(1.國(guó)網(wǎng)四川省電力公司電力科學(xué)研究院，四川 成都 610041；2.成都信息工程大學(xué)控制工程學(xué)院，四川 成都 610025)

0 引 言

在高海拔、高寒等電力作業(yè)現(xiàn)場(chǎng)，由于高度缺氧、紫外線照射和溫差變化大等影響，對(duì)工作人員安全評(píng)價(jià)和管理難度加大，迫切需要一種能夠在惡劣環(huán)境下保障電力作業(yè)人員安全的裝置，輔助現(xiàn)場(chǎng)人員對(duì)復(fù)雜環(huán)境和自身體征狀況及時(shí)感知，進(jìn)行團(tuán)隊(duì)溝通和安全管理。

南京郵電大學(xué)開展了一種可穿戴式消防交互設(shè)備系統(tǒng)設(shè)計(jì)研究[1]，對(duì)消防員災(zāi)害狀態(tài)下的身體機(jī)能、活動(dòng)輕度、體溫和呼吸率等進(jìn)行監(jiān)測(cè)。電子科技大學(xué)開展了可穿戴技術(shù)在企業(yè)現(xiàn)場(chǎng)設(shè)備維護(hù)作業(yè)及在心血管遠(yuǎn)程監(jiān)護(hù)中的應(yīng)用研究[2-3]。中國(guó)電力科學(xué)研究院將可穿戴技術(shù)運(yùn)用到安全帽和電子手表上，結(jié)合后臺(tái)監(jiān)護(hù)系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)對(duì)電力作業(yè)人員的安全監(jiān)護(hù)，對(duì)人員的不安全行為及時(shí)進(jìn)行警告，發(fā)生安全事故時(shí)及時(shí)開展應(yīng)急救援[4]。電網(wǎng)企業(yè)現(xiàn)有的電力作業(yè)現(xiàn)場(chǎng)通信終端具備音視頻錄制、4G通信功能，已內(nèi)置重力傳感器、震動(dòng)模塊、GPS 定位，但不具備環(huán)境數(shù)據(jù)采集功能；此外，近場(chǎng)通信對(duì)講機(jī)和應(yīng)急單兵終端不可穿戴，功能單一且使用方式落后，難以保障惡劣環(huán)境下作業(yè)人員的安全。

下面設(shè)計(jì)和實(shí)現(xiàn)了一種基于可穿戴設(shè)備和物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)的惡劣電力作業(yè)環(huán)境安全保障系統(tǒng)，采用能夠監(jiān)測(cè)心電的智能手表和監(jiān)測(cè)大氣環(huán)境的可穿戴通信網(wǎng)關(guān)，實(shí)現(xiàn)電力現(xiàn)場(chǎng)作業(yè)人員健康和環(huán)境狀況的監(jiān)測(cè)預(yù)警、可穿戴設(shè)備/可視終端及后臺(tái)的安全高效通信等功能，以保障工作人員的職業(yè)健康安全和安全生產(chǎn)。

1 系統(tǒng)架構(gòu)設(shè)計(jì)

考慮到高原等惡劣環(huán)境工作現(xiàn)場(chǎng)的情況復(fù)雜，現(xiàn)場(chǎng)安全保障需要的功能點(diǎn)眾多，設(shè)計(jì)了一種可擴(kuò)展的可穿戴安全保障架構(gòu)，使用無線可穿戴式網(wǎng)關(guān)，集中管理個(gè)體所有的可穿戴設(shè)備信息，并與后臺(tái)服務(wù)器進(jìn)行數(shù)據(jù)交換，如圖1所示。

該系統(tǒng)由可穿戴信息采集設(shè)備、信息處理網(wǎng)關(guān)、應(yīng)用系統(tǒng)3部分組成?？纱┐餍畔⒉杉O(shè)備采集工作人員心電、脈搏、體溫、血氧、血壓等生命體征信息，通過ZIGBEE、藍(lán)牙、WiFi無線網(wǎng)絡(luò)傳輸?shù)确绞脚c信息網(wǎng)關(guān)進(jìn)行信息傳輸。信息處理網(wǎng)關(guān)主要由網(wǎng)絡(luò)通信、數(shù)據(jù)處理與集中管理模塊構(gòu)成。數(shù)據(jù)處理是整個(gè)系統(tǒng)架構(gòu)的核心模塊，主要承擔(dān)數(shù)據(jù)接入、顯示、轉(zhuǎn)換、存儲(chǔ)等任務(wù)以及內(nèi)置語音對(duì)講、GPS定位、環(huán)境信息(紫外線強(qiáng)度、氣壓、溫度等)采集和4G通信等功能。應(yīng)用系統(tǒng)提供健康管理、信息援助與協(xié)同決策功能。

