一种高空作业智能安全带装置的研制.pdf

中国科技期刊数据库 工业 A 收稿日期：2023 年 12 月 22 日 作者简介：蔡英澜（1994），女，河南焦作人，助理工程师，从事变电二次设备技术研究工作。-103-一种高空作业智能安全带装置的研制 蔡英澜 倪惠浩 周中华 广东电网有限责任公司江门供电局，广东 江门 529000 摘要：摘要：本文介绍了一种新型的高空作业智能安全带装置，该装置具有监测报警、声光提醒和数据记录功能。它能够有效地监测和提醒高空作业人员正确使用安全带，提高高空作业的安全水平。通过监测两条安全带（腰绳后备绳）的扣挂与解扣动作来判断作业人员的动作是否正确。装置内部设置传感器，能够检测安全带的扣挂状态，并通过算法判断出扣挂动作。同时，装置还具有声光提醒功能，能够及时提醒作业人员扣挂或解扣。此外，装置还可以记录作业过程中的相关数据，为后续的分析和改进提供依据。本文将详细阐述该装置的设计背景、工作原理、硬件组成、软件设计和应用效果等方面的内容。关键词：关键词：高空作业；智能安全带装置；监测报警；声光提醒；数据记录 中图分类号：中图分类号：TP391 0 引言 高空作业是指在较高位置进行的作业活动，如建筑业、电力业、石油化工等行业都需要进行高空作业。GB/T3608-2008高处作业分级规定,作业高度达到2m(包括 2m)、有可能存在坠落风险的，称为高处作业，当进行高处作业时必须严格正确佩戴及使用安全带。安全带是用来保护高空及高处作业人员人身安全的重要防护用品之一，正确使用安全带是防止现场高空工作人员高空坠落伤亡事故、保证人身安全的重要措施之一。根据广电安202256 号文件关于下大力气整治三类严重违章的通知指示，网省公司查处多起严重违章，突出集中的一类违章行为就是“高处作业未系安全带，直接威胁作业人员生命安全，正确使用安全带及安全带状态监测是防止高空作业人员跌落伤亡事故的重要举措。目前网省公司多次发文强调管理要求，仍然无法杜绝和直接查处现场人员不按要求系安全带的行为，无法杜绝工作中坠落的人身风险。近期网省公司、地市局各层级安全督查情况通报显示仍频发，输、变、配各工种高空作业场景均出现失去安全带保护违章问题。为防止高空坠落事件的发生，应严格按照安规相关规定，正确佩戴及使用安全带，严格遵守“高挂低用”、“一步一扣要求。在进行高处作业频繁水平移动时，操作人员需保证双钩安全带依次转移挂钩来保障转 移过程安全性，操作人员长时工作时，易存在将挂钩同时取下进行水平转移位置情况，操作人员未意识到操作失误，若监护人员未及时发现提醒，此情况存在较大安全风险，甚至可能造成坠落事故的发生。然而传统的安全带使用方式存在一些问题，如无法监测作业人员的动作是否正确、无法提醒作业人员及时扣挂或解扣等。高空作业中，如恶劣天气进行高空露天作业、未栓挂牢固、未正确佩戴安全带、未低挂高用和未能一步一扣等均可能导致安全事故发生，因此高空作业安全带使用状态监测、实时报警等成为保障高空作业人员生命安全的亟待解决的问题。为解决这些问题，本研究设计了一种高空作业智能安全带装置，旨在提高高空作业的安全水平。图 1 无法杜绝不按要求系安全带行为 1 研究现状 传统安全带对于预防安全事故发生的主要设计集中国科技期刊数据库 工业 A-104-中在加强产品自身强度结构等方面，对于安全带使用过程中的状态、使用环境未能进行有效监测，不具备监测报警、声光提醒和数据记录功能功能。在实际高空作业情况下违规使用安全带造成高空坠落事故中占比相当大，随着科技的不断发展，各种监测模块、告警模块等应用在高空作业领域，目前市面所研制的智能安全带是对现有的传统安全带的改进创新，大多只是将单一的监测功能和传统安全带相结合，各种监测设备独立运行，操作繁琐，不能进行监测告警数据上传一体化，未能发挥智能安全防护的最佳效果。朱国福等提出了一种基于传感技术的防失误智能报警安全带，将安全带设计为具备对物体有检测功能的便携式安全带，正在使用的安全带当检测到未系挂在构件上时发出异常报警，并锁定其中一只挂钩而无法打开，实现对高处作业人员的保护，能够有效防止作业人员在作业过程中因误操作而造成的高处坠落安全事故1。