陸啟榮 趙新朋 梁利華

(1.浙江大學(xué)建筑工程學(xué)院 浙江 杭州 310058; 2.浙江大學(xué)工程師學(xué)院浙江 杭州 310058; 3.浙江高信技術(shù)股份有限公司 浙江 杭州310020; 4.浙江工業(yè)大學(xué)機(jī)械工程學(xué)院 浙江 杭州 310032)

“安全生產(chǎn)”是我國(guó)建筑施工工程行業(yè)響應(yīng)黨和國(guó)家“以人為本”的基本思想。道路施工是我國(guó)安全事故高發(fā)的行業(yè)，存在諸多安全隱患[1-2]。安全帽能夠預(yù)防事故，并保護(hù)自身安全。然而，在實(shí)際施工中，由于部分員工安全施工意識(shí)不足、安全管理者少等原因，安全帽的不合理佩戴現(xiàn)象比較普遍，無(wú)法做到全面監(jiān)管[3]。

為適應(yīng)工程現(xiàn)場(chǎng)的多樣性，在傳統(tǒng)安全帽上加入智能模塊，如實(shí)時(shí)定位[4-6]、音視頻通信[7-8]、遠(yuǎn)程協(xié)助和監(jiān)管考勤[9]、脫帽預(yù)警[10-11]等功能，同時(shí)配合管理云平臺(tái)或手機(jī)應(yīng)用程序，可為企業(yè)提高整體安全性，實(shí)現(xiàn)降本增效。但是，目前的智能安全帽尚缺乏從施工作業(yè)安全監(jiān)管的角度進(jìn)行系統(tǒng)化研究，如安全帽的正確佩戴應(yīng)包括帽帶的正確佩戴、中暑等突發(fā)性生理狀況的安全監(jiān)控、道路分散式施工的現(xiàn)實(shí)管理難等問(wèn)題。

為此，針對(duì)分散式道路施工人員的安全監(jiān)管，開(kāi)發(fā)了施工作業(yè)安全行為監(jiān)管和生理參數(shù)檢測(cè)的智能安全帽，并研發(fā)了基于智能安全帽的遠(yuǎn)程監(jiān)管平臺(tái)。

1 施工作業(yè)的智能安全帽設(shè)計(jì)

道路施工存在工期緊、任務(wù)重、工種多、工序復(fù)雜，容易形成交叉作業(yè)等諸多問(wèn)題。交叉作業(yè)中，物件綁扎不牢、工具攜帶不規(guī)范、材料運(yùn)輸執(zhí)行力不嚴(yán)等，導(dǎo)致物料掉落、物體散落等，極有可能造成物體打擊與高處墜落事故。施工單位雖然經(jīng)常性組織開(kāi)展日常、專(zhuān)項(xiàng)、綜合等檢查工作，然而部分單位安全檢查流于形式、層次化不足，未針對(duì)隱患存在的根本原因進(jìn)行分析、采取有針對(duì)性的整改與預(yù)防措施，更有單位實(shí)行“以罰代管”的現(xiàn)象。

本文基于實(shí)地考察、制度調(diào)研和施工人員交流的基礎(chǔ)上，結(jié)合智能安全帽應(yīng)用落實(shí)，發(fā)現(xiàn)道路施工作業(yè)存在以下問(wèn)題。

（1）現(xiàn)場(chǎng)施工作業(yè)人員的來(lái)源較為復(fù)雜、流動(dòng)性大，導(dǎo)致施工現(xiàn)場(chǎng)的安全管理工作受到重重阻礙，施工人員安全意識(shí)淡薄，存在安全帽佩戴不規(guī)范的問(wèn)題。

（2）道路通常采取“分段實(shí)施、統(tǒng)籌兼顧”的思路進(jìn)行施工，某一班組的工段可能較長(zhǎng)（如3 km長(zhǎng)路段，同一班組人員匯集需要約30 min），需要研究基于智能化戴帽或脫帽手段判斷上班或下班，從而實(shí)現(xiàn)自動(dòng)監(jiān)管。

研究表明：現(xiàn)場(chǎng)施工人員身體狀況（心率、血氧等）和安全行為存在顯著的相關(guān)性，目前監(jiān)管設(shè)備以作業(yè)行為規(guī)范狀態(tài)為主，存在監(jiān)管盲區(qū)。

