摘要：本文以智慧交通建設(shè)現(xiàn)場質(zhì)量安全巡檢系統(tǒng)研究為基礎(chǔ)，對智慧交通建設(shè)現(xiàn)場質(zhì)量安全巡檢系統(tǒng)應(yīng)用開發(fā)的安全巡檢裝備?智能安全帽的設(shè)計和應(yīng)用進(jìn)行介紹，研究成果對公路建設(shè)質(zhì)量安全監(jiān)管水平的提高有著十分積極的作用。

關(guān)鍵詞：IOT；智慧交通；質(zhì)量安全巡檢裝備；智能安全帽

中圖分類號：U495"""""""""""""""""""""""""""""""""" 文獻(xiàn)標(biāo)識碼：A"""""""""""""""""""""""""""""""""" 文章編號：1673?6478（2023）04?0141?05

Design and Application of Quality and Safety Inspection Equipment for Intelligent Transportation Construction Site Based on IOT Application

TAN Longmeng HE Yuanyi ZHANG Chen CHEN Tao YU Yunxiang

（1. Guizhou Provincial Traffic Construction Engineering Quality Supervision and Law Enforcement Detachment， Guiyang Guizhou 550000， China; 2. Chongqing Jiaotong University Traffic Safety Technology Research Institute Co.， Ltd. Hangzhou Branch， Hangzhou Zhejiang 310000， China）

Abstract： Based on the research on the quality and safety inspection system for smart transportation construction sites， this paper introduces the design and application of the safety inspection equipment， intelligent safety helmet， which is developed for the application of the smart transportation construction site quality and safety inspection system. The research results have a very positive effect on improving the level of quality and safety supervision in highway construction.

Key words： IOT; intelligent transportation; quality and safety inspection equipment; intelligent safety helmet

0 引言

建筑工程質(zhì)量監(jiān)督工作是工程質(zhì)量的有力保障，如果忽視其重要性，沒有將具體工作落實到位，將會導(dǎo)致不可挽回的結(jié)果，輕則導(dǎo)致建筑使用功能降低，重則使其喪失使用性能[1]。一頂具備對講功能的安全帽，在深圳市濱海大道（總部基地段）交通綜合改造工程項目現(xiàn)場“上崗”。此次共為現(xiàn)場管理人員配發(fā)了50頂智能安全帽，旨在持續(xù)確保施工期間現(xiàn)場安全可控，及時掌握一線信息[2]。隨著新興信息技術(shù)及相關(guān)信息技術(shù)的發(fā)展，交通工程領(lǐng)域信息化雖然得到了快速發(fā)展，但在信息化應(yīng)用方面的水平仍然有限，因此，在傳統(tǒng)安全質(zhì)量管理中結(jié)合新興信息技術(shù)使管理更加智慧化、便捷化就顯得非常重要[3]。智能安全帽不僅將以往層級式的組織體系改為扁平化組織管理體系，有效縮短了管理層與一線工人的距離，大大提高了工作效率，還可以在實踐過程中通過分析采集的相關(guān)數(shù)據(jù)，優(yōu)化實踐管理架構(gòu)和組織流程，甚至可以打破以前大多數(shù)的程序化管理，變其為非程序化和動態(tài)的管理結(jié)構(gòu)，從而使得智慧施工管理發(fā)揮出更高效率，同時優(yōu)化人與物的協(xié)作關(guān)系。關(guān)惠軍[4]等分析了智能安全帽的基本要求和現(xiàn)有技術(shù)，確定其在公路工程建設(shè)中應(yīng)用的可能性。選擇不同背景的公路工程建設(shè)管理人員，對智能安全帽的關(guān)注程度及功能需求進(jìn)行調(diào)研。根據(jù)調(diào)查人員的特點以及對智能安全帽的了解程度，確定各調(diào)查人員的自身及職業(yè)權(quán)重系數(shù)，對調(diào)查結(jié)果進(jìn)行處理。根據(jù)調(diào)查的處理分析結(jié)果，提出包括進(jìn)入工作區(qū)域管理、人員定位管理、安全預(yù)警管理三大模塊的智能安全帽系統(tǒng)。蔣明軒等[5]為進(jìn)一步強(qiáng)化涉鐵工程施工安全管理，解決施工現(xiàn)場管控難度大、工程信息化程度低等問題，以北斗高精度定位、大數(shù)據(jù)分析等技術(shù)為基礎(chǔ)，研發(fā)了一款智能安全帽。通過管理平臺遠(yuǎn)程跟蹤現(xiàn)場施工作業(yè)人員的動態(tài)信息，進(jìn)行實時監(jiān)督管理，實現(xiàn)前端現(xiàn)場作業(yè)和后端管理的實時聯(lián)動，有效解決現(xiàn)場作業(yè)人員實時監(jiān)控難題，促進(jìn)施工管理規(guī)范化、信息化。李旭等[6]圍繞基于智能安全帽的單兵智能的實現(xiàn)途徑和方法進(jìn)行分析，從能力、適用場景、應(yīng)用流程、智能化分析四個方面對智能安全帽應(yīng)用標(biāo)準(zhǔn)化的推進(jìn)方向和技術(shù)路線進(jìn)行探索。智能安全帽是一種集成了智能通信、脫帽預(yù)警、緊急呼救、視頻圖像采集、GPS和北斗實時定位以及智能考勤打卡等技術(shù)的智能裝置，它可以實時監(jiān)測工人的身體狀況和工作環(huán)境情況，并將數(shù)據(jù)傳輸給管理人員。在施工安全中，智能安全帽對于保護(hù)一線施工工人的安全、減少事故發(fā)生、提升施工效率及施工管理水平有深遠(yuǎn)的意義。本文對智能安全帽在施工安全中的意義、作用及目前可能存在的問題進(jìn)行了分析探討，以期為智能安全帽的優(yōu)化提供一定的借?鑒。

