杜子文 賈新卷 董 藝 叢順 張?jiān)诔?沈雅雯

（中建四局工程技術(shù)研究院，廣州 510000）

0 引言

建筑施工現(xiàn)場環(huán)境復(fù)雜、項(xiàng)目工期緊、交叉作業(yè)多、管理難度大，安全事故時(shí)有發(fā)生，給個人、企業(yè)乃至社會帶來了不可估量的損失。因此，加快推進(jìn)施工現(xiàn)場的安全風(fēng)險(xiǎn)防范工作成了亟需解決的難題。從2009年至2018年的安全事故統(tǒng)計(jì)數(shù)據(jù)來看［1］，高墜事故的發(fā)生率一直高居五大傷害之首。因此，避免高空墜落事故的發(fā)生和研發(fā)新型的高墜防護(hù)產(chǎn)品是當(dāng)前建筑施工安全領(lǐng)域有效解決高墜事故發(fā)生率和致死率的必要手段。

目前，建筑工人的安全保護(hù)措施主要以安全帶、安全帽、安全網(wǎng)這“三寶”為主，興起的反光馬甲也成了避免施工現(xiàn)場機(jī)械傷人的“法寶”。當(dāng)高墜意外事故發(fā)生時(shí)，傳統(tǒng)的安全馬甲及安全帶的防護(hù)性有一定的局限，難以對作業(yè)人員采取全面有效的安全防護(hù)。因此，除加強(qiáng)人員安全意識外，切實(shí)提升施工現(xiàn)場人員穿戴設(shè)備的智能化水平，可以減少此類事故的發(fā)生，保障人員生命安全。有鑒于此，本文主要從施工人員的防護(hù)裝備上著手，首先通過技術(shù)創(chuàng)新和現(xiàn)有技術(shù)的集成再創(chuàng)新設(shè)計(jì)了新型智能防護(hù)服，而后采用高墜試驗(yàn)對全新設(shè)計(jì)的防護(hù)服的防護(hù)效果進(jìn)行測試。研發(fā)智能氣囊防護(hù)服是否可達(dá)到預(yù)期效果，從而體現(xiàn)了對作業(yè)人員的人文關(guān)懷。

我國建筑施工領(lǐng)域信息化應(yīng)用程度整體不高，近幾年隨著智慧工地的不斷推進(jìn)，不斷滿足智慧工地的施工要求，如何將工程施工管理變得更智能、高效、安全、便捷的問題就顯得尤為突出。關(guān)鍵在于將施工過程的基礎(chǔ)數(shù)據(jù)進(jìn)行實(shí)時(shí)采集、傳輸、存儲、管理、分析和有效處理等實(shí)現(xiàn)可視化、動態(tài)跟蹤管控。通過信息化、智能化的手段，加強(qiáng)作業(yè)人員施工過程的保護(hù)效果，從而將通過5G、物聯(lián)網(wǎng)、傳感設(shè)備、云計(jì)算等技術(shù)，給傳統(tǒng)智能氣囊高墜防護(hù)服進(jìn)行智能化升級，搭建新型智能穿戴設(shè)備管理平臺實(shí)現(xiàn)智能穿戴設(shè)備的可視化管理，這些跨行業(yè)技術(shù)的融合給施工現(xiàn)場安全防范帶來全新的智慧化體驗(yàn)。

國內(nèi)目前在高墜假人測試試驗(yàn)不是十分廣泛，建筑行業(yè)多見于安全兜網(wǎng)、安全帶的測試，高墜試驗(yàn)也往往在沖擊試驗(yàn)臺上進(jìn)行，將樣品通過壓塊壓緊底板固定在落錘的試驗(yàn)臺面上。錘頭重量和沖擊高度按預(yù)定試驗(yàn)條件設(shè)定，加速度計(jì)置于錘頭之上。試驗(yàn)過程中數(shù)據(jù)同步采集、傳輸、分析，從而獲取試件沖擊載荷與時(shí)間的數(shù)據(jù)。在測量沖擊力的試驗(yàn)中也會選擇分布式壓電薄膜作為傳感器，國內(nèi)許多壓電薄膜均沒有標(biāo)定量程，多見電荷式和壓電式通常需要電荷放大器進(jìn)行轉(zhuǎn)換，所以其量程和采集頻響難以滿足本試驗(yàn)要求，故本試驗(yàn)采用采集儀DH8302搭配國外進(jìn)口的分布式壓電傳感器和1B108壓阻式加速度傳感器相結(jié)合的方式進(jìn)行。