冯志珍等针对电力检修工作人员安全带规范问题,基于MaskR-CNN算法提出了一种新型高空作业安全带低挂高用违规检测算法，实时高效率完成作业者安全带违规检测问题2，但电力高空作业场景与工地场景有所不同，安装监控设备成本较高且难以维护，通常需要借助无人机搭载高清摄像头进行监控管理。吴烈凡等提出了一种基于计算机视觉的自动安全带穿戴检测则有效替代安全员人工监督的解决方案3，但其面向的是普通施工作业场景，对于电力作业场景下的使用具有一定局限性。蔡鑫等提出了一种可收束的安全带后备保护绳的研制，该装置能自动收束多余长度的后备保护绳，避免不停电电塔上作业后备绳下垂导致的安全距离不足的隐患，其收束功能在增强不停电作业安全性、降低高空坠物风险以及提高收纳整理便捷性方面具有积极意义4。目前所提出的智能安全带未能实现高度监测和提醒高空作业人员两条安全带（腰绳后备绳）交替“扣挂与“解扣”动作，正确执行“一步一扣要求，因此本研究设计了一种具有监测报警、声光提醒和数据记录功能的高空作业智能安全带装置，真正实现科技保安，提高高处作业的人身安全系数。2 高空作业智能安全带装置设计 2.1 技术原理 本项目研制的一种高空作业智能安全带装置，由霍尔传感器、单片机、锂电池、存储器等器件组成，该种智能安全带（腰绳后备绳）扣接处分别安装霍尔传感器，当现场高处作业人员用手按压扣接处做扣接动作时，会触发传感器的动作变位，单片机内写有逻辑程序，当触发任何一个传感器动作变位以后，就必须保证两条安全带（腰绳后备绳）至少有一个扣接处为“扣上”状态，否则安全带装置将会发出报警声音和记录数据，现场监护人员可对高空作业人员进行及时提醒纠正违章行为。使用智能安全带装置的行为数据会实时记录保存于装置的存储器内，可供日后提取相关行为数据，能在线监测高处作业人员两条安全带交替“扣挂与“解扣”动作，正确执行“一步一扣。2.2 整体结构设计 研制一种通用型的高空作业智能安全带装置，作业人员到达指定高度后智能监测作业人员应使用安全带，使用安全带进行高空作业时，记录并监护作业人员安全带挂钩的使用情况，设计方案结构图如下：图 2 智能安全带装置设计结构图 2.3 设计方案（1）高空作业开始前，当作业人员在地面将磁性腰带插入卡扣处，霍尔传感器闭合，人员主动启动智能安全带装置，安全带进入工作模式，同时挂钩上的激光传感器和气压传感器启动。（2）爬升过程中，作业人员爬升到指定高度 2 米时，安全带监测功能智能启动，蜂鸣器提示作业人员使用安全带挂钩，存储器同时记录挂钩使用情况。图 3 智能安全带腰带组成 中国科技期刊数据库 工业 A-105-（3）2m 高度以上时，当作业人员用手按压扣接处做扣接动作时，会触发霍尔传感器与压力传感器的动作变位，若两条安全带（腰绳后备绳）只一个挂钩扣接处是“扣上”状态，安全带装置将会发出提醒声音 10 秒。（4）高空作业过程中，当两个挂钩同时打开时，蜂鸣器发出声光报警提示音 10 秒，两个挂钩未进行扣接动作会被记录违规行为数据，现场监护人员可对高空作业人员进行及时提醒纠正违章行为。（5）高空作业完成后，下降时，若两条安全带（腰绳后备绳）只一个挂钩扣接处是“扣上”状态，安全带装置将会发出提醒声音 10 秒，同时激光传感器与气压传感器进行高度测量，降到指定高度 2 米时，不再进行报警和数据记录，直至工作人员解开安全带，完成工作。图 4 智能安全带挂钩组成（6）智能安全带装置主机采用可充电式锂电池，工作记录可通过蓝牙导出至手机平台 APP。2.4 功能模块 高空作业智能安全带装置主要由四个模块组成：传感器模块、控制模块、声光提醒模块和数据记录模块。该装置通过监测安全带的扣挂状态、控制声光提醒模块、记录作业过程中的相关数据，实现了对高空作业安全的全方位保障。（1）传感器模块：传感器模块是高空作业智能安全带装置的核心组成部分之一，主要用于监测安全带的扣挂状态。该模块采用了霍尔传感器的工作原理，当安全带正确扣挂时，霍尔传感器能够感知并传递信号给控制模块，从而判断安全带的扣挂状态。同时，为了延长电池使用寿命，该装置通过优化电路设计和选用低功耗元件，实现了在保证工作效果的同时降低能耗。（2）控制模块：控制模块是高空作业智能安全带装置的大脑，它负责处理传感器信号、判断扣挂动作，并控制声光提醒模块和数据记录模块。控制模块采用了先进的微处理器和嵌入式系统技术，能够高效地处理各种信号和数据。