1 智能安全帽設(shè)計

1.1 設(shè)備構(gòu)成、整體框架

智能一體化安全帽的硬件系統(tǒng)部分，其主要構(gòu)成除運算器與控制器外，還包括輸入設(shè)備、輸出設(shè)備以及存儲器等。在接入方式設(shè)計中，采用統(tǒng)一規(guī)劃多硬件模塊，在使用通用型串口的基礎(chǔ)上，配合使用USB接口對包括高清影像模塊、近電感應(yīng)模塊、GPS定位模塊、生命特征模塊、語音識別模塊、照明模塊、快捷按鈕模塊等在內(nèi)的各硬件進(jìn)行有效集成。

其中，高清影像模塊中設(shè)計采用自帶移動通信網(wǎng)絡(luò)傳輸功能的高清攝像頭，攝像頭配置大容量存儲卡記錄，并且在云服務(wù)作用下，數(shù)據(jù)可同步存儲在云中。此外，攝像頭中設(shè)置了可充電式大容量鋰電池，可有效延長設(shè)備工作時間，在攝像頭和音視頻收發(fā)器相互分離的情況下，也能夠避免作業(yè)人員穿戴一體化智能安全帽時由于設(shè)備過重而影響其正常作業(yè)。在LED白光照明下，智能一體化安全帽還具備LED照明功能，可代替?zhèn)鹘y(tǒng)便攜式小手電，在暗光環(huán)境下也可以為影像補(bǔ)光。在其硬件設(shè)計中，各輸入設(shè)備均需要在物理層與結(jié)構(gòu)層中進(jìn)行統(tǒng)一集成。不僅如此，設(shè)計人員還需要通過積極參考其他同類型智能安全帽、防護(hù)帽的成功設(shè)計案例，學(xué)習(xí)其優(yōu)秀的設(shè)計理念與設(shè)計方法，科學(xué)集成相應(yīng)硬件驅(qū)動，使得該智能一體化安全帽設(shè)備能夠自動完成對各項硬件設(shè)備數(shù)據(jù)的準(zhǔn)確讀取。確保數(shù)據(jù)傳輸具有較高的安全可靠性和穩(wěn)定性。

