CN113834760B - 实时个体工作粉尘浓度暴露空间规律监测预警系统及方法 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种实时个体工作粉尘浓度暴露空间规律监测预警系统及方法，包括粉尘浓度传感器网络、云服务器和防护服定位穿戴设备；采用多元线性方法对每个位置的粉尘浓度传感器进行校准；接着云服务器将各个粉尘浓度传感器检测的粉尘浓度值结合各自的位置信息，综合分析后获得作业场所的粉尘浓度空间分布规律，并根据设定的粉尘浓度阈值将作业场所空间内超过阈值的区域划定为超限区域；最后防护服定位穿戴设备实时向云服务器发送工作人员在场所内的位置，云服务器分别将各个实时位置信息与实时超限区域进行比对，若处于实时超限区域内，则云服务器通过向该防护服定位穿戴设备发送报警信号使其声光报警器报警提醒该工作人员处于粉尘浓度超限状态。
Description
技术领域
本发明涉及一种实时个体工作粉尘浓度暴露空间规律监测预警系统及方法，属于作业粉尘暴露监测预警领域。尤其适用于建筑施工、木材加工、金属加工、矿井作业等因暴露于较高浓度粉尘职业健康风险高的作业现场因吸入工作粉尘所引起的呼吸道、肺部疾病的监测预警。
背景技术
粉尘的产生是工业生产作业中难以避免的因素，其对作业过程中工人的呼吸道、肺部健康造成了巨大的威胁。长期工作于高浓度粉尘的工作人员易发肺炎、肺癌、尘肺病等职业性疾病。因此对工人所在工作场所的作业粉尘进行监测，实时定量的监测工人暴露于工作场所粉尘的浓度，进而掌握工人个体、工作场所总体的粉尘暴露规律极有必要。
目前的作业粉尘质量浓度监测方法主要是滤膜称重法，滤膜称重法存在采样点固定，采样设备代价较高，实时性较差，不能对工人个体粉尘暴露有效监测等不足。另外现有的光散射法测量粉尘质量浓度是一种成本低廉，测量实时性强，测量精准。然而由于光散射法测量粉尘浓度易受大气温度，相对湿度，风速等外界因素的干扰，限制了其直接应用于实时监测工人个体、及工作场所总体的粉尘浓度的可能性。因此，如何提供一种方法，能实时监测工作人员个体、及工作场所不同位置暴露粉尘浓度规律，定量衡量工作人员的粉尘暴露职业健康风险，并对粉尘暴露程度较高的人员进行实时预警，是本行业的研究方向。
发明内容
针对上述现有技术存在的问题，本发明提供一种实时个体工作粉尘浓度暴露空间规律监测预警系统及方法，能实时监测工作人员个体、及工作场所不同位置暴露粉尘浓度规律，定量衡量工作人员的粉尘暴露职业健康风险，并对粉尘暴露程度较高的人员进行实时预警。
为了实现上述目的，本发明采用的技术方案是：一种实时个体工作粉尘浓度暴露空间规律监测预警系统，包括粉尘浓度传感器网络、云服务器和多个防护服定位穿戴设备；
所述粉尘浓度传感器网络由多个粉尘浓度监测单元组成，所述粉尘浓度监测单元包括基于光散射原理的粉尘浓度传感器、风速测量传感器、温度传感器、相对湿度传感器、微处理器、时间模块、存储模块和无线通信模块，其中粉尘浓度传感器、风速测量传感器、温度传感器、相对湿度传感器分别用于实时检测周围环境的粉尘浓度、风速、温度和相对湿度的数据，并将数据传递给微处理器；微处理器通过时间模块对数据进行时间序列分析后存储至存储模块中，同时通过无线通信模块将数据传输给云服务器；
所述防护服定位穿戴设备包括微处理器、GPS定位传感器、无线通信模块和声光报警器，微处理器用于接收GPS定位传感器的实时定位数据，并将其通过无线通信模块传输给云服务器；并且微处理器能通过无线通信模块接收云服务器发出的报警信号，进而控制声光报警器报警；
