何曉宇， 方澤興

(浙江省交通規(guī)劃設(shè)計研究院有限公司，杭州 310006)

0 引 言

港區(qū)現(xiàn)場工作人員安全風(fēng)險種類比較多，其中碰撞打擊、高空墜落和落水溺水等都是典型的風(fēng)險種類。傳統(tǒng)的工程現(xiàn)場工作人員安全監(jiān)管方式主要是管理人員現(xiàn)場檢查，該方式存在很多問題，如管理對象的位置信息不能準確掌握、遇險人員的求救信號不能及時發(fā)送和風(fēng)險不能及時處理等。隨著港口智能化的不斷推進，有學(xué)者提出利用智能化手段解決部分安全監(jiān)管問題，已有研究主要圍繞港區(qū)船舶運輸安全監(jiān)管、庫場安全監(jiān)管和設(shè)備安全監(jiān)管等內(nèi)容開展。

1)在船舶運輸安全監(jiān)管方面：高倍力等[1]設(shè)計了一種內(nèi)河船舶綜合安全監(jiān)管平臺；楊家軒等[2]設(shè)計了一種船載危險品應(yīng)急管理系統(tǒng)。

2)在庫場安全監(jiān)管方面：張培林等[3]提出了工業(yè)港口庫場智能管理系統(tǒng)的設(shè)計思路。

3)在設(shè)備安全監(jiān)管方面：韓雪等[4]提出了基于瀏覽器/服務(wù)器(Browser/Server，B/S)模式的港口設(shè)施維護管理系統(tǒng)，針對不同的用戶設(shè)計開發(fā)了基于設(shè)施基本信息管理的5個業(yè)務(wù)子系統(tǒng)；俞進輝等[5]基于WLAN開發(fā)了港口機械設(shè)備遠程監(jiān)控系統(tǒng)，該系統(tǒng)具有港口機械設(shè)備運行狀態(tài)監(jiān)測、數(shù)據(jù)分析、健康預(yù)警、剩余使用壽命預(yù)測和故障實時報警等功能。

4)在人員安全管理方面：田豐等[6]采用圖像識別技術(shù)對施工行為進行了危險源辨識，針對施工人員的不安全施工行為開展了智能監(jiān)測；朱慶豪[7]研究設(shè)計了基于ZigBee的井下人員定位系統(tǒng)；李蒙等[8]構(gòu)建了基于可穿戴技術(shù)的地鐵施工人員安全監(jiān)控預(yù)警系統(tǒng)，可在一定程度上預(yù)防施工人員安全意識缺乏導(dǎo)致的安全事故。

當前有關(guān)港區(qū)人員安全監(jiān)管的智能化方案比較少，本文主要結(jié)合涉水工程施工建設(shè)和港區(qū)運營管理人員安全管理的需求，研發(fā)智能安全終端，并設(shè)計搭建安全監(jiān)管智能系統(tǒng)，為現(xiàn)場人員提供安全保障，為港口的智能化發(fā)展打下基礎(chǔ)。

1 系統(tǒng)開發(fā)需求與總體架構(gòu)

1.1 系統(tǒng)開發(fā)需求

該系統(tǒng)開發(fā)的總體目標是面向港口施工建設(shè)和港區(qū)管理人員，基于定位技術(shù)、計算機網(wǎng)絡(luò)技術(shù)和港區(qū)安全管理制度及流程，建立一種港區(qū)安全監(jiān)管系統(tǒng)。通過現(xiàn)場座談、文獻檢索等方式分析港區(qū)人員的安全監(jiān)管需求，主要包括人員定位監(jiān)管、應(yīng)急報警管理、危險源與隱患管理和系統(tǒng)管理維護等[9]，具體如下。

1)人員定位監(jiān)管：需基于定位和通信技術(shù)開發(fā)適用于港區(qū)人員的智能終端設(shè)備，實現(xiàn)港區(qū)人員位置實時跟蹤和歷時軌跡查詢。

2)應(yīng)急報警管理：結(jié)合涉水工程人員現(xiàn)場施工和管理的需求，設(shè)計應(yīng)急報警機制和流程，為現(xiàn)場人員提供安全保障。

3)危險源與隱患管理：為港區(qū)安全隱患和危險源管理搭建數(shù)據(jù)庫和管理平臺，便于發(fā)現(xiàn)、上報危險源和隱患，及時采取整改和處理措施。

4)系統(tǒng)管理維護：需實現(xiàn)對系統(tǒng)服務(wù)對象的信息管理，包括組織機構(gòu)管理、人員管理、權(quán)限管理和系統(tǒng)內(nèi)部模塊及值域設(shè)置管理。

