基于人體體征的帶電作業(yè)安全預(yù)警系統(tǒng)試驗研究

隆晨海，楊淼，李金亮，李文波，熊子萱

(1.國網(wǎng)湖南省電力有限公司電力科學(xué)研究院，湖南長沙410007；2.國網(wǎng)湖南省電力有限公司永州供電分公司，湖南永州425000)

隨著我國電網(wǎng)的建設(shè)和發(fā)展，帶電作業(yè)技術(shù)在電力系統(tǒng)的安全可靠運行和提高經(jīng)濟(jì)效益方面發(fā)揮著越來越重要的作用[1-2]?？紤]到帶電作業(yè)中事故頻發(fā)，時刻威脅到作業(yè)人員的生命安全，因此帶電作業(yè)安全防護(hù)成為帶電作業(yè)技術(shù)開展的關(guān)鍵[3-4]。目前安全防護(hù)主要依靠屏蔽服，然而屏蔽服對于人體來說是一個封閉的環(huán)境，當(dāng)作業(yè)人員身穿屏蔽服進(jìn)行帶電作業(yè)時，由于代謝量、出汗量增加，屏蔽服內(nèi)環(huán)境的溫度和濕度都會升高，同時人體也將產(chǎn)生一系列的生理反應(yīng)，易使工人們感到疲勞、乏力、意識模糊，很難集中精力認(rèn)真工作，帶來安全問題，從而增加帶電工作現(xiàn)場事故發(fā)生的概率。

文獻(xiàn) [5-8]針對電場強(qiáng)度以及轉(zhuǎn)移電流等屏蔽防護(hù)參數(shù)對輸電線路帶電作業(yè)人員的安全防護(hù)進(jìn)行相關(guān)研究；文獻(xiàn) [9-11]主要是對不同電壓等級輸電線路作業(yè)人員進(jìn)出等電位方式以及最小安全距離等進(jìn)行相關(guān)研究?？梢娨延械膸щ娮鳂I(yè)安全防護(hù)均只考慮了電場、電流等參數(shù)變化對人體造成的影響，而忽略了因封閉的屏蔽服使人體體征變化帶來的影響。在傳統(tǒng)的人體體征的溫度測量方式中，已有文獻(xiàn) [12]運用溫濕度傳感IC和人體心肺功能測定儀等先進(jìn)手段，在實際穿著條件下，對主觀熱感覺和各種客觀變量進(jìn)行試驗測定，并建立了著裝人體熱感覺預(yù)測模型；文獻(xiàn) [13]考慮到直腸溫度數(shù)據(jù)在實際極端熱環(huán)境現(xiàn)場很難測量，采用易測量的口腔溫度值代替直腸溫度，提出新生理熱應(yīng)力指標(biāo)來分析人體的熱耐受力。但因帶電作業(yè)環(huán)境的測量局限性，這些已有傳統(tǒng)的體征測量方案不能適應(yīng)帶電作業(yè)的發(fā)展的需求，因此迫切需要建立一種適用于帶電作業(yè)中人員自身安全預(yù)警方法及系統(tǒng)，以避免帶電作業(yè)中安全問題的發(fā)生。

本文提出了基于多特征參量融合的人體健康安全指標(biāo)智能算法，研發(fā)了人體體征安全預(yù)警系統(tǒng)及裝置，并通過試驗研究了該裝置的功能性以及在高壓電場的環(huán)境中是否滿足帶電作業(yè)實際生產(chǎn)需求并給出明確結(jié)論。該系統(tǒng)裝置對預(yù)防或減少帶電作業(yè)人身傷害等事故發(fā)生具有一定工程應(yīng)用價值。

1 系統(tǒng)理論研究

1.1 人體狀態(tài)評價參數(shù)

國內(nèi)外眾多專家進(jìn)行的廣泛研究表明，對人體熱舒適來說，有6個主要影響因素，其中與環(huán)境有關(guān)的有4個因素:空氣溫度、速度、濕度及環(huán)境平均輻射溫度；與人有關(guān)的有2個因素:人體代謝率 (活動量)及服裝熱阻[14]。針對帶電作業(yè)環(huán)境中的人員，由于屏蔽服內(nèi)無空氣流速和環(huán)境輻射，且服裝熱阻基本為常量，所以只考慮屏蔽服內(nèi)環(huán)境的溫度和濕度，而人體代謝率可用體溫和心率表征?？紤]到測量的實際條件，由于數(shù)據(jù)采集裝置內(nèi)置于屏蔽服內(nèi)且只能在人體外部進(jìn)行測量，所以評價參數(shù)選取人體皮膚溫度 (胸部)、人體心率、屏蔽服內(nèi)環(huán)境溫度、屏蔽服內(nèi)環(huán)境濕度，如圖1所示。

