收稿日期：2023-07-11
DOI：10.19850/j.cnki.2096-4706.2024.05.036
摘" 要：近年来，煤化工企业依然存在各种零碎事故频发的问题，为了提高煤化工企业安全生产管理水平，需要利用信息化技术为安全生产提供技术保障。因此，文章提出了一种适用于煤化工检修作业环境的安全卫士系统，可对现场检修作业人员起到很好的监督保护作用，大幅降低安全事故的发生概率，有效提高煤化工企业的现场作业效率和安全管理水平。
关键词：智能安全帽；煤化工企业；安全生产管理；安全管理系统
中图分类号：TP315" " 文献标识码：A" 文章编号：2096-4706（2024）05-0167-05
A Safety Guard System Suitable for Overhaul Work Environment in Coal Chemical Industry
SONG Zidong， WANG Tao， XU Haidong， CHEN Zhenyu， LIANG Yinchan
（Information Technology Center of Ningxia Coal Industry Co.， Ltd.， CHN Energy， Yinchuan" 750011， China）
Abstract： In recent years， coal chemical enterprises still face the problem of frequent occurrence of various sporadic accidents. In order to improve the safety production management level of coal chemical enterprises， it is necessary to use informatization technology to provide technical support for safety production. Therefore， this paper proposes a safety guard system suitable for overhaul work environment in coal chemical industry， which can effectively supervise and protect on-site overhaul operator， significantly reduce the probability of safety accidents， and effectively improve the on-site operation efficiency and safety management level of coal chemical enterprises.
Keywords： smart safety helmet; coal chemical enterprise; safety production management; safety management system
0" 引" 言
近年来，随着煤化工安全生产保障设施的不断完善及安全管理手段的不断提升，绝大部分重大安全事故得以杜绝，但是依然存在零碎事故频发的问题[1，2]。特别是在煤化工罐体安全检修中，罐体内大概率存在能伤害人体危险气体，而通信信号被罐体隔绝导致无法远程监控安全检修人员状态及作业环境，是煤化工安全生产保障的一个盲区[3，4]。
安全帽是煤化工企业员工不可或缺的一种保护工具，主要功能是减少或降低不利外界因素对人体头部的伤害。随着行业的不断发展，对安全的不断重视，市场需求对传统煤化工用安全帽提出了新的要求，在原有的保护功能基础上，以外挂方式增加由各种智能化模块组成的煤化工用安全卫士头戴装置[5]，代替各种独立的影、音、照明、传感等设备，可以解放双手，减少设备的多样性，降低生产维护成本，满足煤化工行业对检修作业现场环境和管理的特殊要求。同时系统设计一种便携式化工类防爆基站，能够根据罐外通信信号情况，只能中继和调制合适制式及频段的通信信号至罐内，解决罐内信号盲区问题，使得安全检修人员状态及作业环境能够被远程监控[6]。
1" 总体设计方案
