一种建筑工程高空作业安全带使用监测装置及预警方法

技术领域

本发明涉及安全带佩戴状态监测领域，具体地，涉及一种建筑工程高空作业安全带使用监测装置及预警方法。

背景技术

建筑工程行业被认为是全球最不安全的行业之一，行业中的死亡人数和事故数量在所有工业部门中常常是最高的。据住房和城乡建设部数据统计，在2010-2019年间，房屋市政工程发生安全事故共6028起，其中高处坠落事故共3124起，约占总数的51.8％。显然，高处坠落是建筑工程行业发生率最高的事故。现有研究表明，由于作业人员安全意识不足、存在侥幸心理等因素，致使他们进行高空作业时未佩戴或未正确佩戴安全防护用品(主要指安全带)是导致高处坠落事故最直接、最主要的原因。

据此，为防止建筑施工过程中高处坠落事故的发生，正确使用安全带是最主要的应对方式。正确使用安全带以预防高处坠落事故的发生有两大关键点：一是作业人员必须将安全带背心正确佩戴在其身上；二是与安全带背心相连的安全绳挂钩必须时刻与固定端相连接。

然而，目前对于安全带佩戴状态的研究主要集中在高空电力作业的场景下，且主要是对于上述第一个关键点(识别安全带背心佩戴状态)的研究。现阶段对于作业人员是否将安全带背心佩戴在其身上的研究主要是从深度学习结合目标检测算法进行判别。如张萌等人(张萌，韩豫，刘泽锋。深度学习下建筑工人高空安全防护装备检测方法[J].中国安全科学学报，2022，32(05):140-146.)以轻量化网络MobileNetV2置换YOLOv4的主干特征提取网络，实现动态视频状态下安全帽与安全带的综合检测；公开号为CN114187543A的发明专利(一种高空电力作业场景下的安全带检测方法及系统[P])用YOLOX的目标检测模型对高空电力作业安全带进行检测。但遗憾的是，此类方法首先需要创建包含大量用于机器学习的数据集；另一方面，此类方法在实际检测过程中易受环境的影响(如现场物体的遮挡、安全带背心特征点不明显等因素)而导致识别效果不佳；另外地，该方法往往需要配备具备物联网功能的外置摄影机进行视频录制、照片截取，大大增加了监测成本。

另外，也有少数研究者试图从安全绳挂钩入手对挂钩的固定状态进行监测，如公开号为CN112827090A(一种基于5G的高空作业安全装置[P])、CN212439773U(一种带有安全挂钩的安全带[P])的专利通过压力传感器的方式对安全绳挂钩的固定状态进行判定。诚然，这些研究者的实施方案可以对安全绳挂钩的固定状态进行一定程度上的监测，但仅通过压力传感器这种单一的装置系统无法精准监测，如高空作业人员若将安全绳挂钩固定在自己身上，此时挂钩内部的压力传感器仍然会有监测数据，那么按照此类方式则大概率会判定为安全绳挂钩已正确固定，但显然的是，高空作业人员将安全绳挂钩固定在自己身上这种情况并不是安全绳挂钩的正确固定状态。故这类监测方案是不全面、不完善、不精确的，监测结果也是达不到预期效果的。

综合看来，目前阶段对于建筑施工行业安全带佩戴状态的研究十分有限，结合上述两大关键点(一是作业人员必须将安全带背心正确佩戴在其身上；二是与安全带相连的安全绳挂钩必须时刻与固定端相连接)对建筑施工行业高处坠落事故的综合控制研究更是少之又少。

发明内容

本发明提供了一种建筑工程高空作业安全带使用监测装置及预警方法，以解决现有的建筑施工行业安全带佩戴状态监测点少、监测精度低导致的监测效果低下的问题。

为实现上述目的，本发明提供了如下方案：

一种建筑工程高空作业安全带使用监测装置，包括安全带背心和与安全带背心背部连接的安全绳组件，所述安全带背心包括胸扣、腰扣、第一角速度传感器、第一线速度传感器、第一电源，所述第一角速度传感器、第一线速度传感器和第一电源之间串联并通过所述胸扣和腰扣形成第一回路，所述胸扣和腰扣同时闭合使所述第一回路连通。

本发明中通过胸扣、腰扣的扣合使第一回路完成闭合，第一角速度传感器和第一线速度传感器工作，相反的，控制中心通过监测第一角速度传感器和第一线速度传感器是否正常工作即可判断胸扣、腰扣是否正常扣合，达到监测安全带背心是否正确佩戴在身上的目的。

