何星躲，柯 楠，陳 晨，張彥龍，李昭陽

（1.許繼電氣股份有限公司，河南 許昌 461000；2.國(guó)網(wǎng)上海市電力公司，上海 200122）

0 引 言

隨著電網(wǎng)系統(tǒng)的快速發(fā)展以及城市發(fā)展的需要，地下電纜鋪設(shè)的情況越來越普遍。目前，我國(guó)對(duì)地下電纜溝、井等有限空間的監(jiān)管力度較弱，并且電纜溝、井情況復(fù)雜，檢修難度大。有限空間大多自然通風(fēng)條件差，長(zhǎng)期處于封閉狀態(tài)，造成有限空間內(nèi)部易燃易爆、有毒有害氣體積聚，存在中毒、缺氧窒息、燃爆等危險(xiǎn)；此外，有限空間作業(yè)一旦出現(xiàn)事故，受環(huán)境因素、自身結(jié)構(gòu)特點(diǎn)制約，應(yīng)急救援、處置難度很大，盲目施救極易導(dǎo)致事故進(jìn)一步擴(kuò)大，從而造成二次傷害[1-3]。國(guó)網(wǎng)基建部下發(fā)了《關(guān)于進(jìn)一步加強(qiáng)輸電線路基礎(chǔ)深基坑作業(yè)安全風(fēng)險(xiǎn)管控的通知》，明確規(guī)定了深基坑作業(yè)的安全技術(shù)措施和作業(yè)風(fēng)險(xiǎn)管控要求。因此，有限空間作業(yè)必須加強(qiáng)安全管理，有效預(yù)防和遏制作業(yè)過程中缺氧窒息、中毒和燃爆等事故的發(fā)生。

目前，安全管控的研究主要是通過圖像和視頻進(jìn)行作業(yè)人員識(shí)別[4,5]。我國(guó)電力系統(tǒng)的有限空間現(xiàn)場(chǎng)作業(yè)安全管控仍然依靠人員監(jiān)督和作業(yè)人員自身安全意識(shí)來保障人身安全，不過近年來也有諸多學(xué)者深入研究機(jī)器視覺、智能傳感、多傳感器數(shù)據(jù)融合等先進(jìn)技術(shù)，來彌補(bǔ)有限空間安全管控方面的漏洞，從而防止電力作業(yè)現(xiàn)場(chǎng)發(fā)生事故，保障安全生產(chǎn)[6-10]。其中，張心陽等人提出一種多維度智能管控平臺(tái)，通過集成智能控制系統(tǒng)，將有限空間作業(yè)中產(chǎn)生的各類數(shù)據(jù)信息進(jìn)行聯(lián)動(dòng)，形成高效的信息共享機(jī)制，同時(shí)通過App 與現(xiàn)場(chǎng)作業(yè)人員聯(lián)系起來，提升管控平臺(tái)的實(shí)用性[6]。楊鴻珍等人設(shè)計(jì)了一種可穿戴式智能感知裝置用于測(cè)量電網(wǎng)有限空間環(huán)境數(shù)據(jù)，主控內(nèi)核單片機(jī)與主采集模塊多合一傳感器模組共同實(shí)現(xiàn)對(duì)現(xiàn)場(chǎng)作業(yè)環(huán)境數(shù)據(jù)實(shí)時(shí)采集和處理分析，并通過藍(lán)牙無線通信模塊將信號(hào)傳輸至上位機(jī)和手機(jī)App，實(shí)現(xiàn)對(duì)超閾值數(shù)據(jù)及時(shí)報(bào)警，有效保障作業(yè)人員的生命安全[7]。但是，目前市面上還沒有完全符合有限空間作業(yè)安全智能管控要求的可靠性產(chǎn)品，仍然需要廣大科研工作者深入開發(fā)研究。

文章以視頻采集設(shè)備和智能傳感設(shè)備為基礎(chǔ)，設(shè)計(jì)一套基于多源傳感器數(shù)據(jù)融合的有限空間現(xiàn)場(chǎng)作業(yè)管控智能系統(tǒng)。利用復(fù)雜環(huán)境下的無線組網(wǎng)技術(shù)、作業(yè)人員智能化人臉識(shí)別及現(xiàn)場(chǎng)作業(yè)管控等技術(shù)，實(shí)現(xiàn)有限空間作業(yè)環(huán)境的實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)與智能預(yù)警、作業(yè)人員生命體征智能監(jiān)測(cè)、作業(yè)全程可視化監(jiān)控和智能井蓋及新風(fēng)系統(tǒng)的安全智能管控，從而完成有限空間現(xiàn)場(chǎng)作業(yè)的全方位安全監(jiān)督，保障現(xiàn)場(chǎng)作業(yè)人員的安全，提高有限空間現(xiàn)場(chǎng)作業(yè)管理的自動(dòng)化、智能化水平，保證作業(yè)質(zhì)量和效率的綜合提升，保障電力安全生產(chǎn)，最終實(shí)現(xiàn)有效預(yù)防和遏制有限空間安全事故發(fā)生的目的。