1 高墜防護(hù)服設(shè)計(jì)

本文所研究的智能氣囊高墜防護(hù)空調(diào)服主要應(yīng)用于施工現(xiàn)場作業(yè)人員的個體防護(hù)領(lǐng)域。通過在防護(hù)服主體內(nèi)部嵌入安全氣囊和設(shè)置電子電路信息模塊，電子電路信息模塊包括磁吸導(dǎo)通裝置、控制單元、通訊模塊和觸發(fā)裝置，利用控制單元判斷工人的工作安全情況，在工人從高空墜落后控制單元做出判斷并發(fā)出指令控制觸發(fā)裝置接通高壓氣瓶，高壓氣瓶對安全氣囊快速充氣及時(shí)對工人進(jìn)行防護(hù)［2］。利用人體感應(yīng)系統(tǒng)與通訊模塊連接，實(shí)時(shí)監(jiān)測工人的身體狀況。通過在通訊模塊內(nèi)設(shè)置定位裝置，在危險(xiǎn)情況發(fā)生后可通過定位裝置及時(shí)對工人定位并施救［3］。防護(hù)服外觀設(shè)計(jì)及現(xiàn)場實(shí)拍分別見圖1、圖2。

圖2 防護(hù)服現(xiàn)場實(shí)拍

從防護(hù)服的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)、氣囊囊袋的厚度、沖擊韌度、氣室的有效寬度、防護(hù)服的防護(hù)范圍都進(jìn)行了一系列的測試。在識別裝置中的線性加速度、陀螺儀等都進(jìn)行了精密設(shè)計(jì)和嚴(yán)格的算法參數(shù)設(shè)定［4］。在控制單元模塊的數(shù)據(jù)處理模塊中加大數(shù)據(jù)的采集和處理能力加工優(yōu)化，尤其在算法模塊除了優(yōu)化計(jì)算公式在參數(shù)設(shè)置上進(jìn)行充分論證外，還采用了濾波處理數(shù)據(jù)曲線優(yōu)化。氣體采用了高壓惰性氣體氦氣，儲氣罐壓縮氣瓶采用碳纖維涂層合金內(nèi)膽儲存氦氣。氣囊采用一體式編織氣囊工藝制造，原材料采用高強(qiáng)纖維和硅酮橡膠以滿足安全帶耐磨、耐用、人體承載強(qiáng)度的要求［5］。導(dǎo)通裝置采用磁吸紐扣式導(dǎo)通的結(jié)構(gòu)，觸發(fā)裝置采用微電子觸發(fā)微量炸藥點(diǎn)火裝置。

高精密度跌落識別裝置由MEMS重力計(jì)、MEMS陀螺儀和MEMS線性加速度計(jì)等傳感器構(gòu)成。結(jié)合高精密度預(yù)測算法，能深度感知不同人體運(yùn)動狀態(tài)，精確判定工人危險(xiǎn)狀況，并快速觸發(fā)充氣保護(hù)裝置。充氣保護(hù)裝置基于人體仿真模型及人體墜落的約束模型，優(yōu)化氣體質(zhì)量流率、氣囊安裝位置、氣囊初始壓力、排氣起始壓力等參數(shù)，對人體實(shí)施最佳的保護(hù)效果，運(yùn)用最優(yōu)的安全帶氣囊充氣方式，實(shí)現(xiàn)在提高人體綜合保護(hù)效果的前提下盡可能減少人體關(guān)鍵部位受到的損傷。

為解決人體在室外高溫下的危害問題，在防護(hù)服內(nèi)部設(shè)置有制冷系統(tǒng)，可以為工人提供更加舒適的工作環(huán)境，且制冷系統(tǒng)通過太陽能電池發(fā)電為整個系統(tǒng)提供電力支持，節(jié)省能源。同時(shí)防護(hù)服的內(nèi)襯采用超吸附纖維（SAF），其可在接觸外界熱力時(shí)溫度可下降6℃，同步加裝高速風(fēng)扇和內(nèi)置換熱管網(wǎng)作為空調(diào)衣制冷系統(tǒng)，見圖3。

