、未正确佩戴帽带等违规作业行为进行监测、分析和预警；控制盒安装在安全帽后侧外部，其内包含定位模块、电源系统、通信模块和边缘计算模块等。智能安全帽基于通信模块与云平台进行数据交互，在云平台上实现数据可视化和记录、设备管理、报警管理等功能。

图1 智能安全帽功能图

2 施工作业监管平台系统架构

不安全行为是工人表现出来的非正常行为。根据国家标准《企业职工伤亡事故分类》（GB 6441-1986）的定义，不安全行为是指能造成安全事故的人为错误。广义上来讲，工人的不安全行为是指任何能直接或者间接导致安全事故发生的行为，包括员工的违规行为、引起安全事故发生的不安全动作以及没有按照安全规程去完成的行为。

图2是本文设计的道路施工作业安全监管平台系统架构图。安全监管平台采集智能安全帽上的各传感器，对作业人员的定位信息、生理参数、佩戴情况进行实时监测，通过智能安全帽的通信模块和安全监管平台的云服务器进行网关通信；云服务器通过部署安全监管平台系统的Java服务将安全帽传输上来的数据按协议文档进行标准化和规范化的解析和计算，将结果信息存储到数据库服务器。最后，由Web 前端搭建的界面和小程序，通过HTTP协议和Java后端服务进行数据对接，将数据通过系统权限的控制对拥有不同权限的操作人员进行共享和可视化显示。

图2 安全监管系统整体方案

3 监管平台功能设计与实现

基于BIM 和PT 技术的工人不安全行为预警系统的基本原理是通过实时收集施工现场中工人的不安全行为信息和位置信息，并将相关信息与BIM 模型中的非安全环境信息有效集成，进行不安全行为分析与预警信息反馈。根据上述工人不安全行为分类与预警原理，对工人不安全行为预警的信息需求进行分析。

道路施工作业安全监管平台系统主要包含两个部分，分别为可视化管理系统和消息队列遥测传输服务，图3为平台系统的主流程图。

3.1 可视化管理系统的设计和实现

可视化管理系统主要分为系统基础功能设置、设备和云服务的数据交互、数据库存储、服务数据分析预警、数据可视化展示、手机小程序配合网页多端操作等。

可视化管理系统按模块化设计形成系统管理、设备管理、项目管理、可视化驾驶舱的功能模块，通过各个模块的配合实现系统的完整运行。

3.1.1 人员定位系统

通过智能安全帽定位模块获取到佩戴人员当前的定位信息，并通过智能安全帽上的通信模块将数据传输到数据库服务器，安全监管平台从数据库中获取到人员定位信息通过数据协议和页面交互，将作业人员的定位信息实时展示在安全监管平台大屏驾驶舱上，管理人员通过驾驶舱实时掌握所有人员的位置信息。日常管理中可以配合系统划定考勤区域开展人员考勤工作，紧急情况下方便对人员进行调度。

智能安全帽的定位模块选用ATGM332D-5N，支持多种卫星导航系统，包含32 个跟踪通道，可以同时接收6个卫星导航系统的GNSS信号，并且实现联合定位、导航与授时。

3.1.2 安全帽佩戴监控系统

智能安全帽帽箍上安装有SFH 7050光电传感器，基于反射式PPG 信号，用于监测头盔正确佩戴。智能安全帽下颚帽带上安装有VL53L0X 高精度激光测距传感器，用于下颚帽带的佩戴检测。

图4 为智能安全帽佩戴监控的原理图，当智能安全帽处于正常佩戴情况下，安全帽的光电传感器与施工佩戴人员前额紧贴，可以测量得到人体的生理参数，此时当下颚帽带处于正确佩戴时，则将检测数据传输至云服务器。

图4 智能安全帽佩戴监控原理

当作业人员未正确佩戴智能安全帽，无法正常检测到应有的生理参数时，后端服务则通过上传的数据进行分析和处理，蜂鸣器开始进行声光报警，监管系统将下发短信给佩戴人员，通过安全帽和短信的方式提醒人员正确佩戴智能安全帽。同时，系统将预警的数据进行入库存储，在驾驶舱和后台管理系统进行查看。监管系统佩戴状态检测和可视化的流程如图5所示。

图5 智能安全帽佩戴状态检测流程

3.1.3 安全帽生理参数监测系统

生理参数的监测为施工作业人员身体状况的保障提供了重要信息依据。不同的施工区域所处的施工环境存在很大差异，在高温情况下，可能导致作业人员有中暑等风险，作业人员身体状况出现异常情况，无法得到及时的通知和监测。智能安全帽选用AFE 4404 反射式光电容积传感器，支持3 个开关发光二极管和一个光电二极管，实现心率和血氧饱和度的监测。

