一种输电铁塔施工人员专用安全帽的制作方法

1.本发明涉及输电铁塔施工安全防护领域，具体涉及一种输电铁塔施工人员专用安全帽。


背景技术：

2.工人在进行组塔施工时常需要高空作业，在进行这些作业的过程中，对于起吊绳、抱杆拉线、承托绳等设施的受力监控常常采用的是计算机，平板电脑等，施工人员不易携带，且高空作业时常常有较为复杂的情况产生，高空施工人员自身无法有效的完成，但塔上高空作业的人员在操作施工的同时还要保证人员安全，难以携带电脑平板等数据接收终端，无法第一时间知晓数据的异常和及时调整施工操作，高空施工人员无法第一时间做出反应，存在施工人员组立施工过程中存在安全隐患、效率低、操作不便等问题。


技术实现要素：

3.为解决上述技术问题，本发明提供一种输电铁塔施工人员专用安全帽，在铁塔施工时能够起到预警作用。解决工人在杆塔高空作业时，在发生由于起吊绳，抱杆拉线，承托绳等设施发生受力过载时及无法独立完成的高空作业时，工人无法及时对于各种危险情况做出反应的问题；同时采用双端通信方式实时监控，地面终端可与高空作业人员进行双边语音通信，有效的完成高空作业。
4.本发明采取的技术方案为：
5.一种输电铁塔施工人员专用安全帽，包括安全帽本体，安全帽本体上设有无线信号接收器、网络摄像头，有源线夹式麦克风，无麦克风耳机，信号传输与处理模块；
6.信号传输与处理模块分别连接有源线夹式麦克风，无麦克风耳机；用于音频实时接收与发射，实现无线通话；
7.信号传输与处理模块连接网络摄像头，将网络摄像头采集到的高空作业视频信号传输给地面终端；
8.信号传输与处理模块连接无线信号接收器，无线信号接收器用于接受地面终端发送的处理后拉力数据。
9.所述安全帽本体设有led照明模块，led照明模块连接信号传输与处理模块，led 照明模块用于外界照明不足时的补充照明。
10.所述安全帽本体设有锂电池，锂电池用于为设置在安全帽本体上的各个模块提供电源。
11.所述地面终端与无线信号发射器通信连接，无线信号发射器与安装在输电铁塔上的拉力传感器连接，无线信号发射器实时将测量的拉力数据发送至地面终端接收，地面终端然后与原先设置的拉力额定值进行比较，再发出处理后的拉力数据，由设置在安全帽本体上的无线信号接收器接收。
12.所述地面终端接受到网络摄像头采集到的高空作业视频信号、以及输电组塔各个
安装的拉力传感器、无线信号发射器发生的拉力数据，并将视频信号、拉力数据信号传输给地面终端的计算机软件系统，地面终端的计算机软件系统进行分析处理后，再将处理后的拉力数据信号传输给设置安全帽本体上的无线信号发射器，从而实现对输电线路高空作业的远程监控。
13.本发明一种输电铁塔施工人员专用安全帽，技术效果如下：
14.1)、通过普通无麦克风耳机、有源线夹式麦克风，实现网络语音通话，实现地面终端与现场作业人员之间的实时语音通话功能，同时普通无麦克风耳机还具有实时报警警示功能；通过网络摄像头对现场高空作业进行实时监控，同时把现场高空作业视频信号传输给地面终端，由地面终端进行存储和管理。
15.2)、高空作业现场的语音信号，通过信号传输与处理模块处理之后，借助4g技术传送到地面终端，从而实现地面终端对现场作业人员的远程指挥和监控，实现双方实时信息沟通。
16.3)、地面终端通过无线信号接收器，接受到网络摄像头采集到的高空作业视频信号、以及输电组塔各个设备出安装的拉力传感器通过信号发射器传输的拉力数据，并将高空作业视频信号与拉力数据传输给地面终端，并在地面终端进行显示，终端进行处理后，再将处理后的拉力数据信号传输给安全帽的无线信号接收器，从而实现对输电线路高空作业的远程监管和控制，提高高空作业质量。
17.4)、通过将信号传输与处理模块集中在施工人员专用安全帽中，极大的解放了操作人员双手，使得操作人员可以将工作注意集中在施工中，操作方便且提高了操作人员高空作业的安全性。
附图说明
18.图1为本发明专用安全帽结构示意图一；
19.图2为本发明专用安全帽结构示意图二。
20.图3为本发明专用安全帽监测原理示意图。
