智能气囊防护服的高坠测试试验研究

杜子文 贾新卷 董 艺 丛顺 张在晨 沈雅雯

（中建四局工程技术研究院，广州 510000）

0 引言

建筑施工现场环境复杂、项目工期紧、交叉作业多、管理难度大，安全事故时有发生，给个人、企业乃至社会带来了不可估量的损失。因此，加快推进施工现场的安全风险防范工作成了亟需解决的难题。从2009年至2018年的安全事故统计数据来看［1］，高坠事故的发生率一直高居五大伤害之首。因此，避免高空坠落事故的发生和研发新型的高坠防护产品是当前建筑施工安全领域有效解决高坠事故发生率和致死率的必要手段。

目前，建筑工人的安全保护措施主要以安全带、安全帽、安全网这“三宝”为主，兴起的反光马甲也成了避免施工现场机械伤人的“法宝”。当高坠意外事故发生时，传统的安全马甲及安全带的防护性有一定的局限，难以对作业人员采取全面有效的安全防护。因此，除加强人员安全意识外，切实提升施工现场人员穿戴设备的智能化水平，可以减少此类事故的发生，保障人员生命安全。有鉴于此，本文主要从施工人员的防护装备上着手，首先通过技术创新和现有技术的集成再创新设计了新型智能防护服，而后采用高坠试验对全新设计的防护服的防护效果进行测试。研发智能气囊防护服是否可达到预期效果，从而体现了对作业人员的人文关怀。

我国建筑施工领域信息化应用程度整体不高，近几年随着智慧工地的不断推进，不断满足智慧工地的施工要求，如何将工程施工管理变得更智能、高效、安全、便捷的问题就显得尤为突出。关键在于将施工过程的基础数据进行实时采集、传输、存储、管理、分析和有效处理等实现可视化、动态跟踪管控。通过信息化、智能化的手段，加强作业人员施工过程的保护效果，从而将通过5G、物联网、传感设备、云计算等技术，给传统智能气囊高坠防护服进行智能化升级，搭建新型智能穿戴设备管理平台实现智能穿戴设备的可视化管理，这些跨行业技术的融合给施工现场安全防范带来全新的智慧化体验。

国内目前在高坠假人测试试验不是十分广泛，建筑行业多见于安全兜网、安全带的测试，高坠试验也往往在冲击试验台上进行，将样品通过压块压紧底板固定在落锤的试验台面上。锤头重量和冲击高度按预定试验条件设定，加速度计置于锤头之上。试验过程中数据同步采集、传输、分析，从而获取试件冲击载荷与时间的数据。在测量冲击力的试验中也会选择分布式压电薄膜作为传感器，国内许多压电薄膜均没有标定量程，多见电荷式和压电式通常需要电荷放大器进行转换，所以其量程和采集频响难以满足本试验要求，故本试验采用采集仪DH8302搭配国外进口的分布式压电传感器和1B108压阻式加速度传感器相结合的方式进行。

1 高坠防护服设计

本文所研究的智能气囊高坠防护空调服主要应用于施工现场作业人员的个体防护领域。通过在防护服主体内部嵌入安全气囊和设置电子电路信息模块，电子电路信息模块包括磁吸导通装置、控制单元、通讯模块和触发装置，利用控制单元判断工人的工作安全情况，在工人从高空坠落后控制单元做出判断并发出指令控制触发装置接通高压气瓶，高压气瓶对安全气囊快速充气及时对工人进行防护［2］。利用人体感应系统与通讯模块连接，实时监测工人的身体状况。通过在通讯模块内设置定位装置，在危险情况发生后可通过定位装置及时对工人定位并施救［3］。防护服外观设计及现场实拍分别见图1、图2。

图2 防护服现场实拍

从防护服的结构设计、气囊囊袋的厚度、冲击韧度、气室的有效宽度、防护服的防护范围都进行了一系列的测试。在识别装置中的线性加速度、陀螺仪等都进行了精密设计和严格的算法参数设定［4］。在控制单元模块的数据处理模块中加大数据的采集和处理能力加工优化，尤其在算法模块除了优化计算公式在参数设置上进行充分论证外，还采用了滤波处理数据曲线优化。气体采用了高压惰性气体氦气，储气罐压缩气瓶采用碳纤维涂层合金内胆储存氦气。气囊采用一体式编织气囊工艺制造，原材料采用高强纤维和硅酮橡胶以满足安全带耐磨、耐用、人体承载强度的要求［5］。导通装置采用磁吸纽扣式导通的结构，触发装置采用微电子触发微量炸药点火装置。

