摘要：施工现场智能高坠防护服及其安全作业系统研究涉及一种基于施工现场安全为研发主线的智能穿戴设备——气囊式智能高坠防护服的开发及其配套的智慧平台产品，其目的要对施工中的不安全因素进行事前预防、事中保护、事后救援，因此本项目的研发对施工现场人员的保护具有深刻意义。本研究主要内容包括基于不同工种的智能安全防护服研发与应用和基于物联网的安全智慧监测及救援系统的开发。

　　关键词：施工现场；智能穿戴；气囊式；高坠防护服；智慧监测

　　一、研究背景

　　国家城镇化建设步入了快车道，随之而来的建筑工地施工安全越发引人瞩目。然而高处作业由于防护不当容易导致高坠事故，高空坠落占建筑工地工伤事故的大多数，对施工人员的生命安全和国家财产带来严重威胁。常见的造成高空坠落的原因有很多，包括临边防护不到位，施工现场结构体系失稳坍塌，作业过程中安全网搭设不规范，施工人员安全意识淡薄，未按照相关技术规范佩戴安全带进行操作等。建筑施工现场环境复杂，项目工期紧，交叉作业多，现场管理难度大，安全事故时有发生。据住建部数据显示，2015年至2019年，施工现场因安全事故造成的死亡人数呈上升之势。在所有的安全事故中，高处坠落事故占据总量第一，从2015年至2019年各年占比为53.17%、52.52%、47.83%、52.20%、53.69%。安全事故会给个人、企业带来不可估量的损失，加强施工现场安全风险防范工作刻不容缓，防止高空坠落事故的发生也是各施工企业的迫切需求。

　　另外，高空作业环境常常复杂多变，恶劣的极端气流天气和强烈震动也是造成高坠的偶发因素。目前对高空作业人员除了进行相关的安全教育交底外，施工单位也增加搭设了各种防护设施和装备，这些措施有效保证了建筑工人高空施工的安全性，但对于意外发生坠落的情况还缺乏针对性的系统保护。目前建筑工人的安全保护措施主要以安全带为主，而这两款产品的设计与佩戴中，都只注重考虑了安全带的基本功能，即安全防护性。本课题计划针对现场人员穿戴装备，研发一系列基于智能安全气囊的全方位防护技术产品，并研发其配套智慧平台等。

　　为了能够有效降低高空坠落产生的风险，已有众多学者对高空作业的安全防护进行了研究。陈美波等从人、物、环境三个方面来分析高空坠落引发的原因，同时指出要加强高空施工人员的安全防范意识，并提高作业人员穿戴设备的可靠性。薛伟通过机械制动的方法研制出一套能够防止坠落的装置系统，但由于该套装置本身比较笨重，使用起来限制因素较多，因此对于高空施工现场并不适用。

　　二、研究思路

　　对施工现场的安全现状针对不同的工种和管理人员进行前期调研及数据收集——对智能防护产品进行设计——产品研发——产品高坠测试——项目示范应用——监测及救援系统设计及开发——产品二次开发——总结分析——形成报告——推广应用。

　　为防范施工现场可能出现的高坠危险事故，减少此类事故发生，将高坠事故的致残和致死率降到最低并且在事故发生时能够保障人员的生命财产安全，本课题研究了智能高坠防护服及其智慧平台系统。

　　（一）基于不同工种的智能安全防护服研发与应用

　　研发一套深度感知人体运动跌落识别、并快速触发充气保护的智能高坠防护服，内置的算法模块具有多模态感知系统和数据处理能力，通过深度感知人体运动信息和现场环境，对人体跌落进行精准识别，一旦发生跌落，或高空落物猛烈撞击，智能算法模块可通过快速响应触发高压充气装置，在80ms内自动对防护服进行快速充气，实现对人的重要部位包括颈部、胸部、头部等身体重要内脏部位形成包裹式全方位保护，提高保护效果。同样可根据作业高度设置不同尺寸气囊及气瓶容量，分别缓解不同程度的跌落伤害，避免或减少致死或致残概率。

　　（二）基于物联网的安全智慧监测及救援系统的开发

　　1、基于物联网的智慧作业监护系统

　　以智能高坠防护服为平台进行二次开发，依托最新的物联网技术进而实现作业现场的实时监测，包括最基本的佩戴监测、后台实时监控、提醒；作业人员实时定位；建立安全作业范围、设置电子围栏；通过人体姿态数据采集及算法设置，当作业工人出现高危动作时发出实时警告和后台提醒；进而实现管理决策与现场实际的有效联动。

