程化冰,李 皓,朱世杰,魏 紅

(1.中石化第五建設(shè)有限公司,廣東廣州 510100 2.中國(guó)石油化工集團(tuán)有限公司健康安全環(huán)保監(jiān)管部,北京 100728 3.中石化煉化工程集團(tuán)股份有限公司,北京 100029)

目前,建設(shè)工程項(xiàng)目日趨大型化、復(fù)雜化,施工工藝和技術(shù)難度不斷提高,但建筑工地的安全管理大多還采用傳統(tǒng)管理模式,安全管理普遍存在信息缺乏、信息傳遞渠道不通暢、信息反饋不及時(shí)等問題[1]。廣義上的物聯(lián)網(wǎng)可以看作是信息空間與物理空間的融合,將一切事物數(shù)字化、網(wǎng)絡(luò)化,在物品之間、物品與人之間、人與現(xiàn)實(shí)環(huán)境之間實(shí)現(xiàn)高效信息交互方式,并通過新的服務(wù)模式使各種信息技術(shù)融入社會(huì)行為[2]。

以某種建設(shè)施工高空作業(yè)使用的智能安全帶為例,利用物聯(lián)網(wǎng)技術(shù),創(chuàng)新智能安全帶設(shè)計(jì)理念、結(jié)構(gòu)、應(yīng)用,提出智能安全帶的性能優(yōu)化及發(fā)展方向。

1 高處作業(yè)概況

1.1 高處作業(yè)事故頻發(fā)

石油化工新建項(xiàng)目多涉及動(dòng)火作業(yè)、用電作業(yè)、破土作業(yè)、受限空間作業(yè)及高處作業(yè)等直接作業(yè)環(huán)節(jié),有作業(yè)面狹窄、高處作業(yè)多、交叉作業(yè)頻繁和大型吊裝多等問題[3],由于高處作業(yè)的工作量大、操作人員多、員工的流動(dòng)性大,加上多工種的交叉、立體作業(yè),并且臨時(shí)設(shè)施多,現(xiàn)場(chǎng)條件差等各種不安全因素多,再加上一線工人的文化素質(zhì)較低、安全生產(chǎn)意識(shí)不強(qiáng),導(dǎo)致高處作業(yè)的事故率偏高[4]。

建筑施工高處墜落事故發(fā)生數(shù)目和死亡人數(shù)較高的原因大都是由從業(yè)人員的不安全行為造成的[4]。作業(yè)人員安全帶不按規(guī)定系掛現(xiàn)象日趨嚴(yán)重,目前對(duì)人員不及時(shí)系掛安全帶的不良行為,所采取的手段是管理人員進(jìn)行巡視監(jiān)控,人為的監(jiān)控存在不及時(shí)、不全面的現(xiàn)狀,不能做到實(shí)時(shí)監(jiān)控。經(jīng)統(tǒng)計(jì),高處墜落事故占某石化行業(yè)典型生產(chǎn)安全事故發(fā)生率的14%,如圖1所示,僅次于火災(zāi)及爆炸,因此減少和避免高處墜落事故的發(fā)生,是降低施工建筑業(yè)傷亡事故的關(guān)鍵。

圖1 某石化行業(yè)典型生產(chǎn)安全事故發(fā)生率

1.2 高處墜落事故根本原因

高處墜落事故的發(fā)生原因除了設(shè)計(jì)缺陷、管理缺陷(安全設(shè)施落實(shí)不到位,使得工人即使有安全帶也無(wú)系掛點(diǎn)等)外,大多都是由于人員未正確系掛和使用安全帶等墜落防護(hù)設(shè)施所導(dǎo)致的[5]。施工人員安全意識(shí)欠缺表現(xiàn)為:安全帶忘記穿戴、穿戴不正確、未系掛等;監(jiān)管存在盲區(qū)與失配:缺乏安全帶全生命周期監(jiān)管,出現(xiàn)固定銷缺失、掛舌變形、掛繩斷股,以及現(xiàn)場(chǎng)人盯人監(jiān)管配比少等。

1.3 傳統(tǒng)安全帶使用過程中存在的問題

當(dāng)前國(guó)內(nèi)外市場(chǎng)上高空作業(yè)安全帶常用的是傳統(tǒng)的五點(diǎn)式安全帶,傳統(tǒng)的五點(diǎn)式安全帶對(duì)于作業(yè)人員的安全屬于被動(dòng)式的防護(hù),很大程度上依賴現(xiàn)場(chǎng)的監(jiān)管工作以及施工人員自身的安全意識(shí)。而往往現(xiàn)場(chǎng)人員雜亂,監(jiān)管人員配比不足,施工人員安全意識(shí)不到位,可能未正確穿戴安全帶并且系掛緩沖繩,導(dǎo)致存在較大的高空作業(yè)安全隱患。