所述云服务器用于接收各个粉尘浓度监测单元传递来的数据和防护服定位穿戴设备传递来的数据，进行综合分析处理，并根据分析结果向防护服定位穿戴设备发送报警信号。
利用上述系统的监测预警方法，具体步骤为：
A、布设监测预警系统：将监测预警系统中的多个粉尘浓度监测单元均匀分布在粉尘作业场所，且各个粉尘浓度监测单元与粉尘作业场所地面之间的距离处于人体呼吸高度范围内(一般呼吸高度为1.4m至1.7m)；然后对各个粉尘浓度监测单元所处的位置进行定位标记并存储在云服务器中，接着将各个防护服定位穿戴设备分别放置在各个工作人员身体上，并对各个防护服定位穿戴设备进行标号并存储在云服务器中，完成监测预警系统的布设工作；
B、校准粉尘浓度监测单元：采用多元线性方法依次对每个位置粉尘浓度监测单元的粉尘浓度传感器进行校准，获得每个位置的粉尘浓度传感器的校准系数并存储在云服务器中，完成全部粉尘浓度传感器的校准后，云服务器将各个位置的粉尘浓度传感器的校准系数分别传递给各个粉尘浓度传感器，完成各个粉尘浓度传感器的读数校准过程；
C、确定粉尘作业场所的实时粉尘浓度空间分布规律及划定超限区域：先设定一个粉尘浓度阈值和粉尘浓度采集时间并存储在云服务器中，然后云服务器实时接收各个粉尘浓度监测单元反馈的校准后的粉尘浓度值，云服务器将各个粉尘浓度值结合各个粉尘浓度监测单元所处的位置信息，综合分析后获得粉尘作业场所的粉尘浓度空间分布规律，最后根据设定的粉尘浓度阈值将粉尘作业场所空间内超过阈值的区域划定为超限区域；等待设定的粉尘浓度采集时间后，再次重复确定实时超限区域的步骤，并以当前获得的超限区域更新之前一次的数据，如此重复循环，能获得粉尘作业场所的实时粉尘浓度空间分布规律及实时超限区域；
D、工作人员的粉尘浓度暴露超限预警：工作人员在粉尘浓度作业场所工作时，各个工作人员身上的防护服定位穿戴设备实时将其所处位置信息传递给云服务器，云服务器分别将各个实时位置信息与步骤C确定的实时超限区域进行比对，判断实时位置是否处于实时超限区域内，若所有防护服定位穿戴设备的实时位置均未处于实时超限区域内，则继续进行比对处理，直至各个工作人员完成一个工作周期；若任一标号防护服定位穿戴设备的实时位置处于实时超限区域内，则确定当前工作人员处于粉尘浓度超限状态，云服务器向该防护服定位穿戴设备发送报警信号，该防护服定位穿戴设备的微处理器接收到报警信号后，控制声光报警器报警提醒该工作人员处于粉尘浓度超限状态，同时云服务器对该工作人员处于粉尘浓度超限状态的时长进行记录，直至各个工作人员完成一个工作周期。
进一步，所述步骤B的校准具体步骤为：
①将各个粉尘浓度传感器放置于同一测量环境下，使用滤膜称重的方法获取采样时间Ts内的滤膜增重质量Δm＝m末-m初，设第i个粉尘浓度传感器的校正值为Di，测量滤膜采样期间的平均流速Vaverage后计算粉尘浓度校正值
②设第i个粉尘浓度传感器的粉尘浓度原始测量值为Pi，第i个粉尘浓度传感器周围的环境温度为Ti，第i个粉尘浓度传感器周围的相对湿度值为Hi，第i个粉尘浓度传感器周围的风速值为Wi，使用校正方程Di＝αPi+βTi+χHi+δWi+ε，式中α,β,χ,δ,ε为对应参数Pi,Ti,Hi,Wi的校正系数；使用步骤①每个测量周期确定的校正值和与之校正的粉尘浓度传感器的周期平均读数代入校正方程，通过矩阵计算得到每一个粉尘浓度传感器的校正系数并记录在云服务器；
③最后云服务器将获得的各个粉尘浓度传感器的校正系数传递至对应的粉尘浓度传感器，从而完成各个粉尘浓度传感器的读数校正。
进一步，所述步骤C获得实时粉尘浓度空间分布规律的具体步骤为：