人體體溫分為核心溫度和體表皮膚溫度，核心溫度通常用直腸溫度和口腔溫度表征，但由于帶電作業(yè)環(huán)境中測量的局限性，無法實現(xiàn)測量核心溫度，本系統(tǒng)使用皮膚溫度 (胸部)作為評價參數(shù)。表1給出了人體皮膚溫度與人體感覺的關(guān)系，一般認(rèn)為人體感到熱舒適時的皮膚溫度在28～34℃之間，皮膚溫度為34.5～35.5℃是出汗的臨界溫度，當(dāng)皮膚溫度升高至38℃時，熱病的發(fā)生率也就升高。

圖1 人體狀態(tài)評價參數(shù)的選取

表1 人體皮膚溫度與人體感覺的關(guān)系

心率參數(shù)由于對溫度變化感應(yīng)靈敏、易于測量且測量耗時短，因此被廣泛應(yīng)用于評價熱環(huán)境中的人體狀態(tài)。正常人心率為75 bpm(通常在60～120 bpm范圍)，熱環(huán)境中勞動人員的極限心率被規(guī)定為180 bpm[16]。在勞動過程中，當(dāng)勞動者心率超過正常范圍時，應(yīng)當(dāng)立刻終止作業(yè)，防止勞動者身體機(jī)能出現(xiàn)障礙，造成工作事故。

空氣溫度是影響熱舒適的主要因素，直接影響到人體通過對流及輻射的熱交換。環(huán)境溫度高于42℃已經(jīng)不利于人們的生活和工作[17]。

當(dāng)空氣溫度在20～25℃范圍內(nèi)，相對濕度在30%～85%之間變化時，對人體熱感覺幾乎無影響[18]。但當(dāng)空氣溫度較高時，人體皮膚潮濕，人體蒸發(fā)散熱量就取決于空氣相對濕度而不取決于汗液分泌率，此時，空氣相對濕度就成為影響人體熱感覺的主要因素。

1.2 安全預(yù)警指標(biāo)設(shè)置

綜合考慮體溫、心率兩個體征參數(shù)和環(huán)境溫度、濕度兩個環(huán)境參數(shù)，建立適用于帶電作業(yè)環(huán)境的綜合安全預(yù)警指標(biāo)SWI如式 (1)所示。

式中Tsi和HRi為帶電作業(yè)環(huán)境中任意時刻人體的胸部皮膚溫度值和心率值；Ts0和HR0為進(jìn)入帶電作業(yè)環(huán)境之前初始時刻人體的胸部皮膚溫度值和心率值；Ta和RH為帶電作業(yè)環(huán)境中與Tsi和HRi同時刻測量得到的屏蔽服內(nèi)環(huán)境溫度和屏蔽服內(nèi)環(huán)境濕度。

由于正常狀態(tài)下，Ts一般比核心溫度大概低2℃，這里將人體胸部皮膚溫度值的極限值定為37.5℃，心率極限值為180 bpm，屏蔽服內(nèi)的環(huán)境溫度和相對濕度的極限值分別為42℃和100%。為了使SWI指標(biāo)的值在0～10之間，以顯著地表征人體狀態(tài)，公式 (1)中a和b的關(guān)系為:a＋b＝5。對于屏蔽服的內(nèi)環(huán)境，不考慮風(fēng)速和平均輻射溫度等因素，對權(quán)重值進(jìn)行歸一化處理，可將屏蔽服內(nèi)環(huán)境溫度和屏蔽服內(nèi)環(huán)境濕度的權(quán)重值定為0.8∶0.2，因此，a＝4，b＝1。 所以， 綜合安全預(yù)警指標(biāo)SWI的計算公式如 (2)式所示。

1.3 安全預(yù)警方法的實現(xiàn)