进一步的，所述安全绳组件包括安全绳、分别安装于所述安全绳两端的挂钩和连接环，所述挂钩上设有形成第二回路的第二角速度传感器、第二线速度传感器和第二电源。

在施工时，由于挂钩需要固定在固定端，并且第一角速度传感器和第一线速度传感器位于施工人员身上，使得挂钩和施工人员的角速度和线速度不相同，至少不会长时间相同，因此，第一角速度传感器与第二角速度传感器的示数不同，第一线速度传感器与第二线速度传感器的示数也不同，以此判断挂钩没有挂在施工人员身上或者拿在施工人员手上等，因此，通过判断第一角速度传感器与第二角速度传感器的示数，以及第一线速度传感器与第二线速度传感器的示数均未出现长时间的读数相同，即可判断挂钩是否正确挂扣，同时，通过第二角速度传感器与第二线速度传感器的读数变化，还能够判断挂钩是挂扣在固定端还是活动端。

进一步的，所述第二回路上设有与所述第二角速度传感器和第二线速度传感器并联的压力传感器，所述压力传感器布设与所述挂钩内部的上端。

由于挂钩在正常挂扣时，在挂钩自身重力的作用下，挂钩内部的上端受到固定端的压迫，通过对压力传感器读数的监测，能够判断挂钩是否正常挂扣在固定端上。

进一步的，所述安全带背心设有距离传感器，所述距离传感器的发射端安装于所述安全带背心的背部，所述距离传感器的接收端安装于所述挂钩上。

安全带背心佩戴在施工人员身上后，挂钩的状态包括挂在安全带背心上、拿在施工人员手上，挂在无遮挡的固定端和挂在有遮挡的固定端这些情况，其中，挂在安全带背心上和拿在施工人员手上这两种情况中，在施工人员走动时，挂钩摆动以及施工人员手臂摆动或者其他情况，可能导致第一角速度传感器与第二角速度传感器的示数、第一线速度传感器与第二线速度传感器的示数出现不相同，或者短时间不同的情况，导致无法判断挂钩是否正确挂接，因此，采用距离传感器测量发射端(安装于安全带背心上)与接收端(挂钩)之间的距离，如果此距离大于挂钩挂在安全带背心上或者拿在施工人员手上使的预设距离时，在配合压力传感器的监测，即可判断挂钩挂接在正确的固定端上，同时，还存在挂在有遮挡的固定端这一情况，由于阻挡物的干扰，导致距离传感器无法正常测量距离，也就表明挂钩没有挂在安全带背心上或者拿在施工人员手上，也可以判断为挂钩挂接在正确的固定端上。

进一步的，所述第二回路上还设有与所述压力传感器信号连接的感应开关，所述感应开关与所述第二角速度传感器和第二线速度传感器串联。

由于挂钩是否挂扣在固定端对于安全带背心的佩戴来说同样重要，而且，第二角速度传感器和第二线速度传感器判断挂钩的挂扣状态需要在挂钩正确挂扣的情况下进行，也就是压力传感器受到压力后，感应开关闭合，第二角速度传感器和第二线速度传感器才能接通第二电源正常工作。

进一步的，所述安全带背心还包括蜂鸣报警器，所述蜂鸣报警器安装于所述安全带背心的肩带上。

通过蜂鸣报警器提醒施工人员安全带背心是否佩戴正确，蜂鸣报警器设置在安全带背心的肩带上距离施工人员耳朵更近，提醒效果更好。

进一步的，所述蜂鸣报警器串联安装于所述第一回路上。第一回路在胸扣、腰扣的扣合的情况下才能闭合，也就是安全带背心必须正确佩戴在施工人员身上后，蜂鸣报警器才会开始工作，避免蜂鸣报警器在安全带背心未使用时产生误报。

一种建筑工程高空作业安全带使用的预警方法，包括如下步骤：

步骤一：佩戴安全带背心，扣上胸扣和腰扣，第一回路闭合，第一角速度传感器、第一线速度传感器工作；

步骤二：控制中心判断第一角速度传感器和第一线速度传感器工作状态是否正常，如果正常，则安全带背心佩戴正确，如不正常，控制中心控制蜂鸣报警器报警，返回步骤一。

通过第一角速度传感器和第一线速度传感器是否正常工作，提醒施工人员是否需要重新佩戴安全带背心，减少高空作业的安全隐患。

进一步的，还包括如下步骤：

步骤三：将挂钩扣在预设的位置，在挂钩自身重力的作用下，压力传感器检测到压力，感应开关闭合，第二角速度传感器和第二线速度传感器接通第二电源正常工作；

步骤四：控制中心判断第一线速度传感器和第二线速度传感器的示数是否相同，定义为第一结果，第一角速度传感器和第二角速度传感器的示数是否相同，定义为第二结果，且相同时间是否超过1分钟，定义为第三结果，如果所述第一结果、第二结果和第三结果均为是，则表明安全带背心佩戴不正确，控制中心控制蜂鸣报警器报警，更改挂钩挂扣的预设位置，返回步骤三，如果第一结果、第二结果和第三结果中一个或者多个为否，则安全带背心佩戴正确。

