基于5G边缘计算的受限空间高风险作业智能安全管控及反违章系统
国能山西河曲发电有限公司
一、项目案例基本信息
二、项目案例详细内容
1.项目案例简介
本项目是由国能山西河曲发电有限公司为响应国家能源集团强化安全生产的号召而主导研发的一项重大科技创新。该项目旨在根治发电厂在电除尘器、脱硫塔等受限空间内进行高风险作业时长期存在的安全隐患。此类环境不仅信号屏蔽严重、通风不良，还易聚集有毒有害气体，传统安全监控手段存在滞后性与盲区，导致事故风险居高不下。为突破困局，项目开创性地融合了5G专网、边缘计算、人工智能、生物信号识别等前沿技术，构建一个“云、边、网、端、芯”一体化的泛在感知智能安全防护体系。项目的核心研究内容极具创新性，主要包括：通过采集与分析作业人员的肌电与眼电信号，首创性地实现对人体疲劳状态的实时、精准判别；研发智能防高坠机电终端与微动开关装置，对安全带的使用进行强制性规范与实时监测，从源头杜绝违章；定制专用感存算一体化边缘计算芯片，在数据源头完成处理，确保在信号受限环境下的高效响应；并采用国密SM2/SM4加密算法芯片，全程保障数据与隐私安全。最终，所有数据将汇入智能安全管控及反违章系统平台，实现与电厂现有控制系统的联动，推动安全管理从被动响应向主动预警的根本性转变。该项目预期在河曲电厂部署50套智能穿戴装备与防坠装置，并建设一体化管控平台。项目实施后，不仅能大幅提升作业安全性73%以上，有效保障员工生命安全，还能产生显著的经济与社会效益，预计每年可减少巨额事故损失，并为行业打造一个可复制、可推广的智慧电厂安全管控新范式。
2.主要创新点概述
(1)首创云、边、网、端、芯结合的受限空间智能装备。安全管控是电力生产过程管控的重要内容，该研发应用项目首次提出了以智能单兵终端装备为载体，在物联网系统的架构下，基于云（工业物联网云服务）+边（无接触式微动开关便携装备）+网（厂用5G通信专网、工业Wi-Fi）+端（防坠挂钩机电外挂终端）+芯（安全悬挂实时状态监测感存算传SiP芯片、5G防高坠分层集控智能交换感应基站中的SiP定制化芯片、SM2加密芯片、SM4加密芯片）技术体系赋能，实现“受限空间泛在感知智能安全作业防护体系”模型的研究。
(2)在5G在受限空间的传播特性方面，提出一个面向受限空间异构5G网络的联邦边缘学习框架ME-FEEL，该框架引入了多退出点机制，使边缘装备根据其实际资源情况自适应地选择模型的训练深度。与此同时，这些子模型与完整模型有共同的结构，从而可以轻松地被边缘计算服务单元聚合。为应对5G网络资源受限和异构性问题，框架还采用了联邦平均算法和对5G通信与计算资源的联合调度，并利用基于贪心算法的策略解决最佳退出点选择和5G带宽分配问题，并通过Fashion-MNIST数据集的仿真实验，证明了ME-FEEL在资源有限的环境中相较于传统方法具有明显的性能优势。
(3)首次结合肌电和眼电信号进行受限空间人体疲劳检测识别。肌电研究在表面肌电信号采集和分析中采用了多通道低功耗模块，实时传输与备份数据，并首次结合果蝇优化和遗传算法进行神经网络的权值和阈值优化，提高了模型准确性。眼电研究则通过结合眼电信号和人脸图像信息，采用小波函数去噪和特征提取，并使用判别图正则化极限学习机进行特征融合和分类，显著加快了疲劳检测速度并提高了其精度。
(4)首次通过智能感测安全穿戴装备针对人员作业动作规范性进行实时监测，该装备采用挂钩防高坠机电外挂终端和特定的异构边缘计算芯片进行数据处理。信号采集模块实时检测旋转角度，核心处理器具有强大的计算能力和高可扩展性。其关键传感器为增量式编码器，确保了高精度的测量和低能耗，能准确、稳定地监测防坠安全器的动作速度和制动距离，为实际操作环境中的安全提供了可靠保障。
3.技术实现路径及方法
(1)设计系统和方案整体框架
方案框架的设计：在项目启动初期，首先要进行系统的构想与设计。这不仅仅是技术层面的设计，更多的是从商业角度、用户需求角度出发，思考该系统能为河曲发电公司带来何种价值。这一阶段需要与相关部门、用户进行深入的沟通，了解他们的真正需求。
风险评估：针对受限空间内的工作环境，进行详细的风险评估，确定可能的风险点和预防措施，为后续的技术实现提供方向。
需求分析：需要明确系统的功能需求、性能需求、安全需求等，为后续的技术研发提供明确指导。
(2)研发肌电+眼电识别技术的智能穿戴装备