基于此，開(kāi)發(fā)了道路施工作業(yè)需求的智能安全帽，進(jìn)行了智能安全帽功能設(shè)計(jì)，具體如圖1 所示。根據(jù)施工作業(yè)現(xiàn)場(chǎng)的實(shí)際情況，基于施工作業(yè)安全監(jiān)管的智能安全帽由控制盒、前額監(jiān)測(cè)模塊以及帽帶監(jiān)測(cè)模塊3個(gè)部分組成。前額監(jiān)測(cè)模塊基于光電傳感器和光生物傳感器采集血氧、體溫和心率等生理健康參數(shù)，并通過(guò)邊緣計(jì)算分析及設(shè)置的閾值進(jìn)行監(jiān)測(cè)和預(yù)警；帽帶監(jiān)測(cè)模塊基于高精度激光測(cè)距傳感器，并結(jié)合前額監(jiān)測(cè)模塊的光電傳感器，對(duì)正常工作過(guò)程的脫帽、未正確佩戴帽帶等違規(guī)作業(yè)行為進(jìn)行監(jiān)測(cè)、分析和預(yù)警；控制盒安裝在安全帽后側(cè)外部，其內(nèi)包含定位模塊、電源系統(tǒng)、通信模塊和邊緣計(jì)算模塊等。智能安全帽基于通信模塊與云平臺(tái)進(jìn)行數(shù)據(jù)交互，在云平臺(tái)上實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)可視化和記錄、設(shè)備管理、報(bào)警管理等功能。

圖1 智能安全帽功能圖

2 施工作業(yè)監(jiān)管平臺(tái)系統(tǒng)架構(gòu)

不安全行為是工人表現(xiàn)出來(lái)的非正常行為。根據(jù)國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)《企業(yè)職工傷亡事故分類(lèi)》（GB 6441-1986）的定義，不安全行為是指能造成安全事故的人為錯(cuò)誤。廣義上來(lái)講，工人的不安全行為是指任何能直接或者間接導(dǎo)致安全事故發(fā)生的行為，包括員工的違規(guī)行為、引起安全事故發(fā)生的不安全動(dòng)作以及沒(méi)有按照安全規(guī)程去完成的行為。

圖2是本文設(shè)計(jì)的道路施工作業(yè)安全監(jiān)管平臺(tái)系統(tǒng)架構(gòu)圖。安全監(jiān)管平臺(tái)采集智能安全帽上的各傳感器，對(duì)作業(yè)人員的定位信息、生理參數(shù)、佩戴情況進(jìn)行實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)，通過(guò)智能安全帽的通信模塊和安全監(jiān)管平臺(tái)的云服務(wù)器進(jìn)行網(wǎng)關(guān)通信；云服務(wù)器通過(guò)部署安全監(jiān)管平臺(tái)系統(tǒng)的Java服務(wù)將安全帽傳輸上來(lái)的數(shù)據(jù)按協(xié)議文檔進(jìn)行標(biāo)準(zhǔn)化和規(guī)范化的解析和計(jì)算，將結(jié)果信息存儲(chǔ)到數(shù)據(jù)庫(kù)服務(wù)器。最后，由Web 前端搭建的界面和小程序，通過(guò)HTTP協(xié)議和Java后端服務(wù)進(jìn)行數(shù)據(jù)對(duì)接，將數(shù)據(jù)通過(guò)系統(tǒng)權(quán)限的控制對(duì)擁有不同權(quán)限的操作人員進(jìn)行共享和可視化顯示。

圖2 安全監(jiān)管系統(tǒng)整體方案

3 監(jiān)管平臺(tái)功能設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)

基于BIM 和PT 技術(shù)的工人不安全行為預(yù)警系統(tǒng)的基本原理是通過(guò)實(shí)時(shí)收集施工現(xiàn)場(chǎng)中工人的不安全行為信息和位置信息，并將相關(guān)信息與BIM 模型中的非安全環(huán)境信息有效集成，進(jìn)行不安全行為分析與預(yù)警信息反饋。根據(jù)上述工人不安全行為分類(lèi)與預(yù)警原理，對(duì)工人不安全行為預(yù)警的信息需求進(jìn)行分析。

道路施工作業(yè)安全監(jiān)管平臺(tái)系統(tǒng)主要包含兩個(gè)部分，分別為可視化管理系統(tǒng)和消息隊(duì)列遙測(cè)傳輸服務(wù)，圖3為平臺(tái)系統(tǒng)的主流程圖。