1.2 系統(tǒng)總體架構(gòu)

港區(qū)安全監(jiān)管系統(tǒng)采用B/S模式[10-11]，結(jié)合面向服務(wù)的架構(gòu)(Service-Oriented Architecture,SOA)思想設(shè)計[12]，便于進行系統(tǒng)維護、功能拓展和后期數(shù)據(jù)處理。該系統(tǒng)采用3層體系架構(gòu)(即表示層、業(yè)務(wù)層和數(shù)據(jù)訪問層)，同時可利用智能終端設(shè)備進行數(shù)據(jù)采集和交互(見圖1)。

圖1 系統(tǒng)總體架構(gòu)

1)表示層在系統(tǒng)中提供與用戶交互的界面，系統(tǒng)管理人員可通過PC(Persenal Computer)端桌面瀏覽器與系統(tǒng)交互，主要有地圖展示、位置監(jiān)控、應(yīng)急管理、危險源與隱患管理、區(qū)域管理和系統(tǒng)管理等功能。

2)業(yè)務(wù)層包括業(yè)務(wù)流程和邏輯單元2部分，其中：業(yè)務(wù)流程是實現(xiàn)業(yè)務(wù)功能和系統(tǒng)管理的主要流程，包括位置監(jiān)控上報流程(位置監(jiān)控)、報警流程(報警管理、圍欄管理)、數(shù)據(jù)庫內(nèi)部數(shù)據(jù)處理流程、單點登錄、網(wǎng)絡(luò)通信和權(quán)限劃分等；邏輯單元是實現(xiàn)業(yè)務(wù)流程的各子單元，包括配置管理、構(gòu)件工具、坐標管理、地圖引擎、SOA服務(wù)和數(shù)據(jù)交換與加密等。

3)數(shù)據(jù)訪問層是對系統(tǒng)各類數(shù)據(jù)進行存儲和訪問，包括遙感數(shù)據(jù)、基礎(chǔ)數(shù)據(jù)、分析數(shù)據(jù)和過程數(shù)據(jù)等。

1.3 系統(tǒng)功能模塊

系統(tǒng)具有人員監(jiān)管、安全管理和系統(tǒng)管理等3個功能模塊(見圖2)。

圖2 系統(tǒng)功能模塊

1.3.1 人員監(jiān)管模塊

該模塊主要具有地圖信息展示和人員實時監(jiān)控功能，其中：地圖信息展示反映港區(qū)的位置和范圍；人員實時監(jiān)控可實現(xiàn)對人員位置的實時監(jiān)控和對一段時間內(nèi)運動軌跡的查詢。該功能不僅適用于在施工期監(jiān)管施工人員，而且適用于在運營期監(jiān)管港區(qū)管理與作業(yè)人員。

1.3.2 安全管理模塊

該模塊包含應(yīng)急管理、危險源與隱患管理和區(qū)域管理等3個子模塊，其中：應(yīng)急管理子模塊提供預(yù)警管理、報警管理、人員調(diào)度和報警處理人員信息管理等功能；危險源與隱患管理用于上報危險源和隱患信息，并記錄上報整改情況；區(qū)域管理用于在特定范圍內(nèi)對人員和設(shè)備進行監(jiān)管，該范圍可依據(jù)港區(qū)管理需求，由管理人員設(shè)定，區(qū)域的性質(zhì)可設(shè)置為工作區(qū)域和危險區(qū)域等，該子模塊的功能包括電子圍欄設(shè)置、定位考勤、圍欄記錄、巡檢軌跡和報警記錄等。這3個模塊在施工期和運營期均適用。

1.3.3 系統(tǒng)管理模塊

該模塊主要實現(xiàn)組織機構(gòu)管理、人員管理、權(quán)限管理、模塊管理和值域管理等功能。

2 關(guān)鍵技術(shù)

開發(fā)該系統(tǒng)用到的關(guān)鍵技術(shù)包括智能終端設(shè)計研發(fā)、基于北斗衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)(BeiDou Navigation Sabellite System,BDS)的定位技術(shù)、針對港區(qū)人員特定需求的應(yīng)急報警流程設(shè)計和后臺數(shù)據(jù)庫搭建。

2.1 智能終端設(shè)計研發(fā)

該系統(tǒng)結(jié)合涉水工程施工和管理人員作業(yè)的特點，設(shè)計研發(fā)3款可穿戴的智能終端設(shè)備，分別是智能安全帽、人員定位卡和落水報警終端(見圖3和圖4)。