本文设计和开发的煤化工安全卫士系统适合在煤化工特殊防爆环境下使用，使用场景主要为煤化工作业及维修现场，特征为有二类区域防爆要求，部分场景（如罐体内无无线信号覆盖），背景噪音尤其大，有有害气体存在的可能（一氧化碳/硫化氢）。根据以上使用场景特点，需要主体设备设计的本质安全以便防爆场景使用，提供便携式基站进行信号转发及覆盖以用于无信号覆盖的使用场景，收音设备需要具备抗噪功能，提供有害气体及生命监测及报警功能保证人员安全，提供便携式视频记录仪以实时回传作业场景视频[7]。
如图1所示，煤化工安全卫士系统由智能头戴装置、多功能监测仪、便携式视频记录仪、便携式基站、公有/私有云服务及调度指挥平台组成。
多功能监测仪通过蓝牙和智能头戴装置连接及数据转发。智能头戴装置及便携式视频记录仪室外有通信信号覆盖情况下，通过GPS/北斗进行定位，通过运营商公网（3G/4G/5G）或者Wi-Fi网络和云端进行通信。
图1" 煤化工安全卫士系统结构图
在室内且没有通信信号覆盖情况下，便携式基站提供UWB定位信号覆盖及无线通信信号覆盖，智能头戴装置和便携式视频记录仪通过UWB信号进行定位，通过便携式基站的无线通信信号向外通信，便携式基站的接收天线外拉至有无线信号区域或者有线接入以太网，通过运营商公网（3G/4G/5G）或者以太网和云端通信。
如图2所示，调度指挥平台通过以太网和云端进行通信，获取现场视频、图像和传感器数据，并可以连接智能头戴装置和便携式视频记录仪和现场进行实时语音视频通信。
2" 各模块技术方案
2.1" 智能头戴装置
如图3所示，智能头戴装置由中控主板、Wi-Fi/3G/4G/5G/蓝牙数据数据传输模块、摄像模块、脱帽监测模块、UWB精确定位模块、GNSS定位模块（GPS/北斗）、抗噪扬声器、抗噪收音器、电源管理模块、电池、LED照明模块组成。其中，Wi-Fi/3G/4G/5G/蓝牙数据传输模块、摄像模块、脱帽监测模块、UWB精确定位模块、GNSS定位模块、左抗噪扬声器、抗噪收音器均接入中控主板，通过中控主板供电，实现控制及数据中转传输。
Wi-Fi/3G/4G/5G数据传输模块可将视频、语音及传感数据通过无线通信和云端交互。人员在室外时，GNSS定位模块接收卫星数据实现定位，在室内时，UWB精确定位模块通过和便携式基站进行信号飞行时间测定，计算使用人在室内环境中相对于便携式基站的精确位置。抗噪麦克风部分采用双麦降噪，通过物理及算法差分以确保在现场嘈杂特殊环境中高通话质量。摄像模块使用星光级低照度高清摄像头，可保证在昏暗的环境中进行视频/图像的摄取，内置DSP芯片提高视频通话质量和图片采集的清晰度。脱帽监测模块监测作业人员是否按在作业区域规定佩戴安全帽，如在作业区域没有监测到安全帽被佩戴，智能头戴装置会本地报警并发送报警信息至云端。
电源管理模块管理电池的充放电，电池采用具有防爆证书的防爆锂电池，电源管理模块中的电池保护板输出具备两级本安栓，并且根据防爆要求提供串限流电阻及保险做第三级保护。电源管理模块给中控主板供电并接收中控主板的控制信号。LED照明模块直接和电源管理模块连接，并通过单独的开关控制开闭，可为使用者在昏暗甚至无光作业环境中提供明亮、稳定的光源，具备三级照明模式。
2.2" 便携式视频记录仪设计
如图4所示，便携式视频记录仪和智能头戴装置设计基本相同，只是没有脱帽监测模块，定位和通信原理也和便携式视频记录仪一致。
2.3" 便携式基站设计
如图5所示，便携式基站由电源组件，定位组件，通信组件三部分组成。
电源组件包括电源管理模块和电池，电池采用具有防爆证书防爆锂电池，电源管理模块管理电池的充放电，电源管理模块中的电池保护板输出具备两级本安栓，并且根据国家煤矿Ⅱ区防爆要求提供串限流电阻及保险做第三级保护，电源组件给定位组件和通信组件供电。
定位组件由GNSS天线，GNSS定位模块，定位控制器，UWB定位模块及UWB天线组成，GNSS定位模块和GNSS天线连接接收定位卫星信号，UWB定位模块和UWB天线通过测量信号飞行时间，计算便携式视频记录仪和智能头戴装置相对于便携式基站的精确位置，定位控制器通过定位卫星信号确认便携式基站定位数据，再根据视频记录仪和智能头戴装置相对于便携式基站的精确位置计算出视频记录仪和智能头戴装置定位数据，然后把结果发送给通信组件中的通信控制器。
