一种适用于新能源行业智能安全帽的总体设计

一种适用于新能源行业智能安全帽的
总体设计
焦学林，温焜南
(中广核新能源投资 (深圳) 有限公司，广东 深圳 518000)
Overall Design of a Smart Safety Helmet Suitable for New Energy Industry
JIAO Xuelin, WEN Kunnan
(CGN New Energy Investment (Shenzhen) Co., Ltd., Shenzhen 518000,Guangdong Province, China)
〔摘 要〕 针对新能源行业特点，通过在常规安全帽上增加智能扩展结构的方式实现功能，以解决新能源行业安全监管问题。

提出了一种适用于新能源行业智能安全帽总体设计，介绍了设计内容、设计指标，阐述了硬件平台、软件平台的设计思路，描述了成果及应用，提出了结论及不足，为新能源行业设计类似产品提供了参考。

〔关键词〕 新能源行业；智能安全帽；安全监管；硬件平台；软件平台
Abstract :
According to the characteristics of the new energy industry, the smart extension structures are added to the conventional safety helmet to realize its functions, so as to solve the safety supervision problems of the new energy industry. An overall design of a smart safety helmet for new energy industry is presented, the contents and objective of design is introduced, the design ideas of hardware platform and software platform are expounded, the results and applications are described. Meanwhile, the conclusions and shortcomings are put forward, which provides a reference for designing similar products in the new energy industry.
Key words :
new energy industry; smart safety helmet; safety supervision; hardware platform; software platform
中图分类号:TM08 文献标识码:A 文章编号:1008-6226 (2019) 12-0036-06
出现漏洞，容易发生人员伤亡安全事故事件，安全监管技术手段亟待提高。

安全帽作为一种常用的工业安全个人防护劳保用品，在能源行业使用多年。

安全帽在新能源行业同样得到普遍使用，但其本身属于被动个体防护类安全用品，缺少主动安全告警以及智能化功能。

国内电网企业、传统能源企业在各自领域均有一些类似智能安全帽的产品研发及使用，由于其作业特点不同，其与新能源行业特征匹配还是较差。

现借鉴已有类似智能安全帽产品的研发及使用经验，设计并开发一种适用于新能源行业的智能安全帽，可供新能源行业人员使用。

0 引言
受国家环保理念提高、产业技术升级等产业政策引领，新能源行业特别是风电、光伏产业的装机规模发展非常迅猛，截至2018年底全国并网风电累计装机1.84亿kW，年增长12.4 %，并网光伏发电装机1.74亿kW，年增长33.9 %。

面对迅猛发展的新能源行业，作为项目开发企业也面临了一些棘手的安全监管问题。

相对于传统能源行业，新能源行业场站具有单个场站装机规模小、占地面积广、现场安全监管人员少、工程运维外委工序多等特点，安全监管容易
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1 总体设计方案
1.1 设计内容 
结合新能源行业场站特点，选用市场上符合GB/T 2811—2007《安全帽》规范要求的常用安全帽(霍尼韦尔公司H99型)为主体，考虑选用安全帽形状、企业使用成本、调研需求等因数，现提出一种智能安全帽总体设计，其内容如表1所示。

表1 智能安全帽的总体设计内容
项目设计内容
智能扩展
结构选用市场上符合GB/T 2811—2007《安全帽》的成熟安全帽产品，在不改变其主体结构及防护性能基础上，设计开发智能扩展结构
实时定位系统对现场使用人员的室内室外位置进行实时定位，管理软件使用人员能快速便捷地查找到使用人员当前位置、历史轨迹等
近电告警系统根据不同电压等级设置安全防护距离，当使用人员距离小于安全防护距离时自动告警
视频监控系统实时摄录现场环境及作业行为，并将现场画面通过网络传输至服务器，管理软件使用人员可实时监控、查询历史数据
实时通讯系统现场使用人员和管理软件使用人员实时通讯，管理软件使用人员可以对现场使用人员进行实时远程指导智能广播系统管理软件使用人员可以进行区域性的应急广播或系统自动播放安全提示
安全照明系统
当现场环境光线达不到照明安全标准时，可以打开安全照明系统，满足现场环境照明安全
PC 端管理软件在PC 端实现系统管理、场站设置、安全帽管理、平台监控、
统计分析等功能Android 端管理软件在Android 端实现安全帽初始化、安全帽管理、平台监控等功能
考虑场站使用成本和需求，根据不同的设计内容，可将智能安全帽分为以下三种版本开发。

