CN114898513A - 基于脑电和无线寻向的龙门吊环境施工预警***及方法 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种基于脑电和无线寻向的龙门吊环境施工预警***及方法，属于施工安全技术领域。解决了现有技术中龙门吊施工环境存在较大安全隐患的问题。本发明包括具有多组天线的蓝牙设备、智能安全帽和数据管理平台，所述具有多组天线的蓝牙设备安装在龙门吊吊钩或吊架上，所述智能安全帽中设置有脑电监测装置、蓝牙模块和语音报警装置，所述蓝牙设备、脑电监测装置和语音报警装置通过无线通讯模块与数据管理平台连接。本发明实现了自动预警，降低了安全风险，可有效避免龙门吊安全事故的发生。
Description
技术领域
本发明属于施工安全技术领域，具体涉及基于脑电和无线寻向的龙门吊环境施工预警***及方法。
背景技术
龙门吊下进行施工是安全风险较高的施工场景，尤其是地铁、特高压输电塔基坑作业等深基坑作业的施工场景(如图1所示)：施工人员在地面以下几十米深度，当龙门吊吊装重型施工物件的时候，工人施工往往存在被砸、被撞、被压等安全隐患，虽然有完善的施工安全规定，但是还是经常会出现类似的安全事故。
现有技术中，一般是通过龙门吊自带的喇叭提示施工现场人员，或者专门安排一个人做监控，但是深基坑作业人员很难听到提示音，采用人工进行监控要求工作人员精神高度集中，而且深基坑中施工人员较多，难免发生疏忽，存在较大安全隐患。现有技术中一直没有很好的自动化解决方案，更谈不上针对人员的不同状态做分级预警，因此亟需一种能够对龙门吊环境安全进行自动化预警的方法。
发明内容
针对现有技术中存在的问题，本发明提供一种基于脑电和无线寻向的龙门吊环境施工预警***及方法，其目的在于：避免龙门吊施工的安全事故发生。
本发明采用的技术方案如下：
一种基于脑电和无线寻向的龙门吊环境施工预警***，包括具有多组天线的蓝牙设备、智能安全帽和数据管理平台，所述具有多组天线的蓝牙设备安装在龙门吊吊钩或吊架上，所述智能安全帽中设置有脑电监测装置、蓝牙模块和语音报警装置，所述蓝牙设备、脑电监测装置和语音报警装置通过无线通讯模块与数据管理平台连接。
采用该技术方案后，可通过具有多组天线的蓝牙设备计算龙门吊吊架或吊钩与智能安全帽中的距离和角度，数据管理平台根据角度和距离计算吊架或吊钩与施工人员之间的水平距离，并将水平距离与设定的安全距离进行比较，从而判断施工人员是否存在被伤害的风险。通过脑电监测装置对施工人员的精神状态进行实时监测，若施工人员存在被伤害的风险，数据管理平台通过无线通讯模块将预警信号传递给语音报警装置，语音报警装置发出预警提示音提醒施工人员注意安全，若施工人员精神状态不佳，语音报警装置发出更高级别的预警提示音，并且数据管理平台同时将预警信号传递给班组长，让班组长提醒提醒处于高风险施工位置的疲劳施工人员，或者安排其撤离工位。从而实现了自动预警，降低了安全风险，避免龙门吊安全事故的发生。
进一步的，所述吊架下方设置有保护罩，所述具有多组天线的蓝牙设备安装在保护罩中。
采用该优选方案后，保护罩可对吊架下方设置的蓝牙设备和无线通讯装置进行保护，避免损坏。
进一步的，所述蓝牙设备中具有多组不同角度的天线，且在龙门吊行车平行方向和垂直方向，各不少于2组。
采用该优选方案后，通过多组天线可以测量龙门吊吊架与施工人员之间的AOA(到达角)，多组天线分布在12.5厘米的宽度内(2.4G的波长是12.5厘米，测量AOA利用的是同一个波长内的相位差)，与龙门吊行车平行方向和垂直方向，各不少于2组，至少可以从两个方向确定重物与施工人员的角度。
进一步的，所述蓝牙设备和蓝牙模块采用支持蓝牙5.1寻向功能的芯片。
采用该优选方案后，通过支持蓝牙5.1寻向功能的蓝牙模块可以实现测距和测量角度的功能。
本发明还提供一种采用所述***的龙门吊环境施工预警方法，包括以下步骤：
步骤1：通过具有多组天线的蓝牙设备以及智能安全帽上的蓝牙模块测量施工人员与龙门吊吊装重物的距离和角度；
步骤2：数据管理平台根据测量到的距离和角度，计算龙门吊吊装重物与施工人员之间水平距离，并将该水平距离与设定安全距离进行比较；