　　2、基于物联网的多方位救援系统

　　以智能高坠防护服等一系列智能穿戴安全保护系列产品为基础，基于物联网、BIM和GPS定位、WIFI定位、蓝牙定位等室内定位技术，以及生命特征生物监测技术，通过预先布置相关装置，对作业人员作业位置进行动态实时定位和实时监控，一旦发生安全事故，能通过后台或特殊终端或手机APP实现及时报警、准确定位以及作业人员SOS状态下的主动呼叫系统和被叫系统，以及实时查看作业人员生命特征等。提高救援效率和救援精准度，避免或减少致死或致残概率。

　　三、研究内容

　　将针对目前国内外智能气囊防护服的现状，基于人体要害部位工学理论和医学理论，从智能气囊高坠防护服的结构款式、囊袋性能、导通创新、算法的优化等进行设计，意外发生时对人体起到缓冲消能的作用。智能气囊高坠防护空调服属于防护功能装范畴，是针对特定环境中的危害因素，通过分析施工现场作业人员作业状态下的肘关节、肩关节、腰关节、颈椎、脊椎、头部等部位的运动特征分析不同工种在运动状态各部位皮肤的伸缩变化规律，获得防护服的结构分割线。通过不同作业人员的穿戴示范，实时监测运动轨迹和姿态，获取识别装置中加速度、角速度的数值，总结出不同的工种的不同运动状态下的运动曲线规律从而为阈值设置作为重要参照依据。在防护服的内侧加装制冷装置改善高温环境下的穿戴舒适性。采用一体式编织气囊工艺制造，原材料采用高强纤维和硅酮橡胶以满足安全带耐磨、耐用、人体承载强度的要求。气瓶释放压缩气体形成气囊，吸收和缓冲外力形成防护作用，达到人体免受意外跌撞伤害和减轻意外冲击伤害的服装，它具有防压功能和安全警示功能。

图3-1智能防护服的核心电子电路实景展示

　　（一）智能防护服整体组成

　　基于不同工种的智能安全防护服研发与应用研发一套深度感知人体运动跌落识别

并快速触发充气保护的智能高坠防护服，内置的算法模块具有多模态感知系统和数据处理能力，通过深度感知人体运动信息和现场环境，对人体跌落进行精准识别，一旦发生跌落，或高空落物猛烈撞击，智能算法模块可通过快速响应触发高压充气装置，在80ms内自动对防护服进行快速充气，实现对人的重要部位包括颈部、胸部等身体重要内脏部位形成包裹式全方位保护，提高保护效果。同样可根据作业高度设置不同尺寸气囊及气瓶容量，分别缓解不同程度的跌落伤害，避免或减少致死或致残概率。同时根据不同工种的作业需求，制定相应的辅助功能设计。

　　（二）防护服囊袋设计

　　囊袋采用的是一体式编织气囊工艺制造，原材料采用高强纤维和硅酮橡胶以满足安全带耐磨、耐用、人体承载强度的要求。囊袋设计加强了关键部位和要害部位的气室厚度，根据高坠试验结果表明在颈部、头部将囊袋气室厚度提高10cm-20cm，构建了足够的消能空间，缓冲重力势能转化的冲量。

图3-2智能防护服的气囊设计图

　　囊袋平铺开的形状，这款防护服在设计上注重了一个细节就是全方位作业带的缆绳口在防护服的背部留设这样将全方位作业带穿在防护服内侧给作业人员双保险。面料采用聚丙乙烯面料，网状、具有超强的透气性能。

　　随机取10cm×10cm囊袋样品，压脚直径10.51mm，在温度（202）℃相对适度（654）%环境中调试24小时后实测得重量为284.3g/m2、287.9g/m2，实测得厚度0.33mm、0.33mm。

表3-1囊袋重量和厚度实测值

　　随机取块350mm×50mm囊袋样品，隔距200mm，拉伸速率100mm/min，预张力5N，在温度（202）℃相对适度（654）%环境中调试24小时，实测得断裂强力、断裂伸长率如表所示。

表3-2囊袋断裂强度和断裂伸长率实测值

　　随机取块200mm×50mm囊袋样品，隔距100mm，拉伸速率100mm/min，在温度（202）℃相对适度（654）%环境中调试24小时，实测得撕裂强力如表所示。

表3-3囊袋撕裂强力实测值

　　随机取块356mm×100mm囊袋样品，厚度0.33mm，拉伸速率100mm/min，预张力5N，在温度（232）℃相对适度（505）%环境中调试24小时，实测燃烧速率如表所示。