圖3 空調(diào)制冷服結(jié)構(gòu)及內(nèi)襯管網(wǎng)

將此空調(diào)服置于氣囊服內(nèi)部進(jìn)行融合可拆卸，既起到摔倒、跌落、高墜等防護(hù)作用，又可以在高溫環(huán)境下持續(xù)作業(yè)的目的。從而成功研制了一種智能氣囊高墜防護(hù)空調(diào)服，以安全氣囊為設(shè)備載體，以控制單元為控制核心，以通訊模塊為通信手段，以可視化智慧管理平臺為管理系統(tǒng)，并利用太陽能發(fā)電的制冷系統(tǒng)為工人提供更加舒適的工作環(huán)境，在發(fā)生危險(xiǎn)情況時(shí)實(shí)現(xiàn)對工人高墜情況下的智能防護(hù)，對高空施工的工作人員提供更有效的安全防護(hù)。

當(dāng)作業(yè)人員發(fā)生高墜時(shí)，控制單元內(nèi)感應(yīng)到相關(guān)參數(shù)可及時(shí)通過特定算法進(jìn)行信號識別，再通過判別模塊對危險(xiǎn)情況作出判斷，觸發(fā)裝置打開氣瓶充氣，氣囊展開，及時(shí)作出保護(hù)措施。

控制單元判斷危險(xiǎn)情況的過程分為一級預(yù)判、二級終判、三級觸發(fā)和四級展開4個過程。其中，一級預(yù)判為識別裝置的信息識別過程，時(shí)間控制在100 ms以內(nèi)；二級終判為智能算法數(shù)據(jù)處理模塊的數(shù)據(jù)處理過程，時(shí)間控制在50 ms以內(nèi)；三級觸發(fā)為判別模塊的危險(xiǎn)判定觸發(fā)過程，時(shí)間控制在50 ms以內(nèi)，智能防護(hù)服結(jié)構(gòu)框架見圖4。

圖4 智能防護(hù)服結(jié)構(gòu)框架

安全氣囊在60 ms內(nèi)完成充氣并完全展開，整個觸發(fā)展開過程嚴(yán)格控制在260 ms以內(nèi)。

2 試驗(yàn)?zāi)康募皽y試系統(tǒng)組成

為明確防護(hù)服的保護(hù)效果，量化智能防護(hù)服囊袋的消能效應(yīng)，比較不同囊袋的防護(hù)效果。從而設(shè)計(jì)不同結(jié)構(gòu)、不同厚度的囊袋氣室等來滿足高墜時(shí)的緩沖和吸收沖擊力以便達(dá)到人體不受傷害地目的，同時(shí)標(biāo)定出各型號智能防護(hù)服的防護(hù)高度。

試驗(yàn)?zāi)康挠?個，一是通過多種工況下的現(xiàn)場試驗(yàn)進(jìn)行觀察，穿上智能防護(hù)服的假人多次發(fā)生高墜后，對身體不同關(guān)節(jié)、部位的著地次數(shù)進(jìn)行概率分析，即整理出最容易受傷部位。二是通過假人高墜沖擊力試驗(yàn)等效轉(zhuǎn)化為瞬態(tài)沖擊力加載試驗(yàn)（分為測試組和對照組），分析發(fā)生高墜后損傷情況。根據(jù)上述試驗(yàn)?zāi)康?，試?yàn)方案具體為假人無囊袋高墜試驗(yàn)和假人穿有囊袋測試試驗(yàn)。

模擬采用在假人表面或表面以下一定位置布設(shè)傳感器來進(jìn)行信號傳導(dǎo)。根據(jù)前期了解到的壓力傳感器的數(shù)據(jù)傳輸大多以有線傳輸為主，少見無線信號的傳輸。同時(shí)考慮到試驗(yàn)時(shí)假人的實(shí)驗(yàn)次數(shù)、傳感器的耐沖擊力及試驗(yàn)的環(huán)境，最后采用采集儀DH8302搭配國外進(jìn)口的分布式壓電傳感器和1B108壓阻式加速度傳感器相結(jié)合的方式進(jìn)行等效簡化計(jì)算。通過對比實(shí)驗(yàn)組和對照組相同工況下囊袋的消能效果，并可以與人體要害部位生理學(xué)上的承載能力進(jìn)行比較，測試系統(tǒng)組成見圖5，測試方案見圖6。

