基于互联网+的特高塔施工安全管理系统

陈振新 闫循平 王刚 侯松生

（国网浙江省电力公司舟山建设分公司 浙江省舟山市 316000）

1 引言

按照国家电网公司的智能电网建设规划，智能电网建设已经进入第三阶段，在此阶段将全面建成统一的坚强智能电网，技术和装备全面达到国际先进水平。建设以信息化、自动化、互动化为特征的坚强智能电网对于输变电工程全寿期管理提出了更高的要求。

2 基于互联网+的380m特高塔安全施工管理系统概念

目前，世界正在经历以数据为核心，互联网为手段的第二次信息化浪潮，社会正在从IT（信息化）时代转至DT（数据）时代。无所不在的网络、无所不在的计算、无所不在的数据、无所不在的知识共同驱动了无所不在的创新。传统的输电线路高塔组立施工安全管理，仅仅是现场简单、单一、局部、分散的模式，未能深度融合互联网+技术开展相关应用研究。根据海岛380m特高塔组立施工特点，将互联网+的理念和技术引入施工安全管理，从施工现场源头抓起，抓特高塔组立施工安全管理的三大要素“人员（高处作业人员）、机具（立塔抱杆）、环境（风雨雷）”，最大限度的实时采集与监控施工人员、电力工具和施工物理环境等重要业务信号与数据，通过各种成熟的工业物联网平台、互联网通信设备，建立基于云端服务器的工业大数据系统管理平台，构建“设备端+服务云+信号大数据”的工业体系和系统监控模式，联通从特高塔组立高处作业人员、抱杆、环境状态与远程监管的数据链条，实现各环节的智能化、互联网化管理，提高特高塔组立施工现场的安全生产监控水平。实现“互联网+”与380m特高塔组立的跨界融合，提升电力工程安全施工的监控水平。

3 基于互联网+特高塔安全管理系统的研究内容及存在的问题

3.1 研究内容

图1：互联网+特高塔安全管理系统

基于互联网+的380m特高塔安全施工管理系统主要研究特高塔组立施工安全管理的三大要素“人员（高处作业人员）、机具（立塔抱杆）、环境（风雨雷）”的实时数据获取，最大限度的实时采集与监控施工人员、电力工具和施工物理环境等重要业务信号与数据，其技术架构主要涵盖空作业人员生命体征的智能监控系统、高处作业人员实时立体定位系统、双平臂抱杆作业状态和参数实时监测系统、微气象站实时监测系统和架空输电线路张力放线牵张力及弧垂自动监测装置五个部分。

3.1.1 高空作业人员生命体征的智能监控系统

通过高处作业人员的生命体征参数的实时监测，保证作业前、作业中高处作业人员的身体生理状态始终满足安全作业要求。结合VR虚拟特高塔组立高处作业场景，对施工人员是否适合上塔作业给予判断。

3.1.2 高处作业人员实时立体定位系统

通过实时定位系统，监测每一个高处作业人员的准确定位，掌握每一个人实时动态，结合模糊识别技术，及时发现并制作高处作业人员的违章行为。

3.1.3 双平臂抱杆作业状态和参数实时监测系统

通过远程视频、抱杆起吊重量幅度力矩等重要参数信号等实时监测系统，掌握抱杆实时工作状态，结合抱杆许用参数等比对，提前发出预告报警等措施，保证设备状态良好。

3.1.4 微气象站实时监测系统

在海岛特高塔施工现场，开发设置实时实地微气象监测系统，监测与特高塔施工安全有重大关联的主要气象指标（风雨雷）参数，有效指导施工安全管理。

3.1.5 架空输电线路张力放线牵张力及弧垂自动监测装置

结合张力放线，监测张力机出口处导线的放线张力，监测牵引机进口处牵引绳的牵引力，监测线路主要放线控制档的导线弧垂及净高，牵引力、弧垂、净高等监控数据全部在牵张场汇总显示，用于张力控制调整。