表3-4囊袋燃烧速率实测值

　　经对囊袋的各项性能进行检测，数据表明囊袋的厚度、重量、断裂强力、断裂伸长率、撕裂强力、阻燃速率均符合规范ISO3801:1977、ISO5084:1996、ISO13934-1:2013、ISO13937-2:2000、GB8410-2006的要求。

　　（三）防护服结构设计

　　从人体关键部位到人体的要害部位设计了不同款式的防护服如下表：

表3-5防护服系列设计图表

　　SHW1、SHW2系列防护范围主要对人体腹部、胸部、脊柱、背部、腰部等要害进行防护。SHW1系列结构形式和传统的反光衣类似，在腋下两侧加设网状织料其弹性更好，更易于拉伸，主要目的是当防护服内的囊袋充气后，腋下两侧部位向外展开避免对人体造成二次伤害。SHW11主要是加了脊椎的防护其主要用于脊椎易于受伤的保护，SHW12对人体的髋关节进行了防护其主要用于防摔的保护，SHW13既对脊椎又对髋关节进行保护。SHW2系列防护服采用一体式设计，前部和后部采用整片囊袋，在防护服两侧设计插扣，一定程度上利于气流的流通，对于降温起到良好的作用。SHW21加设对脊椎保护，SHW22款防护服对人体的髋关节进行保护，SHW23增加设计了脊椎部位、髋关节部位的囊袋设计。SHW13和SHW23一定程度上加大了防护范围但也增加了防护的重量，所以在防护服轻量化设计和研发是我们突破的难点。为此我们在防护服结构、囊袋的设计和选材上进行了比对，又在囊袋织料和涂料上入手，采用一体式编织气囊工艺制造，原材料采用高强纤维和硅酮橡胶以满足安全带耐磨、耐用、人体承载强度的要求。

　　（四）智能防护服导通装置设计

　　目前常用的承插式导通装置采用的电流较大，二极管会散热容易导致设备表面发黑，耗电量大、电池体积大、体积大、重量重、操作不方便，电子元件容易被高温损坏，耗电量大需经常性充电，不便于推广应用。插口式导通装置设计复杂，易造成线路导通不良，极易导致线路断线，使保护装置起不到应有的作用。鉴于此设计了一种便捷、美观、高性能的纽扣式磁吸导通装置并获得了专利授权。此装置用来信号检测，所以采用微电子技术，穿戴纽扣进行触发开关，电子元件进行优化设计，最大化的减小锂电池体积。不采用二极管，将磁吸式充电巧妙的运用于此装置让充电更加简单。正确穿戴设备并扣好纽扣指示灯会长亮，当不正确穿戴会发出报警。

　　装置解决气囊服智能导通问题，设计了一款纽扣式的导通装置内置电路元件、主板、电池、触发开关、磁吸充电孔、信号检测装置、工作指示灯。纽扣式导通装置内置工作指示灯可以实时监测主回路的工作状态，并设置了无线通信接口，通过协议方式定期将数据传输在装备上，在可视化监测系统的电脑端或手机端实时观测纽扣式磁吸导通装置的运行情况，当发生故障时及时处理。采用纽扣式的开关，巧妙的接通了电流回路，弹起式开关设置在纽扣正下端，既可以达到安全气囊服的纽扣正常使用功能，又可以在正确穿戴好设备扣好纽扣时接通整个穿戴设备智能系统。采用磁吸式充电装置，既方便快捷又不占体积。装置灵活、精巧、便捷、重量轻，易于操作。解决了传统导通装置体积大、重量重、不便于操作、笨拙等特点。本发明外壳采用3D打印技术打印、材质为高性能聚氨酯具备耐高温、防静电等能效。装置分别设置了上下盖两部分，上下盖采用螺栓连接，在上盖预留两个孔洞，一个为安装纽扣的孔洞；另一个孔洞是安装磁吸式充电装置的。采用纽扣式磁吸导通装置，既方便快捷不占体积又体现了穿戴设备的人性化设计。

图3-3纽扣式磁吸导通装置设计图及实景图

　　（五）气体触发装置

　　由动力学公式mgh=fH(m是人的质量，g为重力加速度值，h是坠落高度，H是发生碰撞后的有效缓冲距离)。可知，当碰撞缓冲距离一定时，质量m越大，坠落距离h越高，所受的冲击力也就越大，人体某些部位极易发生骨折，甚至失去性命。由mgh=mv2/2可知，在1s时间内人体自由落体高度5m左右。