(1)设第i个粉尘浓度传感器校正后的粉尘浓度为Ci，在粉尘作业场所空间建立XYZ轴坐标系，设第i个粉尘浓度传感器的位置坐标为(xi,yi,zi)，各个粉尘浓度传感器的位置为各个已知点，设粉尘作业场所空间内的某一未知点j的粉尘浓度为Cj，空间位置坐标为(xj,yj,zj)，粉尘浓度传感器的总数为n；
(2)设di,j为已知点i和未知点j的空间距离，则
(3)设Pi,j为采用已知点i预测未知点j粉尘浓度所需的加权系数，则
其中，m为加权常数，根据粉尘作业场所空间、粉尘种类和监测季节的不同在0至3范围取值；
(4)最终未知点j的预测粉尘浓度
(5)云服务器通过获取各个粉尘浓度传感器的实时粉尘浓度值，重复上述步骤(1)至(4)，从而能获得粉尘作业场所空间内各个位置的预测粉尘浓度值，得出粉尘作业场所的实时粉尘浓度空间分布规律；最后将各个位置的预测粉尘浓度值均与设定的粉尘浓度阈值进行比对，将超过粉尘浓度阈值的位置划定为实时超限区域。
与现有技术相比，本发明采用粉尘浓度传感器网络、云服务器和多个防护服定位穿戴设备相结合方式，先将粉尘浓度传感器网络布设在所需监控的粉尘作业场所，然后将多个防护服定位穿戴设备分别放置在各个工作人员的身上；完成后采用多元线性方法依次对每个位置粉尘浓度监测单元的粉尘浓度传感器进行校准；接着云服务器将各个位置粉尘浓度传感器检测的粉尘浓度值结合各自的位置信息，综合分析后获得粉尘作业场所的粉尘浓度空间分布规律，并根据设定的粉尘浓度阈值将粉尘作业场所空间内超过阈值的区域划定为超限区域；最后防护服定位穿戴设备实时向云服务器发送工作人员在场所内的位置，云服务器分别将各个实时位置信息与实时超限区域进行比对，判断实时位置是否处于实时超限区域内，若是，则云服务器通过向该防护服定位穿戴设备发送报警信号使其声光报警器报警提醒该工作人员处于粉尘浓度超限状态，并能对该工作人员处于该状态的时长进行记录。因此本发明能实时监测工作人员个体、及工作场所不同位置暴露粉尘浓度规律，定量衡量工作人员的粉尘暴露职业健康风险，并对粉尘暴露程度较高的人员进行实时预警；另外本发明对长期在粉尘浓度超限区域工作时间过长的工作人员通过后台时长记录再次进行预警，从而为工人们的肺部粉尘暴露健康风险评估提供数据支持。
附图说明
图1是本发明的整体流程原理图；
图2是本发明中监测预警的原理示意图。
具体实施方式
下面将对本发明作进一步说明。
如图1所示，一种实时个体工作粉尘浓度暴露空间规律监测预警系统，包括粉尘浓度传感器网络、云服务器和多个防护服定位穿戴设备；
所述粉尘浓度传感器网络由多个粉尘浓度监测单元组成，所述粉尘浓度监测单元包括基于光散射原理的粉尘浓度传感器、风速测量传感器、温度传感器、相对湿度传感器、微处理器、时间模块、存储模块和无线通信模块，其中粉尘浓度传感器、风速测量传感器、温度传感器、相对湿度传感器分别用于实时检测周围环境的粉尘浓度、风速、温度和相对湿度的数据，并将数据传递给微处理器；微处理器通过时间模块对数据进行时间序列分析后存储至存储模块中，同时通过无线通信模块将数据传输给云服务器；
所述防护服定位穿戴设备包括微处理器、GPS定位传感器、无线通信模块和声光报警器，微处理器用于接收GPS定位传感器的实时定位数据，并将其通过无线通信模块传输给云服务器；并且微处理器能通过无线通信模块接收云服务器发出的报警信号，进而控制声光报警器报警；
所述云服务器用于接收各个粉尘浓度监测单元传递来的数据和防护服定位穿戴设备传递来的数据，进行综合分析处理，并根据分析结果向防护服定位穿戴设备发送报警信号。
