CN111080945A - 一种燃气作业现场动态感知系统 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种燃气作业现场动态感知系统，解决现有系统无法数字化管理、安全隐患大的问题。所述系统，包含：人员定位模块，用于确定作业人员位置；区域定位模块，用于标记燃气作业区域；甲烷探测模块，用于扫描所述燃气作业区域内甲烷浓度；虚拟围栏，在所述燃气作业区域的边界形成周界防护，用于监测非作业人员入侵状态或靠近情况；气体监测模块，由作业人员携带，用于实时探测作业人员周围硫化氢和氧气的浓度，并发送；健康监测模块，用于实时监测作业人员心率和血氧；控制模块，用于对上述任一模块实现开启或关闭，接收数据、解算并发出告警信息；终端模块，用于查看当前和历史监测数据。本发明实现了燃气作业现场的数字化监测和记录。

Description

一种燃气作业现场动态感知系统

技术领域

本发明涉及安全作业技术领域，尤其涉及一种燃气作业现场动态感知系统。

背景技术

在燃气管线大面积应用的情况下，燃气管线泄漏引发的爆炸等事故时有发生，严重危害公共安全，燃气管网安全尤为重要，为保障燃气管网安全，燃气公司要进行大量燃气现场作业，包含燃气闸井日常巡检和应急抢修。燃气作业现场的安全问题是重中之重，目前燃气公司现场作业的安全保障以人工值守为主，出现问题人为上报。目前的安全管控手段存在诸多问题，一是政府和市民要求作业安全管控水平提升的客观需求强烈；二是风险监测不全面，监测设施覆盖不周；三是指挥部不能及时准确了解作业现场动态；四是安全警示不明显，急需规范化；五是作业人员健康状态监测缺失；六是非作业人员闯入事件多发。

发明内容

本发明提供一种燃气作业现场动态感知系统，解决现有系统无法数字化管理、安全隐患大的问题。

为解决上述问题，本发明具体是这样实现的：

第一方面，一种燃气作业现场动态感知系统，包含：人员定位模块、区域定位模块、甲烷探测模块、虚拟围栏、报警模块、气体监测模块、健康监测模块、终端模块、控制模块、系统监测模块；所述人员定位模块，用于确定作业人员位置；所述区域定位模块，用于标记燃气作业区域；所述甲烷探测模块，分布在所述燃气作业区内，用于扫描所述燃气作业区域内甲烷浓度；所述虚拟围栏，在所述燃气作业区域的边界形成周界防护，用于监测非作业人员入侵状态或靠近情况；所述气体监测模块，由作业人员携带，用于实时探测作业人员周围硫化氢和氧气的浓度，并发送；所述健康监测模块，用于实时监测作业人员心率和血氧；所述控制模块，用于对以下任一模块实现开启或关闭，接收数据、解算并发出告警信息：所述人员定位模块、区域定位模块、甲烷探测模块、虚拟围栏、报警模块、气体监测模块、健康监测模块，还用于与所述终端模块、系统监测模块实现信息交互；所述报警模块，用于接收所述告警信息，发出警报；所述终端模块，用于查看当前和历史监测数据；所述系统监测模块，用于接收所述控制模块传输的数据，并存储。