　　安全服采用安全等级较高的气体发生器磁电式开关触发系统，由于磁开关的性质，其触发脉冲电压的正负值要与工作电压保持一致。搭载在高压氦气瓶上的触发装置是将控制单元发出的电子触发信号直接加在负载端，由于负载的电阻值很小，当发生器的充电电容相当于直接将能量释放短路，造成点火装置的发生点火。能够在工作人员不慎坠落且在落地之前的过程中自动打开气囊启动保护装置。下图为磁开关的触发回路示意图。

图3-4磁开关的触发回路示意图

　　为避免安全气囊短时间内迅速充气产生的作用力对工作人员造成伤害，本设计采用电子控制系统控制信号电流，对安全气囊采用独立分级多次触发充气，并通过实验分析计算氦气瓶的容积和个数。

　　（六）精准算法

　　高精密度跌落识别装置由重力加速度计、陀螺仪和线性加速度计等传感器构成。结合高精密度预测算法，能深度感知人体运动状态，精确判定工人危险状况，并快速触发充气保护装置。触发装置采用微电子触发装置，收到触发信号立即启动储气罐开关，使防护气囊在人体落地之前充分展开，实现对人的重要部位有效保护。重力计及重力加速度计是测量重力加速度的电子元件；陀螺仪测量人体姿态旋转运动；线性加速度测量人体所产生的加速度。在MPU内部集成重力加速度计、陀螺仪和线性加速度计等传感器，数据控制器可以接收传感器的传输数据进行分析处理并对数据及时存储。MPU对加速度、陀螺仪分别用了3个16位的采集电路，将采集到的模拟量值转化为可输出的数字量ACCX、ACCY、ACCZ和GYROX、GYROY、GYROZ，加速度计可测范围选择±2g，对应灵敏度为16384 LSB/G。

　　（七）数据处理优化

　　图为加速度和角速度的三轴采集的优化数值，将加速度和陀螺仪的三轴数值无限的趋近于一种运动趋势达到一种稳定状态，经算法模块处理后的三轴波形运动变化基本一致。图为经算法模块处理后的波形，可以看出两条波形在曲率上基本趋于一致，同增同减，除了利用公式优化算法外还进行了滤波处理，这样更便于寻找触发阈值。

图3-5优化后的实测波形

　　图示波形为本算法的真实数值波形，其经过滤波器处理。可以看出整条曲线有明显的近似周期性的变化特征，系列1、2、3分别为加速度计的X、Y、Z三轴数值实测值；系列4、5、6分别为陀螺仪的X、Y、Z三轴数值实测值；系列7、8、9、10加速度、陀螺仪通过公式算法合成数据；系列12、13为判定数据；系列11为输出的最终触发数据所示波形。从图中可以看出在37秒、95秒数据判别装置都有初判的形态，但均未持续此种形态所以为触发装置。在105秒时判别装置进行了50ms的初判并进行了50ms的终判，确定为阈值进行装置触发。在施工现场研发人员经上万次的触发测试，试验表明该优化后的算法和滤波处理方案可行。

　　（八）可视化系统

　　通过5G、物联网、传感设备、云计算等技术，给智能气囊高坠防护服进行智能化升级，搭建智能穿戴设备管理平台实现智能穿戴设备的可视化管理，这些跨行业技术的融合给施工现场安全防范带来全新的智慧化体验。

　　以智能安全气囊防护服为载体，搭建智慧化可视云平台，基于物联网、5G和GPS定位、WIFI定位、蓝牙定位等定位技术手段，通过穿戴设备的传感器进行数据采集，控制单元和通讯模块以数据传输的协议模式实时向云平台发送数据实现设备的可视化管理。当施工现场发生意外事故，能通过后台或微信或手机APP实现及时报警、准确定位，作业人员SOS状态下的主动呼叫系统和被叫系统响应，可实时查看作业人员生命特征和位置，从而提高救援效率和搜救精准度。