3.1 可視化管理系統(tǒng)的設(shè)計(jì)和實(shí)現(xiàn)

可視化管理系統(tǒng)主要分為系統(tǒng)基礎(chǔ)功能設(shè)置、設(shè)備和云服務(wù)的數(shù)據(jù)交互、數(shù)據(jù)庫(kù)存儲(chǔ)、服務(wù)數(shù)據(jù)分析預(yù)警、數(shù)據(jù)可視化展示、手機(jī)小程序配合網(wǎng)頁(yè)多端操作等。

可視化管理系統(tǒng)按模塊化設(shè)計(jì)形成系統(tǒng)管理、設(shè)備管理、項(xiàng)目管理、可視化駕駛艙的功能模塊，通過(guò)各個(gè)模塊的配合實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)的完整運(yùn)行。

3.1.1 人員定位系統(tǒng)

通過(guò)智能安全帽定位模塊獲取到佩戴人員當(dāng)前的定位信息，并通過(guò)智能安全帽上的通信模塊將數(shù)據(jù)傳輸?shù)綌?shù)據(jù)庫(kù)服務(wù)器，安全監(jiān)管平臺(tái)從數(shù)據(jù)庫(kù)中獲取到人員定位信息通過(guò)數(shù)據(jù)協(xié)議和頁(yè)面交互，將作業(yè)人員的定位信息實(shí)時(shí)展示在安全監(jiān)管平臺(tái)大屏駕駛艙上，管理人員通過(guò)駕駛艙實(shí)時(shí)掌握所有人員的位置信息。日常管理中可以配合系統(tǒng)劃定考勤區(qū)域開(kāi)展人員考勤工作，緊急情況下方便對(duì)人員進(jìn)行調(diào)度。

智能安全帽的定位模塊選用ATGM332D-5N，支持多種衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)，包含32 個(gè)跟蹤通道，可以同時(shí)接收6個(gè)衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)的GNSS信號(hào)，并且實(shí)現(xiàn)聯(lián)合定位、導(dǎo)航與授時(shí)。

3.1.2 安全帽佩戴監(jiān)控系統(tǒng)

智能安全帽帽箍上安裝有SFH 7050光電傳感器，基于反射式PPG 信號(hào)，用于監(jiān)測(cè)頭盔正確佩戴。智能安全帽下顎帽帶上安裝有VL53L0X 高精度激光測(cè)距傳感器，用于下顎帽帶的佩戴檢測(cè)。

圖4 為智能安全帽佩戴監(jiān)控的原理圖，當(dāng)智能安全帽處于正常佩戴情況下，安全帽的光電傳感器與施工佩戴人員前額緊貼，可以測(cè)量得到人體的生理參數(shù)，此時(shí)當(dāng)下顎帽帶處于正確佩戴時(shí)，則將檢測(cè)數(shù)據(jù)傳輸至云服務(wù)器。

圖4 智能安全帽佩戴監(jiān)控原理

當(dāng)作業(yè)人員未正確佩戴智能安全帽，無(wú)法正常檢測(cè)到應(yīng)有的生理參數(shù)時(shí)，后端服務(wù)則通過(guò)上傳的數(shù)據(jù)進(jìn)行分析和處理，蜂鳴器開(kāi)始進(jìn)行聲光報(bào)警，監(jiān)管系統(tǒng)將下發(fā)短信給佩戴人員，通過(guò)安全帽和短信的方式提醒人員正確佩戴智能安全帽。同時(shí)，系統(tǒng)將預(yù)警的數(shù)據(jù)進(jìn)行入庫(kù)存儲(chǔ)，在駕駛艙和后臺(tái)管理系統(tǒng)進(jìn)行查看。監(jiān)管系統(tǒng)佩戴狀態(tài)檢測(cè)和可視化的流程如圖5所示。

圖5 智能安全帽佩戴狀態(tài)檢測(cè)流程

3.1.3 安全帽生理參數(shù)監(jiān)測(cè)系統(tǒng)