步骤3：若龙门吊吊装重物与施工人员之间水平距离小于设定的安全距离，则通过安装于安全帽中的脑电监测装置采集施工人员的脑电信息；若龙门吊吊装重物与施工人员之间水平距离大于设定的安全距离，则返回步骤1；
步骤4：对施工人员的脑电信号做时域分析并记录历史数据；
步骤5：根据施工人员脑电实时时域特征与历史数据，将施工人员的生命体征状态分为Ⅰ-Ⅳ级，Ⅰ级表示清醒，Ⅱ级表示疑似疲劳，Ⅲ级表示疑似睡眠，Ⅳ级表示疑似晕厥；
步骤6：若施工人员的生命体征状态处于Ⅰ级，则该施工人员佩戴的智能安全帽语音报警装置输出一级报警提示音，提醒施工人员注意；若施工人员的生命体征状态处于Ⅱ级以上，则同时向该施工人员以及该施工人员所在班组的班组长佩戴的智能安全帽语音报警装置输出二级报警提示音，且将信息展示在数据管理平台。
进一步的，步骤5具体为：通过脑电监测装置测量施工人员脑部的alpha波、Beta波、Gamma波、Theta波和Delta波，记录不同波段的幅度大小、不同波段的幅度比例、不同波段的幅度大小随时间的变化、不同波段的幅度比例大小随时间的变化四个指标，并对上述四个指标进行加权处理，减少离散误差，最后根据脑电波的变化趋势将施工人员的生命体征状态分为I-IV级。
采用该方案后，本发明利用具有寻向功能蓝牙设备测量吊装重物与施工人员之间的距离和角度，从而判断施工人员是否具有安全风险，通过脑电监测装置实时监测施工人员的生命体征，并根据不同生命体征采用不同的预警方式，从而避免龙门吊施工的安全事故发生。
综上所述，由于采用了上述技术方案，本发明的有益效果是：
1.本发明可通过具有多组天线的蓝牙设备计算龙门吊吊架或吊钩与智能安全帽中的距离和角度，数据管理平台根据角度和距离计算吊架或吊钩与施工人员之间的水平距离，并将水平距离与设定的安全距离进行比较，从而判断施工人员是否存在被伤害的风险。通过脑电监测装置对施工人员的精神状态进行实时监测，若施工人员存在被伤害的风险，数据管理平台通过无线通讯模块将预警信号传递给语音报警装置，语音报警装置发出预警提示音提醒施工人员注意安全，若施工人员精神状态不佳，语音报警装置发出更高级别的预警提示音，并且数据管理平台同时将预警信号传递给班组长，让班组长提醒提醒处于高风险施工位置的疲劳施工人员，或者安排其撤离工位。从而实现了自动预警，降低了安全风险，避免龙门吊安全事故的发生。
2.吊架下方设置有保护罩，保护罩可对吊架下方设置的蓝牙设备和无线通讯装置进行保护，避免损坏。
3.蓝牙设备中具有多组不同角度的天线，且与龙门吊行车平行方向和垂直方向，各不少于2组，至少可以从两个方向确定重物与施工人员的角度。
4.本发明利用具有寻向功能蓝牙设备测量吊装重物与施工人员之间的距离和角度，从而判断施工人员是否具有安全风险，通过脑电监测装置实时监测施工人员的生命体征，并根据不同生命体征采用不同的预警方式，从而避免龙门吊施工的安全事故发生。
附图说明
本发明将通过例子并参照附图的方式说明，其中：
图1是深基坑作业示意图；
图2是多天线布置示意图；
图3是本发明的流程图。
附图标记：1-龙门吊，2-驾驶室，3-保护罩，4-深基坑，5-施工人员，6-吊架，7-天线。
具体实施方式
为使本申请实施例的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合本申请实施例中附图，对本申请实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本申请一部分实施例，而不是全部的实施例。通常在此处附图中描述和示出的本申请实施例的组件可以以各种不同的配置来布置和设计。因此，以下对在附图中提供的本申请的实施例的详细描述并非旨在限制要求保护的本申请的范围，而是仅仅表示本申请的选定实施例。基于本申请的实施例，本领域技术人员在没有做出创造性劳动的前提下所获得的所有其他实施例，都属于本申请保护的范围。
下面结合图1-图3对本发明作详细说明。
一种基于脑电和无线寻向的龙门吊环境施工预警***，包括具有多组天线的蓝牙设备、智能安全帽和数据管理平台，所述具有多组天线的蓝牙设备安装在龙门吊吊钩或吊架6上，所述智能安全帽中设置有脑电监测装置、蓝牙模块和语音报警装置，所述蓝牙设备、脑电监测装置和语音报警装置通过无线通讯模块与数据管理平台连接。
