对城市排水管网井下作业人员风险监测的设备及监测方法

1.本发明属于监测设备技术领域，更具体地，涉及一种用于城市排水管网井下作业人员风险监测的可穿戴设备及监测方法。


背景技术：

2.排水管网是城市重要基础设施，目前管网运维作业中，不论是检测、清淤还是修复，都是以人工下井作业为主，而排水管网因其长期受污水侵蚀，加之淤泥淤积、空间狭小、气体流通不畅等问题，给作业人员的安全风险带来了极大挑战。对管道内有害气体浓度以及作业人员生理特征情况进行监测，可以有效预防有害气体对工人身体健康造成损伤，突发紧急情况时也可以方便地面作业人员实施救援。
3.但目前的市面上的气体监测设备体积庞大，移动性差，无法跟随工人实时移动，更做不到对每个个体进行单独准确地安全与生理监测。
4.随着传感器技术、物联网技术、边缘计算技术的不断发展，智能可穿戴设备快速发展。可穿戴设备可以通过嵌入各种生物传感器、运动传感器、气体检测传感器，来监测环境中的气体浓度和人体的生理特征指标，其微型化和便携化的特点可以很好地满足对于安全与生理个体监测的要求。
5.但是，由于在排水管道内信号强度比较弱，并且管道内的淤泥等障碍物信号也会有衰减作用，进一步削弱信号强度。现有技术中的可穿戴设备常采用蓝牙、zigbee等传输方式直接将前端采集的信息传输至后端平台进行数据处理，再给出相应的指令传递至作业人员，不论是前端采集的信息传递至后端平台，还是后端平台下发相应的指令至作业人员均存在较大的信号延迟，对城市排水管网井下作业人员的风险监测不够准确。


技术实现要素：

6.针对现有技术的缺陷和改进需求，本发明提供了一种对城市排水管网井下作业人员风险监测的设备及监测方法，其目的在于提升对城市排水管网井下作业人员风险监测的准确度。
7.为实现上述目的，按照本发明的一个方面，提供了一种对城市排水管网井下作业人员风险监测的设备，包括：信号采集模块、边缘计算模块、网络通讯模块及主控制平台，所述信号采集模块通过所述网络通讯模块与所述边缘计算模块连接，所述边缘计算模块还通过所述网络通讯模块与所述主控制平台连接；
8.所述信号采集模块用于采集作业环境中的有害气体浓度数据及图像数据，还用于采集作业人员的周期性波动生物计量指标、非周期性波动生物计量指标及运动状态数据；
9.所述边缘计算模块用于将所述有害气体浓度数据及非周期性波动生物计量指标与设定的安全阈值进行比对，判断是否在设定的安全阈值范围内，若不在设定的安全阈值范围内，发出预警信息给作业人员；并将所述图像数据、周期性波动生物计量指标及运动状态数据上传至所述主控制平台；
10.所述主控制平台用于分析所述图像数据、周期性波动生物计量指标及运动状态数据在一段时间内的趋势，预测作业环境及作业人员的安全状态，并根据预测结果下发指令至作业人员。
11.进一步地，所述信号采集模块包括有害气体监测单元、生理特征监测单元、姿态监测单元、图像采集单元；
12.所述有害气体监测单元用于采集作业环境中有害气体浓度数据；
13.所述生理特征监测单元用于采集作业人员的周期性波动生物计量指标及非周期性波动生物计量指标；
14.所述姿态监测单元，用于采集作业人员的运动状态数据；
15.所述图像采集单元，用于采集作业环境中的图像数据。
16.进一步地，所述有害气体监测单元包括甲烷传感器、氨气传感器、硫化氢传感器及氧气传感器。
17.进一步地，所述非周期性波动生物计量指标包括作业人员的体温数据指标、血氧数据指标；
18.所述周期性波动生物计量指标包括作业人员的心电数据指标、血压数据指标。
19.进一步地，所述姿态监测单元包括三轴加速度计、三轴陀螺仪及三轴磁传感器。
20.进一步地，所述网络通讯模块包括nb-iot和5g网络，所述信号采集模块通过所述nb-iot与所述边缘计算模块连接，所述边缘计算模块还通过所述5g网络与所述主控制平台连接。
21.进一步地，所述信号采集模块还包括定位单元、语音交互单元、报警器及照明器中的之一或多个。
22.进一步地，所述边缘计算模块还用于将所述有害气体浓度数据及非周期性波动生物计量指标上传至所述主控制平台，所述主控制平台还用于分析所述有害气体浓度数据及非周期性波动生物计量指标在一段时间内的趋势，预测作业环境及作业人员的安全状态。