2 智能安全帶研發(fā)思路

國(guó)家“十三五”規(guī)劃綱要明確提出“發(fā)展物聯(lián)網(wǎng)開環(huán)應(yīng)用”,將致力于加強(qiáng)通用協(xié)議和標(biāo)準(zhǔn)的研究,推動(dòng)物聯(lián)網(wǎng)不同行業(yè)不同領(lǐng)域應(yīng)用間的互聯(lián)互通、資源共享和應(yīng)用協(xié)同。國(guó)家物聯(lián)網(wǎng)應(yīng)用示范工程在多個(gè)行業(yè)領(lǐng)域展開,為諸多行業(yè)實(shí)現(xiàn)精細(xì)化管理提供了有力的支撐,大大提升了管理能力和水平,改變了行業(yè)運(yùn)行模式。

開發(fā)智能系統(tǒng),結(jié)合當(dāng)下的物聯(lián)網(wǎng)技術(shù),通過智能安全帶管理系統(tǒng),實(shí)現(xiàn)對(duì)人員不及時(shí)系掛安全帶的不安全行為進(jìn)行實(shí)時(shí)監(jiān)控,將安全帶的被動(dòng)防護(hù)轉(zhuǎn)化為主動(dòng)提醒,可以有效提升人員安全管理實(shí)效,改善作業(yè)人員穿戴安全帶不積極的情況,使智能安全帶相較于傳統(tǒng)的安全帶更能保障作業(yè)人員的人身安全。智能安全帶及使用流程見圖2、圖3。

圖2 智能安全帶結(jié)構(gòu)

圖3 智能安全帶使用流程

2.1 智能模塊提醒

當(dāng)領(lǐng)取智能模塊開機(jī)時(shí),語(yǔ)音提醒作業(yè)人員通過微信掃描二維碼,實(shí)現(xiàn)作業(yè)人員與新型智能安全帶的綁定。歸還時(shí),語(yǔ)音提醒作業(yè)人員到達(dá)指定安全區(qū)域歸還設(shè)備。智能模塊感知安全帶穿戴、系掛情況。

2.2 危險(xiǎn)區(qū)域安全帶穿戴提醒

多種方式劃定不同場(chǎng)景下的危險(xiǎn)區(qū)域:一是通過Web端繪制(圖4)或現(xiàn)場(chǎng)行走形成平面區(qū)域包絡(luò)線,劃定危險(xiǎn)區(qū)域;二是針對(duì)現(xiàn)場(chǎng)的不同危險(xiǎn)作業(yè)場(chǎng)景,通過放置實(shí)現(xiàn)不同功能的信標(biāo)站,劃定不同類型的危險(xiǎn)區(qū)域。

圖4 Web端繪制危險(xiǎn)區(qū)域

后臺(tái)根據(jù)定位器上報(bào)的數(shù)據(jù)判定安全帶定位信息不在高處作業(yè)危險(xiǎn)區(qū)域內(nèi)時(shí),發(fā)送指令讓定位器安全帶穿戴預(yù)警指示燈點(diǎn)亮提醒;后臺(tái)根據(jù)定位器上報(bào)的數(shù)據(jù)判定進(jìn)入高處作業(yè)危險(xiǎn)區(qū)域后,發(fā)送指令讓定位器指示燈點(diǎn)亮提醒,并定期發(fā)送語(yǔ)音預(yù)警提醒一次要穿戴安全帶以及系掛掛鉤;后臺(tái)根據(jù)定位器上報(bào)的數(shù)據(jù)判定當(dāng)安全帶正確穿戴后,發(fā)送指令讓定位器指示燈顯示熄滅,不再提醒。

2.3 行動(dòng)軌跡回放

通過對(duì)行走軌跡的回放,實(shí)現(xiàn)對(duì)作業(yè)人員安全帶使用全過程追溯。以綠色的軌跡代表作業(yè)人員規(guī)范使用安全帶,紅色的軌跡代表作業(yè)人員沒有按規(guī)定穿戴安全帶或者系扣掛鉤而引發(fā)警報(bào)。

2.4 統(tǒng)計(jì)管理

根據(jù)不同項(xiàng)目/分包商/作業(yè)區(qū)域等對(duì)報(bào)警信息數(shù)據(jù)進(jìn)行統(tǒng)計(jì),分析人員報(bào)警信息,快速定位主要的不規(guī)范行為,其中可橫向?qū)Ρ炔煌职?、不同作業(yè)人員的報(bào)警次數(shù),快速定位問題分包商/個(gè)人。