圖3 智能安全帽

a)人員定位卡

2.1.1 智能安全帽

智能安全帽具有人員定位、SOS主動報警和人員墜落報警等功能，其組件包括安全帽本體、主控制器、電源，以及分別與主控制器連接的墜落監(jiān)測模塊、定位模塊和無線通信模塊等。此外，安全帽還設(shè)置有報警按鈕和狀態(tài)指示燈，其中：報警按鈕用于實現(xiàn)SOS主動報警；狀態(tài)指示燈用于指示安全帽的工作狀態(tài)。智能安全帽中的墜落報警模塊可在港區(qū)人員意外墜落過程中報警并向系統(tǒng)上報警情，幫助施救人員快速獲取險情位置，實施救援。

2.1.2 人員定位卡

人員定位卡是室內(nèi)外定位一體終端，在使用之前需布設(shè)智能微基站Ibeacon，終端使用藍牙5.0芯片采集Ibeacon信號，通過Ibeacon解算終端的位置，并通過LoRa射頻芯片發(fā)送信號到網(wǎng)關(guān)。人員定位卡具有SOS主動報警和人員室內(nèi)外定位等功能，可將定位場景擴展至室內(nèi)。

2.1.3 落水報警終端

落水報警終端是一款以BDS定位功能為基礎(chǔ)的多功能定位終端，具有人員定位、SOS主動報警和落水報警等功能，其中落水報警是該終端特有的功能，可在人員落水之后迅速報警并上報警情和人員位置，既可應(yīng)用于水上施工等涉水作業(yè)中，如碼頭棧橋施工、水上測繪等，又可在運營期工作人員對港區(qū)及其周邊進行巡檢作業(yè)時采用等。

2.1.4 各智能終端比較

從適用場景、功能設(shè)計、攜帶方式、通信方式和定位方式等方面對該系統(tǒng)各款智能終端進行比較，結(jié)果見表1。

表1 各款智能終端比較

上述各款智能終端可分別應(yīng)用于室內(nèi)、室外和落水狀態(tài)等港口領(lǐng)域各類場景中，適用性比較為全面，佩戴方便，具有良好的工作性能。

2.2 基于BDS的定位技術(shù)

根據(jù)應(yīng)用場景，可將基于BDS的定位技術(shù)分為室內(nèi)和室外2種情況。

1)室外定位：采用BDS/GPS混合定位方式，優(yōu)先選用BDS定位方式，在北斗衛(wèi)星不能覆蓋或信號較弱的區(qū)域，會自動切換至GPS定位方式。用戶攜帶的智能終端先從BDS或GPS衛(wèi)星獲取無線廣播信號，隨后連同自身ID(Identity Document)，通過移動無線網(wǎng)絡(luò)GPRS(General Packet Radio Service)發(fā)送到定位服務(wù)器；定位服務(wù)器先解算出設(shè)備的位置，再調(diào)用公共地圖API(Application Programming Interface)，將位置和地圖信息發(fā)送給用戶。

2)室內(nèi)定位：室內(nèi)定位需安裝智能微基站Ibeacon，智能微基站向外廣播無線信號，當該無線信號被智能終端接收之后，智能終端將自身ID、無線信號強度和到達時間等參數(shù)傳送給定位服務(wù)器，定位服務(wù)器基于高精度定位算法實現(xiàn)位置解算，從而得到智能終端的實時位置。有權(quán)限的管理人員可通過系統(tǒng)平臺訪問定位服務(wù)器，得到權(quán)限內(nèi)各用戶的精確位置。

2.3 應(yīng)急報警流程設(shè)計

終端設(shè)備開機之后按一定頻率上報位置，在遇到危機情況時，可利用SOS按鍵主動報警。同時，結(jié)合涉水工程人員的作業(yè)特點，在安全帽墜落、落水報警終端落水和設(shè)備進入管理員劃定的危險區(qū)域時，自動觸發(fā)報警，從而避免遇險人員在險情下不便主動報警，致使錯過最佳救助時間。報警信息由系統(tǒng)平臺接收之后，系統(tǒng)平臺會顯示報警信息，監(jiān)控人員會及時發(fā)現(xiàn)警情，并以短信的形式將報警信息發(fā)送給相關(guān)安全負責(zé)人。圖5為應(yīng)急報警處理流程。

圖5 應(yīng)急報警處理流程

2.4 后臺數(shù)據(jù)庫搭建

結(jié)合系統(tǒng)功能需求，該數(shù)據(jù)庫主要包括安全管理信息庫、位置監(jiān)控信息庫和基礎(chǔ)地理信息庫(見圖6)。

圖6 數(shù)據(jù)庫框架

1)安全管理信息包括圍欄管理信息、隱患信息、危險源信息、歷史軌跡坐標信息、設(shè)備管理信息和系統(tǒng)基礎(chǔ)數(shù)據(jù)維護信息等；