优选地，所述人员定位模块基于RFID无源识别定位技术，实现人员位置精准定位。

优选地，所述区域定位模块基于差分GPS定位技术和差分北斗定位技术，定位燃气作业区域位置。

优选地，所述甲烷探测模块基于光谱吸收原理，应用激光器实现所述燃气作业区域内的甲烷浓度监测。

优选地，所述虚拟围栏采用可见光形成。

优选地，所述气体监测模块采用小型化电化学传感器。

优选地，所述健康监测模块采用智能手环。

优选地，所述报警模块采用声光报警器。

优选地，所述终端模块为手机。

优选地，所述区域定位模块、甲烷探测模块、虚拟围栏、报警模块、控制模块安装在支架上。

本发明有益效果包括：本发明成果立足于燃气作业现场面临的安全管控缺失问题，燃气作业现场动态感知系统的提出，实现了作业现场管理科学化、规范化、精准化。系统实现了现场多因素感知，甲烷、硫化氢和氧气浓度实时监测能够预测现场燃烧爆炸和人员缺氧的可能性，人员健康实时监测能够判断是否达到身体极限，作业人员定位能够记录和查看作业人员的当前和历史位置。系统实现了作业现场人员和设备定位，其中，作业区域实时标示、作业人员实时定位、非作业人员入侵监测和警示保证了作业现场状况数字化记录、过程可追溯，全面提升了作业现场安全监控的管理维度。出现问题或隐患，现场声光报警模块和指挥中心后台系统第一时间报警，信息实时呈现，无需人为沟通，为人员调配和险情处理赢得大量时间，具有重要的实际应用价值。

附图说明

此处所说明的附图用来提供对本发明的进一步理解，构成本发明的一部分，本发明的示意性实施例及其说明用于解释本发明，并不构成对本发明的不当限定。在附图中：

图1为一种燃气作业现场动态感知系统实施例；

图2为人员定位模块技术原理实施例；

图3为供电模块实施例；

图4为一种燃气作业现场动态感知系统使用场景实施例。

具体实施方式

为使本发明的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合本发明具体实施例及相应的附图对本发明技术方案进行清楚、完整地描述。显然，所描述的实施例仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。

国内外既有燃气管网规模十分庞大，燃气闸井数量众多。近年来，随着城镇化管网建设、农村煤改气全面铺开，燃气管网保持每年10％左右的高速增长。然而，在燃气管网大面积应用的情况下，人为或自然等诸多因素导致的燃气管道损坏和第三方破坏时有发生，燃气管线泄漏容易引发爆炸等事故，严重危害公共安全，燃气管网安全尤为重要。为了保障燃气管网安全，燃气公司要进行大量燃气现场作业，包含燃气闸井日常巡检和应急抢修。燃气作业现场的安全问题是重中之重，目前燃气公司现场作业的安全保障以人工值守为主，出现问题人为上报。目前的安全管控手段存在诸多问题，一是政府和市民要求作业安全管控水平提升的客观需求强烈；二是风险监测不全面，监测设施覆盖不周；三是指挥部不能及时准确了解作业现场动态；四是安全警示不明显，急需规范化；五是作业人员健康状态监测缺失；六是非作业人员闯入事件多发。为了控制作业现场的安全隐患，急需一套燃气作业现场动态感知系统，代替人工管控，使得安全隐患发现更早、处理更加及时。

本发明的创新点为：第一，本发明提供实现了对燃气作业现场安全的全面管控，创新性提出精确定位技术结合中近程通信技术，实现作业现场、作业人员等多因素描述数字化；第二，本发明提出并应用激光气体监测特性，面向作业现场实时感知需求，首次实现燃爆气体、有害气体、周界防护监测系统化，智能识别有效替代人工监测，构建出一套集成度高、部署便捷的一体式监控装备；第三，本发明满足应急管理专业化需求，实现作业人员状态监控与记录数字化，为燃气作业完整性管理打好基础；第四，应用数据采集、数字传输技术，通过软件实现数据场景再现，减量数字信息传输关键技术，绿色、低功耗。

以下结合附图，详细说明本发明各实施例提供的技术方案。

第1实施例：

图1为一种燃气作业现场动态感知系统实施例，实现了对燃气作业现场安全的全面管控，作为本发明实施例，一种燃气作业现场动态感知系统，包含：人员定位模块1、区域定位模块2、甲烷探测模块3、虚拟围栏4、报警模块5、气体监测模块6、健康监测模块7、终端模块8、控制模块9、系统监测模块10。