1.2 安全帽主要硬件組成

（１）芯片：采用臺灣進(jìn)口MTK 4G芯片。開發(fā)智能安全帽產(chǎn)品的主板PCBA硬件與軟件功能的結(jié)合使用。采用安卓ANDROID8.1原生態(tài)216GB。

（２）通話：支持全網(wǎng)通（移動、聯(lián)通、電信）SM卡，支持4G網(wǎng)絡(luò)，支持TF內(nèi)存卡，通過手機(jī)APP應(yīng)用平臺撥通主板通話將自動接聽，實現(xiàn)視頻雙向通?話。

（３）定位：支持GPS和北斗實時定位，通過手機(jī)地圖APP應(yīng)用平臺精準(zhǔn)顯示人員位置。

（４）SOS：使用一鍵SOS求救報警電話，將撥通一組緊急聯(lián)系人電話，一組最多設(shè)置5個電話號碼，如遇第一個撥打號碼占線或第二個撥打號碼關(guān)機(jī)，將以此類推聯(lián)系上一組緊急聯(lián)系人中的5個號碼其中的一個號碼。

（５）LED照明：采用進(jìn)口科銳芯片LED?1W白光，分為一鍵三種控制，單按一下LED燈開，再次單按一下LED燈關(guān)，連續(xù)按住5秒，LED燈將閃爍并發(fā)出報警聲音。

（６）RFID考勤：采用小功率型的上下班打卡，將上下班打卡記錄同時傳回手機(jī)端APP應(yīng)用平臺和電腦端云平臺，支持云平臺數(shù)據(jù)統(tǒng)計保存。

（７）接口：主板上提供USB充電及數(shù)據(jù)接口。

（８）視頻：主板PCBA配置1"300攝像頭，支持拍照錄像視頻通話及拍照、視頻錄制查閱、儲存、顯示所拍攝的時間地點。通過手機(jī)端APP應(yīng)用平臺主動采集高清通話視頻，實現(xiàn)實時視頻監(jiān)控傳輸及視頻本地保存和上傳、數(shù)據(jù)通信。

（９）其他配置：

①主板上有充電指示燈及用電量提示燈。

②主板上的5個防水單點硅膠按鍵為：視頻、SOS、照明、拍照、總開關(guān)。

③主板上有內(nèi)置高靈敏度麥克風(fēng)及大音量喇?叭。

④主板上有排線外接口：可將電池、LED燈、攝像頭分體外接控制。

⑤主板上的SIM卡插卡卡位及USB接口都達(dá)到IP66級防水設(shè)計。

⑥流程主板支持鋰離子聚合物電池。電池技術(shù)參數(shù)如下。

額定電壓：3.8V；額定容量：3"500mAh；充電時間：8h；電池使用壽命：3"000次循環(huán)。

⑦帽襯前后加有傳感探頭。

1.3 功能設(shè)計

（１）智能通信

智能安全帽通過平臺實現(xiàn)施工人員與管理部門的通信，施工人員內(nèi)部進(jìn)行通話，管理人員下發(fā)廣播通知，尋找附近的人。

（２）脫帽預(yù)警

內(nèi)置光敏/壓力傳感器自動檢測脫帽并預(yù)警。

（３）緊急呼救

遇到緊急情況時，長按緊急求救按鈕，即進(jìn)入SOS緊急呼救模式，安全帽將自動撥打緊急聯(lián)系人，直至有人接聽，并播放求助語音。緊急聯(lián)系人可通過后臺或手機(jī)終端查看安全帽的實時位置。

（４）視頻圖像采集

通過高清攝像頭獲取圖片和視頻，使用計算機(jī)模仿人類視覺系統(tǒng)，讓計算機(jī)擁有類似人類提出、處理、理解和分析圖像序列的能力?？捎糜讷@取現(xiàn)場施工進(jìn)度情況。

（５）定位系統(tǒng)