所述蓝牙设备中具有多组不同角度的天线，且在龙门吊行车平行方向和垂直方向，各不少于2组。
如图1所示，所述吊架6下方设置有保护罩3，所述具有多组天线的蓝牙设备安装在保护罩3中。
所述蓝牙设备和蓝牙模块采用支持蓝牙5.1寻向功能的芯片。例如选用Nordic新推出的支持蓝牙5.1寻向功能的芯片nRF52811 SoC或者Dialog的支持蓝牙5.1寻向功能的芯片DA1469x系列。
本实施例中，脑电监测装置为安装于安全帽帽衬的脑电电极，所述脑电采集电极为镀金干电极，测试点位于前额，3个或者5个电极，可以采集佩戴人员额叶的脑电信号。
本发明还提供一种龙门吊环境施工预警方法，包括以下步骤：
步骤1：通过具有多组天线的蓝牙设备以及智能安全帽上的蓝牙模块测量施工人员与龙门吊吊装重物的距离和角度；
智能安全帽和龙门吊吊架上设置有配对的蓝牙5.1模块，处理器通过计算两者之间的RSSI(接收信号强度：Radio Signal Strength Indication)，估算龙门吊吊钩(或者吊架)和施工人员距离；
RSSI(Received Signal Strength Indication)测距算法公式:
d＝10(abs(RSSI)-A)/(10*n),
其中d为计算所得距离(单位:m)；RSSI为接收信号强度(单位:dB)；A为发射端和接收端相隔1米时的信号强度；n为环境衰减因子。其中A和n需要经过多轮标定：测量多组d和RSSI，连立方程，计算A和n值，并通过各种滤波算法做均滑和加权，减小计算距离的离散误差。
处理器通过计算不同天线接收的相位差，计算龙门吊吊钩(或吊架)与智能安全帽的AOA(到达角：Angle-of-Arrival)。
举例说明：如图2所示，假设龙门吊的天线阵列由两个天线组成，相隔距离d。智能安全帽发射器设备使用单个天线发射信号。可以在与最接近的天线(天线1)相交的点处从延伸到最远的天线(天线2)的输入信号波前画一条垂直线。该直角三角形的相邻边表示相对于两个天线之间该波前的入射角的路径差。ψ＝(2πd cos(θ))/λ，其中λ是信号的波长，ψ是相位差，θ是到达角(从连接接收器中两个天线的线测量)，因此θ＝arccos((ψλ)/(2πd))。
步骤2：数据管理平台根据测量到的距离和角度计算龙门吊吊装重物与施工人员之间水平距离，并将该水平距离与设定安全距离进行比较；
水平距离＝d×cosθ
本实施例中，安全距离设定为5m，在其他实施例中，安全距离可根据实际情况设定。
步骤3：若龙门吊吊装重物与施工人员之间水平距离小于设定的安全距离，说明会有吊装重物砸到施工人员的风险，则通过安装于安全帽中的脑电监测装置采集施工人员的脑电信息；若龙门吊吊装重物与施工人员之间水平距离大于设定的安全距离，则返回步骤1；
步骤4：对施工人员的脑电信号做时域分析并记录历史数据；
步骤5：通过脑电监测装置测量施工人员脑部的alpha波(频率范围：8Hz至12Hz；太多：做白日梦，无法专注，太放松；太少：焦虑，高压，失眠，强迫症)、Beta波(频率范围：12Hz至40Hz；太多：肾上腺素，焦虑，高度兴奋，无法放松，压力；太少：多动症，白日梦，抑郁症，认知不佳)、Gamma波(频率范围：40Hz至100Hz；太多：焦虑，高兴奋，压力；太少：多动症，抑郁症，学习障碍)、Theta波(频率范围：4Hz至8Hz；太多：多动症，抑郁症，多动，冲动，注意力不集中；太少：焦虑，情绪意识差，压力大)、Delta波(频率范围：0Hz至4Hz；太多：脑损伤，学习问题，无法思考，严重ADHD；太少：无法振兴身体，无法振兴大脑，睡眠不好)，记录不同波段的幅度大小、不同波段的幅度比例、不同波段的幅度大小随时间的变化、不同波段的幅度比例大小随时间的变化四个指标，并对上述四个指标进行加权处理，减少离散误差，最后根据脑电波的变化趋势将施工人员的生命体征状态分为I-IV级。生命体征状态分级如表1所示：
表1生命体征状态分级
| 等级 | I级 | Ⅱ级 | Ⅲ级 | IV级 |
| 生命体征状态 | ≥90％ | 80％-90％ | 70％-80％ | ＜70％ |