所述人员定位模块，用于确定作业人员位置；所述区域定位模块，用于标记燃气作业区域；所述甲烷探测模块，分布在所述燃气作业区内，用于扫描所述燃气作业区域内甲烷浓度；所述虚拟围栏，在所述燃气作业区域的边界形成周界防护，用于监测非作业人员入侵状态或靠近情况；所述气体监测模块，由作业人员携带，用于实时探测作业人员周围硫化氢和氧气的浓度，并发送；所述健康监测模块，用于实时监测作业人员心率和血氧；所述控制模块，用于对以下任一模块实现开启或关闭，接收数据、解算并发出告警信息：所述人员定位模块、区域定位模块、甲烷探测模块、虚拟围栏、报警模块、气体监测模块、健康监测模块，还用于与所述终端模块、系统监测模块实现信息交互；所述报警模块，用于接收所述告警信息，发出警报；所述终端模块，用于查看当前和历史监测数据；所述系统监测模块，用于接收所述控制模块传输的数据，并存储。

在本发明实施例中，所述人员定位模块基于RFID无源识别定位技术，实现人员位置精准定位。需要说明的是，所述人员定位模块用于对特定空间人员进行精确识别定位，因此，本发明中所述特定空间人员精确识别定位模块即为所述人员定位模块。

在本发明实施例中，所述人员定位模块基于RFID无源识别定位技术，定位作业人员位置。需要说明的是，所述人员定位模块的工作原理在本发明第2实施例中详细描述，这里不做重复论述。

在本发明实施例中，所述区域定位模块基于差分GPS定位技术和差分北斗定位技术，定位燃气作业区域位置。

具体地，作业区域定位基于差分GPS定位技术和差分北斗定位技术，两者互为补充，对于每一次解算，选取信号更好、精度更高的定位结果，经实际验证，该方法定位精度可以达到亚米级。非差分GPS和北斗定位的精度只能达到10米以内，为得到更高的定位精度，采用差分定位技术，每个支架内置GPS和北斗接收机以及差分模块，能够连接差分基准站。基准站精密坐标已知，并内置修正算法，可以实时计算当前环境下基准站到卫星的距离改正数。接收机在进行卫星观测的同时，也接收基准站下发的改正数，对定位结果进行改正，将定位精度由米级提高到亚米级。

在本发明实施例中，所述甲烷探测模块基于光谱吸收原理，应用激光器实现所述燃气作业区域内的甲烷浓度监测。需要说明的是，本发明中所述甲烷探测模块也叫激光甲烷探测模块。

具体地，激光甲烷探测模块基于光谱吸收原理，通过单片机控制电路对激光器进行电流调制，使激光器发出特定波长的激光穿过气体监测区域后，到达反射面并被反射回激光探测器，若激光穿过的气体区域中存在甲烷气体，激光将被该气体吸收，特征气体浓度越高，吸收量越大。通过实验确定了甲烷吸收效果最好的激光波长λ＝1.6378μm，并通过进一步试验确定了甲烷浓度与特定频率激光对甲烷吸收率之间的关系，用于浓度解算。激光探测器监测激光强度的变化并反馈至单片机控制电路进行处理，计算出浓度值，系统内每一个支架内置了激光发射机和接收机，安装在自动旋转支架上，实现作业区域内多角度甲烷浓度监测，并连接声光报警器进行报警。

在本发明实施例中，所述虚拟围栏采用可见光形成。需要说明的是，本发明实施例中所述虚拟围栏通过激光技术实现，因此，本发明中激光虚拟围栏即为所述虚拟围栏。

具体地，激光虚拟围栏由布设在各个支架上的激光发射机、激光接收机、承载旋转装置和控制电路组成。针对本系统的安全警示要求，采用可见光形成虚拟围栏，选择红色可见激光，波长λ＝655nm。本系统支架摆放角度随意，因此配备了承载激光发射机和接收机的旋转装置，自动调整高度和水平，自动旋转，角度对正后自动停止旋转。控制电路实时监测激光光路是否被遮挡，即是否有人入侵，上报给控制软件，控制软件根据作业人员定位信息排除作业人员，判断非作业人员入侵，进行相应的报警和提示。

在本发明实施例中，所述气体监测模块采用小型化电化学传感器。具体地，气体探测模块采用小型化设计，能够监测硫化氢和氧气浓度。为了满足人员携带便捷性，气体监测采用电化学传感器，其原理是，气体分子在传感器的敏感电极上发生电化学反应，这种反应导致传感器的输出信号发生改变，通过测量这个改变值的大小来反算气体浓度的变化。基于这个原理分别测试了硫化氢和氧气浓度与传感器输出信号值之间的定量关系，形成了对应关系式，用于气体浓度的解算。