GPS定位與RFID、UWB定位結(jié)合，實現(xiàn)工人的智能考勤、智能巡查、危險智能預(yù)警以及智能救援。

1.4 各組成模塊設(shè)計

安全帽帽體采用ABS材料，總體重量430g，具有耐火性強(qiáng)、防沖擊、防高空墜物等防護(hù)功能。同時考慮到施工作業(yè)環(huán)境以及建筑工人的使用習(xí)慣，為保障電子電路不被塵粒和水影響使用壽命，智能安全帽的控制模塊倉可到達(dá)IP67防護(hù)水平，即灰塵禁錮（塵埃無法進(jìn)入物體整個直徑不能超過外殼的空隙）和防短時浸泡（常溫常壓下，當(dāng)外殼暫時浸泡在1m深的水里將不會造成有害影響），符合工程施工現(xiàn)場的建筑工人使用需求。

智能安全帽帽體另一部分設(shè)計是智能控制模塊倉，智能控制模塊倉主要用于安裝智能控制主板和電源模塊以及各種傳感器模塊。智能一體化安全整體設(shè)計如圖1所示。

智能安全帽所采用的硬件如下：用于數(shù)據(jù)集成和數(shù)據(jù)處理的主控模塊；實現(xiàn)GPS/BD定位的定位模塊。通過高清攝像頭獲取圖片和視頻，分析圖像序列的視頻采集模塊；自動檢測脫帽的光敏/壓力傳感器；遇到緊急情況時，長按緊急求救按鈕的報警模塊；輔助模塊包括用于防塵的輔助面罩，用于提高通話質(zhì)量的降噪耳機(jī)，用于拍攝防抖動的陀螺儀，輔助拍攝定位的激光瞄準(zhǔn)；用于實現(xiàn)施工人員與管理部門的通信、施工人員內(nèi)部通話、管理人員下發(fā)廣播通知的無線通信模塊。在硬件系統(tǒng)設(shè)計中，所有的硬件都與主控模塊進(jìn)行連接，本系統(tǒng)硬件構(gòu)架如圖2所示。

1.5 PCB設(shè)計

PCB設(shè)計方案如下所示：

（１）主控模塊PCB設(shè)計：此STM32核心板是改進(jìn)后的第二版，搭載了OLED顯示模塊、SWD調(diào)試接口、三個自定義按鍵和一個復(fù)位按鍵，砍掉了mini USB接口和CH340芯片，燒寫方式用SWD代替，且SWD支持在線調(diào)試。板子面積進(jìn)一步縮小，OLED模塊從僅支持4腳改進(jìn)為支持4腳或7腳，協(xié)議都是I2C。市面上的7腳OLED大部分都支持多種協(xié)議。BOOT0和BOOT1已經(jīng)引出，電平高低可用跳線帽改?變。

（２）無線通信模塊—Wi?Fi通信PCB設(shè)計：USB口改成Type?C接口，增加了自動下載電路，外形大小為1"000×1"900mil，盡可能在阻容為0603封裝的前提下小巧。同樣，有CP2102與CH340兩個版本，其中CH340版采用的芯片為CH340K，相比常用的CH340C/G，體積小巧了不少。然后USB處增加了一個ESD二極管，防止靜電打壞電腦的USB。ESP8266兼容ESP12和ESP07的所有型號，可以自由更換模塊。ESP8266的所有引腳全部引出。

（３）無線通信模塊?NB?IOT通信PCB設(shè)計：基于EBYTE的EA01模塊設(shè)計的NB?IOT板。傳輸類型：NB?IoT；頻段：699MHz～960MHz，1.71GHz～2.2GHz；USIM接口：支持1.8V/3V自適應(yīng)USIM卡；采用芯翼科技的XY1100芯片方案，此芯片是目前全球第一個SingleDie集成CMOS PA的量產(chǎn)NB?IoT系統(tǒng)的單芯片，將市場普適商用的功率放大器直接集成到單卡上，是目前全球最高集成度的NB?IoT芯片。