道路施工作业安全监管系统基于智能安全帽的AFE 4404传感器的采集，获取心率、血氧等生理参数，通过无线传输技术将参数发送到云服务器，后台服务根据约定的协议进行参数解析，通过监管系统设置的阈值参数进行分析判断，得出生理参数是否处于异常的结果，一旦出现异常，将立即发送短信通知到施工人员并反馈到监控大屏，同时也将下发通知给安全帽，安全帽则立即发出声光报警，其工作原理如图6所示。

图6 智能安全帽生理参数监检流程

按照相关标准，正常成年人心率的正常范围是60～100次/min，正常成年人的血氧饱和度一般在95%以上。对于一般人员而言，最大运动心率=（220-现在年龄）×0.8。通过智能安全帽在不同工地，近100个施工人员在不同时段的试用（图7为施工人员作业时的心率和血氧监测实测示例），基于目前测得的数据统计分析，考虑心率正常范围初步设置为50～120 次/min、心率波动阈值为平均值的50%、血氧正常范围为大于90%、血氧波动阈值为平均值的5%。未来，随着获取的数据量增加，进行大数据分析并设置。

图7 施工人员作业时的心率、血氧监测

3.1.4 道路施工作业班组上下班检测

在实际施工作业中存在一些特殊的情况，同一个班组人员可能会负责多个工段的施工。工段之间的距离各不相同，有的存在超过几公里距离的差异，这种情况下，按照系统设置的安全帽佩戴比例进行判断会存在较大误差，因此采用设置班组长的形式，以班组长的佩戴情况为依据，优先对班组长的佩戴情况进行判断，其他情况则根据所设置的上班佩戴阈值进行判断，通过系统的判断将上下班数据反馈到平台。监管系统对道路施工作业班组上下班检测和可视化的流程具体见图8。

图8 班组上下班检测和可视化

3.2 消息队列遥测传输服务

智能安全帽施工安全监管系统采用MQTT协议和云服务进行通信，该协议针对一些远程设备在网络状况不良的情况下通信而设计，通过使用发布/订阅消息模式，以一对多的消息发布方式有效地将数据进行传输。智能安全帽以MQTT协议和无线传输技术将采集到的生理参数与传感数据传输到MQTT 服务器，采用Java语言开发的后端服务将传输到服务器的数据进行解析处理后存入数据库服务器，同时以HTTP 协议的交互方式通过Web 平台进行数据更新展示，智能安全帽设备的数据传输方案具体如图9所示。

图9 智能安全帽设备的数据传输

4 作业安全监管平台应用

基于上述系统架构方案和设计思路，使用Java 和JavaScript 语言分别开发服务端和前端，开发了基于智能安全帽的安全监管系统。

将系统应用在实际施工环境，通过监管系统绑定功能将智能安全帽和作业人员进行关联，对各项功能进行真实施工环境下的测试，取得了良好的实践效果，在保障作业人员的安全方面起到了重要的作用。安全监管系统实现的功能包括作业人员作业状态、生理参数、安全帽佩戴等不同参数的监测。

作业人员的定位和考勤功能，通过安全监管系统的项目模块设置作业人员的考勤范围，利用智能安全帽的定位模块获取定位信息，通过无线传输数据到云服务器准确获知作业人员的位置信息和行动轨迹。位置信息通过HTTP 传输到网页和小程序，通过监控驾驶舱实时查看，通过小程序的打卡记录作为考勤的依据，更重要的是一旦出现紧急情况可以通过定位信息知晓人员分布，以便更好地进行管控。

通过智能安全帽上的各类传感器实时监测施工作业人员的生理参数，利用内置的算法判断作业人员生理参数是否异常，从而做出对应的报警和短信预警，以提示作业人员做好对应的防范措施。基于对智能安全帽上传的感应数据进行分析和处理，做出安全帽是否佩戴、帽带是否正确佩戴的判断，能及时发现作业人员在施工过程中是否佩戴规范，有效规避了施工过程中由于安全帽佩戴不规范导致的一些人身安全问题。

5 结语

在充分结合施工安全方面实际需求的基础上，结合云平台、物联网、大数据这些技术对传统的施工管理进行智能化升级，对基于智能安全帽的施工作业安全监管平台进行了设计，并将其在施工产地进行实践，通过使用各类传感器对作业人员进行实时监测，基于系统获取到的数据进行分析，从而得到监控和管理的目的。基于智能安全帽的监管系统在实践应用中有助于推动施工安全监管的信息透明化、公开化，提供了更加便利和高效率的智能管理，规范施工人员的安全帽正确佩戴，为施工人员的生命安全保驾护航。