3 智能安全帶組成及技術(shù)參數(shù)

智能安全帶系統(tǒng)主要包括3部分:一是安全帶主機(jī);二是傳感卡扣及掛鉤;三是電子信標(biāo)。

3.1 安全帶主機(jī)

安全帶主機(jī)組成結(jié)構(gòu)主要包括通訊系統(tǒng)、定位系統(tǒng)GPS+GPRS、智能語(yǔ)音預(yù)警喇叭、電源等,如圖5所示。BLE 5.0藍(lán)牙通信技術(shù)用于設(shè)備間信號(hào)傳遞以及電子信標(biāo)的信號(hào)檢測(cè),GPS定位技術(shù)用于危險(xiǎn)區(qū)域的粗精度位置獲取,GPRS通信技術(shù)用于上傳安全帶主機(jī)的位置信息,智能語(yǔ)音報(bào)警喇叭用于危險(xiǎn)行為提醒報(bào)警。主機(jī)功能參數(shù)見表1。

表1 安全帶主機(jī)功能參數(shù)

圖5 安全帶主機(jī)結(jié)構(gòu)

3.2 傳感卡扣及掛鉤

通過安裝在新型卡扣及掛鉤上的傳感器來(lái)檢測(cè)磁場(chǎng)的變化從而判斷開關(guān)是否閉合,實(shí)時(shí)感知安全帶的佩戴及系掛狀態(tài)。傳感卡扣及掛鉤如圖6所示,卡扣及掛鉤模塊參數(shù)見表2。傳導(dǎo)電壓隨磁場(chǎng)強(qiáng)度的變化而變化,磁場(chǎng)越強(qiáng),電壓越高,磁場(chǎng)越弱,電壓越低,當(dāng)電壓高于一定閾值時(shí)開關(guān)閉合,信號(hào)通過藍(lán)牙傳輸?shù)桨踩珟е鳈C(jī)。由安全帶主機(jī)通過GPRS通信技術(shù)上傳到服務(wù)器,服務(wù)器根據(jù)預(yù)設(shè)邏輯判斷是否需要發(fā)出危險(xiǎn)預(yù)警,最后下發(fā)指令給安全帶主機(jī),主機(jī)根據(jù)具體的安全帶穿戴情況來(lái)判斷發(fā)出相應(yīng)的語(yǔ)音提醒警報(bào)。

表2 卡扣、掛鉤模塊參數(shù)

3.3 電子信標(biāo)

信標(biāo)效果如圖7所示,通過在危險(xiǎn)作業(yè)區(qū)域放置信標(biāo)站,并設(shè)置危險(xiǎn)區(qū)域半徑,可實(shí)現(xiàn)危險(xiǎn)區(qū)域三維立體空間的劃分。智能模塊和信標(biāo)站都集成了BLE5.0技術(shù),智能模塊可以通過檢測(cè)與信標(biāo)站的藍(lán)牙信號(hào)的RSSI值,然后帶入到RSSI值和距離關(guān)系的函數(shù)中,以此測(cè)算目標(biāo)到該信標(biāo)站的距離。可以通過預(yù)設(shè)危險(xiǎn)距離的范圍和目標(biāo)到信標(biāo)站的距離進(jìn)行比對(duì),從而判斷是否進(jìn)入危險(xiǎn)區(qū)域。標(biāo)準(zhǔn)信標(biāo)參數(shù)和高度信標(biāo)參數(shù)見表3、表4。

表3 標(biāo)準(zhǔn)信標(biāo)參數(shù)

表4 高度信標(biāo)參數(shù)

圖7 電子信標(biāo)示意

4 智能安全帶創(chuàng)新性能

4.1 理論創(chuàng)新

系統(tǒng)設(shè)計(jì)包含微信小程序用戶端、微信小程序安全管理端、Web端管理服務(wù)平臺(tái)的軟件管理系統(tǒng),用以提供實(shí)時(shí)的施工人員安全帶穿戴狀態(tài)及系掛狀態(tài)報(bào)警信息及推送,突出解決現(xiàn)有施工安全風(fēng)險(xiǎn)動(dòng)態(tài)管控和預(yù)警難題。危險(xiǎn)作業(yè)區(qū)通過GPS標(biāo)定和藍(lán)牙信標(biāo)兩種方式劃定,較大范圍內(nèi)通過GPS劃定固定區(qū)域的方式劃定作業(yè)區(qū)域,在GPS無(wú)法覆蓋的區(qū)域或者小范圍內(nèi)可以通過藍(lán)牙信標(biāo)來(lái)劃定作業(yè)區(qū)域,擴(kuò)充了系統(tǒng)的應(yīng)用場(chǎng)景,可實(shí)現(xiàn)區(qū)域內(nèi)的施工現(xiàn)場(chǎng)風(fēng)險(xiǎn)的前置和智能化的管理。