利用上述系统的监测预警方法，具体步骤为：
A、布设监测预警系统：将监测预警系统中的多个粉尘浓度监测单元均匀分布在粉尘作业场所(在遵循均匀分布同时尽可能增加产尘量高的设备及工艺周围的传感器密度)，且各个粉尘浓度监测单元与粉尘作业场所的地面之间的距离为1.5m；然后对各个粉尘浓度监测单元所处的位置进行定位标记并存储在云服务器中，接着将各个防护服定位穿戴设备分别放置在各个工作人员身体上，并对各个防护服定位穿戴设备进行标号并存储在云服务器中，完成监测预警系统的布设工作；
B、校准粉尘浓度监测单元：采用多元线性方法依次对每个位置粉尘浓度监测单元的粉尘浓度传感器进行校准，获得每个位置的粉尘浓度传感器的校准系数并存储在云服务器中，完成全部粉尘浓度传感器的校准后，云服务器将各个位置的粉尘浓度传感器的校准系数分别传递给各个粉尘浓度传感器，完成各个粉尘浓度传感器的读数校准过程；其中校准具体步骤为：
①将各个粉尘浓度传感器放置于同一测量环境下，使用滤膜称重的方法获取采样时间Ts内的滤膜增重质量Δm＝m末-m初，设第i个粉尘浓度传感器的校正值为Di，测量滤膜采样期间的平均流速Vaverage后计算粉尘浓度校正值
②设第i个粉尘浓度传感器的粉尘浓度原始测量值为Pi，第i个粉尘浓度传感器周围的环境温度为Ti，第i个粉尘浓度传感器周围的相对湿度值为Hi，第i个粉尘浓度传感器周围的风速值为Wi，使用校正方程Di＝αPi+βTi+χHi+δWi+ε，式中α,β,χ,δ,ε为对应参数Pi,Ti,Hi,Wi的校正系数；使用步骤①每个测量周期确定的校正值和与之校正的粉尘浓度传感器的周期平均读数代入校正方程，通过矩阵计算得到每一个粉尘浓度传感器的校正系数并记录在云服务器；
③最后云服务器将获得的各个粉尘浓度传感器的校正系数传递至对应的粉尘浓度传感器，从而完成各个粉尘浓度传感器的读数校正；
C、确定粉尘作业场所的实时粉尘浓度空间分布规律及划定超限区域：先设定一个粉尘浓度阈值和粉尘浓度采集时间并存储在云服务器中，然后云服务器实时接收各个粉尘浓度监测单元反馈的校准后的粉尘浓度值，云服务器将各个粉尘浓度值结合各个粉尘浓度监测单元所处的位置信息，综合分析后获得粉尘作业场所的粉尘浓度空间分布规律，最后根据设定的粉尘浓度阈值将粉尘作业场所空间内超过阈值的区域划定为超限区域；等待设定的粉尘浓度采集时间后，再次重复确定实时超限区域的步骤，并以当前获得的超限区域更新之前一次的数据，如此重复循环，能获得粉尘作业场所的实时粉尘浓度空间分布规律及实时超限区域，具体步骤为：
(1)设第i个粉尘浓度传感器校正后的粉尘浓度为Ci，在粉尘作业场所空间建立XYZ轴坐标系，设第i个粉尘浓度传感器的位置坐标为(xi,yi,zi)，各个粉尘浓度传感器的位置为各个已知点，设粉尘作业场所空间内的某一未知点j的粉尘浓度为Cj，空间位置坐标为(xj,yj,zj)，粉尘浓度传感器的总数为n；
(2)设di,j为已知点i和未知点j的空间距离，则
(3)设Pi,j为采用已知点i预测未知点j粉尘浓度所需的加权系数，则
其中，m为加权常数，根据粉尘作业场所空间、粉尘种类和监测季节的不同在0至3范围取值；
(4)最终未知点j的预测粉尘浓度
(5)云服务器通过获取各个粉尘浓度传感器的实时粉尘浓度值，重复上述步骤(1)至(4)，从而能获得粉尘作业场所空间内各个位置的预测粉尘浓度值，得出粉尘作业场所的实时粉尘浓度空间分布规律；最后将各个位置的预测粉尘浓度值均与设定的粉尘浓度阈值进行比对，将超过粉尘浓度阈值的位置划定为实时超限区域；