高精密度跌落识别装置由MEMS重力计、MEMS陀螺仪和MEMS线性加速度计等传感器构成。结合高精密度预测算法，能深度感知不同人体运动状态，精确判定工人危险状况，并快速触发充气保护装置。充气保护装置基于人体仿真模型及人体坠落的约束模型，优化气体质量流率、气囊安装位置、气囊初始压力、排气起始压力等参数，对人体实施最佳的保护效果，运用最优的安全带气囊充气方式，实现在提高人体综合保护效果的前提下尽可能减少人体关键部位受到的损伤。

为解决人体在室外高温下的危害问题，在防护服内部设置有制冷系统，可以为工人提供更加舒适的工作环境，且制冷系统通过太阳能电池发电为整个系统提供电力支持，节省能源。同时防护服的内衬采用超吸附纤维（SAF），其可在接触外界热力时温度可下降6℃，同步加装高速风扇和内置换热管网作为空调衣制冷系统，见图3。

图3 空调制冷服结构及内衬管网

将此空调服置于气囊服内部进行融合可拆卸，既起到摔倒、跌落、高坠等防护作用，又可以在高温环境下持续作业的目的。从而成功研制了一种智能气囊高坠防护空调服，以安全气囊为设备载体，以控制单元为控制核心，以通讯模块为通信手段，以可视化智慧管理平台为管理系统，并利用太阳能发电的制冷系统为工人提供更加舒适的工作环境，在发生危险情况时实现对工人高坠情况下的智能防护，对高空施工的工作人员提供更有效的安全防护。

当作业人员发生高坠时，控制单元内感应到相关参数可及时通过特定算法进行信号识别，再通过判别模块对危险情况作出判断，触发装置打开气瓶充气，气囊展开，及时作出保护措施。

控制单元判断危险情况的过程分为一级预判、二级终判、三级触发和四级展开4个过程。其中，一级预判为识别装置的信息识别过程，时间控制在100 ms以内；二级终判为智能算法数据处理模块的数据处理过程，时间控制在50 ms以内；三级触发为判别模块的危险判定触发过程，时间控制在50 ms以内，智能防护服结构框架见图4。

图4 智能防护服结构框架

安全气囊在60 ms内完成充气并完全展开，整个触发展开过程严格控制在260 ms以内。

2 试验目的及测试系统组成

为明确防护服的保护效果，量化智能防护服囊袋的消能效应，比较不同囊袋的防护效果。从而设计不同结构、不同厚度的囊袋气室等来满足高坠时的缓冲和吸收冲击力以便达到人体不受伤害地目的，同时标定出各型号智能防护服的防护高度。

试验目的有2个，一是通过多种工况下的现场试验进行观察，穿上智能防护服的假人多次发生高坠后，对身体不同关节、部位的着地次数进行概率分析，即整理出最容易受伤部位。二是通过假人高坠冲击力试验等效转化为瞬态冲击力加载试验（分为测试组和对照组），分析发生高坠后损伤情况。根据上述试验目的，试验方案具体为假人无囊袋高坠试验和假人穿有囊袋测试试验。

模拟采用在假人表面或表面以下一定位置布设传感器来进行信号传导。根据前期了解到的压力传感器的数据传输大多以有线传输为主，少见无线信号的传输。同时考虑到试验时假人的实验次数、传感器的耐冲击力及试验的环境，最后采用采集仪DH8302搭配国外进口的分布式压电传感器和1B108压阻式加速度传感器相结合的方式进行等效简化计算。通过对比实验组和对照组相同工况下囊袋的消能效果，并可以与人体要害部位生理学上的承载能力进行比较，测试系统组成见图5，测试方案见图6。

图5 测试系统组成示意

图6 测试方案

3 试验理论依据

3.1 第一种情形：假人放置于地面，假人身上布设传感器未穿防护服

在施工现场搭设不同高度的试验台，将一定质量的沙袋（沙袋重量近似成年人体重）从试验台沿滑轨自由坠落（假设空气阻力为0，重力加速度g=9.8 m/s2）。以沙袋为研究对象，规定地面以上为正方向，选择假人与沙袋接触面为零势面。沙袋沿滑轨自由下落过程，假人为静止状态，当沙袋撞击至假人上部时，假人没有破损［6］。

沙袋在从测试台一定高度自由坠落后，根据机械能守恒定律可知：

沙袋自由坠落后的末速

沙袋与假人碰撞的过程，沙袋冲击假人时持续的时间为t，对地面假人的冲击力为F，由牛顿第三定律可知，坠落过程沙袋的冲击力与地面假人的冲击力是相互作用力，大小相等，作用方向相反。沙袋冲击假人后末速度：v沙2=0 m/s。