肌电、眼电信号采集：设计研发高精度的生理感知装置，对工作人员在不同状态下的肌电、眼电信号进行采集。这需要合适的环境和条件，确保采集数据的真实性和有效性。
数据分析与模型建立：利用深度学习和模式识别技术，对采集到的肌电、眼电数据进行分析，建立健康状况和疲劳度的预测模型。
肌电、眼电信号的实时传输：结合5G技术，研发低时延、高稳定性的肌电、眼电信号实时传输方案，确保数据在传输过程中的完整性和时效性。
(3)研发智能感测安全穿戴装备
装备设计与优化：受限空间智能感测安全穿戴装备不仅要有较高的计算和感测能力，还要确保其佩戴舒适性、耐久性和安全性。这需要综合多种工程技术进行设计和优化。
2)防高坠机电外挂终端：结合工作环境的特点，设计并研发能够在电除尘器内部高处工作时提供双重保障的机电装备。此装备应具备防摔、防水、防尘等性能，确保其在恶劣环境下的稳定运行。
无接触式微动开关便携装置：为减少人为操作的风险，研发无需接触即可控制的开关装置，提高操作的安全性。
(4)边缘计算与5G技术的整合
边缘计算策略研发：针对受限的计算资源，研发适合的数据处理和分析算法，确保在边缘节点上能够进行高效的数据处理。
5G数据传输优化：5G技术提供了高速的数据传输能力，但在实际应用中，仍然需要进行数据传输策略的优化，确保数据在受限空间中的实时性和稳定性。
(5)研发安全管控及反违章系统
智能安全管控系统：基于上述肌电、眼电识别技术和智能感测穿戴装备的数据，开发能够实时预测和判断高风险情况的安全管控系统。该系统应具备自动化决策能力，并能及时发出预警。
反违章系统：结合历史数据和行为分析技术，当检测到可能的违章行为时，系统能自动报警，提示相关人员及时干预。
(6)研究数据保护与隐私保护
数据加密技术：研发国产SM2、SM4加密算法，确保数据在传输和存储过程中的安全性。
隐私保护策略：设计合适的数据访问和处理策略，确保只有获得授权的人员才能访问数据，防止隐私泄露。
(7)系统整合与测试
系统整合：将研发的各个模块进行整合，构建完整的系统框架。这需要考虑模块之间的兼容性、数据交互的流畅性等。
现场测试：在河曲发电公司的实际环境中，对系统进行全面的测试，确保其能够满足实际应用的需求。
此技术路线的实施旨在提供一个全面、系统的智能安全管控解决方案，确保本次项目所研发的技术和装备、装置可保障受限空间高风险作业的安全和稳定。
4.应用情况及可推广前景简述
本项目已规划在国能山西河曲发电有限公司进行深度应用实施。作为国家“西电东送”北通道的重要电源点，河曲公司拥有多台大型发电机组，其电除尘器、脱硫塔等受限空间的高风险作业安全需求迫切，为系统提供了典型的应用场景。项目首先在河曲电厂1、2号机组的电除尘器区域开展试点，覆盖极板极线清灰、大小框架检查校正、灰斗气化板更换等具体作业场景。应用部署分阶段进行，前期研制并试装约50套集成肌电、眼电识别功能的智能穿戴装备以及50套配套的智能防高坠装置。这些终端设备通过5G专网与定制研发的边缘计算SiP芯片相连，实时采集作业人员的生理状态、动作行为及环境数据，并借助国产加密芯片保障数据安全传输。所有数据最终汇聚至部署于厂区的“高风险作业智能安全管控及反违章系统”平台，该平台可实现作业人员状态的实时监控、违章行为的智能识别与即时报警，并将关键信息推送至厂内现有的智深iDCS系统、安全管理系统，形成从现场感知到中央管控的闭环管理。通过这一系列应用，预期能显著提升河曲公司受限空间作业的安全性，有效降低事故发生率，为电厂的稳定运行提供坚实保障。
图 1 肌电、眼电识别的智能穿戴
图 2 智能感测穿戴装备
图 3 智能穿戴管控平台
该系统的可推广前景极为广阔。首先，在技术层面，其“云、边、网、端、芯”一体化的架构设计具有高度的模块化和灵活性，能够根据不同电厂的机组类型、空间结构和网络基础设施进行快速适配和部署。项目成果不仅适用于煤电企业的锅炉、凝汽器、高压加热器等各类受限空间，其核心技术与装备还可推广至水电、核电、化工、冶金等存在类似高风险作业场景的工业领域。其次，在标准建设层面，本项目致力于打造“平台统一、数据统一、功能统一、界面统一”的标准化体系，其成功实施将为集团乃至行业提供可复制的技术规范和管理模式，有力支撑国家能源集团“十四五”智慧电厂建设目标的实现，对行业安全生产标准的提升具有引领作用。最终，通过形成包括智能穿戴、专用芯片、系统平台在内的系列化产品与解决方案，本项目不仅能够创造直接的经济效益（如装备租赁、技术服务的收益），更将通过大幅降低人员伤亡事故带来巨大的社会效益，推动整个工业领域向智能化、主动预防型安全管理模式转型，市场应用潜力巨大。
