基于有毒有害气体混合下的有限空间环境安全监测及预警装置的研究

基于有毒有害气体混合下的有限空间环境安全监测及预警装置的研究

张峰　荣宗林  王玉龙 余晓冬李新强

国网阜阳市太和县供电公司 安徽太和 236600

摘要：为保障供电企业井下有限空间环境内的施工作业人员的人身安全，规范供电企业井下施工作业安全管理要求，文章对供电企业井下有限空间作业现场安全管理规范化管理要求进行了总结和梳理，针对特殊环境下的井下施工作业现场所存在的一些安全风险，文章通过研究设计一种有限空间环境安全监测及预警装置，在传统的头戴式安全帽上增加一些功能模块，将井下有毒气体检验和现场远程管控集于一身，打造出一种多功能型的有限空间环境安全监测及预警装置。装置通过佩戴在井下作业人员的身上，在保障井下施工作业人员的人身安全的同时，实现对现场的安全管控，切实有效提高了监管部门的工作效率。文章通过研究解决了以往井下作业现场安全管理不到位，现场监管工作容易出现死角，有效预防井下作业中毒事件的发生。下文将针对有限空间环境安全监测及预警装置的研制及应用，通过多种功能元素的集成应用，打造出适应未来电网建设发展的智能型电力设备，为供电企业的安全管理工作提供可靠的技术保障。

关键词：安全生产；气体检验；远程管理；安全帽

引言：现阶段，供电企业电缆井、深基坑等有限空间作业日益增加，作业现场点多面广，导致安全监管部门管理难度大，同时井下作业现场因不检测、不通风等违章行为和突发情况造成的有限空间作业人身风险始终存在，这给供电企业的安全生产管理工作带来一定的负面影响。为了防范保护现场施工作业人员的人身安全，监管部门要求下井前必须对井下有限空间进行通风处理，作业人员必须佩戴安全帽，在井上必须指派专门的值守人员通过向井下喊话的方式，及时了解掌握井下作业人员的活动状况，但由于井下作业现场的安全管理工作时间长，容易出现漏洞，如：作业人员摘掉安全帽，井上管理人员离开监管现场，井下作业人员中毒不知晓等，这些给井下作业人员带来一定的安全隐患。文章通过采用全新的设计理念，将井下有限空间作业人员行为画面、语音、生命体征及有毒有害气体参数传输至安全督查中心、生产管控中心、手机APP等平台，实现对有限空间存在的潜在风险进行预警，以便对突发紧急情况采取相应的应急处置措施，切实有效保障作业人员的人身安全，降低有限空间作业人身风险。

一、装置架构设计

文章采用硬件和软件相结合的架构设计，通过借鉴市场上监理用安全帽设计理念，通过增加一些智能化传感及测量模块，研制出一种全新的有限空间环境安全监测及预警装置。

1.在硬件方面：主要有安全帽体和背负式移动基站两大部分组成。

安全帽主要是通过在传统的安全帽外观设计基础上，在前端，帽体内、右侧端设计增加一些功能模块，确保装置在现场的安全防护功能需求得到有效应用，并达到远程管控需求。安全帽前端设计应用补光光源，保障井下有限空间环境内的光线充足，满足施工要求，同时在前端补光灯的上端，设计应用网络摄像云台，全程采集井下作业现场的成像数据。在安全帽外壳体右侧设计应用气体检验模块，通过传感技术的应用，实时检测井下有限空间环境内的气体类别，并触发声光提醒模块提醒。在安全帽体内部设计应用传感模块、通信模块、定位模块、语音扬声器、供电电源模块和其它零部件组成。传感模块实时检测现场作业人员脱帽等违规行为，脱帽即报警提醒；通信模块实时将采集到的信号指令传送到管理终端编译显示，定位模块通过管理后台实现自动引导导航功能；语音扬声器将远程管理人员传递过来的语音进行调节播报；供电电源模块通过锂电池组的设计应用，满足装置在作业现场的日常工作需要；其它控制主板等部分通过组合应用，设计安装到安全帽体内部，确保装置整体运行稳定。

背负式移动基站：装置采用多种通信组合方式，通过应用WIFI+背负式移动基站+4G组网模式，自动匹配连接网络节点，再通过中继信号点对点继传到管理平台。装置自组网应用灵活，无线透传速率高，方便快捷。文章通过背负式设计，佩戴在下井作业人员的背部，通过多点继传，将安全帽体采集的信号实时传递到管理后台，实现对井下移动信号的增益放大，形成多媒体互联互通人机交互工作模式。装置多应用于一些封闭空间环境下使用，可以固定安装使用，也可实现移动安装使用。