施工人员的最佳生命体征状态为100％，如表1所示，施工人员的生命体征状态达到最佳时的90％以上时为Ⅰ级，表示清醒；施工人员的生命体征状态达到最佳时的80％-90％时为Ⅱ级，表示疑似疲劳；施工人员的生命体征状态达到最佳时的80％-90％时为Ⅲ级，表示疑似睡眠；施工人员的生命体征状态小于最佳时的70％时为Ⅳ级，表示疑似晕厥。若没有佩戴或者接触不好，则检测不到脑电信号；
步骤6：若施工人员的生命体征状态处于Ⅰ级，说明施工人员处于不疲劳度状态，很清醒，则该施工人员佩戴的智能安全帽语音报警装置输出一级报警提示音(参照YY0709-2009报警***测试和指南，C4-C4-C4，提示音相对平和；也可以参照其他报警标准)，提醒施工人员注意；若施工人员的生命体征状态处于Ⅱ级以上，说明工人员处于疲劳状态，意识状态较低，需要重点提醒，则同时向该施工人员以及该施工人员所在班组的班组长佩戴的智能安全帽语音报警装置输出二级报警提示音(参照YY0709-2009报警***测试和指南，C4-C4-C4---C4-C4，提示音相对急促；也可以参照其他报警标准)，且将信息展示在数据管理平台。
以上所述实施例仅表达了本申请的具体实施方式，其描述较为具体和详细，但并不能因此而理解为对本申请保护范围的限制。应当指出的是，对于本领域的普通技术人员来说，在不脱离本申请技术方案构思的前提下，还可以做出若干变形和改进，这些都属于本申请的保护范围。
Claims (6)
1.一种基于脑电和无线寻向的龙门吊环境施工预警***，其特征在于：包括具有多组天线的蓝牙设备、智能安全帽和数据管理平台，所述具有多组天线的蓝牙设备安装在龙门吊的吊钩或吊架上，所述智能安全帽中设置有脑电监测装置、蓝牙模块和语音报警装置，所述蓝牙设备、脑电监测装置和语音报警装置通过无线通讯模块与数据管理平台连接。
2.根据权利要求1所述的一种基于脑电和无线寻向的龙门吊环境施工预警***，其特征在于：所述吊架下方设置有保护罩，所述具有多组天线的蓝牙设备安装在保护罩中。
3.根据权利要求1所述的一种基于脑电和无线寻向的龙门吊环境施工预警***，其特征在于：所述蓝牙设备中具有多组不同角度的天线，且在龙门吊行车平行方向和垂直方向，各不少于2组。
4.根据权利要求1所述的一种基于脑电和无线寻向的龙门吊环境施工预警***，其特征在于：所述蓝牙设备和蓝牙模块采用支持蓝牙5.1寻向功能的芯片。
5.一种采用权利要求1-4任一项所述***的龙门吊环境施工预警方法，其特征在于，包括以下步骤：
步骤1：通过具有多组天线的蓝牙设备以及智能安全帽上的蓝牙模块测量施工人员与龙门吊吊装重物的距离和角度；
步骤2：数据管理平台根据测量到的距离和角度，计算龙门吊吊装重物与施工人员之间水平距离，并将该水平距离与设定安全距离进行比较；
步骤3：若龙门吊吊装重物与施工人员之间水平距离小于设定的安全距离，则通过安装于安全帽中的脑电监测装置采集施工人员的脑电信息；若龙门吊吊装重物与施工人员之间水平距离大于设定的安全距离，则返回步骤1；
步骤4：对施工人员的脑电信号做时域分析并记录历史数据；
步骤5：根据施工人员脑电实时时域特征与历史数据，将施工人员的生命体征状态分为Ⅰ至Ⅳ级，其中Ⅰ级表示清醒，Ⅱ级表示疑似疲劳，Ⅲ级表示疑似睡眠，Ⅳ级表示疑似晕厥；
步骤6：若施工人员的生命体征状态处于Ⅰ级，则该施工人员佩戴的智能安全帽语音报警装置输出一级报警提示音，提醒施工人员注意；若施工人员的生命体征状态处于Ⅱ级以上，则同时向该施工人员以及该施工人员所在班组的班组长佩戴的智能安全帽语音报警装置输出二级报警提示音，且将信息展示在数据管理平台。
6.根据权利要求5所述的龙门吊环境施工预警方法，其特征在于，步骤5具体为：通过脑电监测装置测量施工人员脑部的alpha波、Beta波、Gamma波、Theta波和Delta波，记录不同波段的幅度大小、不同波段的幅度比例、不同波段的幅度大小随时间的变化、不同波段的幅度比例大小随时间的变化四个指标，并对上述四个指标进行加权处理，减少离散误差，最后根据脑电波的变化趋势将施工人员的生命体征状态分为I-IV级。
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