（４）壓力傳感器PCB設(shè)計：按照芯片手冊設(shè)計HX711芯片外圍電路，并且將E＋、E－、A＋、A－，B＋，B－等引腳引出，電源帶穩(wěn)壓保護(hù)電路。

（５）光敏傳感器PCB設(shè)計如下：光敏電阻采用GL5616，阻值：5?10K配合光敏，可調(diào)電阻采用10K通過LM393比較器可以輸出數(shù)字信號。

（６）視頻圖像采集模塊PCB設(shè)計：按照芯片手冊設(shè)計外圍電路。帶FIFO的，用高FPS獲取影像并在液晶屏顯示。

（７）定位模塊PCB設(shè)計：基于EBYTE的E108?GN01模塊設(shè)計的GPS定位板。通信協(xié)議：支持NMEA0183 V4.1及以前版本，最大固定更新頻率可達(dá)10Hz；功能特點：E108?GN01是一款高性能、高集成度、低功耗、低成本的多模衛(wèi)星定位導(dǎo)航芯片，體積小、功耗低，而且提供了和其他模塊廠商兼容的軟、硬件接口，大幅減少了用戶的開發(fā)周期；支持的定位系統(tǒng)有：BDS（北斗）/GPS/GLONASS（格洛納斯）/GALILEO（伽利略）/QZSS/SBAS；通信方式：UART（TXD/RXD）或GPIO。

（８）降噪模塊PCB設(shè)計：降噪耳機(jī)中降噪電路采用TDA2822M集成電路構(gòu)成的BTL功率放大器，含有一個抑噪前置放大電路。

1.6 軟件設(shè)計

智能安全帽中使用模塊化的方法進(jìn)行系統(tǒng)軟件設(shè)計，其中每個程序模塊都有其特定的作用，并且均有相關(guān)的功能程序被主程序及其他程序所調(diào)用。整個系統(tǒng)軟件總體結(jié)構(gòu)設(shè)計流程如圖3所示。

2 智能安全帽應(yīng)用

貴州省納雍至赫章高速公路監(jiān)理項目部在項目質(zhì)量安全巡檢、報檢、旁站等工作使用了智能安全帽（安全帽樣式詳見圖4）。該成果在安全帽的基礎(chǔ)功能上，高度集成了攝像頭、語音、通信主板等模塊；具有高清視頻采集、語音通信、對講、本地視頻存儲等功能，通過該穿戴式設(shè)備，在實現(xiàn)數(shù)據(jù)采集、實時通信的同時，真正意義上解放現(xiàn)場操作人員雙手。為提高工作效率、降低成本、優(yōu)化人與物的協(xié)作關(guān)系提供了有力保障，為智能安全帽設(shè)計與應(yīng)用起到了促進(jìn)和推廣的作用，得到了參建各方的一致好評。

智能安全帽的應(yīng)用進(jìn)一步打破了工程項目在地域上的限制。同時本著以技術(shù)換人員的研究思路，通過技術(shù)手段和新型設(shè)備的應(yīng)用可極大地降低現(xiàn)場對于人員數(shù)量和人才素質(zhì)的需求，使得項目管理過程中的人力投入變得更加靈活、管理手段變得更加多樣化。同時作為智能一體化安全頭盔的配套移動終端，與智能安全帽功能互動增加了穿戴設(shè)備的實用性和易用性，提高了監(jiān)理人員工作效率，降低了管理成本和安全事故風(fēng)險；同時節(jié)省了巡檢人工成本，項目原先巡檢需要5名專業(yè)監(jiān)理工程師搭配5名監(jiān)理員，現(xiàn)在巡檢只需要5名監(jiān)理人員即可，后臺只需要兩名資深專業(yè)監(jiān)理工程師對監(jiān)理員采集的現(xiàn)場數(shù)據(jù)進(jìn)行分析即可，粗略預(yù)算，監(jiān)理工程師每年人力成本20萬，監(jiān)理員每年人力成本12萬，原先巡查每年需要5×20＋×12＝160萬，現(xiàn)在只需要2×20＋5×12＝100萬，每年節(jié)省人工費用大約60萬；如全線推廣至建設(shè)單位、施工單位及所有監(jiān)理單位，可產(chǎn)生顯著的經(jīng)濟(jì)效益。

