港区人员安全监管智能系统开发

何晓宇， 方泽兴

(浙江省交通规划设计研究院有限公司，杭州 310006)

0 引 言

港区现场工作人员安全风险种类比较多，其中碰撞打击、高空坠落和落水溺水等都是典型的风险种类。传统的工程现场工作人员安全监管方式主要是管理人员现场检查，该方式存在很多问题，如管理对象的位置信息不能准确掌握、遇险人员的求救信号不能及时发送和风险不能及时处理等。随着港口智能化的不断推进，有学者提出利用智能化手段解决部分安全监管问题，已有研究主要围绕港区船舶运输安全监管、库场安全监管和设备安全监管等内容开展。

1)在船舶运输安全监管方面：高倍力等[1]设计了一种内河船舶综合安全监管平台；杨家轩等[2]设计了一种船载危险品应急管理系统。

2)在库场安全监管方面：张培林等[3]提出了工业港口库场智能管理系统的设计思路。

3)在设备安全监管方面：韩雪等[4]提出了基于浏览器/服务器(Browser/Server，B/S)模式的港口设施维护管理系统，针对不同的用户设计开发了基于设施基本信息管理的5个业务子系统；俞进辉等[5]基于WLAN开发了港口机械设备远程监控系统，该系统具有港口机械设备运行状态监测、数据分析、健康预警、剩余使用寿命预测和故障实时报警等功能。

4)在人员安全管理方面：田丰等[6]采用图像识别技术对施工行为进行了危险源辨识，针对施工人员的不安全施工行为开展了智能监测；朱庆豪[7]研究设计了基于ZigBee的井下人员定位系统；李蒙等[8]构建了基于可穿戴技术的地铁施工人员安全监控预警系统，可在一定程度上预防施工人员安全意识缺乏导致的安全事故。

当前有关港区人员安全监管的智能化方案比较少，本文主要结合涉水工程施工建设和港区运营管理人员安全管理的需求，研发智能安全终端，并设计搭建安全监管智能系统，为现场人员提供安全保障，为港口的智能化发展打下基础。

1 系统开发需求与总体架构

1.1 系统开发需求

该系统开发的总体目标是面向港口施工建设和港区管理人员，基于定位技术、计算机网络技术和港区安全管理制度及流程，建立一种港区安全监管系统。通过现场座谈、文献检索等方式分析港区人员的安全监管需求，主要包括人员定位监管、应急报警管理、危险源与隐患管理和系统管理维护等[9]，具体如下。

1)人员定位监管：需基于定位和通信技术开发适用于港区人员的智能终端设备，实现港区人员位置实时跟踪和历时轨迹查询。

2)应急报警管理：结合涉水工程人员现场施工和管理的需求，设计应急报警机制和流程，为现场人员提供安全保障。

3)危险源与隐患管理：为港区安全隐患和危险源管理搭建数据库和管理平台，便于发现、上报危险源和隐患，及时采取整改和处理措施。

4)系统管理维护：需实现对系统服务对象的信息管理，包括组织机构管理、人员管理、权限管理和系统内部模块及值域设置管理。

1.2 系统总体架构

港区安全监管系统采用B/S模式[10-11]，结合面向服务的架构(Service-Oriented Architecture,SOA)思想设计[12]，便于进行系统维护、功能拓展和后期数据处理。该系统采用3层体系架构(即表示层、业务层和数据访问层)，同时可利用智能终端设备进行数据采集和交互(见图1)。

图1 系统总体架构

1)表示层在系统中提供与用户交互的界面，系统管理人员可通过PC(Persenal Computer)端桌面浏览器与系统交互，主要有地图展示、位置监控、应急管理、危险源与隐患管理、区域管理和系统管理等功能。

2)业务层包括业务流程和逻辑单元2部分，其中：业务流程是实现业务功能和系统管理的主要流程，包括位置监控上报流程(位置监控)、报警流程(报警管理、围栏管理)、数据库内部数据处理流程、单点登录、网络通信和权限划分等；逻辑单元是实现业务流程的各子单元，包括配置管理、构件工具、坐标管理、地图引擎、SOA服务和数据交换与加密等。