圖5 測試系統(tǒng)組成示意

圖6 測試方案

3 試驗(yàn)理論依據(jù)

3.1 第一種情形：假人放置于地面，假人身上布設(shè)傳感器未穿防護(hù)服

在施工現(xiàn)場搭設(shè)不同高度的試驗(yàn)臺，將一定質(zhì)量的沙袋（沙袋重量近似成年人體重）從試驗(yàn)臺沿滑軌自由墜落（假設(shè)空氣阻力為0，重力加速度g=9.8 m/s2）。以沙袋為研究對象，規(guī)定地面以上為正方向，選擇假人與沙袋接觸面為零勢面。沙袋沿滑軌自由下落過程，假人為靜止?fàn)顟B(tài)，當(dāng)沙袋撞擊至假人上部時(shí)，假人沒有破損［6］。

沙袋在從測試臺一定高度自由墜落后，根據(jù)機(jī)械能守恒定律可知：

沙袋自由墜落后的末速

沙袋與假人碰撞的過程，沙袋沖擊假人時(shí)持續(xù)的時(shí)間為t，對地面假人的沖擊力為F，由牛頓第三定律可知，墜落過程沙袋的沖擊力與地面假人的沖擊力是相互作用力，大小相等，作用方向相反。沙袋沖擊假人后末速度：v沙2=0 m/s。

由動量定理可得：

由t1=0 s、t2=t s、v沙2=0 m/s可得：

將式（2）代入式（4）得：

式中，h為試驗(yàn)高度；F為假人所受到沙袋的平均沖擊力；t為沙袋沖擊假人時(shí)持續(xù)的時(shí)間；m為沙袋的質(zhì)量；重力加速度g=9.8 m/s2。

3.2 第二種情形：假人放置于地面，假人身上布設(shè)傳感器，假人穿防護(hù)服當(dāng)沙袋自由下落瞬間，手動觸發(fā)防護(hù)服，點(diǎn)火充氣

沙袋沿滑軌自由落體后所具有的重力勢能不能全部轉(zhuǎn)換成氣囊囊袋的變形能［7］，其中有一部分轉(zhuǎn)換為囊袋的變形能，另一部分通過氣囊傳遞到假人身上，即沙袋的機(jī)械能通過囊袋的變形能進(jìn)行消能外還有一部分變成了假人的破壞能，本試驗(yàn)假人的破壞能可通過傳感器采集。此種狀態(tài)下，E≠E假人，根據(jù)能量守恒定律：

當(dāng)沙袋測試的墜落高度一定，所具備的重力勢能一定，假人穿著防護(hù)服與不穿防護(hù)所受到的沖擊不同，當(dāng)著防護(hù)服時(shí)，其沙袋墜落的高度大于沙袋到防護(hù)服的實(shí)測高度，對第二種情形假人著防護(hù)服時(shí)沙袋的墜落高度進(jìn)行修正［8］：

式中，h為沙袋與防護(hù)服氣囊接觸后緩沖高度值（由高清攝像機(jī)進(jìn)行拍攝獲取慢動作）。

從能量的角度考慮，沖擊韌度ak，表示沙袋由一定高度自由落體后，與防護(hù)服的囊袋接觸后，氣囊囊袋的吸收和緩沖能量。

式中，ak為沖擊韌度；E為物體具有的機(jī)械能；S為高墜后的接觸面積。

由此可知：地面假人的沖擊韌度與沙袋具有的機(jī)械能E成正比，沙袋與囊袋的接觸面積S成反比。

作業(yè)人員穿著防護(hù)服的實(shí)際情況，當(dāng)人體穿著氣囊防護(hù)服時(shí)，當(dāng)突發(fā)意外時(shí)囊袋迅速展開后，囊袋會受到空氣阻力，囊袋受到空氣阻力與展開囊袋的橫截面積S成正比，與人體速度成正比［9］。因此，當(dāng)氣囊的表面積越大，墜落時(shí)囊袋受到的空氣阻力越大。