1.1 信息采集裝置

智能手機(jī)實(shí)施方案如圖2所示，采用業(yè)務(wù)分離及模塊化的設(shè)計(jì)思路，將可穿戴智能手表分為手表模組與生理信號(hào)采集兩部分。在智能手表模組部分，完成智能手表的常用功能，如操作系統(tǒng)、藍(lán)牙傳輸、屏驅(qū)動(dòng)、存儲(chǔ)等；在生理信號(hào)采集部分，完成心電、心率、血氧、體溫的采集和數(shù)據(jù)預(yù)處理。兩者通過并口進(jìn)行通信，生理信號(hào)采集部分將生理信號(hào)采集和預(yù)處理完畢后傳輸給智能手表，在智能手表上通過專業(yè)的健康分析算法進(jìn)行顯示。健康信息可通過藍(lán)牙同步至手機(jī)和可穿戴網(wǎng)關(guān)，用戶通過手機(jī)或后臺(tái)進(jìn)行日常健康管理。

1.2 信息處理網(wǎng)關(guān)

信息處理網(wǎng)關(guān)是數(shù)據(jù)匯聚、處理和輸出的關(guān)鍵設(shè)備。監(jiān)測(cè)信息包括生命體征信息、位置信息與環(huán)境信息，它們包含不同具體指標(biāo)，來源于不同的可穿戴設(shè)備。以生命體征信息為例，包含心電、脈搏、體溫、血氧、血壓等指標(biāo)。信息處理網(wǎng)關(guān)接收處理數(shù)據(jù)信息后，將結(jié)果通過4G網(wǎng)絡(luò)上傳至后端服務(wù)器，系統(tǒng)將數(shù)據(jù)可視化后在Web端顯示其結(jié)果。后臺(tái)管理系統(tǒng)主要負(fù)責(zé)對(duì)現(xiàn)場(chǎng)作業(yè)人員設(shè)備信息的匯總、分析、管理、存儲(chǔ)及反饋，可進(jìn)行環(huán)境監(jiān)測(cè)、健康分析與異常報(bào)警。

網(wǎng)關(guān)系統(tǒng)硬件結(jié)構(gòu)如圖3所示，可穿戴安全保障網(wǎng)關(guān)主要分為電源、語音對(duì)講及信息處理模塊3部分。電源模塊采用12 V鋰電池供電，并具有系統(tǒng)供電穩(wěn)壓及充放電管理，它直接供給語音對(duì)講和信息處理模塊。語音對(duì)講模塊主要完成團(tuán)隊(duì)作業(yè)時(shí)的近場(chǎng)溝通；信息處理模塊可分為傳感器、網(wǎng)絡(luò)傳輸、近場(chǎng)網(wǎng)關(guān)與基本信息4部分。傳感器集成了環(huán)境感知模塊和GPS，可定位作業(yè)人員地理信息位置，并采集當(dāng)?shù)氐沫h(huán)境情況(溫濕度、大氣氣壓、紫外線等)；網(wǎng)絡(luò)傳輸主要采用4G模組，用于本地信息與后臺(tái)的交互；近場(chǎng)網(wǎng)關(guān)采用藍(lán)牙和WiFi模組，主要用于集成和擴(kuò)展可穿戴設(shè)備；NFC作為個(gè)體標(biāo)識(shí)，用手表掃描后可讀取其人員基本信息，存儲(chǔ)模組將完成本地的一些歷史數(shù)據(jù)存檔。

圖1 可穿戴電力作業(yè)安全保障系統(tǒng)架構(gòu)

圖2 智能手表實(shí)施方案

圖3 網(wǎng)關(guān)系統(tǒng)硬件結(jié)構(gòu)

2 人員健康狀態(tài)評(píng)價(jià)

基于采集的氣象環(huán)境和人體生理體征信息，如何進(jìn)行人員健康狀態(tài)評(píng)價(jià)是本系統(tǒng)的關(guān)鍵。下面先介紹特征因子提取，然后通過機(jī)器學(xué)習(xí)的方法進(jìn)行生命狀態(tài)評(píng)價(jià)分類，并以疲勞度為例進(jìn)行人體安全度判別。

2.1 生理體征衡量指標(biāo)