以现场系统感知数据为基础来构建互联网+特高塔大数据安全监控系统，通过对电力工程项目数据的实时采集和深度处理，提升工程监控水平，改善项目整体的监控水平。

3.2 当前存在的问题

目前随着人工智能和通讯技术的发展，关于电力施工安全的智能穿戴设备被广泛采用。但目前的智能穿戴设备组成简单，功能受限，有些设计不太合理，这其中尤以施工人员的安全因素最为重要，这不仅因为施工人员操控其他要素，更因为施工人员自身时刻随时面临着一系列重大的安全隐患，这构成了当前互联网+特高塔安全管理系统的主要问题并亟待解决，具体表现在施工环境监控、施工资质与授权、施工人员健康监控和施工现场预警救援四个方面。

3.2.1 施工环境监控

由于野外施工环境的复杂性及其动态多变特性，因此无法提前准确测量当前环境条件参数，也无法及可靠预测其未来的变化趋势，但是诸如温度、湿度、压力以及可见度等环境参数都会对施工的安全性带来重大影响，如何实时、准确并高性价比地检测施工现场的环境参数，并基于大数据模型可靠地预测其未来的变换趋势，进而提前采取安全防患措施，对于提高电力施工具有重大的现实意义。

3.2.2 施工资质与授权

当前，对人员施工资质授权和违规施工缺乏有效监督，是导致安全隐患事故频繁发生的第一重大因素。有效可靠的人员施工资质监控应该是动态，它包括了施工前的合法授权、施工中的有效性鉴别以及施工后终结判断三个阶段的一个系统过程，其中，核心是任何一个阶段下的违规施工如何进行预警和处置。

3.2.3 施工人员健康监控

首先，随着施工劳动强度的加大和施工时间的延长，施工人员的健康状况必然受到影响，这是一个自然的生理过程监控；其次，人员的健康状况会受到施工环境条件的影响，环境条件的改变也会对人员健康造成不可预期的影响；最后，施工资质水平高低以及是否按照规范施工会干预人员健康自然生理过程的变化。现有的技术条件未能做到上述三个方面互联互动的实时监控和可靠预判，导致了大量意外安全事故的频发。

3.2.4 施工现场预警救援

当施工现场发送意外致使人员生命受到严重危险或者人员意识失去知觉时，现有的脉搏、血压、血氧等传感器信息处理技术手段无法检测昏厥人员的危急信号。例如，当施工人员头部受到重物撞击失去知觉时，自身无法发出求救信号时，现有技术手段缺乏紧急有效的求救措施，从而贻误了宝贵的生命救援时间。另外，当施工人员上塔作业时，尤其当所处塔位距离地面较高时，施工人员作业即处于高发事故状况，此时缺乏足够有效的安全监控和必要的作业辅导，从而为隐患的发生埋下了伏笔。

4 一种互联网+特高塔安全管理系统及其核心技术的实现

4.1 系统结构

针对上述问题，论文提出了一种基于电力施工环境智能感知预警及人体安危紧急救援的自组网安全帽，并结合全景相机进而构建了互联网+特高塔安全管理系统，其原理如图1所示。该系统由安全帽本体、全景相机和平台服务器三块硬件构成，其中，安全帽本体包括身份识别与授权模块、施工环境感知与预警模块、人体生理特征检测模块、测距模块、生命危急检测模块、语音模块、控制主系统和电源模块。

4.2 核心技术实现

4.2.1 控制主系统

控制主系统基于ARM构架嵌入式微机系统，其与平台服务器通过4G无线连接并在内部设置有UWB定位或蓝牙定位模块、数据存储模块和数据处理模块。定位模块用于定位施工人员的地理位置信息并向平台服务器传输该位置信息数据。数据存储模块存有施工人员的身份特征信息、施工人员正常生理特征参数、安全施工环境参数和施工人员头部压力安全信息。数据处理模块要实现的功能包括：