21.图4(1)为输电铁塔处固定装置与拉力测量装置示意一；
22.图4(2)为图4(1)的a处放大示意图。
23.图5(1)为保护盖示意图一；
24.图5(2)为保护盖示意图二。
25.图6为输电铁塔结构示意图。
26.其中：1-帽壳，2-帽衬，3-下颌带，4-无线信号接收器，5-有源线夹式麦克风，6-无麦克风耳机，7-usb接口，8-电源充电口8，9-led照明模块，10-网络摄像头，11-信号传输与处理模块，12-锂电池，13-拉力传感器，14-第一固定座，15-第二固定座，16-保护盖，17-太阳能光伏板，18-蓄电池，19-无线信号发射器，20-输电铁塔，21-抱杆，22-承托绳，23-起吊绳，24-被吊构件，25-攀根绳，26-拉线，27-牵引绳，28-地面终端。
具体实施方式
27.如图1、图2所示，一种输电铁塔施工人员专用安全帽，包括安全帽本体，安全帽本体包括帽壳1、帽衬2、下颌带3，帽壳1外部左上方设置有usb接口7与圆形电源充电口 8，帽
壳1外部右上方设置有无线信号接收器4。
28.所述帽壳1采用垂直间距为25～50mm(按照规定条件测量)，水平间距为5～20mm(按照规定条件测量)，佩戴高度为80～90mm(按照规定条件测量)，选用不饱和树脂添加玻璃纤维模压而成。
29.所述帽衬2中有由帽箍环带、顶带、护带、托带、吸汗带、衬垫技拴绳等组成。
30.所述下颌带3采用插扣型下额带：采用挂片式连接，更换方便；插扣设计无需每次调节；浅灰色织带，适合不同场合。
31.安全帽本体上还设有网络摄像头10，有源线夹式麦克风5，无麦克风耳机6，信号传输与处理模块11。
32.信号传输与处理模块11分别连接有源线夹式麦克风5，无麦克风耳机6；用于音频实时接收与发射，实现无线通话；
33.无麦克风耳机6位于安全帽本体的侧部边缘，无麦克风耳机6的语音信号传送给地面终端。高空工作人员使用安全帽时，将有源线夹式麦克风5和无麦克风耳机6分别调整至耳朵与衣领处，即可进行实时语音通话。有源线夹式麦克风5和无麦克风耳机6实现网络语音通话，实现地面终端与高空作业人员之间的实时语音通话功能，高空作业现场的语音信号通过信号传输与处理模块11处理之后，借助4g技术传送到地面计算机，从而实现地面终端对现场作业人员的远程指挥和监控，实现双方实时信息沟通。
34.信号传输与处理模块11连接网络摄像头10，将网络摄像头10采集到的高空作业视频信号传输给地面终端；
35.网络摄像头10在参数设置上，要求摄像头的像素较高，要能满足输电线路高空作业检修需求，确保图像清晰度和可辨度；视频数据的存储模式为jepg模式；采用125
°
超大广角镜头，提高现场目标捕捉范围。
36.网络摄像头10采用型号为imx323的wifi头戴式高清单兵摄像头，采用3516a式芯片及嵌入式操作系统，外观小巧轻便，功能强大，外观规格为60*48*30mm，支持接口sd 卡，支持较大64g tf卡，推入弹出式，采用3wled灯及cree 3w灯珠，电源6v-12v输入，网络wifi支持wifi(热点与sya模式)频2.4g，且支持全网通。
37.信号传输与处理模块11连接无线信号接收器4，无线信号接收器4用于接受地面终端发送的处理后拉力数据。
38.无线信号接收器4采用型号为wfgw-2003的小型无线信号接收器，使用wifi方式传输，转串口通讯产品；可自定义tcp/ip地址及通讯端口，数据采用svnet方式256位加密传输，能有效保证通讯数据的安全性及完整性。能让传统串口设备便捷地加入无线网络，地面终端可通过wifi对设备实现控制的功能；支持802.11b/g/n无线标准；可选ap 模式或station模式；支持at命令和web配置参数；纯铝制铸造工艺，具有良好的散热结构设计，壁挂安装方式；dc 12v供电，带三路led状态灯指示(电源、接收、发送)及一路双向rs232(db9公头)控制端口，适用于各种高空作业情况。