1.1.1 基础版
具备室外定位、智能广播功能，能满足基本户外定位、远程安全监护要求。

1.1.2 定位版
具备室内室外定位、智能广播、近电告警、安全照明功能，能满足狭窄空间、多隔断等环境作业要求。

1.1.3 智能版
具备室内室外定位、智能广播、近电告警、视频监控、安全照明、实时通讯等功能，能满足复杂环境作业要求。

1.2 设计指标 
考虑到现有技术的成熟度，现提出的一种智能安全帽设计指标，如表2所示。

表2 智能安全帽的设计指标
项目
设计指标
智能扩展结构加挂智能扩展结构后，智能安全帽冲击吸收性能、耐穿刺性能、防火性能等符合《安全帽测试方法》(GB/T 2812—2006)规范要求；智能扩展结构外观尺寸会控制在301 mm×261 mm×69.5 mm 以内，加挂智能扩展结构后总重量小于750 g 实时定位系统室外定位误差小于3 m，室内定位误差小于0.3 m 近电告警系统220 V 告警距离0.7～0.9 m，误差不超过15 cm ；10 kV 告警距离1.2～1.8 m，误差不超过15 cm；35 kV 告警距离1.5～2.5 m，误差不超过15 cm；110 kV 告警距离2.5～4.0 m，误差不超过20 cm；220 kV 告警距离4.5～6.0 m，误差不超过20 cm；整体误报率小于5 %视频监控系统分辨率2 592×1 944，清晰度720p，视频历史存储不小于720 h 实时通讯系统延迟率小于500 ms，语音丢失率小25 %
智能广播系统管理软件使用人员可以进行实时区域性的应急广播或系统自动播放安全提示
安全照明系统
不小于600 lm，LED 工作周围温度小于50 ℃
PC 端管理软件PC 端实现系统管理、场站设置、安全帽管理、平台监控、统计分析等功能，满足
2500终端同时在线Android 端管理软件Android 端实现安全帽初始化、安全帽管理、平台监控等功能，满足2500终端同时在线
2 硬件平台设计
2.1 智能扩展结构设计
本设计选取市面上霍尼韦尔公司(Honeywell)H99型安全帽为主体，不改变其主体结构，通过加挂环形智能扩展结构实现功能，使得最终智能安全帽产品冲击吸收性能、耐穿刺性能、防火性能等符合GB/T 2812—2006《安全帽测试方法》规范要求，该智能安全帽的结构如图1所示。

图1 智能安全帽结构示意
智能扩展结构包含内壳体、外壳体组合形成，智能扩展结构上安装有按键指示、WiFi 通信、4G 通信、GPS 室外定位、UWB 室内定位、CPU、电
源管理、LED 照明、扬声器、麦克风等模块，相互之间为电连接。

2.2 硬件系统设计
智能扩展结构硬件原理的设计框如图2所示。

2.2.1 CPU
CPU 采用联发科技(Media Tek.lnc)MT6735，四核ARM Cortex-A53处理器，主频1.3GHz，集成4G LTE，集成WiFi (传输速率433Mb/s、频段2.4/5GHz、支持802.11b/g/n/ac 协议)，集成GPS。

2.2.2 摄像头
摄像头像素500万，视频分辨率2 592×1 944，帧速率30 fps。

2.2.3 室内定位模块
室内定位模块采用北京全迹科技有限公司UT100-AL 基站(4G/WiFi 室内吸顶式)、UT100TA 定位标签、本地版定位引擎实现，定位精度0.3 m。

2.2.4 电池
电池采用深圳市中顺新能源有限公司LP803759产品，锂电池容量2 800 mAh，充电接口采用USB2.0。

电源管理模块采用联发科技(Media Tek.lnc) MT6328。

2.2.5 近电告警模块
近电告警模块采石家庄市华安电力安全设备有限公司生产的YJ-AM-5产品，可提供220 V，10 kV，35 kV，110 kV 及220 kV 五档调节，告警
距离及误差指标满足设计指标要求。

3 软件平台设计
3.1 功能架构设计
软件功能架构设计采用分层设计，如图3所示，包含用户层、网络层、支持层、管理层。

(1) 用户层为智能安全帽，实现图像、声音、视频、定位等信息数据采集，实现声音交互。

(2) 网络层通过Wifi/4G 实现数据传输。

(3) 支持层为服务器，实现数据库管理系统、电子地图、软件管理系统、室内定位引擎、Web 服务系统。

(4) 管理层为PC 端/Android 端管理软件，实现系统管理、场站设置、智能安全帽管理、可视化监控、统计分析等功能。

3.2 PC 端管理软件设计
PC 端管理软件采用Java 语言设计，功能设计如图4所示，主要包含系统管理、场站管理、安全帽管理、平台监控、统计分析。

3.2.1 系统管理
系统管理包含机构管理、角色管理、服务器管理和人员管理。

机构管理中可配置集团、公司及场站，上一级可以查看并管理下级。

角色管理中可以添加用户角色，并对角色配置相应权限。

服务器管理中可分配可用服务器，机构管理员可分组进行详细的服务器设置。

人员管理可对用户进行增删改查，
图2 硬件原理设计框示意
UWB
室内定位
Flash 存储1GB
TF 存储8GB
USB 2.0接口
摄影头麦克风扬声器电源管理模块
LED 安全照明
电池
GPS
室外定位
开关及按键工作状态指示联发科技MT 6735
4G 通信模块
近电告警模块
Wifi 通信模块
CPU
还可以为用户设置指定的角色。