（1）比对施工人员身份特征信息并决定是否给予施工授权；（2）实时比对施工人员的生理特征数据并决定是否发出生命预警信号；

（3）实时比对施工环境数据并决定是否发出施工环境预警信号；

（4）实时比对施工人员的头部所受压力信号数据并决定是否自动向平台服务器发出生命危急求救信号和自动触发语音模块（7）播放语音求救信号。

4.2.2 身份识别与授权模块

该模块主要是一个摄像头模块，用于采集人脸正面图像信息并传输给控制主系统，然后将控制主系统授权处理结果通过语音模块播放给施工人员。

4.2.3 施工环境感知与预警模块

该模块的实现方式为温度传感器、湿度传感器、PM2.5传感器和风力传感器，用于实时采集施工环境的温度、湿度、PM2.5浓度和风力强度并传输给控制主系统，然后将控制主系统施工环境处理结果通过语音模块播放给施工人员，当不符合安全施工环境时通过语音模块反复播放预警信息。

4.2.4 人体生理特征检测模块

该模块包括数字脉搏传感器、血压传感器和血氧传感器，用于实时采集施工人员的脉搏、血压和血氧并传输给控制主系统，然后将控制主系统的施工人员生理特征处理结果通过语音模块播放给施工人员，当不符合正常生理指标时通过语音模块反复播放预警信息。

4.2.5 测距模块

该模块为UWB（或蓝牙定位）定位电路，用于实时检测施工人员上塔作业时的位置，实时将施工人员定位信息发送至监控中心，使得监控中心安全员可以对塔上远距离作业人员进行实时监控和作业辅导，避免意外事故发生。

4.2.6 生命危急检测模块

该模块是一个压力传感器，实时检测施工人员头部所受压力信号并传输给控制主系统当施工人员遇到突发情况下的重物撞击而失去知觉时，此时的传感器会检测到一个较大的压力信号数据，该数据会自动触发控制主系统报告平台服务器，同时自动启动语音模块发出紧急语音求救信号。

4.2.7 全景相机

全景相机采集施工现场全景，结合VR技术、全景沙盘技术，构建施工现场及380米高塔模型，并通过4G无线网络传输给平台服务器，从而为施工管理提供直观、实际、有效的数据，提升工程组织、安全、质量、进度的过程管控能力。另一方面，施工人员带上VR眼镜进入施工现场所在的可视化沙盘，可随意选择高塔全景观测点、高塔260米平台等观测点，让作业人员身临其境地置身于各种真实、复杂的施工虚拟环境之中，大胆尝试各种实际操作。加强其在特高塔组立施工中的现实体验感觉，锻炼提升高处作业能力，保证作业人员人生安全，降低培训成本。并结合生命体征监测，在VR模拟体验阶段监测作业人员的身体状态，对施工人员是否适合上塔作业给予判断。

5 系统实施效果

本系统遵循软硬件的一般规范操作，打开电源模块的开关，将控制主系统与平台服务器连接，将安全帽平拿在手中，头部正对着安全帽壳外表面，通过语音模块录入施工人员的身份证号码，通过摄像头采集施工人员的脸部正面照片，等到获得语音播报的施工授权结果后，施工人员戴好安全帽并系好帽内的松紧带，施工环境感知与预警模块和人体生理特征检测模块开关工作，1-3分钟后若没有听到预警语音消息，则施工人员可以开始施工。在施工过程中一旦听到施工环境预警语音或者人体生理特征预警语音后，施工人员应当停止施工。当施工人员头部受到较大的重物撞击压力时，则能够听到主控制系统发出的危急求救语音消息，随后也能听到平台服务器发出的语音确认消息，施工人员通过语音模块和平台服务器确认安全后，此时可以通过手动开关关闭该生命危急求救语音。当施工人员上塔作业位置距离地面较远时，则能够听到平台服务器发过来的语音作业辅导信息。本系统经过多次不间断的10小时连续监测以及为期2个月的工程使用，未发生任何故障，因此，具备了推广使用的条件。