图3-6中建四局智能穿戴设备管理平台示意图

　　四、创新点与特色

　　（一）创新采用一体化囊袋编织技术，加强了要害部位保护，提高了囊袋的承载力，兼顾舒适和防护能力。

　　（二）创新设计纽扣式磁吸导通装置，与防护服结合为一体，设了指示灯和蜂鸣器，可随时判断装置状态。

　　（三）创新采用安全等级较高的磁电式开关触发系统、碳纤维涂层合金内胆气瓶、高压氦气，提高了防护服安全稳定性。

　　（四）创新应用了12轴传感器，并对各轴数值进行空间叠加。对算法公式进行优化同时利用滤波器对采集的数值进行滤波处理。

　　（五）创新应用定位、生命特征监测技术，进行实时监控，应用手机APP及时报警、准确定位，提高救援效率。

　　五、成果市场推广应用前景分析  

　　目前，建筑工地上施工人员随身穿戴的防护设备中仅有安全帽对人员头部有一定的防护效果，其设计出发点就是能够防止意外硬物的撞击对头部产生损伤。然而身体各关键部位并未做到全面保护，特别是高处作业人员的防护服装大部分只有反光指示条、显著性颜色、防雨防撕裂的基础功能，当遇到意外坠落受到强烈撞击时，对身体不存在任何保护作用。近些年，我国在气囊防护服研发应用上，通过引进技术合作生产，并对已有功能进行研发创新，现阶段已经取得了一定的成果，但主要还是运用在国内的警服及消防等方面。另外，智能防护功能服由于集成组件较多，目前成本普遍较高，因此在国内大多数行业的普及率较低，只应用在赛车、马术、滑雪等危险性较高的竞技性专业比赛中，对于施工现场高处作业人员以及人们的日常安全防护还没有投入较多使用。

　　智能安全防护服需要从结构设计、电子信息技术、仿生技术、新材料技术以及人机交换等多学科的技术，是科技发展和服装融合的产物。相比国外而言，国内智能安全防护服的起步较晚，在研发上相对滞后，结合的技术也比较单一，可穿戴技术在我国的发展仍然处于初级阶段，其可穿戴设备相应的产业链、商业模式都还没有成型，主要存在：①多为智能手机“配件”，独立性不强；②功能尚不完善，专属应用较少；③以数据为中心，用户体验差；④电池技术亟待升级；⑤费用昂贵，渗透率低等一系列问题，要广泛的将可穿戴技术应用到建筑施工人员安全管理中还有很长的路要走。

　　在国外安全防护服相对成熟。这类气囊式安全防护服目前市场上的主要成熟功能性产品包括：摩托车安全气囊服、滑雪安全气囊服、雪崩安全气囊服、马术气囊防护服、气囊式救援服以及防摔服等。应用范围涉及赛车、各类运动、飞行、警察装备、消防部门装备等。但缺乏完善的体系，舒适性差，成本较高、洗涤不方便、污染严重、体验性较差等缺点。本课题解决施工现场高坠意外事故的智能防护，从材料、结构、算法、识别、判别、触发等多维度的进行可持续研发，并总结出完整的设计方法和成功研发四款防护服。并对功能进行创新研究，创新集成了空调系统解决了穿戴舒适性，解决了舒适性、算法、电池、气瓶、环保等问题。

　　（一）权威机构检测

　　1、智能防护服气囊经清华大学苏州汽车研究院进行了一系列严格的高坠测试，经检测结果表明本防护服气囊对高坠测试缓冲、消能达30%。

　　2、可充锂离子电池产品型式试验+获证后监督，中国质量认证中GSP075360：额定容量：5000mAh，充电限制电压：4.2V。产品符合CQC11-464112-2015认证规则的要求。

　　3、防护服的气囊经无锡科睿检测服务有限公司检测，检测结果显示消能达50%。

　　（二）用户评价

　　本防护服在广州恒大足球场项目、广州南站万科项目、厦门体育中心项目等进行了应用、示范。为项目提供智能防护和精准预警，投入以来系统操作简便、运行稳定，取得良好的效果。

　　（三）国内外查新

　　本课题研究成果经广东省科学技术情报研究所查新，显示结果：国内外无相同的报告。

　　（四）科学技术成果鉴定

　　本课题研究成果经广东省土木建筑学会鉴定委员会鉴定，科学技术成果达到了国际先进水平。

　　（五）推广应用

　　本课题研发试验主要在广州恒大足球场项目、广州南站万科项目、厦门体育中心项目等进行了应用、示范。为项目提供智能防护和精准预警，投入以来系统操作简便、运行稳定，取得良好的效果。

　　六、实施成效  

　　通过实验室和施工现场的高坠试验表明，智能防护服具有良好的保护效果。其消能效果达30%-40%。智能气囊防护服在广州足球场、广州金融城项目、南京金融城项目、花都科技展厅、厦门展览中心、厦门体育中心等项目一系列高坠测试和示范应用，取得了良好的安全示范效果，对缓冲消能效果非常明显。从施工方的角度看，同时也创造了建筑业新的安全管理记录。