2)位置監(jiān)控信息包括APP定位信息、安全帽定位信息、落水報警終端定位信息、設(shè)備報警信息和圍欄報警信息等，用于記錄設(shè)備實時監(jiān)控位置和報警位置信息；

3)基礎(chǔ)地理信息包括基礎(chǔ)數(shù)據(jù)圖層、影像圖層和Openlayer自定義圖層，用于實現(xiàn)數(shù)據(jù)實時監(jiān)控和安全管理區(qū)域可視化。

3 應(yīng)用實例

以浙江沿海某港口工程施工建設(shè)項目為例進行分析。該項目的建設(shè)規(guī)模為2個5 000噸級散雜貨船出運泊位(水工結(jié)構(gòu)設(shè)計船型按1萬噸級雜貨船設(shè)計)和2座棧橋，主要將上述研究成果應(yīng)用于該項目的人員監(jiān)控與考勤、應(yīng)急管理和危險源與隱患管理等領(lǐng)域中。

3.1 人員監(jiān)控與考勤

3.1.1 人員安全監(jiān)控和軌跡查詢

工程人員攜帶安全終端設(shè)備之后，即可在瀏覽器上登錄港區(qū)人員安全監(jiān)管智能系統(tǒng)的服務(wù)器，對工程人員的位置信息進行實時監(jiān)控，同時進行軌跡查詢。

3.1.2 設(shè)備考勤

該系統(tǒng)在應(yīng)用過程中記錄從工程建設(shè)施工準備至完工之后維護期間施工人員的考勤情況。圖7為2017年9月5日各施工人員在崗時間。同時，系統(tǒng)可根據(jù)管理要求自動進行按天、按月的考勤統(tǒng)計。

圖7 2017年9月5日各施工人員在崗時間

3.2 應(yīng)急管理

項目建設(shè)過程中，實際未出現(xiàn)緊急情況，應(yīng)急管理實例采用的是試驗案例。案例中，施工人員發(fā)出SOS報警信息，平臺收到信息之后彈出報警提示，包括設(shè)備編號、姓名、電話、所屬單位、設(shè)備狀態(tài)和上報時間，并在第一時間以短信的形式將危險信息發(fā)送給安全負責(zé)人員。在營救人員采取救援措施之后，管理員解除報警并輸入解除理由。圖8為應(yīng)急管理案例(系統(tǒng)截圖)。

圖8 應(yīng)急管理案例(系統(tǒng)截圖)

3.3 危險源與隱患管理

危險源與隱患管理本質(zhì)上是對危險源和隱患信息進行錄入和分類儲存，其中：危險源管理功能主要是指記錄危險源日志，記載發(fā)現(xiàn)的危險源名稱、危險源地點、發(fā)現(xiàn)日期和危險源特征等信息；隱患管理功能主要是指記錄隱患日志，記載發(fā)現(xiàn)的隱患名稱和隱患類型，描述隱患特征和地點，報告臨時防范措施、被檢查單位、整改責(zé)任人和整改日期等信息。工程實例中，工程人員利用該功能對工程中出現(xiàn)的危險源和隱患進行收集、錄入，并記錄整改信息。圖9為危險源信息管理(系統(tǒng)截圖)。

圖9 危險源信息管理(系統(tǒng)截圖)

4 結(jié) 語

隨著港口智能化的不斷推進，傳統(tǒng)港區(qū)安全監(jiān)管方式已不能滿足需求，存在管理對象位置信息不準確、遇險人員求救信號發(fā)送不及時和風(fēng)險處理不及時等問題，亟需開發(fā)智能化的安全監(jiān)管系統(tǒng)?；谌找姘l(fā)展的定位技術(shù)、互聯(lián)網(wǎng)技術(shù)和數(shù)據(jù)庫技術(shù)等，智能安全監(jiān)管已具有可行性。

本文引入了BDS定位、互聯(lián)網(wǎng)、物聯(lián)網(wǎng)和數(shù)據(jù)庫等技術(shù)，開發(fā)了智能終端設(shè)備，包括智能安全帽、人員定位卡和落水報警終端，設(shè)計了應(yīng)急報警流程，搭建了基于BDS定位的港區(qū)安全監(jiān)管系統(tǒng)，并將其應(yīng)用到了水運工程施工過程中。實踐結(jié)果證明，該系統(tǒng)具有良好的可操作性，與涉水工程人員的作業(yè)特點相契合，可為涉水工程施工和管理人員提供安全監(jiān)管平臺，為港口智能化發(fā)展奠定基礎(chǔ)。