2.在软件方面：电脑客户端管理平台及手机APP管理平台相结合的管理模式。

文章通过借鉴图书馆管理信息系统的设计，实现对电脑客户端和手机APP管理平台的设计应用。电脑客户端采用B/S架构，无需通过软件编译设计客户端，使用网页即可实现管理需求，网站维护和升级方便快捷，开发周期短，后期无维护成本。通过电脑客户端的设计应用，井下气体监测数据通过图形显示，综合预警分析功能性强，数据采集存储方便后期管理人员的查询，维护方便快捷，管理部门足不出户即可实现远程管控，通过本地客户端的设计开发，切实有效提高了安全监管部门的工作效率。手机APP管理平台主要采用独立式的Hybrid App开发模式，平台的开发应用兼具良好的交互体验和跨平台开发的优势，使用网页语言，开发成本和难度大大降低，软件开发后通过下载安装到手机端，实现对井下施工作业现场现场的移动式管理，大大提高了管理人员的工作效率。

二、装置技术性能分析

文章通过整体架构的设计，通过一体化的集成式设计和多种功能元素的融合，在确保井下有限空间环境下作业人员人身安全的同时，实现对井下封闭空间环境内的现场图像传递，保障井下有限空间环境内的人员作业安全。下文针对安全帽体功能装置方面的技术性能进行解读，确保装置的安全稳定运行。

1.信号传感部分

文章通过在安全帽体内部设计应用光电传感器，信号的采集推送速度设计＜1秒，感应成功率100%，能快速精准感应人体信号。针对脱帽报警，及时发现并提醒，满足装置的设计需求。

2.气体检验部分

文章通过气体检验模块的设计应用，有害气体检验种类达到4类，检测速度＜1秒，模块即测即报警。

3.数据传输

文章通过采用WIFI+背负式移动基站+4G网络组网模式，WIFI传输速率最高可达100兆，而背负式移动基站点对点峰值带宽可达82Mbps，4G网络速度可达10-100Mbps，背负式移动基站实现全双工双向数据传输，全IP透明数据传输模式。

4.网络摄像头

文章通过在安全帽体前端设计采用网络摄像头，摄像头光谱频率380～750THz，摄像头波长400～780nm，满足视频成像镜头光谱频率650THz和波长680nm设计要求。

5.卫星定位

文章通过在安全帽体内部设计应用北斗卫星定位模块，实现全天候、全天时为各类用户提供高精度定位服务功能，模块可靠性强，具备定位、导航、授时服务及短报文通信能力，模块定位精度达分米、厘米级别，测速精度0.2米/秒，授时精度10纳秒。模块安全性高、定位快速精准，通过与手机APP管理平台组合应用，满足模块的定位引导设计需求。

6.声光报警

文章在安全帽体前端设计应用的发光灯源主要采用白色发光体二极管，单体工作电流小于20毫安，气体检测模块采用红色发光体二极管，其单体工作电流小于20毫安。蜂鸣器音量＞100分贝，满足对现场作业人员提醒功能需求。

7.供电保障

文章通过采用可充电锂电池的设计应用，续航能力达8小时，充放电次数最高可达3000次，满足装置日常工作需求。锂电池安全防爆效果好，日常使用性能稳定。

三、推广应用

文章通过对基于有毒有害气体混合下的有限空间环境安全监测及预警装置的研究及应用，实现对电缆井、深基坑等井下作业现场的高效管控，大大提高了供电企业的安全生产管理水平，现阶段，在国内外市场上尚属首例。装置在行业内推广性较强，可在井下施工作业现场进行广泛推广应用，后期可推广应用于其它行业领域，实现其社会价值。

四、结束语全文通过对井下施工作业现场的高效管控，大大了供电企业安全监管部门的工作效率，文章从管控装置的整体架构设计出发，通过对传统的安全帽进行功能组合优化，实现对井下有限空间环境内的有毒有害气体检验效果，解决了井下施工作业现场安全管控不到位、安全管控辅助装置技术不达标的难题，为供电企业的安全生产保障提供了可靠的技术支撑。

作者简介：

张峰，1979年08月，男，汉族，本科，工程师，就职于国网太和县供电公司；

荣宗林，1988年01月，男，土家族，本科，工程师，就职于国网太和县供电公司；

王玉龙，1970年03月，男，汉族，大专，助理工程师，就职于国网太和县供电公司；

余晓冬，1972年12月，男，汉族，高中，助理工程师，就职于国网太和县供电公司；

李新强，1974年07月，男，汉族，大专，助理工程师，就职于国网太和县供电公司；