由动量定理可得：

由t1=0 s、t2=t s、v沙2=0 m/s可得：

将式（2）代入式（4）得：

式中，h为试验高度；F为假人所受到沙袋的平均冲击力；t为沙袋冲击假人时持续的时间；m为沙袋的质量；重力加速度g=9.8 m/s2。

3.2 第二种情形：假人放置于地面，假人身上布设传感器，假人穿防护服当沙袋自由下落瞬间，手动触发防护服，点火充气

沙袋沿滑轨自由落体后所具有的重力势能不能全部转换成气囊囊袋的变形能［7］，其中有一部分转换为囊袋的变形能，另一部分通过气囊传递到假人身上，即沙袋的机械能通过囊袋的变形能进行消能外还有一部分变成了假人的破坏能，本试验假人的破坏能可通过传感器采集。此种状态下，E≠E假人，根据能量守恒定律：

当沙袋测试的坠落高度一定，所具备的重力势能一定，假人穿着防护服与不穿防护所受到的冲击不同，当着防护服时，其沙袋坠落的高度大于沙袋到防护服的实测高度，对第二种情形假人着防护服时沙袋的坠落高度进行修正［8］：

式中，h为沙袋与防护服气囊接触后缓冲高度值（由高清摄像机进行拍摄获取慢动作）。

从能量的角度考虑，冲击韧度ak，表示沙袋由一定高度自由落体后，与防护服的囊袋接触后，气囊囊袋的吸收和缓冲能量。

式中，ak为冲击韧度；E为物体具有的机械能；S为高坠后的接触面积。

由此可知：地面假人的冲击韧度与沙袋具有的机械能E成正比，沙袋与囊袋的接触面积S成反比。

作业人员穿着防护服的实际情况，当人体穿着气囊防护服时，当突发意外时囊袋迅速展开后，囊袋会受到空气阻力，囊袋受到空气阻力与展开囊袋的横截面积S成正比，与人体速度成正比［9］。因此，当气囊的表面积越大，坠落时囊袋受到的空气阻力越大。

根据胡克定律：

式中，为指防护服囊袋在冲击力作用下产生的变形；为防护服囊袋受到的冲击力；E为防护服囊袋的弹性系数或者杨氏模量。

4 试验方法及结果

目前，市面上分布式压力传感器的数据传输主要以有线为主。同时，考虑到试验时假人抗摔、传感器耐冲击力及试验成本，综合衡量拟采用压电力传感器并进行等效简化计算。其中试验二所对应的方案中通过对比2组试验相同工况下有囊袋时的消能效果，并可以同试验一得到的关键部位的人体生理学上的承载能力进行比较。试验温度：22~28℃，试验湿度为56%，实验设备见图7。

测试方法如下：

（1）50~90 kg假人无防护服状态下，高坠冲击力等效为50~90 kg，重物从不同的测试高度掉落冲击，测试压力传感器的感应值大小，不同的重物形状尺寸决定接触面积大小。

（2）50~90 kg假人有防护服状态下，防护服充气展开瞬间，高坠冲击力等效为50~90 kg重物从不同的测试高度掉落冲击，囊袋消能后测试压力传感器的感应值大小，且防护服囊袋要全部展开，最大接触面积为半身面积。

本试验加速度数据采用CFC600滤波器进行处理。图7为在一定高度下自由落体冲击有无高坠缓冲气囊服情况下实验的载荷-时间曲线。由图7的数据可以看出气囊服对冲击韧度具有一定的缓冲效果和能量消耗，表明智能气囊防护服在意外高坠事故中可对作业人员起到良好的安全保护效果，具有十分广阔的应用前景。

图7 测试的荷载-时间曲线

5 结论

1）智能高坠防护空调服在意外高坠事故的冲击韧度具有一定的缓冲效果和消耗作用，表明智能气囊防护服可对作业人员起到良好的安全保护效果，具有十分广阔的应用前景。

2）针对不同的作业高度，一级、二级、三级作业高空制定不同型号的智能高坠防护服对作业人的防护效果更佳。选择囊袋织料的抗冲击能力好的新型材料对囊袋的抗冲击力具有良好效果，同时在制作二级作业高空防护服时加大涂料涂层厚度对提高囊袋的抗冲击力有良好的效果。

3）在二级高空作业的防护服采取二级放气设置，可达到良好的保护效果，在触发点火装置设置二次点火装置，气囊充气分两个时间段进行逐级充气，有效避免了因充气瞬间冲击力过大与地面接触造成的二次伤害。

4）在智能防护服的轻量化设计着手，从气瓶、布料、囊袋织料、电气元器件、制冷系统、耐火条件等下功夫，让智能气囊服的内衬变成囊袋、变成制冷衣，变成一件轻便的特种防护服衣，努力让智能气囊高坠防护空调服遍布全球的每一个施工现场，受益于每一位奋战在工程一线的筑梦者。