人體生理信號(hào)分為周期性生理信號(hào)和非周期性生理信號(hào)兩類[5]。人體周期性生理信號(hào)有PPG(脈搏波)、ECG(心電信號(hào))等，可以反映人體疲勞和壓力情況；非周期性信號(hào)如體溫、血壓可直接反映人體生命體征狀態(tài)[6]。非周期性信號(hào)是能夠表征生命狀態(tài)的特征因子，但由于其往往數(shù)據(jù)量大，需要進(jìn)行時(shí)頻分析，預(yù)處理得出特征因子。

例如心電數(shù)據(jù)[7]，時(shí)域特征因子選用HR(心電R波數(shù))和SD(R波間隔標(biāo)準(zhǔn)差)；頻域特征因子選用HF(高頻段功率值)、LF(低頻段功率值)及VLF(極低頻段功率值)為特征因子。

2.2 生命狀態(tài)評(píng)價(jià)分類

系統(tǒng)傳感器采集人體的心電、心率、血壓等特征參數(shù)，通過時(shí)頻分析、多尺度熵分析等方式預(yù)處理提取出特征因子向量，并將其劃分為訓(xùn)練樣本集和測(cè)試樣本集，利用機(jī)器學(xué)習(xí)中的多分類支持向量機(jī)(DAG-SVMS)根據(jù)訓(xùn)練樣本集來確定最優(yōu)多分類超平面算法。標(biāo)定模塊利用得到的多分類器模型對(duì)測(cè)試樣本集進(jìn)行處理，完成樣本數(shù)據(jù)的特征分類，其具體步驟如圖4所示。其中，算法標(biāo)定模塊流程如圖5所示。

圖4 DAG-SVM實(shí)施思路

圖5 算法標(biāo)定模塊流程

2.3 人員安全度判別

作業(yè)人員安全度判別方法流程如圖6所示[7]，將人員的疲勞度等級(jí)Gn分為5級(jí)，即狀態(tài)良好、輕度疲勞、疲勞、比較疲勞及非常疲勞，分別對(duì)應(yīng)G1至G5，取值為1～5。根據(jù)X對(duì)作業(yè)人員疲勞程度進(jìn)行判別，X越小，安全度越高，其中f的取值在0和1之間。

如前所述，作業(yè)人員心電數(shù)據(jù)指標(biāo)包括時(shí)域指標(biāo)和頻域指標(biāo)?；谛碾姷牟町愋栽?，通過心率變異度等指標(biāo)進(jìn)行人員的疲勞度判別。將支持向量機(jī)SVM與心電數(shù)據(jù)相結(jié)合，其中，SVM的訓(xùn)練過程為：采集電力工作場(chǎng)景下已作業(yè)疲勞和未作業(yè)疲勞人員的心電數(shù)據(jù)，得到數(shù)據(jù)集；對(duì)數(shù)據(jù)集提取心電數(shù)據(jù)指標(biāo)，包括時(shí)域指標(biāo)和頻域指標(biāo)；將提取心電數(shù)據(jù)指標(biāo)的輸入SVM完成訓(xùn)練和標(biāo)定。

基于智能手表的慣性傳感數(shù)據(jù)采集[7]，運(yùn)動(dòng)數(shù)據(jù)指標(biāo)包括作業(yè)時(shí)間WT、作業(yè)程度WD、狀態(tài)系數(shù)K、跌倒姿態(tài)P1、墜落姿態(tài)P2。其中，作業(yè)時(shí)間WT為記錄的累計(jì)持續(xù)振動(dòng)時(shí)間，WD為運(yùn)動(dòng)數(shù)據(jù)的均方差，K為抬手狀態(tài)時(shí)間的歸一化系數(shù)。

生理信號(hào)很大程度上是精神疲勞，作業(yè)姿態(tài)統(tǒng)計(jì)和應(yīng)急識(shí)別的結(jié)果很大可能是體力疲勞，本方法基于自身生理信號(hào)與作業(yè)姿態(tài)融合的方式對(duì)作業(yè)人員疲勞程度進(jìn)行判別，對(duì)疲勞程度識(shí)別更準(zhǔn)確。

圖6 作業(yè)人員安全度判別方法流程

3 安全管理軟件系統(tǒng)