通过压力传感器监测挂钩是否正常挂扣，然后通过两组线速度传感器和角速度传感器的示数差别进一步判断挂钩是挂扣在施工人员身上还是挂扣在固定端，并提醒施工人员将挂扣在身上的挂钩重新挂扣，确保安全带背心佩戴正确。

进一步的，还包括如下步骤：

步骤五：测量距离传感器的发射端和接收端之间的距离，如果所述距离小于预设值，则表明安全带背心佩戴不正确，控制中心控制蜂鸣报警器报警，更改挂钩挂扣的预设位置，返回步骤三，如果所述距离大于或者等于预设值，或者距离传感器没有读数，则安全带背心佩戴正确。

由于高空坠落发生时是突兀的，是触不及防的，两组角速度传感器和两组线速度传感器在挂钩挂扣在施工人员身上时，也可能出现示数不相同或者短时间内不相同的情况，导致控制中心判断出错，进而可能出现安全隐患，因此，通过距离传感器进一步判断挂钩是否挂扣在施工人员身上，进一步减少安全带背心佩戴错误的情况，进一步减少安全隐患。

本发明提供的一个或多个技术方案，至少具有如下技术效果或优点：

(1)本发明通过胸扣、腰扣的扣合使第一角速度传感器和第一线速度传感器工作，并通过监测第一角速度传感器和第一线速度传感器是否正常工作判断胸扣、腰扣是否正常扣合，达到监测安全带背心是否正确佩戴在施工人员身上的目的；

(2)通过判断第一角速度传感器与第二角速度传感器的示数，以及第一线速度传感器与第二线速度传感器的示数均未出现长时间的读数相同，判断挂钩是否正确挂扣，同时，通过第二角速度传感器与第二线速度传感器的读数变化，还能够判断挂钩是挂扣在固定端还是活动端；

(3)通过对压力传感器读数的监测，判断挂钩是否正常挂扣；

(4)通过距离传感器进一步监测挂钩是错误的挂扣在安全带背心上或者拿在施工人员手上，还是正确挂扣在固定端；

(5)通过两组角速度传感器和两组线速度传感器，以及压力传感器和距离传感器共同监测安全带背心是否正确佩戴，监测面更广，监测精度高，能够有效减少安全带背心佩戴错误的情况出现。

附图说明

此处所说明的附图用来提供对本发明实施例的进一步理解，构成本发明的一部分，并不构成对本发明实施例的限定；

图1是本发明中安全带背心结构示意图；

图2是本发明中挂钩结构示意图；

图3是本发明中第一回路电路图；

图4是本发明中第二回路电路图；

图5是本发明中预警方法流程图；

其中，1-安全带背心，101-胸扣，102-腰扣，103-第一角速度传感器，104-第一线速度传感器，105-第一电源，106-第一回路，107-蜂鸣报警器，201-挂钩，202-第二回路，203-第二角速度传感器，204-第二线速度传感器，205-第二电源，206-压力传感器，207-感应开关，3-距离传感器。

具体实施方式

为了能够更清楚地理解本发明的上述目的、特征和优点，下面结合附图和具体实施方式对本发明进行进一步的详细描述。需要说明的是，在相互不冲突的情况下，本发明的实施例及实施例中的特征可以相互组合。

在下面的描述中阐述了很多具体细节以便于充分理解本发明，但是，本发明还可以采用其他不同于在此描述范围内的其他方式来实施，因此，本发明的保护范围并不受下面公开的具体实施例的限制。

实施例一

本实施例提供了一种建筑工程高空作业安全带使用监测装置，如图1-图4所示，包括安全带背心1和与安全带背心1背部连接的安全绳组件，所述安全带背心1包括胸扣101、腰扣102、第一角速度传感器103、第一线速度传感器104、第一电源105，所述第一角速度传感器103、第一线速度传感器104和第一电源105之间串联并通过所述胸扣101和腰扣102形成第一回路106，所述胸扣101和腰扣102同时闭合使所述第一回路106连通。

其中，安全带背心1为现有技术中常用的三点式安全带背心或者五点式安全带背心，胸扣101、腰扣102设置为第一回路106的两个开关，第一角速度传感器103、第一线速度传感器104和第一电源105可以设置在安全带背心1的任意部位，第一回路106的布线根据安全带背心1的结构确定，本实施例不做具体限定，现有的某些安全带背心还设有两个腿扣，则还可以将两个腿扣也串联到第一回路106上。