23.进一步地，所述有害气体监测单元位于作业人员的左大臂外侧，姿态监测单元位于腰部，图像采集单元、语音交互单元、定位单元、报警器及照明器集成于安全帽中，生理特征监测单元位于作业人员的手腕处。
24.按照本发明的另一方面，提供了一种对城市排水管网井下作业人员风险监测的方法，包括：
25.采集作业环境中的有害气体浓度数据及图像数据，采集作业人员的周期性波动生物计量指标、非周期性波动生物计量指标及运动状态数据；
26.在作业环境中，将所述有害气体浓度数据及非周期性波动生物计量指标与设定的安全阈值进行比对，判断所述有害气体浓度数据及非周期性波动生物计量指标是否在设定的安全阈值范围内，若不在设定的安全阈值范围内，发出预警信息给作业人员；
27.将所述图像数据、周期性波动生物计量指标及运动状态数据上传至排水管网井外，分析所述图像数据、周期性波动生物计量指标及运动状态数据在一段时间内的趋势，预测作业环境及作业人员的安全状态，并根据预测结果下发指令至作业人员。
28.总体而言，通过本发明所构思的以上技术方案，能够取得以下有益效果：
29.(1)本发明通过将有害气体浓度数据及非周期性波动生物计量指标等能够立刻反
馈的及时信号直接进入边缘计算模块，若信号强度不在设定的安全阈值范围内，直接对作业人员实时报警，使作业人员及时采取相应的避险措施，无需将信号传递至地面上的主控制平台，避免了将信号传递至管道外的主控制平台产生的信号延迟、主控制平台经过信号处理再下发指令至管道内产生的信号延迟以及管道内障碍物对往返信号的衰减；针对作业人员的周期性波动的生物计量指标、运动状态数据及作业环境的图像数据，则通过边缘计算模块上传至主控制平台，主控制平台通过分析这些数据在一段时间内的趋势，将相应的趋势信息下发指令至作业人员，使作业人员做出相应的避险措施，由于上传至主控制平台的是一段时间内的数据信息，并且主控制平台下发的是趋势信息，对信号延迟及衰减不敏感，从而提升了对城市排水管网井下作业人员的风险监测的准确度。
附图说明
30.图1是本发明实施例中的用于城市排水管网井下作业人员风险监测的可穿戴设备的结构示意图；
31.图2是本发明实施例中的用于城市排水管网井下作业人员风险监测的可穿戴设备的功能示意图；
具体实施方式
32.为了使本发明的目的、技术方案及优点更加清楚明白，以下结合附图及实施例，对本发明进行进一步详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施例仅用以解释本发明，并不用于限定本发明。此外，下面所描述的本发明各个实施方式中所涉及到的技术特征只要彼此之间未构成冲突就可以相互组合。需要注意的是，这里所使用的术语仅是为了描述具体实施方式，而非意图限制根据本技术的示例性实施方式。如在这里所使用的，除非上下文另外明确指出，否则单数形式也意图包括复数形式，此外，还应当理解的是，当在本说明书中使用术语“包含”和/或“包括”时，其指明存在特征、步骤、操作、器件、组件和/或它们的组合。
33.如图1所示，本发明提供的用于城市排水管网井下作业人员风险监测的可穿戴设备，主要包括：信号采集模块、边缘计算模块、网络通讯模块及主控制平台，信号采集模块通过网络通讯模块与边缘计算模块连接，边缘计算模块通过网络通讯模块与主控制平台连接。
34.其中，信号采集模块用于采集作业人员及作业环境中的数据，具体包括：有害气体监测单元、生理特征监测单元、姿态监测单元、图像采集单元及定位单元；
35.有害气体监测单元，用于采集作业环境中有害气体浓度数据；
36.生理特征监测单元，用于采集作业人员的周期性波动生物计量指标及非周期性波动生物计量指标；
37.姿态监测单元，用于采集作业人员在城市排水管网井下的运动状态数据；
38.图像采集单元，用于采集作业环境中的图像数据；
39.定位单元，用于采集作业人员在城市排水管网井下的位置信息；
40.边缘计算模块，设置在作业人员的工装上，用于控制信号采集模块的数据采集与存储，并将存储的数据上传至地面主控制平台；具体地，将有害气体监测单元采集的有害气