根據(jù)胡克定律：

式中，為指防護(hù)服囊袋在沖擊力作用下產(chǎn)生的變形；為防護(hù)服囊袋受到的沖擊力；E為防護(hù)服囊袋的彈性系數(shù)或者楊氏模量。

4 試驗(yàn)方法及結(jié)果

目前，市面上分布式壓力傳感器的數(shù)據(jù)傳輸主要以有線為主。同時(shí)，考慮到試驗(yàn)時(shí)假人抗摔、傳感器耐沖擊力及試驗(yàn)成本，綜合衡量擬采用壓電力傳感器并進(jìn)行等效簡化計(jì)算。其中試驗(yàn)二所對應(yīng)的方案中通過對比2組試驗(yàn)相同工況下有囊袋時(shí)的消能效果，并可以同試驗(yàn)一得到的關(guān)鍵部位的人體生理學(xué)上的承載能力進(jìn)行比較。試驗(yàn)溫度：22~28℃，試驗(yàn)濕度為56%，實(shí)驗(yàn)設(shè)備見圖7。

測試方法如下：

（1）50~90 kg假人無防護(hù)服狀態(tài)下，高墜沖擊力等效為50~90 kg，重物從不同的測試高度掉落沖擊，測試壓力傳感器的感應(yīng)值大小，不同的重物形狀尺寸決定接觸面積大小。

（2）50~90 kg假人有防護(hù)服狀態(tài)下，防護(hù)服充氣展開瞬間，高墜沖擊力等效為50~90 kg重物從不同的測試高度掉落沖擊，囊袋消能后測試壓力傳感器的感應(yīng)值大小，且防護(hù)服囊袋要全部展開，最大接觸面積為半身面積。

本試驗(yàn)加速度數(shù)據(jù)采用CFC600濾波器進(jìn)行處理。圖7為在一定高度下自由落體沖擊有無高墜緩沖氣囊服情況下實(shí)驗(yàn)的載荷-時(shí)間曲線。由圖7的數(shù)據(jù)可以看出氣囊服對沖擊韌度具有一定的緩沖效果和能量消耗，表明智能氣囊防護(hù)服在意外高墜事故中可對作業(yè)人員起到良好的安全保護(hù)效果，具有十分廣闊的應(yīng)用前景。

圖7 測試的荷載-時(shí)間曲線

5 結(jié)論

1）智能高墜防護(hù)空調(diào)服在意外高墜事故的沖擊韌度具有一定的緩沖效果和消耗作用，表明智能氣囊防護(hù)服可對作業(yè)人員起到良好的安全保護(hù)效果，具有十分廣闊的應(yīng)用前景。

2）針對不同的作業(yè)高度，一級、二級、三級作業(yè)高空制定不同型號的智能高墜防護(hù)服對作業(yè)人的防護(hù)效果更佳。選擇囊袋織料的抗沖擊能力好的新型材料對囊袋的抗沖擊力具有良好效果，同時(shí)在制作二級作業(yè)高空防護(hù)服時(shí)加大涂料涂層厚度對提高囊袋的抗沖擊力有良好的效果。

3）在二級高空作業(yè)的防護(hù)服采取二級放氣設(shè)置，可達(dá)到良好的保護(hù)效果，在觸發(fā)點(diǎn)火裝置設(shè)置二次點(diǎn)火裝置，氣囊充氣分兩個時(shí)間段進(jìn)行逐級充氣，有效避免了因充氣瞬間沖擊力過大與地面接觸造成的二次傷害。

4）在智能防護(hù)服的輕量化設(shè)計(jì)著手，從氣瓶、布料、囊袋織料、電氣元器件、制冷系統(tǒng)、耐火條件等下功夫，讓智能氣囊服的內(nèi)襯變成囊袋、變成制冷衣，變成一件輕便的特種防護(hù)服衣，努力讓智能氣囊高墜防護(hù)空調(diào)服遍布全球的每一個施工現(xiàn)場，受益于每一位奮戰(zhàn)在工程一線的筑夢者。