在更为优选的实施例中，所述安全绳组件包括安全绳、分别安装于所述安全绳两端的挂钩201和连接环，所述挂钩201上设有形成第二回路202的第二角速度传感器203、第二线速度传感器204和第二电源205。

其中，第二回路202的导线布设于挂钩201内部，第二角速度传感器203、第二线速度传感器204和第二电源205也设置于挂钩201内部，防止损坏。

在更为优选的实施例中，所述第二回路202上设有与所述第二角速度传感器203和第二线速度传感器204并联的压力传感器206，所述压力传感器206布设与所述挂钩201内部的上端。

如图2所示，压力传感器206的感应端均匀铺设于挂钩201内部的上端，使得挂钩挂扣在固定端时，在挂钩重力的作用下，压力传感器206的感应端受到挤压，压力传感器206可以是压阻式压力传感器和扩散硅压力传感器等。

在更为优选的实施例中，所述第二回路202上还设有与所述压力传感器206信号连接的感应开关207，所述感应开关207与所述第二角速度传感器203和第二线速度传感器204串联。

其中，感应开关207可以是红外感应开关，电磁感应开关等。

在更为优选的实施例中，所述安全带背心1还包括蜂鸣报警器107，所述蜂鸣报警器107安装于所述安全带背心1的肩带上。

在更为优选的实施例中，所述蜂鸣报警器107串联安装于所述第一回路106上。

在更为优选的实施例中，所述安全带背心1设有距离传感器，所述距离传感器的发射端安装于所述安全带背心1的背部，所述距离传感器的接收端安装于所述挂钩201上。

其中，距离传感器可以是红外距离传感器、超声波距离传感器等。

在更为优选的实施例中，第一角速度传感器103、第一线速度传感器104、第二角速度传感器203、第二线速度传感器204、压力传感器206、蜂鸣报警器107和感应开关207均与控制中心信号连接，控制中心作为各信号的转接和控制，可以是PLC、单片机等。

实施例二

本实施例在实施例一的基础上，提供了一种基于实施例一监测装置的建筑工程高空作业安全带使用的预警方法，如图5所示，包括如下步骤：

步骤一：佩戴安全带背心1，扣上胸扣101和腰扣102，第一回路106闭合，第一角速度传感器103、第一线速度传感器104工作；

步骤二：控制中心判断第一角速度传感器103和第一线速度传感器104工作状态是否正常，如果正常，则安全带背心1佩戴正确，如不正常，控制中心控制蜂鸣报警器107报警，返回步骤一。

其中，第一角速度传感器103和第一线速度传感器104与控制中心信号连接，第一角速度传感器103和第一线速度传感器104正常工作时，与控制中心保持信号连接，胸扣101和腰扣102未连接时，第一角速度传感器103和第一线速度传感器104未连通电源，无信号输出，表明胸扣101和腰扣102没有扣合或者没有完全扣合，控制中心控制蜂鸣报警器107报警，通知施工人员扣合或者重新扣合胸扣101和腰扣102，也可以通知监护人员或者监控中心，阻止施工人员登高作业，确保人员安全。

在更为优选的实施例中，还包括如下步骤：

步骤三：将挂钩201扣在预设的位置，在挂钩201自身重力的作用下，压力传感器206检测到压力，感应开关207闭合，第二角速度传感器203和第二线速度传感器204接通第二电源205正常工作；

步骤四：控制中心判断第一线速度传感器104和第二线速度传感器204的示数是否相同，定义为第一结果，第一角速度传感器103和第二角速度传感器203的示数是否相同，定义为第二结果，且相同时间是否超过1分钟，定义为第三结果，如果所述第一结果、第二结果和第三结果均为是，则表明安全带背心1佩戴不正确，控制中心控制蜂鸣报警器107报警，更改挂钩201挂扣的预设位置，返回步骤三，如果第一结果、第二结果和第三结果中一个或者多个为否，则安全带背心1佩戴正确。

在更为优选的实施例中，还包括如下步骤：

步骤五：测量距离传感器的发射端和接收端之间的距离，如果所述距离小于预设值，则表明安全带背心1佩戴不正确，控制中心控制蜂鸣报警器107报警，更改挂钩201挂扣的预设位置，返回步骤三，如果所述距离大于或者等于预设值，或者距离传感器没有读数，则安全带背心1佩戴正确。

尽管已描述了本发明的优选实施例，但本领域内的技术人员一旦得知了基本创造性概念，则可对这些实施例作出另外的变更和修改。所以，所附权利要求意欲解释为包括优选实施例以及落入本发明范围的所有变更和修改。

显然，本领域的技术人员可以对本发明进行各种改动和变型而不脱离本发明的精神和范围。这样，倘若本发明的这些修改和变型属于本发明权利要求及其等同技术的范围之内，则本发明也意图包含这些改动和变型在内。