通信组件由数据传输模组、信号分析模组、通信控制器、SDR软件无线电模组组成、DAC/ADC模块、模拟射频接收机/发射机及宽频天线组成。数据传输模组支持Wi-Fi/3G/4G/5G/以太网数据传输，通过外置天线或者有线方式连接通信网络。数据传输模组接收到的信号通过信号分析模组进行分析，确认通信制式和频率，信号分析模组包括信道模拟器、信号识别、同步解调、PCI/SRIO、数字下变频、数字信道化、基带预处理和PCIE/RapidIO八大功能单元。信号分析模组解析后的信号传递给通信控制器，由通信控制器决定即将转换为的室内覆盖信号模式和信道。解析后的信号和通信控制器的转换指令接着传递给SDR软件无线电模组，SDR软件无线电模组由资源分配控制器、DSP数字信号处理、FPGA现场可编程门阵列、SPU钻用处理单元及GPP通用处理器组成，SDR软件无线电模组将信号按通信控制器的转换指令进行转换，按新的信号模式和频率进行输出。SDR软件无线电模组的信号通过ADC/DAC转换后发送给模拟射频接收机/发射机，模拟射频接收机/发射机工作频率200～5 000 MHz，最后由宽频天线进行补盲信号覆盖。
2.4" 多功能监测仪设计
多功能监测仪通过蓝牙和智能头戴装置连接，提供温度，H2S，CO和O2四种环境参数的监控，监控数据通过智能头戴装置进行数据转发，一旦参数超限，多功能监测仪本地声光报警，并传递报警信号给云端，调度指挥中心也会通过云端自动下达远程监控指令远程打开智能头戴装置的摄像头、麦克风和喇叭，了解现场环境情况，对作业人员下达应急指令。监测功能界面如图6所示。
3" 系统特点
目前大部分公开的智能安全帽，虽然将各种信息化功能和安全帽集成在一起，但是信息化设备不可拆卸，然而在煤化工行业里安全帽有18个月强制报废规定，信息化部件价值远大于安全帽本身，寿命也远不止18个月，这样会造成极大浪费。有一些安全帽支持拆卸，但是没有信息化功能（如语音、视频、传感等），无法向指挥平台传递现场信息。还有一些安全帽具备可拆卸的智能罩，可以通过GPS或者北斗进行室外人员定位，通过Wi-Fi或公网通信，但是没有的室内定位解决方案，没有配套的通信盲区应急通信手段，无法适应煤化工室内无信号覆盖的场景应用[8-10]。
目前煤化工行业使用的安全帽，仅仅提供了安全防护功能，其他的智能安全帽方案，要么不可拆卸，要么没有室内定位及盲区应急通信解决方案，且所有的方案不足之处在于没有考虑到煤化工使用场景的特殊防爆要求，不是本质安全的，在煤化工防爆场景无法使用。本文设计和开发的煤化工安全卫士系统适合在煤化工特殊防爆环境下使用，该系统有以下几个特点：
1）系统中安全卫士头戴装置及便携式基站整体结构及电路设计符合国标GB3836.2本质安全要求，可用于煤化工特殊防爆环境。
2）便携式基站利用先进的软件无线电及通信信号处理技术，智能分析外界有效通信信号种类及频率，将其延伸覆盖至无信号区域，解决了罐体维修等作业场景的信号盲区问题。
3）安全卫士头戴装置将照明、语音通话及集群对讲、听力保护、室内及室外定位、照相及视频摄录、脱帽监测等功能模块融于一体，减少了工人作业需携带设备数量，解放双手，降低生产维护成本。
4）安全卫士头戴装置使用可拆装设计，可灵活配置于各类安全帽之外。
5）系统利用Wi-Fi/3G/4G/5G/以太网实现云端的语音、视频及数据的采集、传输与存储。
4" 结" 论
煤化工行业各类零碎的安全事故偶有发生，给企业的社会责任和担当带来了负面影响，目前安全事故主要集中在单岗及零星作业人员，本文所设计的系统可对单岗及零星作业人员起到很好的监督作用，有效杜绝厂区作业人员危险和违规行为，大幅降低安全事故的发生概率，通过该系统在煤化工企业的推广应用，企业安全效益和社会效益将得到显著提升。同时，该系统可提高现场作业人员的工作效率，减少一定的人工成本，可以为企业实现利润的提升。因此，该系统在煤化工行业的推广应用，对于相关企业具有重要的社会效益、安全效益和经济效益。本文设计和研发的煤化工安全卫士系统将实现煤化工行业安全管理模式由过去的人防和制度管理模式逐步向技防模式转变，煤化工厂区作业由人与人之间的协作变为人与人及智能管理系统之间的协作，由经验走向智能、由单一走向协同，将有效的提高煤化工企业的生产效率和安全管理水平。
参考文献：
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作者简介：宋紫东（1993.08—），男，汉族，宁夏银川人，工程师，硕士研究生，主要研究方向：煤化工信息化技术。