在本发明实施例中，所述健康监测模块采用智能手环。具体地，所述健康监测模块涉及心率、血氧含量指标监测。为了不影响正常作业，方便作业人员操作，采用智能手环的形式进行指标监测和数据传输。血氧含量监测原理是利用含氧血红蛋白和脱氧血红蛋白对特定光的反射吸收率不同的特点，通过多光源的融合发射，进行信号萃取、信号增强、异常抑制等措施，解算血氧饱和度，解算公式参数由试验确定。心率监测采用反射式监测方法，通过光线反射感应血液流动时血管体积的变化来测量心率。心率传感器包含光线发射端和接收端，发射端发出绿光，接收端接收身体组织反射的光。使用绿光是因为所检测的部位除了血液和血管，还有其他组织，会带来一定的信号“噪声”，影响监测的准确性，而绿光的抗燥能力最强。通过心率和血氧含量判断作业人员当前健康状态，超出正常范围或者持续波动，说明人员发生异常。此外，还建立了作业人员在健康状态下的指标库，监测过程中将监测值与指标库实时比对，便于快速察觉作业人员异常。

在本发明实施例中，所述报警模块采用声光报警器，具体地，报警模块具有播放警笛声、语音提示和红光闪烁功能，采用LED光源，具备节能和长寿的特点，如工作寿命不小于5万小时，且能够根据报警的不同级别，实现50-90分贝梯度声音警示，警示效果明显。需要说明的是，所述报警模块也可采用其他报警器，这里不做具体限定。

在本发实施例中，所述区域定位模块、甲烷探测模块、虚拟围栏、报警模块、控制模块安装在支架上。需要说明的是，所述支架固定安装在所述燃气作业区域内，为所述系统各模块的安装提供位置。还需说明的是，所述区域定位模块、甲烷探测模块、虚拟围栏、报警模块、控制模块可安装在所述支架上，也可安装在其他位置，这里不做具体限定。

在本发明实施例中，所述终端模块为手机，所述系统监测模块为PC。

在本发明实施例中，所述控制模块上安装有控制软件，所述控制模块是系统中现场所有装置的中枢，控制所有硬件的自动运行，用来控制硬件监测信息的上下行传输、与PC端软件和APP软件的信息交互，以及监测数据的处理和解算、各模块之间的功能调配。

所述燃气作业现场动态感知系统由后台指挥中心的PC端系统监控平台和现场的安全树以及作业人员携带装置组成。其中，安全树具备特定空间人员精确识别定位模块、区域精确定位模块、激光甲烷探测模块、激光虚拟围栏、控制软件、声光报警模块、承载支架和供电模块。作业人员携带装置包含特定空间人员精确识别定位模块、气体探测模块、人员健康监测模块、手机端APP和供电模块。指挥中心和安全树之间采用4G方式通信，安全树和作业人员携带装置之间采用中近距离无线通信，在低成本的前提下满足控制指令和回传数据对数据传输链路带宽、稳定性和实时性的要求。

PC端系统监控平台和手机端APP实现全息现场作业状态的整体查看，并可以针对某一具体监测量查看详细信息。一方面实现当前作业安全信息实时掌控，另一方面实现历史作业安全信息的电子化记录。

本发明实施例提供的燃气作业现场动态感知系统实现了燃气作业现场的数字化监测和记录，创新性提出精确定位技术结合中近程通信技术，实现作业现场、作业人员等多因素描述数字化，无需人为沟通，为人员调配和险情处理赢得大量时间，具有重要的实际应用价值。