1 總體設(shè)計(jì)

1.1 系統(tǒng)總體架構(gòu)

充分考慮有限空間現(xiàn)場(chǎng)作業(yè)需要監(jiān)測(cè)的物理量、智能管控設(shè)備以及產(chǎn)品的便捷性、實(shí)用性等，將系統(tǒng)總體設(shè)計(jì)為電源模塊、通信模塊、軟件模塊（核心開發(fā)板）、智能管控系統(tǒng)以及就地化屏顯模塊共5 部分，如圖1 所示。其中，軟件模塊包括傳感器模塊、視頻監(jiān)控模塊、智能管控模塊和聲光告警模塊等。

圖1 系統(tǒng)總體設(shè)計(jì)

1.2 系統(tǒng)硬件

文章選用瑞芯微的RK1808 AIoT 芯片，采用22 nm FD-SOI 工藝制造，滿足極致低功耗需求；中央處理器（Central Processing Unit，CPU）上采用雙核架構(gòu)，兼容性強(qiáng)，可支持多種網(wǎng)絡(luò)模型轉(zhuǎn)換框架；滿足人臉識(shí)別、姿勢(shì)估計(jì)以及目標(biāo)檢測(cè)等人工智能模型算法。此外，RK1808 芯片提供多種外設(shè)接口，方便用戶在開發(fā)過程中進(jìn)行使用擴(kuò)展：（1）傳感器接口，具有集成電路總線（Inter-Integrated Circuit，I2C）、脈沖寬度調(diào)制（Pulse Width Modulation，PWM）、串行外設(shè)接口（Serial Peripheral Interface，SPI）等多種傳感器接口；（2）設(shè)備接口，具有通用串行總線（Universal Serial Bus，USB）2.0、USB3.0 和外圍組件快速互連（Peripheral Component Interconnect express，PCIe）等設(shè)備接口，支持千兆以太網(wǎng)和外置模塊接入；（3）視頻接口，輸出接口支持移動(dòng)產(chǎn)業(yè)處理器接口（Mobile Industry Processor Interface，MIPI）、通用中間格式（Common Intermediate Format，CIF）和BT1120 視頻輸出，輸入接口支持MIPI 和RGB 顯示；（4）音頻接口，支持麥克風(fēng)陣列輸出，同時(shí)支持音頻輸入。

作業(yè)現(xiàn)場(chǎng)布控球選用iDS-MCD20M/32G/GLE 200 萬定焦小人工智能（Artificial Intelligence，AI）布控球，該布控球采用1/2.9 CMOS 3.9 mm 定焦，集成3G/4G、Wi-Fi 無線網(wǎng)絡(luò)傳輸、視音頻編解碼等功能，非常適合臨時(shí)作業(yè)場(chǎng)景。布控球可選擇直接電源和電池供電2 種方式，其單電池可支持15 h 連續(xù)工作。此外，支持三腳架、壁裝、磁吸等多種安裝方式，支持消息完整性檢查（Messages Integrity Check，MIC）、揚(yáng)聲器和雙向語音對(duì)講，支持TF 卡存儲(chǔ)。

就地顯示屏采用廣州致遠(yuǎn)電子有限公司的7 寸液晶屏套件LCDD-800480W070TC，提供通用的液晶屏接口，I2C 接觸屏接口，無需外接電源，使用簡(jiǎn)單，具有資源豐富、背光可調(diào)、接口齊全（包含液晶屏供電電源、四線電阻式觸摸屏等接口）和可靠性高等優(yōu)點(diǎn)。

2 工作原理

2.1 智能井蓋

智能井蓋采用主從轉(zhuǎn)動(dòng)軸設(shè)計(jì)，通過RS485 接入邊緣智能終端，與氣體傳感器進(jìn)行智能聯(lián)動(dòng)，實(shí)現(xiàn)對(duì)井蓋的智能閉鎖管控，并兼具防盜功能。智能井蓋的結(jié)構(gòu)如圖2 所示，正面主要包括四方鑰匙孔、緊急解鎖接口和電源接口，其中四方鑰匙孔用來插入扳手控制主轉(zhuǎn)動(dòng)軸的轉(zhuǎn)動(dòng)，緊急解鎖接口通過RS485 通信線接入邊緣智能終端，電源接口接入移動(dòng)電源，對(duì)智能井蓋進(jìn)行供電；反面主要包括電磁離合器、防水控制盒、卡爪、卡爪固定座和尼龍墊塊等。