39.所述安全帽本体设有led照明模块9，可以通过开关进行控制，led照明模块9连接信号传输与处理模块11，led照明模块9用于外界照明不足时的补充照明，具体是：
40.在本发明安全帽上的网络摄像头10同轴方向配置1.2w led照明灯和二极管激光器。 1.2w led照明灯配置有开关按钮，可以对20米范围内的目标进行照明。
41.所述安全帽本体设有n节锂电池12，锂电池12用于为设置在安全帽本体上的各个模块提供电源。锂电池12安置在安全帽本体的后部，当电池电压低于3.6v时，系统将会发出低压警报，并在10分钟之后自动关机。锂电池12充电可以通过usb接口7来实现。锂电池12的充电芯片采用的是me4057。
42.信号传输与处理模块11的功能包括音频采集、编码、解码、播放和数据传输。信号传输与处理模块11包括集成板卡、电源电路、控制电路、控制接口、无线通讯板块等。
43.信号传输与处理模块11中集成板卡采用型号为jn5168的无线信号微控制器。jn5168 无线模块可支持多个网络堆栈(包括zigbee home automation、zigbee light link、zigbeesmart energy、jennetip和rf4ce)，并且小巧轻便，能提供极低的发送与接收功耗。所有模块均采用256kb的闪存、32kb ram和4kb eeprom，以及同类最低功耗睡眠模式。spi接口可连接其他外部闪存，用于需要更新无线固件的应用以及音频采集、编码、解码、播放和数据传输的主要功能与芯片i/o。
44.信号传输与处理模块11将安全帽中各个模块部分通过内部线路连接起来，达到统一调控的作用。无线通讯板块是通过4g通信网这种网络连接方式完成双向实时通信。
45.无线通讯板块采用巨控grm230系列4g plc无线通讯模块，是巨控科技专用于远程监控和数据采集的4g无线通讯模块。可以通过rs485和plc、仪表连接，也可以通过本机io，直接连接现场开关量、模拟量。远程可实现组态软件监控、短信报警提醒。grm230 采用4g、短信、语音拨号、有线上网，等多重通讯相结合，并通过非透明加密传输的方式，使用多包并发采集，智能数据压缩等先进算法，降低50％以上的流量，并可以彻底解决传统grps dtu不稳定、速度慢、使用复杂的问题，grm230也支持通过有线网络接入，适应各种网络，无需固定ip。
46.网络摄像头10是用于高空作业时工况视频采集。网络摄像头10位于安全帽前端，要求摄像头的主轴方向要与正常佩戴安全帽时人眼的视线平视位置同轴。通过网络摄像头10 可以对高空作业人员的目视内容进行记录。
47.所述地面终端接受到网络摄像头10采集到的高空作业视频信号、以及输电组塔各个安装的拉力传感器13、无线信号发射器19发生的拉力数据，并将视频信号、拉力数据信号传输给地面终端的计算机软件系统，地面终端的计算机软件系统进行分析处理后，再将处理后的拉力数据信号传输给设置安全帽本体上的无线信号接收器4，从而实现对输电线路高空作业的远程监控，从而实现对输电线路高空作业的远程监控。
48.无线信号发射器19采用型号为awg4100的无线信号发射器，是一款多通道的高性能任意波形发生器。该信号发生器拥有四个相互独立的波形输出通道，每个通道可以提供高达1.2gsa/s采样率、16位垂直分辨率的单端波形输出。每通道拥有最大512msa的存储深度，配合灵活的用户自定义波形编辑以及序列播放功能，能够轻松应对各种不同场景的复杂波形需求。
49.拉力传感器13为一弹性体，如图4(2)与图5(1)、图5(2)所示，输电铁塔的安装拉力传感器13处在外力作用下产生弹性形变，其使得粘贴在拉力传感器13表面的电阻应变片(转换元件)，也随同产生变形，电阻应变片变形后，它的阻值将发生变化(增大或者减小)，再经过响应的测量电阻把这一电阻变化转换为电信号(电压或者电流)，从而完成将拉力转换成电信号的过程，同时拉力传感器13与无线信号发射器19之间通过线路连接，拉力传感
器13传输的电信号至无线信号发射器19，无线信号发射器19将传输过来的电信号转换成响应的波形信号进行输出。