D、工作人员的粉尘浓度暴露超限预警：工作人员在粉尘浓度作业场所工作时，各个工作人员身上的防护服定位穿戴设备实时将其所处位置信息传递给云服务器，云服务器分别将各个实时位置信息与步骤C确定的实时超限区域进行比对，判断实时位置是否处于实时超限区域内，若所有防护服定位穿戴设备的实时位置均未处于实时超限区域内，则继续进行比对处理，直至各个工作人员完成一个工作周期；若任一标号防护服定位穿戴设备的实时位置处于实时超限区域内，则确定当前工作人员处于粉尘浓度超限状态，云服务器向该防护服定位穿戴设备发送报警信号，该防护服定位穿戴设备的微处理器接收到报警信号后，控制声光报警器报警提醒该工作人员处于粉尘浓度超限状态，同时云服务器对该工作人员处于粉尘浓度超限状态的时长进行记录，直至各个工作人员完成一个工作周期。其中对长期在粉尘浓度超限区域工作时间过长的工作人员通过后台时长记录再次进行预警，从而为工人们的肺部粉尘暴露健康风险评估提供数据支持。
以上所述仅是本发明的优选实施方式，应当指出：对于本技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明原理的前提下，还可以做出若干改进和润饰，这些改进和润饰也应视为本发明的保护范围。
Claims (3)
1.一种实时个体工作粉尘浓度暴露空间规律监测预警系统的监测预警方法，其特征在于，采用的监测预警系统包括粉尘浓度传感器网络、云服务器和多个防护服定位穿戴设备；所述粉尘浓度传感器网络由多个粉尘浓度监测单元组成，所述粉尘浓度监测单元包括基于光散射原理的粉尘浓度传感器、风速测量传感器、温度传感器、相对湿度传感器、微处理器、时间模块、存储模块和无线通信模块，其中粉尘浓度传感器、风速测量传感器、温度传感器、相对湿度传感器分别用于实时检测周围环境的粉尘浓度、风速、温度和相对湿度的数据，并将数据传递给微处理器；微处理器通过时间模块对数据进行时间序列分析后存储至存储模块中，同时通过无线通信模块将数据传输给云服务器；所述防护服定位穿戴设备包括微处理器、GPS定位传感器、无线通信模块和声光报警器，微处理器用于接收GPS定位传感器的实时定位数据，并将其通过无线通信模块传输给云服务器；并且微处理器能通过无线通信模块接收云服务器发出的报警信号，进而控制声光报警器报警；所述云服务器用于接收各个粉尘浓度监测单元传递来的数据和防护服定位穿戴设备传递来的数据，进行综合分析处理，并根据分析结果向防护服定位穿戴设备发送报警信号，具体步骤为：
A、布设监测预警系统：将监测预警系统中的多个粉尘浓度监测单元均匀分布在粉尘作业场所，且各个粉尘浓度监测单元与粉尘作业场所地面之间的距离处于人体呼吸高度范围内；然后对各个粉尘浓度监测单元所处的位置进行定位标记并存储在云服务器中，接着将各个防护服定位穿戴设备分别放置在各个工作人员身体上，并对各个防护服定位穿戴设备进行标号并存储在云服务器中，完成监测预警系统的布设工作；
B、校准粉尘浓度监测单元：采用多元线性方法依次对每个位置粉尘浓度监测单元的粉尘浓度传感器进行校准，获得每个位置的粉尘浓度传感器的校准系数并存储在云服务器中，完成全部粉尘浓度传感器的校准后，云服务器将各个位置的粉尘浓度传感器的校准系数分别传递给各个粉尘浓度传感器，完成各个粉尘浓度传感器的读数校准过程；