圖2 智能井蓋結(jié)構(gòu)

智能井蓋工作流程為：（1）智能井蓋和氣體傳感器接通電源，氣體傳感器開始對(duì)電纜井內(nèi)氣體環(huán)境進(jìn)行檢測(cè)，并將檢測(cè)數(shù)據(jù)上送至邊緣智能終端，根據(jù)系統(tǒng)設(shè)定的閾值進(jìn)行研判；（2）當(dāng)氣體檢測(cè)數(shù)據(jù)超出系統(tǒng)設(shè)定閾值時(shí)，電磁離合器斷電，主從轉(zhuǎn)動(dòng)軸不聯(lián)動(dòng)，井蓋閉鎖，無法從外部打開；（3）當(dāng)氣體檢測(cè)數(shù)據(jù)在系統(tǒng)設(shè)定閾值范圍時(shí)，電磁離合器通電，主從轉(zhuǎn)動(dòng)軸聯(lián)動(dòng)；（4）通過四方鑰匙孔轉(zhuǎn)動(dòng)主轉(zhuǎn)動(dòng)軸，帶動(dòng)從轉(zhuǎn)動(dòng)軸轉(zhuǎn)動(dòng)，機(jī)械臂收縮，井蓋可以從外部打開。

2.2 聲光報(bào)警

聲光報(bào)警器主要由感應(yīng)器、二極管、蜂鳴器以及電源電路等構(gòu)成。聲光報(bào)警器通過RS485 通信線與智能管控終端進(jìn)行連接，采用Modbus-RTU 協(xié)議進(jìn)行通信。當(dāng)傳感器監(jiān)測(cè)到異常數(shù)據(jù)后，反饋至智能管控終端，由智能管控終端控制聲光報(bào)警模塊工作；當(dāng)檢測(cè)氣體濃度、溫濕度和作業(yè)人員生命體征等參數(shù)超過設(shè)定閾值時(shí)，蜂鳴器能夠及時(shí)響應(yīng)，并持續(xù)報(bào)警，伴隨發(fā)光二極管（Light Emitting Diode，LED）燈光閃爍。

2.3 新風(fēng)系統(tǒng)

為了保證現(xiàn)場(chǎng)施工時(shí)進(jìn)入有限空間的空氣潔凈，從而保證施工作業(yè)人員的安全，需要在有限空間作業(yè)現(xiàn)場(chǎng)對(duì)有限空間進(jìn)行實(shí)時(shí)的通風(fēng)換氣，因此需要采用新風(fēng)系統(tǒng)，并且通過氣體傳感器檢測(cè)數(shù)據(jù)，控制新風(fēng)系統(tǒng)的通風(fēng)效率。新風(fēng)系統(tǒng)布置在有限空間的2 個(gè)出口處，離心風(fēng)機(jī)轉(zhuǎn)動(dòng)，從電纜井一側(cè)井蓋送風(fēng)，另一側(cè)將有限空間內(nèi)部的有毒有害、易燃易爆氣體以及濕氣等排出，在運(yùn)行過程中需要根據(jù)傳感器監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)實(shí)時(shí)調(diào)整新風(fēng)系統(tǒng)的工作頻率。高性能空氣質(zhì)量交換器在新風(fēng)系統(tǒng)送風(fēng)的同時(shí)，會(huì)對(duì)進(jìn)入井內(nèi)的空氣進(jìn)行新風(fēng)過濾、滅毒和增氧等一系列操作，對(duì)進(jìn)入有限空間內(nèi)部的空氣進(jìn)行凈化降濕處理，從而達(dá)到凈化有限空間空氣環(huán)境的目的。

3 系統(tǒng)使用流程

3.1 智能管控系統(tǒng)平臺(tái)