体浓度数据、生理特征监测单元采集的非周期性波动生物计量指标与设定的安全阈值范围进行比对，判断有害气体浓度数据及非周期性波动生物计量指标是否在设定的安全阈值范围内，若不在设定的安全阈值范围内，将发出预警信息给作业人员；并且，将生理特征监测单元采集的周期性波动生物计量指标、姿态监测单元采集的运动状态数据、图像采集单元采集的图像数据及定位单元采集的定位数据上传至主控制平台，主控制平台通过分析在在一段时间内周期性波动生物计量指标、运动状态数据及图像数据，对作业人员健康状态及作业环境的安全状态进行预测，根据预测结果判断作业人员是否能够继续作业，并将相应的指令下发至作业人员；
41.网络通讯模块，用于实现有害气体监测单元、生理特征监测单元、姿态监测单元、图像采集单元及定位单元与边缘计算模块之间的通信及数据传输，以及边缘计算模块与主控制平台之间的通信及数据传输；
42.主控制平台，设置在排水管网井外，即地面上，用于对边缘计算模块传回的数据进行统一管理和下发指令，具体地，主控制平台通过分析在在一段时间内周期性波动生物计量指标、运动状态数据及图像数据，对作业人员健康状态及作业环境的安全状态进行预测，根据预测结果判断作业人员是否能够继续作业，并将相应的指令下发至作业人员；比如，通过分析在一段时间内作业人员的运动状态数据，判断作业人员的运动趋势，通过分析在一段时间内作业人员的周期性波动数据，判断作业人员的生理特征是否正常，通过分析在一段时间内作业环境的图像数据，判断作业环境是否安全，比如是否存在危险源，进而给出相应的指令，下发至作业人员，使作业人员规避相应的风险。另外，经过边缘计算模块处理存储的数据均可以上传至主控制平台，主控制平台针对不同的数据采用不同的算法进行分析，将相应的数据进行分类，为下一次的作业提供数据参考。
43.作为优选，有害气体监测单元采集的作业环境气体包括并不限于ch4、nh4、h2s、o2等，采用的传感器包括甲烷传感器、氨气传感器、硫化氢传感器及氧气传感器。
44.生理特征监测单元中的周期性波动生物计量指标包括作业人员的心电数据指标、血压数据指标等；非周期性波动生物计量指标包括作业人员的体温数据指标、血氧数据指标等；具体地，采用心电传感器、血压传感器、体温传感器及血氧传感器等传感器采集相应的生物计量指标；作为优选，本实施例中，采用融合了红外体温传感器和光学心电传感器，使用光电容积描记(ppg)来测量心电、血压、血氧以及其他生物计量指标。
45.姿态监测单元采集作业人员在城市排水管网井下的运动状态数据包括作业人员在运动过程中的加速度、角速度、角度，通过九轴运动传感器采集相应的数据，具体地，分别采用三轴加速度计、三轴陀螺仪和三轴磁传感器采集相应的加速度、角速度、角度数据。
46.图像采集单元包括摄像头，用于实时采集作业环境中的影像信息；作为优选，还包括照明器；作为优选，还包括报警器，边缘计算模块判断出有害气体浓度数据及非周期性波动生物计量指标超出设定的安全阈值时，通过报警器发出预警信息给作业人员，本实施例中，报警器采用声光报警器。还可以包括无线通信设备，用于进行语音交互。
47.定位单元采用gps定位；通讯模块主要包括nb-iot和5g网络；信号采集模块中个各单元与边缘计算模块之间通过nb-iot连接；边缘计算模块与主控制平台之间电连接，通过5g网络进行数据传输。
48.具体地，信号采集模块中个各单元中的传感器均嵌入作业人员的工装上衣中，其
中，有害气体监测单元位于作业人员的左大臂外侧，姿态监测单元位于腰部，图像采集单元、报警器、无线通信设备、照明设备及定位单元集成于安全帽中，生理特征监测单元位于作业人员的手腕处。
49.基于上述的用于城市排水管网井下作业人员风险监测的可穿戴设备，通过该可穿戴设备进行监测的方法，包括：
50.边缘计算模块与有害气体监测单元、姿态监测单元、图像与声音采集模块、生理特征监测单元和定位单元通过nb-iot连接，边缘计算模块与主控制平台通过5g网络连接；