采用大數(shù)據(jù)分析，基于工作人員健康采集數(shù)據(jù)，結(jié)合歷史數(shù)據(jù)和環(huán)境參數(shù)，實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)和預(yù)測(cè)作業(yè)人員的健康狀態(tài)、疲勞度分析及預(yù)警，防范人身意外，為人員分工、作業(yè)計(jì)劃時(shí)間安排及勞動(dòng)防護(hù)提供輔助決策?；诘乩硇畔⒑腿藛T定位，可視化顯示人員作業(yè)點(diǎn)位置、任務(wù)協(xié)作和人員健康實(shí)時(shí)狀態(tài)。將數(shù)據(jù)存儲(chǔ)和處理均放在服務(wù)器端，可穿戴手表與網(wǎng)關(guān)之間通過藍(lán)牙通信，網(wǎng)關(guān)通過4G網(wǎng)絡(luò)及虛擬專用網(wǎng)，接入服務(wù)器。

作業(yè)人員通過手機(jī)終端與個(gè)體可穿戴網(wǎng)關(guān)相連，可獲取環(huán)境信息、定位信息、健康信息，同時(shí)可連接后臺(tái)服務(wù)器以推送綜合信息。普通用戶的健康數(shù)據(jù)信息通過APP收集后以加密接口方式與平臺(tái)進(jìn)行通信，平臺(tái)管理員通過管理后臺(tái)對(duì)平臺(tái)數(shù)據(jù)進(jìn)行管理。手機(jī)APP與可穿戴網(wǎng)關(guān)、后臺(tái)服務(wù)器的網(wǎng)絡(luò)通信架構(gòu)如圖7所示。

圖7 系統(tǒng)網(wǎng)絡(luò)通信架構(gòu)

4 系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)及應(yīng)用

可穿戴系統(tǒng)指標(biāo)參數(shù)如表1所示。可穿戴智能手表可以實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)作業(yè)人員心電、脈搏、呼吸、心率、體溫，并通過無線通訊的方式向可穿戴網(wǎng)關(guān)傳送信息?？纱┐骶W(wǎng)關(guān)具有語音對(duì)講功能，保障團(tuán)隊(duì)協(xié)作過程中的通信正常。另外，可穿戴網(wǎng)關(guān)內(nèi)置環(huán)境監(jiān)測(cè)系統(tǒng)，能夠測(cè)量高原溫濕度、紫外線、大氣氣壓。后臺(tái)安全管理軟件系統(tǒng)可進(jìn)行日常人員健康狀況的管理，防止惡劣天氣出勤、曬傷、高原反應(yīng)等。

表1 可穿戴系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)指標(biāo)

可穿戴設(shè)備的使用效果如圖8所示，網(wǎng)關(guān)與可視化終端集成在臂章上，與智能手表無線通信。

使用該系統(tǒng)后，人員生命體征、環(huán)境信息、人員歷史狀況等進(jìn)行了信息化展現(xiàn)，作業(yè)場(chǎng)景安全防護(hù)水平大大提高。

圖8 可穿戴設(shè)備使用效果

圖9為疲勞度的分析應(yīng)用界面。

圖9 疲勞度分析

5 結(jié) 語

研制了惡劣電力作業(yè)環(huán)境的可穿戴安全保障系統(tǒng)，包括心電健康智能手表和具備近場(chǎng)通信、遠(yuǎn)程通信和環(huán)境監(jiān)測(cè)的可穿戴網(wǎng)關(guān)。提出和實(shí)現(xiàn)了基于生理特征信號(hào)的復(fù)雜環(huán)境人體健康管理算法，實(shí)現(xiàn)健康狀態(tài)的實(shí)時(shí)評(píng)價(jià)和智能預(yù)警。

所研制的網(wǎng)關(guān)以臂章形式穿戴或手持系統(tǒng)與智能手表結(jié)合，可實(shí)現(xiàn)環(huán)境、生命體征、位置數(shù)據(jù)、運(yùn)動(dòng)數(shù)據(jù)等信息的實(shí)時(shí)采集，具有良好的適用性和擴(kuò)展性，形成一套基于物聯(lián)網(wǎng)、可穿戴技術(shù)的人身安全和企業(yè)安全生產(chǎn)保障軟硬件架構(gòu)。該項(xiàng)目完成后進(jìn)行產(chǎn)品試制，可應(yīng)用于藏區(qū)電網(wǎng)調(diào)試、高海拔地區(qū)檢修試驗(yàn)、智能變電站等作業(yè)現(xiàn)場(chǎng)，替代現(xiàn)場(chǎng)原有的對(duì)講機(jī)等單一設(shè)備，提高現(xiàn)場(chǎng)安全管控的智能化和有效性。