有限作業(yè)空間安全智能管控系統(tǒng)的主要功能是基于多種有線、無線傳感器采集到的檢測(cè)數(shù)據(jù)，根據(jù)系統(tǒng)設(shè)定的閾值發(fā)出告警信息，并控制報(bào)警器報(bào)警、智能井蓋閉鎖和新風(fēng)系統(tǒng)調(diào)整機(jī)組功率。由于電纜井等地下有限作業(yè)空間充滿積水，在進(jìn)行檢測(cè)和作業(yè)前必須進(jìn)行排水作業(yè)；電纜井排水作業(yè)結(jié)束后，智能井蓋和傳感器接通電源，開始進(jìn)行井內(nèi)環(huán)境監(jiān)測(cè)以及新風(fēng)機(jī)組通風(fēng)換氣。根據(jù)檢測(cè)環(huán)境數(shù)據(jù)進(jìn)行新風(fēng)機(jī)組功率調(diào)整，當(dāng)檢測(cè)數(shù)據(jù)低于系統(tǒng)設(shè)定閾值時(shí)方可開啟智能井蓋；智能井蓋開啟后，作業(yè)人員下井布置布控球，對(duì)現(xiàn)場(chǎng)施工作業(yè)進(jìn)行實(shí)時(shí)視頻監(jiān)控，并穿戴好可穿戴生命體征檢測(cè)設(shè)備進(jìn)行施工作業(yè)；系統(tǒng)后臺(tái)可查看實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)，并根據(jù)監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)預(yù)警信息，對(duì)作業(yè)人員的生命體征和作業(yè)環(huán)境進(jìn)行實(shí)時(shí)分析，發(fā)現(xiàn)問題及時(shí)告警。智能管控系統(tǒng)管控流程如圖3 所示。

圖3 智能管控系統(tǒng)管控流程

智能管控系統(tǒng)平臺(tái)的主界面包括設(shè)備樹、實(shí)時(shí)視頻、實(shí)時(shí)告警、環(huán)境狀態(tài)信息、生命體征信息、作業(yè)人員權(quán)限等內(nèi)容的展示?？稍谠O(shè)備樹進(jìn)行切換查看不同任務(wù)關(guān)聯(lián)視頻設(shè)備的實(shí)時(shí)圖像，并進(jìn)行AI 算法視頻識(shí)別展示。實(shí)時(shí)展示環(huán)境狀態(tài)傳感器監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)和作業(yè)人員生命體征信息，并實(shí)時(shí)顯示告警信息及相關(guān)設(shè)備告警數(shù)值，包括任務(wù)名稱、設(shè)備名稱、告警詳情、告警時(shí)間，并可查看人工智能AI 算法生成告警圖片，進(jìn)而進(jìn)行確認(rèn)和刪除。

3.2 就地化顯示平臺(tái)

為了方便有限作業(yè)空間現(xiàn)場(chǎng)施工人員實(shí)時(shí)查看環(huán)境檢測(cè)信息及施工人員的身體健康信息，開發(fā)了有限作業(yè)空間安全智能管控就地化顯示系統(tǒng)，實(shí)現(xiàn)傳感器檢測(cè)數(shù)據(jù)的就地化顯示。有限作業(yè)空間安全智能管控就地化顯示系統(tǒng)包括數(shù)據(jù)顯示主頁面、數(shù)據(jù)記錄頁和報(bào)警閾值設(shè)置頁。數(shù)據(jù)顯示主頁面可以實(shí)時(shí)查看易燃易爆氣體、溫濕度、粉塵、血氧濃度及心率等傳感器數(shù)據(jù)，實(shí)時(shí)監(jiān)控視頻流和電池剩余電量等信息。當(dāng)傳感器檢測(cè)數(shù)據(jù)超出報(bào)警閾值時(shí)，可進(jìn)行實(shí)時(shí)告警。數(shù)據(jù)記錄頁包含歷史傳感器數(shù)據(jù)，并對(duì)檢測(cè)數(shù)據(jù)狀態(tài)進(jìn)行判斷，顯示每條記錄的狀態(tài)是否正常，方便施工人員進(jìn)行下一步操作。

4 結(jié) 論

為了保障有限空間作業(yè)人員安全，文章設(shè)計(jì)一套基于多源傳感器數(shù)據(jù)融合的有限空間現(xiàn)場(chǎng)作業(yè)管控智能系統(tǒng)。利用作業(yè)人員智能化人臉識(shí)別和現(xiàn)場(chǎng)作業(yè)管控等技術(shù)，實(shí)現(xiàn)有限空間作業(yè)環(huán)境的實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)智能預(yù)警、作業(yè)人員生命體征智能監(jiān)測(cè)、作業(yè)全程可視化監(jiān)控、智能井蓋及新風(fēng)系統(tǒng)的安全智能管控，從而完成有限空間現(xiàn)場(chǎng)作業(yè)的全方位安全監(jiān)督，對(duì)保障有限空間作業(yè)安全監(jiān)管、有效預(yù)防和遏制地下有限空間安全事故發(fā)生具有重要的意義。