C、确定粉尘作业场所的实时粉尘浓度空间分布规律及划定超限区域：先设定一个粉尘浓度阈值和粉尘浓度采集时间并存储在云服务器中，然后云服务器实时接收各个粉尘浓度监测单元反馈的校准后的粉尘浓度值，云服务器将各个粉尘浓度值结合各个粉尘浓度监测单元所处的位置信息，综合分析后获得粉尘作业场所的粉尘浓度空间分布规律，最后根据设定的粉尘浓度阈值将粉尘作业场所空间内超过阈值的区域划定为超限区域；等待设定的粉尘浓度采集时间后，再次重复确定实时超限区域的步骤，并以当前获得的超限区域更新之前一次的数据，如此重复循环，能获得粉尘作业场所的实时粉尘浓度空间分布规律及实时超限区域；
D、工作人员的粉尘浓度暴露超限预警：工作人员在粉尘浓度作业场所工作时，各个工作人员身上的防护服定位穿戴设备实时将其所处位置信息传递给云服务器，云服务器分别将各个实时位置信息与步骤C确定的实时超限区域进行比对，判断实时位置是否处于实时超限区域内，若所有防护服定位穿戴设备的实时位置均未处于实时超限区域内，则继续进行比对处理，直至各个工作人员完成一个工作周期；若任一标号防护服定位穿戴设备的实时位置处于实时超限区域内，则确定当前工作人员处于粉尘浓度超限状态，云服务器向该防护服定位穿戴设备发送报警信号，该防护服定位穿戴设备的微处理器接收到报警信号后，控制声光报警器报警提醒该工作人员处于粉尘浓度超限状态，同时云服务器对该工作人员处于粉尘浓度超限状态的时长进行记录，直至各个工作人员完成一个工作周期。
2.根据权利要求1所述实时个体工作粉尘浓度暴露空间规律监测预警系统的监测预警方法，其特征在于，所述步骤B的校准具体步骤为：
①将各个粉尘浓度传感器放置于同一测量环境下，使用滤膜称重的方法获取采样时间Ts内的滤膜增重质量Δm＝m末-m初，设第i个粉尘浓度传感器的校正值为Di，测量滤膜采样期间的平均流速Vaverage后计算粉尘浓度校正值
②设第i个粉尘浓度传感器的粉尘浓度原始测量值为Pi，第i个粉尘浓度传感器周围的环境温度为Ti，第i个粉尘浓度传感器周围的相对湿度值为Hi，第i个粉尘浓度传感器周围的风速值为Wi，使用校正方程Di＝αPi+βTi+χHi+δWi+ε，式中α,β,χ,δ,ε为对应参数Pi,Ti,Hi,Wi的校正系数；使用步骤①每个测量周期确定的校正值和与之校正的粉尘浓度传感器的周期平均读数代入校正方程，通过矩阵计算得到每一个粉尘浓度传感器的校正系数并记录在云服务器；
③最后云服务器将获得的各个粉尘浓度传感器的校正系数传递至对应的粉尘浓度传感器，从而完成各个粉尘浓度传感器的读数校正。
3.根据权利要求1所述实时个体工作粉尘浓度暴露空间规律监测预警系统的监测预警方法，其特征在于，所述步骤C获得实时粉尘浓度空间分布规律的具体步骤为：
(1)设第i个粉尘浓度传感器校正后的粉尘浓度为Ci，在粉尘作业场所空间建立XYZ轴坐标系，设第i个粉尘浓度传感器的位置坐标为(xi,yi,zi)，各个粉尘浓度传感器的位置为各个已知点，设粉尘作业场所空间内的某一未知点j的粉尘浓度为Cj，空间位置坐标为(xj,yj,zj)，粉尘浓度传感器的总数为n；
(2)设di,j为已知点i和未知点j的空间距离，则
(3)设Pi,j为采用已知点i预测未知点j粉尘浓度所需的加权系数，则
其中，m为加权常数，根据粉尘作业场所空间、粉尘种类和监测季节的不同在0至3范围取值；
(4)最终未知点j的预测粉尘浓度
(5)云服务器通过获取各个粉尘浓度传感器的实时粉尘浓度值，重复上述步骤(1)至(4)，从而能获得粉尘作业场所空间内各个位置的预测粉尘浓度值，得出粉尘作业场所的实时粉尘浓度空间分布规律；最后将各个位置的预测粉尘浓度值均与设定的粉尘浓度阈值进行比对，将超过粉尘浓度阈值的位置划定为实时超限区域。
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