根據(jù)作業(yè)人員在帶電作業(yè)環(huán)境中SWI的監(jiān)控值，確定報警等級:C1級SWI預(yù)警狀態(tài)進(jìn)行C1級報警，提醒工人不要長時間工作；C2級SWI預(yù)警狀態(tài)進(jìn)行C2級報警，提醒工人應(yīng)適度休息；心率變異狀態(tài)和C3級SWI預(yù)警狀態(tài)進(jìn)行C3級報警，強(qiáng)制工人停止工作進(jìn)入休息。安全預(yù)警方法的實現(xiàn)流程圖如圖2所示。

圖2 安全預(yù)警方法的實現(xiàn)流程

2 系統(tǒng)結(jié)構(gòu)組成

基于人體體征的帶電作業(yè)安全預(yù)警系統(tǒng)旨在實現(xiàn)高效、準(zhǔn)確在線監(jiān)測帶電作業(yè)人員體溫、心率、體表溫度、濕度等體征狀態(tài)，并實時傳輸數(shù)據(jù)，提供有效數(shù)據(jù)分析，及時作出安全預(yù)警。

基于人體體征的安全預(yù)警系統(tǒng)主要由電源模塊、微處理器模塊、WIFI通信模塊、數(shù)據(jù)采集模塊和報警模塊五個模塊組成。微處理器通過四個傳感器來采集人體的心率、體溫以及人體所處環(huán)境的體表溫濕度后進(jìn)行記錄和分析。微處理器實時將記錄的數(shù)據(jù)及分析的結(jié)果通過WIFI通信發(fā)給現(xiàn)場監(jiān)控平臺。如果微處理器分析數(shù)據(jù)得出人體處在一個非安全狀態(tài)及環(huán)境時，驅(qū)動振動馬達(dá)振動，LED指示燈閃爍，蜂鳴器發(fā)出報警聲，并通過WIFI通信給現(xiàn)場監(jiān)控平臺發(fā)出報警信號。系統(tǒng)總體結(jié)構(gòu)如圖3所示。

圖3 人體體征安全預(yù)警系統(tǒng)結(jié)構(gòu)

綜合考慮測量精度等因素，上述模塊安裝在一個盒子內(nèi)。心率傳感器的電極安裝在一條帶子上，帶子設(shè)有連接扣，方便把帶子佩戴在人體胸部，而安裝有模塊的盒子通過金屬導(dǎo)電按扣與帶子連接，如圖4—6所示。

圖4 人體體征安全預(yù)警系統(tǒng)分體式設(shè)計

圖5 人體體征安全預(yù)警系統(tǒng)背面外觀

圖6 人體體征安全預(yù)警系統(tǒng)正面外觀

3 系統(tǒng)試驗研究

3.1 裝置功能性試驗

為測試人體體征安全預(yù)警裝置在實際環(huán)境中的使用情況，在帶電作業(yè)現(xiàn)場進(jìn)行裝置的功能性試驗，通過測試WIFI通信距離、人體心率值、人體體溫 (皮膚溫度)值、小環(huán)境內(nèi)溫濕度值以及振動馬達(dá)、指示燈的工作情況驗證系統(tǒng)功能。試驗重點是檢驗人體運動和人體不同工作角度對測量結(jié)果的影響。

依次接通220 V電源和路由器，將手機(jī)與路由器進(jìn)行連接，并且確?，F(xiàn)場220 kV交流試驗線路帶電，并已測量得到當(dāng)天試驗現(xiàn)場環(huán)境的溫度11℃和氣壓103 kPa。

被測人員按照正確的穿戴方式穿戴人體體征安全預(yù)警裝置，并穿上屏蔽服，如圖7所示。穿戴之后測量WIFI通信距離，各個方位的WIFI通信距離測量結(jié)果見表2。由測量結(jié)果可以看出，符合通訊距離設(shè)計要求。

圖7 穿戴人體體征安全預(yù)警裝置

表2 WIFI通信距離 m

測量被測人員在進(jìn)入工作之前的初始體征參數(shù)，包括心率值、皮膚溫度值、屏蔽服內(nèi)環(huán)境體表溫度和屏蔽服內(nèi)環(huán)境體表濕度，測量結(jié)果見表3。

表3 初始體征參數(shù)測量結(jié)果

讓被測人員進(jìn)入高空作業(yè)點，分別將路由器置于試驗人員的正面、左側(cè)、右側(cè)、背面，并保持三種運動狀態(tài) (靜止、輕度運動、劇烈運動)，測量人體體征參數(shù)以及馬達(dá)報警功能，結(jié)果見表4—7。