3)数据访问层是对系统各类数据进行存储和访问，包括遥感数据、基础数据、分析数据和过程数据等。

1.3 系统功能模块

系统具有人员监管、安全管理和系统管理等3个功能模块(见图2)。

图2 系统功能模块

1.3.1 人员监管模块

该模块主要具有地图信息展示和人员实时监控功能，其中：地图信息展示反映港区的位置和范围；人员实时监控可实现对人员位置的实时监控和对一段时间内运动轨迹的查询。该功能不仅适用于在施工期监管施工人员，而且适用于在运营期监管港区管理与作业人员。

1.3.2 安全管理模块

该模块包含应急管理、危险源与隐患管理和区域管理等3个子模块，其中：应急管理子模块提供预警管理、报警管理、人员调度和报警处理人员信息管理等功能；危险源与隐患管理用于上报危险源和隐患信息，并记录上报整改情况；区域管理用于在特定范围内对人员和设备进行监管，该范围可依据港区管理需求，由管理人员设定，区域的性质可设置为工作区域和危险区域等，该子模块的功能包括电子围栏设置、定位考勤、围栏记录、巡检轨迹和报警记录等。这3个模块在施工期和运营期均适用。

1.3.3 系统管理模块

该模块主要实现组织机构管理、人员管理、权限管理、模块管理和值域管理等功能。

2 关键技术

开发该系统用到的关键技术包括智能终端设计研发、基于北斗卫星导航系统(BeiDou Navigation Sabellite System,BDS)的定位技术、针对港区人员特定需求的应急报警流程设计和后台数据库搭建。

2.1 智能终端设计研发

该系统结合涉水工程施工和管理人员作业的特点，设计研发3款可穿戴的智能终端设备，分别是智能安全帽、人员定位卡和落水报警终端(见图3和图4)。

图3 智能安全帽

a)人员定位卡

2.1.1 智能安全帽

智能安全帽具有人员定位、SOS主动报警和人员坠落报警等功能，其组件包括安全帽本体、主控制器、电源，以及分别与主控制器连接的坠落监测模块、定位模块和无线通信模块等。此外，安全帽还设置有报警按钮和状态指示灯，其中：报警按钮用于实现SOS主动报警；状态指示灯用于指示安全帽的工作状态。智能安全帽中的坠落报警模块可在港区人员意外坠落过程中报警并向系统上报警情，帮助施救人员快速获取险情位置，实施救援。

2.1.2 人员定位卡

人员定位卡是室内外定位一体终端，在使用之前需布设智能微基站Ibeacon，终端使用蓝牙5.0芯片采集Ibeacon信号，通过Ibeacon解算终端的位置，并通过LoRa射频芯片发送信号到网关。人员定位卡具有SOS主动报警和人员室内外定位等功能，可将定位场景扩展至室内。

2.1.3 落水报警终端

落水报警终端是一款以BDS定位功能为基础的多功能定位终端，具有人员定位、SOS主动报警和落水报警等功能，其中落水报警是该终端特有的功能，可在人员落水之后迅速报警并上报警情和人员位置，既可应用于水上施工等涉水作业中，如码头栈桥施工、水上测绘等，又可在运营期工作人员对港区及其周边进行巡检作业时采用等。

2.1.4 各智能终端比较

从适用场景、功能设计、携带方式、通信方式和定位方式等方面对该系统各款智能终端进行比较，结果见表1。

表1 各款智能终端比较

上述各款智能终端可分别应用于室内、室外和落水状态等港口领域各类场景中，适用性比较为全面，佩戴方便，具有良好的工作性能。

2.2 基于BDS的定位技术

根据应用场景，可将基于BDS的定位技术分为室内和室外2种情况。

1)室外定位：采用BDS/GPS混合定位方式，优先选用BDS定位方式，在北斗卫星不能覆盖或信号较弱的区域，会自动切换至GPS定位方式。用户携带的智能终端先从BDS或GPS卫星获取无线广播信号，随后连同自身ID(Identity Document)，通过移动无线网络GPRS(General Packet Radio Service)发送到定位服务器；定位服务器先解算出设备的位置，再调用公共地图API(Application Programming Interface)，将位置和地图信息发送给用户。

2)室内定位：室内定位需安装智能微基站Ibeacon，智能微基站向外广播无线信号，当该无线信号被智能终端接收之后，智能终端将自身ID、无线信号强度和到达时间等参数传送给定位服务器，定位服务器基于高精度定位算法实现位置解算，从而得到智能终端的实时位置。有权限的管理人员可通过系统平台访问定位服务器，得到权限内各用户的精确位置。

