港區人員安全監管智能系統開發

何曉宇， 方澤興

(浙江省交通規劃設計研究院有限公司，杭州 310006)

0 引 言

港區現場工作人員安全風險種類比較多，其中碰撞打擊、高空墜落和落水溺水等都是典型的風險種類。傳統的工程現場工作人員安全監管方式主要是管理人員現場檢查，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送和風險不能及時處理等。隨著港口智能化的不斷推進，有學者提出利用智能化手段解決部分安全監管問題，已有研究主要圍繞港區船舶運輸安全監管、庫場安全監管和設備安全監管等內容開展。

1)在船舶運輸安全監管方面：高倍力等[1]設計了一種內河船舶綜合安全監管平臺；楊家軒等[2]設計了一種船載危險品應急管理系統。

2)在庫場安全監管方面：張培林等[3]提出了工業港口庫場智能管理系統的設計思路。

3)在設備安全監管方面：韓雪等[4]提出了基于瀏覽器/服務器(Browser/Server，B/S)模式的港口設施維護管理系統，針對不同的用戶設計開發了基于設施基本信息管理的5個業務子系統；俞進輝等[5]基于WLAN開發了港口機械設備遠程監控系統，該系統具有港口機械設備運行狀態監測、數據分析、健康預警、剩余使用壽命預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測；朱慶豪[7]研究設計了基于ZigBee的井下人員定位系統；李蒙等[8]構建了基于可穿戴技術的地鐵施工人員安全監控預警系統，可在一定程度上預防施工人員安全意識缺乏導致的安全事故。

當前有關港區人員安全監管的智能化方案比較少，本文主要結合涉水工程施工建設和港區運營管理人員安全管理的需求，研發智能安全終端，并設計搭建安全監管智能系統，為現場人員提供安全保障，為港口的智能化發展打下基礎。

1 系統開發需求與總體架構

1.1 系統開發需求

該系統開發的總體目標是面向港口施工建設和港區管理人員，基于定位技術、計算機網絡技術和港區安全管理制度及流程，建立一種港區安全監管系統。通過現場座談、文獻檢索等方式分析港區人員的安全監管需求，主要包括人員定位監管、應急報警管理、危險源與隱患管理和系統管理維護等[9]，具體如下。

1)人員定位監管：需基于定位和通信技術開發適用于港區人員的智能終端設備，實現港區人員位置實時跟蹤和歷時軌跡查詢。

2)應急報警管理：結合涉水工程人員現場施工和管理的需求，設計應急報警機制和流程，為現場人員提供安全保障。

3)危險源與隱患管理：為港區安全隱患和危險源管理搭建數據庫和管理平臺，便于發現、上報危險源和隱患，及時采取整改和處理措施。

4)系統管理維護：需實現對系統服務對象的信息管理，包括組織機構管理、人員管理、權限管理和系統內部模塊及值域設置管理。

1.2 系統總體架構

港區安全監管系統采用B/S模式[10-11]，結合面向服務的架構(Service-Oriented Architecture,SOA)思想設計[12]，便于進行系統維護、功能拓展和后期數據處理。該系統采用3層體系架構(即表示層、業務層和數據訪問層)，同時可利用智能終端設備進行數據采集和交互(見圖1)。

圖1 系統總體架構

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

2)業務層包括業務流程和邏輯單元2部分，其中：業務流程是實現業務功能和系統管理的主要流程，包括位置監控上報流程(位置監控)、報警流程(報警管理、圍欄管理)、數據庫內部數據處理流程、單點登錄、網絡通信和權限劃分等；邏輯單元是實現業務流程的各子單元，包括配置管理、構件工具、坐標管理、地圖引擎、SOA服務和數據交換與加密等。

3)數據訪問層是對系統各類數據進行存儲和訪問，包括遙感數據、基礎數據、分析數據和過程數據等。

1.3 系統功能模塊

系統具有人員監管、安全管理和系統管理等3個功能模塊(見圖2)。

圖2 系統功能模塊

1.3.1 人員監管模塊

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

1.3.2 安全管理模塊

該模塊包含應急管理、危險源與隱患管理和區域管理等3個子模塊，其中：應急管理子模塊提供預警管理、報警管理、人員調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；區域管理用于在特定范圍內對人員和設備進行監管，該范圍可依據港區管理需求，由管理人員設定，區域的性質可設置為工作區域和危險區域等，該子模塊的功能包括電子圍欄設置、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 系統管理模塊

該模塊主要實現組織機構管理、人員管理、權限管理、模塊管理和值域管理等功能。

2 關鍵技術

開發該系統用到的關鍵技術包括智能終端設計研發、基于北斗衛星導航系統(BeiDou Navigation Sabellite System,BDS)的定位技術、針對港區人員特定需求的應急報警流程設計和后臺數據庫搭建。