生理參數(shù)的監(jiān)測(cè)為施工作業(yè)人員身體狀況的保障提供了重要信息依據(jù)。不同的施工區(qū)域所處的施工環(huán)境存在很大差異，在高溫情況下，可能導(dǎo)致作業(yè)人員有中暑等風(fēng)險(xiǎn)，作業(yè)人員身體狀況出現(xiàn)異常情況，無(wú)法得到及時(shí)的通知和監(jiān)測(cè)。智能安全帽選用AFE 4404 反射式光電容積傳感器，支持3 個(gè)開(kāi)關(guān)發(fā)光二極管和一個(gè)光電二極管，實(shí)現(xiàn)心率和血氧飽和度的監(jiān)測(cè)。

道路施工作業(yè)安全監(jiān)管系統(tǒng)基于智能安全帽的AFE 4404傳感器的采集，獲取心率、血氧等生理參數(shù)，通過(guò)無(wú)線傳輸技術(shù)將參數(shù)發(fā)送到云服務(wù)器，后臺(tái)服務(wù)根據(jù)約定的協(xié)議進(jìn)行參數(shù)解析，通過(guò)監(jiān)管系統(tǒng)設(shè)置的閾值參數(shù)進(jìn)行分析判斷，得出生理參數(shù)是否處于異常的結(jié)果，一旦出現(xiàn)異常，將立即發(fā)送短信通知到施工人員并反饋到監(jiān)控大屏，同時(shí)也將下發(fā)通知給安全帽，安全帽則立即發(fā)出聲光報(bào)警，其工作原理如圖6所示。

圖6 智能安全帽生理參數(shù)監(jiān)檢流程

按照相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)，正常成年人心率的正常范圍是60～100次/min，正常成年人的血氧飽和度一般在95%以上。對(duì)于一般人員而言，最大運(yùn)動(dòng)心率=（220-現(xiàn)在年齡）×0.8。通過(guò)智能安全帽在不同工地，近100個(gè)施工人員在不同時(shí)段的試用（圖7為施工人員作業(yè)時(shí)的心率和血氧監(jiān)測(cè)實(shí)測(cè)示例），基于目前測(cè)得的數(shù)據(jù)統(tǒng)計(jì)分析，考慮心率正常范圍初步設(shè)置為50～120 次/min、心率波動(dòng)閾值為平均值的50%、血氧正常范圍為大于90%、血氧波動(dòng)閾值為平均值的5%。未來(lái)，隨著獲取的數(shù)據(jù)量增加，進(jìn)行大數(shù)據(jù)分析并設(shè)置。

圖7 施工人員作業(yè)時(shí)的心率、血氧監(jiān)測(cè)

3.1.4 道路施工作業(yè)班組上下班檢測(cè)

在實(shí)際施工作業(yè)中存在一些特殊的情況，同一個(gè)班組人員可能會(huì)負(fù)責(zé)多個(gè)工段的施工。工段之間的距離各不相同，有的存在超過(guò)幾公里距離的差異，這種情況下，按照系統(tǒng)設(shè)置的安全帽佩戴比例進(jìn)行判斷會(huì)存在較大誤差，因此采用設(shè)置班組長(zhǎng)的形式，以班組長(zhǎng)的佩戴情況為依據(jù)，優(yōu)先對(duì)班組長(zhǎng)的佩戴情況進(jìn)行判斷，其他情況則根據(jù)所設(shè)置的上班佩戴閾值進(jìn)行判斷，通過(guò)系統(tǒng)的判斷將上下班數(shù)據(jù)反饋到平臺(tái)。監(jiān)管系統(tǒng)對(duì)道路施工作業(yè)班組上下班檢測(cè)和可視化的流程具體見(jiàn)圖8。

圖8 班組上下班檢測(cè)和可視化

3.2 消息隊(duì)列遙測(cè)傳輸服務(wù)

智能安全帽施工安全監(jiān)管系統(tǒng)采用MQTT協(xié)議和云服務(wù)進(jìn)行通信，該協(xié)議針對(duì)一些遠(yuǎn)程設(shè)備在網(wǎng)絡(luò)狀況不良的情況下通信而設(shè)計(jì)，通過(guò)使用發(fā)布/訂閱消息模式，以一對(duì)多的消息發(fā)布方式有效地將數(shù)據(jù)進(jìn)行傳輸。智能安全帽以MQTT協(xié)議和無(wú)線傳輸技術(shù)將采集到的生理參數(shù)與傳感數(shù)據(jù)傳輸?shù)組QTT 服務(wù)器，采用Java語(yǔ)言開(kāi)發(fā)的后端服務(wù)將傳輸?shù)椒?wù)器的數(shù)據(jù)進(jìn)行解析處理后存入數(shù)據(jù)庫(kù)服務(wù)器，同時(shí)以HTTP 協(xié)議的交互方式通過(guò)Web 平臺(tái)進(jìn)行數(shù)據(jù)更新展示，智能安全帽設(shè)備的數(shù)據(jù)傳輸方案具體如圖9所示。