50.本发明一种输电铁塔施工人员专用安全帽，通过内部信号传输与处理模块11实现音频实时接收与发射，达到无线通话功能，信号传输与处理模块11集成了输入、输出模块，输出模块插入普无麦克风耳机6，输入模块连接有源线夹式麦克风5，高空工作人员使用安全帽时，即可进行实时语音通话。
51.地面人员通过地面的手持平板电脑连接网络摄像头10热点，观看实时高空作业视频资料，实现多人高空作业现场视觉共享功能，并佩戴安全帽戴上耳机和麦克风，实现多人的实时通讯对话功能。
52.安装在输电组塔各个设施处的拉力传感器13与无线信号接收器4实时将测量的拉力数据发送至通过地面计算机接收，然后与原先设置的拉力额定值进行比较，再发出处理后的拉力数据，由安全帽上的无线信号接收器4进行接收，通过无麦克风耳机6进行警示，高空作业人员即可做出动作。
53.施工人员佩戴有语音对讲设备，实现输电铁塔高空作业人员和地面终端之间的实时通话，可以多频段进行更换。
54.与本发明专用安全帽相配套的包括：安装在输电铁塔20的起吊绳23、抱杆拉线26、承托绳22、牵引绳27处的固定装置与拉力测量装置。
55.所述固定装置包括第一固定座14，两个第一固定座14的侧壁分别设有卡接块，两个第一固定座14之间设有拉力测量装置。所述拉力测量装置包括拉力传感器13，拉力传感器13的左、右两侧壁分别设有第二固定座15，四个第二固定座15的左、右两侧壁分别设有卡槽，两个卡接块与两个所述卡槽相卡接，四个第二固定座15的上侧壁、且在拉力传感器13的上方的卡接块设有保护盖16，保护盖16采用聚乙烯材料。保护盖16与拉力传感器13的接触处做防水处理。拉力传感器13为压阻式拉力传感器。
56.所述保护盖16的上侧壁内镶嵌有太阳能光伏板17，太阳能光伏板17的下方设有蓄电池18，蓄电池18采用铅蓄电池。保护盖16的内部且在蓄电池18的右端设有无线信号发射器19，无线信号发射器19上方设有缓冲层。采用太阳能板17与蓄电池18进行光电能充电，可大大提升使用效能。
57.高空作业人员通过网络摄像头10拍摄的输电铁塔的正面特征图像，可将机械下倾角物理测量转换为抱杆倾角的图像识别，通过采集抱杆与水平面之间的特征图像，采用二值化进行图像处理，进而计算抱杆倾角。
58.拉力测定额定值计算方法如下：
59.1.起吊绳及起吊滑车组的静张力的额定值计算：
60.根据图6的起吊系统分析，起吊绳23及起吊滑车组的静张力为
[0061][0062]
令
[0063][0064]
则
[0065]
t＝k
tgꢀꢀꢀ
(3)
[0066]
式中：k
t
为起吊绳及起吊滑车组静张力的计算系数。
[0067]
ω为30
°
～50
°
时，按式(2)计算的k
t
值。
[0068]
通常情况下，攀根绳25的布置参数为ω＝45
°
，起吊绳23及起吊滑车组的布置参数应限制在β≤15
°
。
[0069]
若以ω＝45
°
时的k
t
值为100％，由式(1)求得ω＝35
°
及55
°
时的k
t
值与ω＝45
°
时的k
t
值相比较的增减幅度(单位：δk
t
)。
[0070]
若β≤15
°
时，以ω＝45
°
为基准值，ω每减小1
°
，k
t
值可降低约1％，ω每增加1
°
，k
t
值可增加约2％。
[0071]
从安全角度着想，牵引绳27、拉线26及抱杆21的计算系数均取ω＝45
°
作为计算的基本条件。若ω＞45
°
，ω每增加1
°
，系数按提高2％修正。
[0072]
2.牵引绳27静张力的额定值计算：
[0073]
牵引绳(绞磨绳)由抱杆21顶端沿抱杆边缘且平行其轴心线方向引至地滑车后进入绞磨卷筒。其张力大小与起吊绳23及起吊滑车组的轮数及滑车的滑轮套材料有关，其静张力的计算式为：
[0074][0075]
式中：tq为牵引绳22的静张力，单位：n；η
∑
为起吊绳23及起吊滑车组的综合效率系数； n为起吊绳23及起吊滑车组的滑轮数(即受力绳数)；η为单滑轮的效率系数，对于青铜轮套，其值取1.04。
[0076]
当滑轮套为青铜，n＝1时，η