3 應(yīng)用存在的問題

智能安全帽是一種智能化的安全帽，它具有定位、監(jiān)測、預(yù)警、報警等功能，可以提升安全質(zhì)量巡檢質(zhì)量，促進(jìn)工地安全文明施工。但是，智能安全帽在實際使用中還存在一些問題，需要我們進(jìn)一步加以改進(jìn)。

3.1 技術(shù)問題

（１）精確度不高。當(dāng)前的智能安全帽定位技術(shù)有一定的誤差，有時候可能會出現(xiàn)位置漂移的情況，影響精確定位和監(jiān)測的效果。

（２）工作時間短。由于智能安全帽需要經(jīng)常上傳數(shù)據(jù)，因此其電池續(xù)航時間較短，使用時間沒有普通安全帽長，需要經(jīng)常進(jìn)行充電或更換電池，這會增加施工人員的負(fù)擔(dān)。

（３）數(shù)據(jù)處理能力不足。智能安全帽需要上傳大量的數(shù)據(jù)，但是目前智能安全帽的處理能力還不足以滿足實時數(shù)據(jù)上傳，容易造成數(shù)據(jù)丟失或者存儲不及?時。

3.2 使用問題

（１）施工人員不愿佩戴。由于當(dāng)前智能安全帽相對于普通安全帽笨重、不美觀，加上施工人員對技術(shù)的不信任，不愿佩戴智能安全帽。

（２）使用難度較大。由于智能安全帽需要施工人員進(jìn)行配置，手動進(jìn)行維護(hù)，并且使用起來較為煩瑣，對于一些使用技術(shù)較差的人員來說較難上手。

（３）容易出現(xiàn)誤報。由于智能安全帽監(jiān)測的精度和處理能力不足，容易出現(xiàn)誤報現(xiàn)象，造成施工人員的困擾和誤解。

3.3 管理問題

（１）技術(shù)管理不足。由于智能安全帽目前不是很成熟，其技術(shù)管理方面存在一定的問題，需要加以改善。例如，智能安全帽需要經(jīng)常維護(hù)和更新軟件，但是由于技術(shù)管理不足，經(jīng)常出現(xiàn)維護(hù)不及時的情況。

（２）物資管理不足。智能安全帽是一種比較先進(jìn)的安全帽，其價格相對普通安全帽高，因此需要進(jìn)行專門的物資管理。但是由于管理不足，很容易導(dǎo)致機(jī)器損壞或者遺失。

（３）規(guī)范管理缺失。目前在智能安全帽管理政策方面還存在一些問題，需要加以改善。例如，智能安全帽的標(biāo)準(zhǔn)規(guī)范尚未完善，很多企業(yè)或者個人在生產(chǎn)或者使用時沒有統(tǒng)一的標(biāo)準(zhǔn)和規(guī)范可供參考。

4 結(jié)論

（１）智能安全帽在交通建設(shè)中具有很大的意義。它不僅能夠保障施工安全，更能夠提升安全質(zhì)量巡檢質(zhì)量，促進(jìn)交通工程數(shù)智化提升，促進(jìn)行業(yè)的智能化改造，為交通建設(shè)帶來了全新的可持續(xù)發(fā)展方向。

（２）智能安全帽是一種集成了傳感器、通信、GPS?等技術(shù)的智能裝置，其作用不僅僅在于保障施工工人的安全，同時也可以從管理角度進(jìn)行智能調(diào)度，提升施工效率，顯著提升了施工管理的水平。

（３）為了使智能安全帽真正起到優(yōu)化施工安全的作用，還需進(jìn)一步研發(fā)、改進(jìn)技術(shù)，加強(qiáng)管理、提高使用效率、推廣普及，讓智能安全帽成為施工安全的重要保障之一。

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