圖9 智能安全帽設(shè)備的數(shù)據(jù)傳輸

4 作業(yè)安全監(jiān)管平臺(tái)應(yīng)用

基于上述系統(tǒng)架構(gòu)方案和設(shè)計(jì)思路，使用Java 和JavaScript 語(yǔ)言分別開(kāi)發(fā)服務(wù)端和前端，開(kāi)發(fā)了基于智能安全帽的安全監(jiān)管系統(tǒng)。

將系統(tǒng)應(yīng)用在實(shí)際施工環(huán)境，通過(guò)監(jiān)管系統(tǒng)綁定功能將智能安全帽和作業(yè)人員進(jìn)行關(guān)聯(lián)，對(duì)各項(xiàng)功能進(jìn)行真實(shí)施工環(huán)境下的測(cè)試，取得了良好的實(shí)踐效果，在保障作業(yè)人員的安全方面起到了重要的作用。安全監(jiān)管系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)的功能包括作業(yè)人員作業(yè)狀態(tài)、生理參數(shù)、安全帽佩戴等不同參數(shù)的監(jiān)測(cè)。

作業(yè)人員的定位和考勤功能，通過(guò)安全監(jiān)管系統(tǒng)的項(xiàng)目模塊設(shè)置作業(yè)人員的考勤范圍，利用智能安全帽的定位模塊獲取定位信息，通過(guò)無(wú)線傳輸數(shù)據(jù)到云服務(wù)器準(zhǔn)確獲知作業(yè)人員的位置信息和行動(dòng)軌跡。位置信息通過(guò)HTTP 傳輸?shù)骄W(wǎng)頁(yè)和小程序，通過(guò)監(jiān)控駕駛艙實(shí)時(shí)查看，通過(guò)小程序的打卡記錄作為考勤的依據(jù)，更重要的是一旦出現(xiàn)緊急情況可以通過(guò)定位信息知曉人員分布，以便更好地進(jìn)行管控。

通過(guò)智能安全帽上的各類(lèi)傳感器實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)施工作業(yè)人員的生理參數(shù)，利用內(nèi)置的算法判斷作業(yè)人員生理參數(shù)是否異常，從而做出對(duì)應(yīng)的報(bào)警和短信預(yù)警，以提示作業(yè)人員做好對(duì)應(yīng)的防范措施?；趯?duì)智能安全帽上傳的感應(yīng)數(shù)據(jù)進(jìn)行分析和處理，做出安全帽是否佩戴、帽帶是否正確佩戴的判斷，能及時(shí)發(fā)現(xiàn)作業(yè)人員在施工過(guò)程中是否佩戴規(guī)范，有效規(guī)避了施工過(guò)程中由于安全帽佩戴不規(guī)范導(dǎo)致的一些人身安全問(wèn)題。

5 結(jié)語(yǔ)

在充分結(jié)合施工安全方面實(shí)際需求的基礎(chǔ)上，結(jié)合云平臺(tái)、物聯(lián)網(wǎng)、大數(shù)據(jù)這些技術(shù)對(duì)傳統(tǒng)的施工管理進(jìn)行智能化升級(jí)，對(duì)基于智能安全帽的施工作業(yè)安全監(jiān)管平臺(tái)進(jìn)行了設(shè)計(jì)，并將其在施工產(chǎn)地進(jìn)行實(shí)踐，通過(guò)使用各類(lèi)傳感器對(duì)作業(yè)人員進(jìn)行實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)，基于系統(tǒng)獲取到的數(shù)據(jù)進(jìn)行分析，從而得到監(jiān)控和管理的目的?；谥悄馨踩钡谋O(jiān)管系統(tǒng)在實(shí)踐應(yīng)用中有助于推動(dòng)施工安全監(jiān)管的信息透明化、公開(kāi)化，提供了更加便利和高效率的智能管理，規(guī)范施工人員的安全帽正確佩戴，為施工人員的生命安全保駕護(hù)航。