∑
＝0.96；n＝2时，η
∑
＝1.886；n＝3时，η
∑
＝2.775；， n＝4时，η
∑
＝3.630。
[0077]
令：
[0078][0079]
则：
[0080]
tq＝k
qgꢀꢀꢀ
(6)
[0081]
式中：kq为牵引绳27静张力的计算系数。令ω＝45
°
，按式(5)计算，在不同的n、β值条件下的kq值。
[0082]
3.抱杆拉线静张力的额定值计算：
[0083]
根据图6的抱杆及拉线系统力系分析，抱杆21在竖直状态下受力侧拉线静张力为：
[0084][0085]
式中α1为为受力侧拉线的合力线与地平面间的夹角，(
°
)其值为：
[0086][0087]
式中：α为拉线26与地平面间的夹角，(
°
)；θ为拉线与其合力线间的夹角，(
°
)，其值为：
[0088]
[0089]
令：
[0090][0091]
则：
[0092]
p0＝k
p0gꢀꢀꢀ
(11)
[0093]
式中：k
p0
为抱杆21竖直状态下，单根拉线静张力的计算系数。由于式(10)中θ、α1都是α的函数，所以k
p0
随β及α而变化。令ω＝45
°
，当抱杆21为竖直状态时，在不同α、β的条件下，按式(10)计算k
p0
值。
[0094]
4.抱杆轴向静张力的额定值计算：
[0095]
根据图6的抱杆及拉线系统力系分析可知，抱杆21在竖直状态下的轴向静压力为：
[0096][0097]
即：
[0098][0099]
式中：no在当抱杆21倾斜角δ＝0
°
时，由于起吊绳23及起吊滑车组及拉线26静张力产生的抱杆轴向静压力，no由于牵引绳对抱杆21产生轴向压力，因此，抱杆21的综合轴向静压力为：
[0100]n0∑
＝n0 k
qgꢀꢀꢀ
(14)
[0101]
式中：n
o∑
为抱杆21在竖直状态时，作用于抱杆21轴向的综合静压力，单位：n。
[0102]
令：
[0103][0104]
则；
[0105]n0∑
＝(k
n0
kq)g
ꢀꢀꢀ
(16)
[0106]
式中，k
n0
为抱杆21在竖直状态时，抱杆轴向静压力的计算系数。
[0107]
令ω＝45
°
，当抱杆21在竖直状态时，在不同的α、β条件下，计算k
n0
值。
[0108]
5.承托绳22静张力的额定值计算：
[0109]
当抱杆倾角为δ时，单根承托绳22的静张力为：
[0110][0111]
式中：n
ε
为抱杆倾角为δ时，抱杆21的轴向静压力，单位：n；g
b2
为抱杆21及其顶部索具的自重力，单位：n；为同侧两根承托绳合力线与塔架轴心线间的夹角，(单位：
°
)，其值为：
[0112][0113]
式中：b为承托绳22挂点平面内的塔架断面宽度，单位：cm；；l2为抱杆21插入已组塔架的垂直高度，单位：cm；；为承托绳22与其同侧承托绳合力线间的夹角，(单位：
°
)，当塔架断面为正方形时，其值为：
[0114][0115]
由于是的函数，所以式(17)中，s1仅与δ及有关。
[0116]
令：
[0117][0118]
则：
[0119]
s1＝ks(n
∑
g
b2
)
ꢀꢀꢀ
(21)
[0120]
式中：ks为单根承托绳22静张力的计算系数。
[0121]
对于不同的δ及按式(19)、(20)分别计算其及ks值。
[0122]
采用上述结构能够有效解决输电铁塔施工人员高空作业时，对输电线路高空作业操作过程的实时视频监控和双向语音沟通功能，实现作业现场的实时监测和反馈，弥补现有安全帽中智能设计和应用不足的缺陷，提高现场工作人员和管理人员之间的沟通效率；同时也可以接受地面终端发出的拉力过载的信号，可在第一时间对于各种由于装置拉力过载的情况做出及时的动作，提高施工人员高空作业时的安全状况。操作人员上塔作业时无需携带手持对讲机，同时也不需要等待地面人员传话施工细节，操作方便且提高了工作效率。施工人员携带的施工工人专用安全帽极大的解放了施工人员的双手，不需要再携带其他设备，使得操作人员可以将工作注意集中在施工中，操作方便且提高了操作人员高空作业的安全性。