5.经济效益及社会效益情况
经济效益
本项目研发试装应用后，通过内部估算，预计每年可极大程度的降低人员再受限空间作业时的事故概率，大大减少人员事故重伤概率。通过在河曲智慧电厂采用集约化技术框架建成可信可控、架构灵活、安全可靠的基于5G边缘计算的受限空间高风险作业智能安全管控及反违章系统，可满足智慧电厂的外委队伍管理、受限空间高风险作业管理、日常巡点检管理等安全合规要求。保守估算，一年内可降低约1.5名人员事故死亡概率，降低4名以上人员事故重伤概率。从伦理学的角度来看，生命的价值是无法用金钱来衡量的，每个人的生命都是独一无二且具有无法替代的价值，尊重生命和保护人的生命权是最基本的道德原则。这意味着我们不能用金钱来衡量生命价值，因为金钱无法完全反映生命的真正价值。然而，在现实情况中，为了解决一些高坠工伤赔偿等实际问题，我们不得不对生命价值进行某种程度的金钱衡量。在这种情况下，金钱衡量的目的并不是要降低生命的价值，而是为了给予事故者或其家庭提供一定的经济补偿。在工人发生伤亡事故时给予的赔偿，实际上是对事故者家庭的经济损失和精神损害的一种补偿。这种补偿并不能完全弥补失去亲人带来的痛苦，但至少可以减轻事故者家庭的经济负担。因此，虽然在现实生活中可能存在对生命价值的金钱衡量，但这并不意味着我们可以忽视生命的真正价值，相反，我们应该尽最大努力保护和尊重每个人的生命。
除经济补偿之外，研发的智能感测安全穿戴装备在量产后，每年可租借给在河曲公司进行施工的相关单位，为不增加施工单位负担，可仅按市场普通安全带防护装备租赁价格计算。按照减少1.2人/年的人员伤亡，以及每机组受限空间作业减少1-2人/年来计算，该项目每年可以减少直接或间接的经济损失160万元，节约人力成本约14.8万元。
社会效益
基于5G边缘计算的受限空间高风险作业智能安全管控及反违章系统研发应用之后，通过公司内部估算分析，预计可提高电力人员生产作业73%的安全性，降低65%以上的人员伤亡率，本次受限空间高风险作业智能安全管控及反违章系统的应用，可极大的提升电力生产系统受限空间高风险作业、受限空间巡检人员的人身安全保障，从真正意义上贯彻落实党中央习近平总书记提出的“始终把人民生命安全放在首位”重要指示。
其次，基于5G边缘计算的受限空间高风险作业智能安全管控及反违章系统的研发应用，将以新一代信息技术为支撑，以管控一体化为核心，以生产制造智能化、IT服务智慧为基础，通过控制、传感、测量、设备和决策支持等技术，实现发电的可靠、安全、经济、高效、环境友好、使用安全等目标。结合云端等人工智能识别技术与云计算技术，使其具备自主控制能力，可推动实现无人值守、远程操控一体化的智慧电厂落地。通过此类主动式“受限空间泛在感知智能安全作业防护体系”，可进一步部署侧重于辅助现场作业的物联应用集群，形成全厂智能物联设备数字化的坚强底座；支撑“数字驱动转型发展，智慧引领国家能源”，统筹做好智能物联设备的资源复用、成果共享，推进国家能源集团智慧电厂的集约建设、智能物联设备数字化应用功能的集约开发。
再次，本次研发及应用，将围绕“平台统一、数据统一、功能统一、界面统一”四项重点工作开展标准化体系建设，是对“智慧电厂物联网络系统技术规范”的强有力补充，并可配套编写相应的技术手册、说明书、管理规定等标准化文件。协力集团打造“十四五”重点科技攻关项目，力争在智慧电厂建设十大科技领域中取得重大专项项目的突破，夯实集约化建设基础，扎实推进标准化智能物联设备数据接入，筑牢安全管理数据基础，统筹标准化应用体系建设，打造繁荣的智慧电厂应用生态。
6.项目案例获专利及奖励情况：
项目已申报国家发明专利2项、实用新型专利4项；已取得软件著作权2项；有2篇电力行业期刊论文已被录用。
7.申报单位内部评审结论意见：
本项目立足发电企业受限空间作业安全重大需求，精准对接集团安全生产战略。技术方案创新性突出，构建了“云-边-网-端-芯”五位一体防护体系，集成5G联邦边缘学习、多模态生理信号识别等前沿技术。实施方案科学可行，产学研合作机制健全，阶段目标明确清晰，应用效果显著，经济效益突出。
我单位认为，项目成果具备高度可复制性，通过标准化体系建设可在集团同类电厂快速推广，对推动电力行业智慧安全转型具有重要示范意义，完全符合科技奖励申报要求。
京公网安备 11011502004515号 