第2实施例：

图2为人员定位模块技术原理实施例，详细描述了所述燃气作业现场动态感知系统中的人员定位模块的技术原理，具体地：

所述人员定位模块基于RFID无源识别定位技术，实现人员位置精准定位，RFID无源识别和定位技术，是卫星定位模块的有力补充，定位精度更高，而且不受卫星信号影响，在井下也可以实现识别和定位。每个支架内置了125KHz信号激活器和阅读器，人员携带装置内置了电子标签和2.4G信号发射器，系统的控制软件包含定位解算模块，这三个部分共同组成了区域精确定位模块。该模块的工作由125KHz信号激活器发起，向外发射125KHz信号，电子标签内置人员信息，接收到信号后会在内部电路产生电流，再通过2.4G信号发射器返回人员信息，多个支架内的阅读器接收到2.4G信号，回传给解算模块，解算模块根据多组信号的时延特征反算人员位置信息。

本发明实施例提供了区域定位模块的工作原理，应用RFID技术实现区域定位，方便便于携带，且可对井上、井下作业人员实现精确定位。

第3实施例：

图3为供电模块实施例，用于对所述燃气作业现场动态感知系统提供工作能量，具体地：

供电模块由恒流源和可充电锂电池组成，能够输出多种电压。恒流源供电电压5-24V，输出24VDC/4mA，三线制输出。电池选用可充电锂电池，电压7.2V，容量20Ah。供电模块将输入电压转换成内部各模块需要的3.3V、5V，还可以根据需要输出其他电压，以适应系统的扩展要求。

在本发明实施例中，所述供电模块可实现对所述燃气作业现场动态感知系统的供电，需要说明的是，所述供电系统是本发明所述燃气作业现场动态感知系统的一部分。

图4为一种燃气作业现场动态感知系统使用场景实施例，详细描述了本发明所述系统的应用场景，具体地：

在本发明实施例中，所述支采用铝制金属材质，强度高，成本低，采用轻量化设计，外壳符合防爆要求，支架稳定性高，可防风；采用模块化卡槽承载方式，便于模块替换和新模块的增加，具备可扩展性。

系统的安全树装置包含4-6个支架，在现场分别放置于边长可调节的多边形顶点上，形成监测防护区域，作业人员携带监测装置进行工作，指挥中心工作人员实时观察PC端监控系统，为指挥和应急工作提供信息支持。

在本发明实施例中，现场所有支架上的精确定位模块与卫星和差分站实时互联，组成作业区域识别定位模块。系统在现场部署后，能够实时解算每一个支架的实施坐标，在后台系统中实现作业区域标示和记录。

进一步地，现场所有支架上的RFID收发装置和解算装置、作业人员自身携带的RFID收发装置共同组成特定空间人员精确识别定位模块。只要人员在现场附近，无论在作业区域内外、在井上或者井下，系统都可以识别该人员身份，确定人员相对于该作业区域的精确三维坐标，并结合作业区域的全球定位坐标解算出全局坐标。

进一步地，每个支架的激光发射和接收装置角度可旋转，能够自动扫描作业区域内甲烷浓度，并根据最近一段时间内的甲烷浓度变化趋势进行安全预警。

在本发明实施例中，每一组相邻的两个支架组成一组边界防护装置，所有的边界防护装置共同形成周界防护，即激光虚拟围栏。围栏具有两方面功能，一是监测非作业人员的入侵状态，结合特定空间人员精确识别定位模块对作业人员的识别，可以区分作业人员和非作业人员的入侵；二是探测作业区域外部非作业人员靠近情况，距离作业区域5-10米存在入侵时，采取语音警告“燃气作业现场，高度危险，请立即远离”，距离作业区域0-5米存在入侵时，采取语音警告“燃气作业现场，高度危险，您即将进入作业区域，请立即远离”，作业区域内存在入侵时，采取语音警告“燃气作业现场，高度危险，您已经进入作业区域，请立即远离”，并立即上报给指挥中心，严密监视处理情况。

需要说明的是，对探测作业区域外部非作业人员靠近情况的语音警告距离可以是本发明实施例中的5-10米、0-5米，也可以是其他数值，这里不做特别限定

进一步地，每一个支架内置声光报警装置。甲烷、硫化氢、氧气浓度超出或即将超出安全范围时，会通过相应的语音进行播报。作业人员健康状况达到临界值后会立即通过语音进行警示。非作业人员靠近作业区域或入侵后，会响起相应的警笛声，最高达到90分贝。声音报警的同时，还会有红色的闪烁警示灯辅助报警，提醒作业人员，警示非作业人员。