图3 功能架构设计示意
图4 PC端管理软件功能设计示意
3.2.2 场站管理
场站管理包含场站设置、场站管理、室内设置和广播素材。

场站设置可进行电子围栏设置、智能安全帽标定、区域划分、区域标注。

场站管理可设置场站的区域范围，形成电子围栏以便分析智能安全帽和场站电子围栏的关系。

室内设置可上传室内区域平面图，在实时定位时可查看参照位置。

广播素材提供场站广播、区域广播、设备点广播和实时广播四类。

3.2.3 安全帽管理
安全帽管理包含分组管理、信息管理、维修管理、报停管理和租借管理。

(1) 分组管理可以将安全帽分配在不同的组别中，方便区分和查找。

(2) 信息管理可对安全帽信息进行添加、修改。

(3) 维修管理可查看安全帽的维修记录，对维修好的安全帽进行恢复使用。

(4) 报停管理可对安全帽进行报停和信息查询。

(5) 租借管理可对安全帽进行借用申请和归还管理。

3.2.4 平台监控
平台监控包含实时监控、全局监控、轨迹查询、视频监控和指定通信。

(1) 实时监控，将区域中所有安全帽的实时位置信息在地图上显示，若安全帽产生预警则地图标识红色显示。

(2) 全局监控，显示各子系统的报警安全帽数量，可以快速得到各个子系统的报警情况，及时做出全局调控。

(3) 轨迹查询，将安全帽上传的定位信息进行归纳统计，生成安全帽的路径记录，清晰的记录安全帽的运行路径。

(4) 视频监控，可对安全帽的视频进行采集并保存，方便以后查看视频记录，系统下达视频监控命令后安全帽自动启动摄像头。

(5) 指定通信，后台管理人员可随时联系通信安全帽作业人员，可通过安全帽编号、安全帽使用者名字进行筛选，向安全帽发出通信命令。

3.2.5 统计分析
统计分析主要包含巡检记录，根据实际场站得到需求定制巡检记录表，方便数据的采集与汇总。

3.3 Android端管理软件设计
Android端管理软件采用Java语言设计，功能设计如图5所示，主要包含安全帽初始化、用户管理、安全帽管理、平台监控。

图5 Android端管理软件功能设计示意
(1) 安全帽初始化，输入安全帽编码，通过编码匹配安全帽。

(2) 用户管理，实现对企业用户的添加、修改
PC端管理软件
系统管理
场站管理
安全帽管理
平台监控
统计分析
Android端
管理软件
安全帽初始化
用户管理
安全帽管理
平台监控
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或删除，用户信息添加后和安全帽的借用及实时监控进行关联，方便掌握用户作业动态。

(3) 安全帽管理与3.2的安全帽管理功能相同。

(4) 平台监控选取3.2的实时监控、轨迹查询和指定通信3个功能。

4 成果及应用
经过设计开发，硬件成品如图6所示，PC 端管理软件如图7所示，Android 端管理软件如图8所示。

经现场试用、优化调整、批量应用，最终该智能安全帽达到了设计指标的要求。

图6 硬件成品
图7 PC 端管理软件
根据总体设计要求，完成了此种智能安全帽的硬件产品和管理软件开发，通过在新能源行业风电、光伏场站试用和应用，总体效果良好，得到了安全监管人员、一线作业人员的肯定。

根据使用反馈，该智能安全帽还存在一些需要优化、改善的地方：
(1) 智能安全帽偏重，需要对智能扩展结构的材质进行轻量化处理；
(2) 需要与现有安全管理信息系统整合，提高
管理链条延伸；
(3)
需要与后续智慧场站的衔接开发，提升总体的智能化水平。

图8 Android 端管理软件
5 结论
依据市场上符合GB/T 2811—2007《安全帽》的成熟安全帽产品，该智能安全帽在不改变安全帽主体结构及防护性能的基础上，通过增加智能扩展结构及使用软件管理平台，实现实时定位、近电告警、视频监控、实时通信、智能广播、安全照明、后台管理等功能。

该智能安全帽在不增加人力投入
的基础上，达到规范人员安全行为、提醒现场作业人员触电风险、延伸安全监管半径等目的，为新能源行业设备巡视、设备检修、户外作业、带电区域作业、外委人员作业等提供安全监管手段，并为事故事件后期调查、经验反馈等提供技术支撑，在一定程度上解决了新能源行业安全监管问题。

参考文献：
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尔滨工业大学，2017．
8 王忠玉．智能视频监控下的安全帽佩戴检测系统的设计。