2.3 应急报警流程设计

终端设备开机之后按一定频率上报位置，在遇到危机情况时，可利用SOS按键主动报警。同时，结合涉水工程人员的作业特点，在安全帽坠落、落水报警终端落水和设备进入管理员划定的危险区域时，自动触发报警，从而避免遇险人员在险情下不便主动报警，致使错过最佳救助时间。报警信息由系统平台接收之后，系统平台会显示报警信息，监控人员会及时发现警情，并以短信的形式将报警信息发送给相关安全负责人。图5为应急报警处理流程。

图5 应急报警处理流程

2.4 后台数据库搭建

结合系统功能需求，该数据库主要包括安全管理信息库、位置监控信息库和基础地理信息库(见图6)。

图6 数据库框架

1)安全管理信息包括围栏管理信息、隐患信息、危险源信息、历史轨迹坐标信息、设备管理信息和系统基础数据维护信息等；

2)位置监控信息包括APP定位信息、安全帽定位信息、落水报警终端定位信息、设备报警信息和围栏报警信息等，用于记录设备实时监控位置和报警位置信息；

3)基础地理信息包括基础数据图层、影像图层和Openlayer自定义图层，用于实现数据实时监控和安全管理区域可视化。

3 应用实例

以浙江沿海某港口工程施工建设项目为例进行分析。该项目的建设规模为2个5 000吨级散杂货船出运泊位(水工结构设计船型按1万吨级杂货船设计)和2座栈桥，主要将上述研究成果应用于该项目的人员监控与考勤、应急管理和危险源与隐患管理等领域中。

3.1 人员监控与考勤

3.1.1 人员安全监控和轨迹查询

工程人员携带安全终端设备之后，即可在浏览器上登录港区人员安全监管智能系统的服务器，对工程人员的位置信息进行实时监控，同时进行轨迹查询。

3.1.2 设备考勤

该系统在应用过程中记录从工程建设施工准备至完工之后维护期间施工人员的考勤情况。图7为2017年9月5日各施工人员在岗时间。同时，系统可根据管理要求自动进行按天、按月的考勤统计。

图7 2017年9月5日各施工人员在岗时间

3.2 应急管理

项目建设过程中，实际未出现紧急情况，应急管理实例采用的是试验案例。案例中，施工人员发出SOS报警信息，平台收到信息之后弹出报警提示，包括设备编号、姓名、电话、所属单位、设备状态和上报时间，并在第一时间以短信的形式将危险信息发送给安全负责人员。在营救人员采取救援措施之后，管理员解除报警并输入解除理由。图8为应急管理案例(系统截图)。

图8 应急管理案例(系统截图)

3.3 危险源与隐患管理

危险源与隐患管理本质上是对危险源和隐患信息进行录入和分类储存，其中：危险源管理功能主要是指记录危险源日志，记载发现的危险源名称、危险源地点、发现日期和危险源特征等信息；隐患管理功能主要是指记录隐患日志，记载发现的隐患名称和隐患类型，描述隐患特征和地点，报告临时防范措施、被检查单位、整改责任人和整改日期等信息。工程实例中，工程人员利用该功能对工程中出现的危险源和隐患进行收集、录入，并记录整改信息。图9为危险源信息管理(系统截图)。

图9 危险源信息管理(系统截图)

4 结 语

随着港口智能化的不断推进，传统港区安全监管方式已不能满足需求，存在管理对象位置信息不准确、遇险人员求救信号发送不及时和风险处理不及时等问题，亟需开发智能化的安全监管系统。基于日益发展的定位技术、互联网技术和数据库技术等，智能安全监管已具有可行性。

本文引入了BDS定位、互联网、物联网和数据库等技术，开发了智能终端设备，包括智能安全帽、人员定位卡和落水报警终端，设计了应急报警流程，搭建了基于BDS定位的港区安全监管系统，并将其应用到了水运工程施工过程中。实践结果证明，该系统具有良好的可操作性，与涉水工程人员的作业特点相契合，可为涉水工程施工和管理人员提供安全监管平台，为港口智能化发展奠定基础。