4.2 技術(shù)創(chuàng)新

一是采用高精度無(wú)縫定位技術(shù),通過使用GPS定位系統(tǒng)、BLE5.0低延時(shí)藍(lán)牙傳輸技術(shù)以及藍(lán)牙定位系統(tǒng),實(shí)現(xiàn)區(qū)域精確劃分。根據(jù)具體項(xiàng)目施工的現(xiàn)場(chǎng)由管理人員在管理平臺(tái)上劃分出高處作業(yè)危險(xiǎn)區(qū)域。通過3種不同的方式劃分危險(xiǎn)區(qū)域。將GPS定位系統(tǒng)和BLE5.0低延時(shí)傳輸技術(shù)以及藍(lán)牙定位系統(tǒng)應(yīng)用在建設(shè)項(xiàng)目中,確保作業(yè)人員在進(jìn)入危險(xiǎn)區(qū)域的第一時(shí)間收到預(yù)警消息。

二是智能語(yǔ)音合成技術(shù),通過簡(jiǎn)單預(yù)置以及現(xiàn)場(chǎng)合成,實(shí)現(xiàn)提醒、預(yù)警、通知等不同級(jí)別話語(yǔ)。當(dāng)穿戴著具有定位功能的智能安全帶的員工進(jìn)入危險(xiǎn)區(qū)域時(shí),發(fā)出智能語(yǔ)音警報(bào),提示此處為危險(xiǎn)區(qū)域,應(yīng)做好相應(yīng)的安全措施。將高精度無(wú)縫定位技術(shù)與智能語(yǔ)音合成技術(shù)結(jié)合起來(lái),可以提高施工安全管理與預(yù)警效率和準(zhǔn)確性,可以提高作業(yè)工人的安全防范意識(shí),一定程度上避免施工人員不穿戴系掛安全帶的不安全行為,改善施工環(huán)境,加強(qiáng)高處作業(yè)過程的安全保障。

三是全局授時(shí)同步技術(shù),通過網(wǎng)絡(luò)授時(shí)實(shí)現(xiàn)云管端的實(shí)時(shí)同步。實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)施工人員的定位、安全帶主機(jī)電量、以及安全帶的穿戴狀態(tài),當(dāng)異常狀態(tài)發(fā)生時(shí)管理人員可以第一時(shí)間定位相應(yīng)的施工人員,避免因?yàn)榘踩珟щ娏坎蛔慊蛘呤┕と藛T未正確佩戴安全帶而造成高處作業(yè)安全隱患。

4.3 結(jié)構(gòu)創(chuàng)新

智能安全帶較傳統(tǒng)五點(diǎn)式安全帶,新增了主機(jī)模塊用于安全帶定位與數(shù)據(jù)傳輸;創(chuàng)新了卡扣/掛鉤外觀和結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì),增加傳感器,通過檢測(cè)閉合狀態(tài)判斷是否正確穿戴/系掛,在原有安全帶2 336 g基礎(chǔ)上增重了約642.8 g質(zhì)量;智能安全帶結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)已通過防水、防塵測(cè)試,同時(shí)考慮使用人員穿戴體驗(yàn)感,符合原有的穿戴習(xí)慣,無(wú)需增加過多人員培訓(xùn)成本。

5 應(yīng)用情況

目前已小批量試生產(chǎn)并售出100多套智能安全帶。在中國(guó)水利水電第五工程局有限公司龍溪口航電樞紐施工項(xiàng)目、中鐵二十二局集團(tuán)有限公司市政工程公司平石路項(xiàng)目、中石化南京催化劑有限公司和中石化五建公司煙臺(tái)萬(wàn)華項(xiàng)目部等企業(yè)/項(xiàng)目上應(yīng)用,用戶一致認(rèn)為產(chǎn)品在安全生產(chǎn)領(lǐng)域有很大的發(fā)展應(yīng)用和推廣前景,總體認(rèn)可智能安全帶的功能創(chuàng)新性。應(yīng)用的客戶也提出改進(jìn)建議,包括推廣力度不夠、產(chǎn)品售價(jià)對(duì)比普通安全帶還是較高、危險(xiǎn)區(qū)域較難精準(zhǔn)劃分等。未來(lái)將繼續(xù)對(duì)智能安全帶進(jìn)行持續(xù)優(yōu)化,與用戶保持深度溝通,針對(duì)高危典型作業(yè)場(chǎng)景提供解決方案。