表4 路由器在被測人員正面的測量結(jié)果

表5 路由器在被測人員左面的測量結(jié)果

表6 路由器在被測人員右面的測量結(jié)果

表7 路由器在被測人員背面的測量結(jié)果

根據(jù)公式 (2)，可以計算出當(dāng)路由器放置于被測人員的正面、左側(cè)、右側(cè)、背面時，被測人員分別靜止不動、輕度運動、劇烈運動的SWI值，計算結(jié)果見表8。

表8 試驗人員SWI值

結(jié)果表明:①人體體征安全預(yù)警裝置能夠滿足不同路由器方位情況下的正常工作和準(zhǔn)確測量，報警結(jié)果符合設(shè)計邏輯；②當(dāng)被測人員處于靜止不動或者輕度運動時，SWI值＜6，系統(tǒng)不報警，當(dāng)被測人員劇烈運動時，SWI值＞6，發(fā)現(xiàn)體征異常，安全預(yù)警系統(tǒng)報警。

3.2 高壓電場試驗

為了測試在實際使用環(huán)境中高壓電場對人體體征安全預(yù)警裝置的影響，選擇皮膚溫度 (Tsi)、體表環(huán)境溫度 (Ta)、體表環(huán)境濕度 (RH)三個參數(shù)作為監(jiān)測對象在高壓實驗室檢驗高壓電場對測量和通訊的影響。

試驗方案如圖8所示，將穿戴式安全預(yù)警裝置捆綁在兔子身上，用60 dB屏蔽服包裹后吊裝在長串復(fù)合絕緣子下端鋼腳處，長串復(fù)合絕緣子與卷揚機(jī)連接，可遙控控制其升降；高壓引線與包裹兔子后的屏蔽服可靠連接，通過控制卷揚機(jī)升降保證高壓引線及屏蔽服不放生放電及閃絡(luò)。隨后逐步加壓，同時檢測設(shè)備信號通信是否正常，設(shè)備是否安全，在電壓等級為220 kV、330 kV、500 kV以及630 kV各穩(wěn)壓5 min，采集9個信號數(shù)據(jù) (每30 s采集一個)，如果信號均正常則繼續(xù)升壓并測試信號，確定該設(shè)備最大抗干擾電壓值。

圖8 高壓電場試驗方案

試驗過程中，由于長串復(fù)合絕緣子處于潮濕狀態(tài)，發(fā)生了較大程度的電暈放電現(xiàn)象，可以聽到明顯的電暈放電聲音，電暈放電對信號的傳輸存在一定影響。

試驗結(jié)果見表9—12，當(dāng)試驗電壓為220 kV、330 kV和500 kV時，盡管存在電暈影響，仍然能有效從 APP讀取監(jiān)測數(shù)據(jù)。當(dāng)持續(xù)加壓至630 kV時，信號受電場干擾，無法讀取數(shù)據(jù)。試驗結(jié)果表明，穿戴式體征檢測設(shè)備具備500 kV及以下的抗強(qiáng)電場干擾能力，使用過程安全，無爆炸、發(fā)熱等現(xiàn)象，同時具備較強(qiáng)的環(huán)境適應(yīng)能力，可抵抗較大程度的電暈放電。試驗完成后兔子無異常狀況。

表9 試驗電壓220 k V時的監(jiān)測數(shù)據(jù)

表10 試驗電壓330 k V的監(jiān)測數(shù)據(jù)

表11 試驗電壓500 k V的監(jiān)測數(shù)據(jù)

表12 試驗電壓630 k V的監(jiān)測數(shù)據(jù)

4 結(jié)語

1)人體體征安全預(yù)警裝置能夠滿足不同路由器方位情況下的正常工作和準(zhǔn)確測量，報警結(jié)果符合設(shè)計邏輯，當(dāng)被測人員SWI值＞6時，安全預(yù)警系統(tǒng)可以準(zhǔn)確報警。

2)該裝置具備500 kV及以下的抗強(qiáng)電場干擾能力，使用過程安全，無爆炸、發(fā)熱等現(xiàn)象，同時具備較強(qiáng)的環(huán)境適應(yīng)能力，可抵抗較大程度的電暈放電，可以滿足一般環(huán)境條件下帶電作業(yè)要求。