在本发明实施例中，作业人员自身携带的气体探测装置能够实时探测人员周围硫化氢和氧气的浓度，作业人员携带的健康实时监测装置能够实时监测人员的心率和血氧含量，从周围环境和人自身承受度两个角度双重监控。

在本发明实施例中，空闲的作业人员可以通过手机APP查看当前和历史监测数据，以及作业信息统计结果。后台监控系统部署在服务器上，指挥中心工作人员可以访问前端系统，全面掌握所有作业区域的安全状况，发生险情第一时间调配人员和物力进行处理。

在本发明实施例中，系统具有较强的扩展性能，各个支架预留了新增模块的承载位置，电源模块支持0-24V电压扩展输出，可以根据需要进行新模块的扩展。

需要说明的是，术语“包括”、“包含”或者其任何其他变体意在涵盖非排他性的包含，从而使得包括一系列要素的过程、方法、商品或者设备不仅包括那些要素，而且还包括没有明确列出的其他要素，或者是还包括为这种过程、方法、商品或者设备所固有的要素。在没有更多限制的情况下，由语句“包括一个……”限定的要素，并不排除在包括所述要素的过程、方法、商品或者设备中还存在另外的相同要素。

以上所述仅为本发明的实施例而已，并不用于限制本发明。对于本领域技术人员来说，本发明可以有各种更改和变化。凡在本发明的精神和原理之内所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的权利要求范围之内。

Claims (10)

1.一种燃气作业现场动态感知系统，其特征在于，包含：人员定位模块、区域定位模块、甲烷探测模块、虚拟围栏、报警模块、气体监测模块、健康监测模块、终端模块、控制模块、系统监测模块；

所述人员定位模块，用于确定作业人员位置；

所述区域定位模块，用于标记燃气作业区域；

所述甲烷探测模块，分布在所述燃气作业区内，用于扫描所述燃气作业区域内甲烷浓度；

所述虚拟围栏，在所述燃气作业区域的边界形成周界防护，用于监测非作业人员入侵状态或靠近情况；

所述气体监测模块，由作业人员携带，用于实时探测作业人员周围硫化氢和氧气的浓度，并发送；

所述健康监测模块，用于实时监测作业人员心率和血氧；

所述控制模块，用于对以下任一模块实现开启或关闭，接收数据、解算并发出告警信息：所述人员定位模块、区域定位模块、甲烷探测模块、虚拟围栏、报警模块、气体监测模块、健康监测模块，还用于与所述终端模块、系统监测模块实现信息交互；

所述报警模块，用于接收所述告警信息，发出警报；

所述终端模块，用于查看当前和历史监测数据；

所述系统监测模块，用于接收所述控制模块传输的数据，并存储。

2.如权利要求1所述的燃气作业现场动态感知系统，其特征在于，所述人员定位模块基于RFID无源识别定位技术，实现人员位置精准定位。

3.如权利要求1所述的燃气作业现场动态感知系统，其特征在于，所述区域定位模块基于差分GPS定位技术和差分北斗定位技术，定位燃气作业区域位置。

4.如权利要求1所述的燃气作业现场动态感知系统，其特征在于，所述甲烷探测模块基于光谱吸收原理，应用激光器实现所述燃气作业区域内的甲烷浓度监测。

5.如权利要求1所述的燃气作业现场动态感知系统，其特征在于，所述虚拟围栏采用可见光形成。

6.如权利要求1所述的燃气作业现场动态感知系统，其特征在于，所述气体监测模块采用小型化电化学传感器。

7.如权利要求1所述的燃气作业现场动态感知系统，其特征在于，所述健康监测模块采用智能手环。

8.如权利要求1所述的燃气作业现场动态感知系统，其特征在于，所述报警模块采用声光报警器。

9.如权利要求1所述的燃气作业现场动态感知系统，其特征在于，所述终端模块为手机。

10.如权利要求1所述的燃气作业现场动态感知系统，其特征在于，所述区域定位模块、甲烷探测模块、虚拟围栏、报警模块、控制模块安装在支架上。

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