当传感器模块传递的信号表明安全带未正确扣挂时，控制模块会及时控制声光提醒模块发出提醒信号，同时记录相关数据。（3）声光提醒模块：声光提醒模块由声音和灯光提醒装置组成，用于提醒作业人员扣挂或解扣。该模块采用了高音喇叭和 LED 灯光，能够在合适的时候发出清晰、明亮的声音和灯光信号，从而引起作业人员的注意。同时，为了方便使用，该装置还设置了不同的提醒方式，可以根据实际需要进行选择和设置。（4）数据记录模块：数据记录模块是高空作业智能安全带装置的重要功能之一，它记录了作业过程中的相关数据，包括时间、地点、扣挂与解扣状态等。这些数据可以用于后续的分析和改进，帮助企业和监管部门更好地掌握高空作业的安全情况。同时，为了方便使用和传输数据，该装置还设置了 USB 接口，可以将数据导出并进行分析和保存。综上所述，高空作业智能安全带装置通过四个模块的协同工作，实现了对高空作业安全的全方位保障。它不仅监测了安全带的扣挂状态、控制了声光提醒模块、记录了相关数据，还采用了先进的传感器技术和嵌入式系统技术，实现了对工作状态的准确监测和及时提醒。这些功能不仅可以有效提高高空作业的安全性，还可以帮助企业和监管部门更好地掌握高空作业的安全情况，及时发现并解决问题。该智能安全带装置的软件设计主要实现以下几个功能：监测传感器信号，判断安全带的扣挂状态；控制声光提醒模块，根据判断结果及时提醒作业人员扣挂或解扣；记录作业过程中的相关数据，可以通过 USB接口导出数据进行分析和改进。该高空作业智能安全带装置具有如下特点：（1）通过霍尔传感器进行工作状态确认，可延长电池使用寿命。中国科技期刊数据库 工业 A-106-（2）使用激光传感器和气压传感器进行高度测量，测量精度准。（3）采用霍尔和压力传感器对挂钩进行双重监测，准确判断挂钩状态。（4）行为数据实时记录保存于装置存储器内，可在线监控和后期提取。（5）工作记录蓝牙传输，减少硬件传输对安全带的损耗。（6）违规事件声光报警，可及时提醒高处作业人员及监护人员，全过程智慧管控，避免安全事故发生。3 技术优势及应用前景 该智能安全带装置在实际应用中取得了良好的效果。通过监测和提醒高空作业人员正确使用安全带，有效提高了高空作业的安全水平。同时，数据记录功能也方便了对高空作业过程的管理和分析。该装置具有结构简单、设计合理、使用方便等特点，为高空作业的安全保障提供了新的解决方案。本装置具有如下技术优势：（1）具备安全可靠、实用美观的智能控制器件，可内置于电力系统作业所用标准安全带。（2）作业安全监测报警、声光提醒功能设计。（3）具有行为数据会实时记录与远程传输功能，可在线监控和后期提取。（4）经久耐用耐摔、操作便捷，符合国家对安全防护用品标准要求。（5）全过程智慧管控高处作业人员的安全作业，真正实现科技保安。一种高空作业智能安全带装置，能监测和提醒高空作业人员两条安全带（腰绳后备绳）交替“扣挂与“解扣”动作，正确执行“一步一扣要求，从技术层面保证管理要求可落地执行，提高人身安全水平，真正实现科技保安，提高高处作业的人身安全系数，利用科技创新实现本质安全。本装置方案在江门供电局输电、变电、配电的高空作业场景试点应用，通过在各类高处施工作业中使用，现场实际验证了该装置方案的可靠性，可进一步推广应用。图 5 本质安全示意图 4 结语 本文介绍了一种高空作业智能安全带装置的研制过程和设计理念。该装置具有监测报警、声光提醒和数据记录功能，能够有效提高高空作业人员的安全水平。通过实际应用表明，该装置具有结构简单、设计合理、使用方便等特点，为高空作业的安全保障提供了新的解决方案。未来将继续优化和完善该装置的性能和应用范围，为高空作业的安全保障做出更大的贡献。参考文献 1朱国福,孙立国,王聪智.基于传感技术的防失误智能报警安全带的研究J.电工技术,2023(18):32-34.2 冯 志 珍,张 卫 山,郑 宗 超.基 于 Mask R-CNN 的 高 空 作 业 安 全 带 检 测 J.计 算 机 系 统 应用,2021,30(03):202-207.3吴烈凡.基于卷积神经网络的高空作业安全带识别与检测J.现代计算机,2021,27(24):124-130.4蔡鑫.一种可收束的安全带后备保护绳的研制J.机电信息,2023(21):51-53.