2.1 智能終端設計研發

該系統結合涉水工程施工和管理人員作業的特點，設計研發3款可穿戴的智能終端設備，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測模塊、定位模塊和無線通信模塊等。此外，安全帽還設置有報警按鈕和狀態指示燈，其中：報警按鈕用于實現SOS主動報警；狀態指示燈用于指示安全帽的工作狀態。智能安全帽中的墜落報警模塊可在港區人員意外墜落過程中報警并向系統上報警情，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

人員定位卡是室內外定位一體終端，在使用之前需布設智能微基站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射頻芯片發送信號到網關。人員定位卡具有SOS主動報警和人員室內外定位等功能，可將定位場景擴展至室內。

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，既可應用于水上施工等涉水作業中，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及其周邊進行巡檢作業時采用等。

2.1.4 各智能終端比較

從適用場景、功能設計、攜帶方式、通信方式和定位方式等方面對該系統各款智能終端進行比較，結果見表1。

表1 各款智能終端比較

上述各款智能終端可分別應用于室內、室外和落水狀態等港口領域各類場景中，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

根據應用場景，可將基于BDS的定位技術分為室內和室外2種情況。

1)室外定位：采用BDS/GPS混合定位方式，優先選用BDS定位方式，在北斗衛星不能覆蓋或信號較弱的區域，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)，通過移動無線網絡GPRS(General Packet Radio Service)發送到定位服務器；定位服務器先解算出設備的位置，再調用公共地圖API(Application Programming Interface)，將位置和地圖信息發送給用戶。

2)室內定位：室內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傳送給定位服務器，定位服務器基于高精度定位算法實現位置解算，從而得到智能終端的實時位置。有權限的管理人員可通過系統平臺訪問定位服務器，得到權限內各用戶的精確位置。

2.3 應急報警流程設計

終端設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，結合涉水工程人員的作業特點，在安全帽墜落、落水報警終端落水和設備進入管理員劃定的危險區域時，自動觸發報警，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。報警信息由系統平臺接收之后，系統平臺會顯示報警信息，監控人員會及時發現警情，并以短信的形式將報警信息發送給相關安全負責人。圖5為應急報警處理流程。

圖5 應急報警處理流程

2.4 后臺數據庫搭建

結合系統功能需求，該數據庫主要包括安全管理信息庫、位置監控信息庫和基礎地理信息庫(見圖6)。

圖6 數據庫框架

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、設備管理信息和系統基礎數據維護信息等；

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

3)基礎地理信息包括基礎數據圖層、影像圖層和Openlayer自定義圖層，用于實現數據實時監控和安全管理區域可視化。

3 應用實例

以浙江沿海某港口工程施工建設項目為例進行分析。該項目的建設規模為2個5 000噸級散雜貨船出運泊位(水工結構設計船型按1萬噸級雜貨船設計)和2座棧橋，主要將上述研究成果應用于該項目的人員監控與考勤、應急管理和危險源與隱患管理等領域中。

3.1 人員監控與考勤

3.1.1 人員安全監控和軌跡查詢

工程人員攜帶安全終端設備之后，即可在瀏覽器上登錄港區人員安全監管智能系統的服務器，對工程人員的位置信息進行實時監控，同時進行軌跡查詢。

3.1.2 設備考勤

該系統在應用過程中記錄從工程建設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，系統可根據管理要求自動進行按天、按月的考勤統計。

圖7 2017年9月5日各施工人員在崗時間

3.2 應急管理

項目建設過程中，實際未出現緊急情況，應急管理實例采用的是試驗案例。案例中，施工人員發出SOS報警信息，平臺收到信息之后彈出報警提示，包括設備編號、姓名、電話、所屬單位、設備狀態和上報時間，并在第一時間以短信的形式將危險信息發送給安全負責人員。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為應急管理案例(系統截圖)。

圖8 應急管理案例(系統截圖)

3.3 危險源與隱患管理

危險源與隱患管理本質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，記載發現的危險源名稱、危險源地點、發現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，記載發現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(系統截圖)。

圖9 危險源信息管理(系統截圖)

4 結 語

隨著港口智能化的不斷推進，傳統港區安全監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送不及時和風險處理不及時等問題，亟需開發智能化的安全監管系統?；谌找姘l展的定位技術、互聯網技術和數據庫技術等，智能安全監管已具有可行性。

本文引入了BDS定位、互聯網、物聯網和數據庫等技術，開發了智能終端設備，包括智能安全帽、人員定位卡和落水報警終端，設計了應急報警流程，搭建了基于BDS定位的港區安全監管系統，并將其應用到了水運工程施工過程中。實踐結果證明，該系統具有良好的可操作性，與涉水工程人員的作業特點相契合，可為涉水工程施工和管理人員提供安全監管平臺，為港口智能化發展奠定基礎。