51.边缘计算模块控制相应的传感器进行数据采集与存储，有害气体监测单元采集作业环境中的有害气体浓度，采集到的气体浓度信号经传感器内部的化学反应后，产生与气体浓度呈线性关系的微弱电流信号，相应的信号经过处理转化为对应的电压值通过nb-iot传输给边缘计算模块，边缘计算模块将对应的电压值与设定的安全阈值进行比对，若是信号强度不在设定的安全阈值范围，则激活报警器进行实时报警；同样，对生理特征监测单元采集的非周期性波动生物计量指标与设定的安全阈值范围进行比对，若是信号强度不在设定的安全阈值范围，则激活报警器进行实时报警；异常的浓度信息或者非周期性波动生物计量指标信息通过nb-iot发送到安全帽中的报警器进行报警；
52.对于生理特征监测单元采集的周期性波动生物计量指标、姿态监测单元采集的运动状态数据、图像采集单元采集的图像数据及定位单元采集的定位数据，边缘计算模块通过网络通讯模块将相应的数据上传至主控制平台，主控平台通过相应的算法分析一段时间内的周期性波动生物计量指标、运动状态数据及图像数据，得出作业人员及作业环境相应数据指标的趋势，并将该趋势划分为不同的安全等级，当该趋势表示的安全等级显示作业人员的运动状态异常、周期性波动生物计量指标异常或者作业环境异常时，主控平台下发相应的指令给作业人员，该指令信息可以指示作业人员停止作业、继续作业、能够继续作业的时间或其它能够规避风险的指示等；
53.在这个过程中，通过定位单元获知作业人员的实时位置信息；
54.其中，信号采集模块采集的数据均存储在边缘计算模块中；
55.还包括，将存储在边缘计算模块中的有害气体浓度数据及非周期性波动生物计量指标均上传至主控制平台，主控平台通过相应的算法，分析一段时间内的有害气体浓度、非周期性波动生物计量指标，将相应的数据进行分类，为下一次的作业提供数据参考。
56.还包括，作业人员通过语音交互发出紧急呼叫。
57.如图2所示，根据不同的设备及应用，可以将本发明中装备分为对象层、感知层、网络通讯层、信息处理层、决策控制层。其中，对象层为可穿戴设备监测的对象，包括管道作业人员和排水管网的环境；感知层分为传感器对管道工作人员情况及其所处的管道内部环境的感知，以及工人对后续反馈的语音交互及声光报警信息的感知；网络通信层指基于无线网络及5g信号的数据传输和指令下发；信息处理层包括基于边缘计算的智能数据分析及图像分析等；决策控制层包括主控平台、数据监测系统以及协同指挥大屏等，对信息处理层传输的数据信息进行记录、存档、分析和预测，并根据分析和预测的结果向管道作业人员下发指令。另外，主控平台还可以将分析后的数据信息传输到手机等移动终端，地面协助人员根据手机终端收到的信息，进行危险等级分类，给地面工作人员提供相应的信息指示，进而降低排水管道内工作人员因有害气体影响和身体状况异常造成不可逆的损伤，便于预防管道
作业安全风险，便于紧急情况下快速提供救援决策。
58.其中，信息处理层中，针对可以立刻反馈的及时信号(如有害气体监测单元采集作业环境中的有害气体浓度、生理特征监测单元采集的非周期性波动生物计量指标)会直接通过传感器进入边缘计算模块，若信号强度不在设定的安全阈值范围内，即直接激活报警器进行实时报警，使作业人员及时采取相应的避险措施，无需将相应的信号再传递至地面上的主控制平台，避免了将信号传递至管道外的主控制平台信号延迟、主控制平台经过信号处理再下发指令至管道内的信号延迟以及管道内障碍物对来回信号的衰减；针对周期性波动的生物计量指标、姿态监测单元采集的运动状态数据、图像采集单元采集的图像数据，则通过边缘计算模块上传至主控制平台，主控制平台通过分析这些数据在一段时间内的趋势，将相应的趋势信息下发指令至作业人员，使作业人员做出相应的避险措施，由于上传至主控制平台的是一段时间内的数据信息，并且主控制平台下发的是趋势信息，对信号延迟及衰减不敏感，整个装备及方法提升了对城市排水管网井下作业人员的风险监测的准确度。
59.本领域的技术人员容易理解，以上所述仅为本发明的较佳实施例而已，并不用以限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内所作的任何修改、等同替换和改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。