摘要：有限空间作业，特别是在矿井、电力设施、油气开采等高危行业中，作业环境复杂，作业人员面临的安全风险极高。传统的安全管理措施，依靠人工监控和简单的安全设备，常常不能有效预防和应对这些危险，尤其是在有限空间作业中，作业人员的健康异常、行为不安全等情况往往难以及时发现。随着物联网（IoT）和人工智能（AI）技术的快速发展，基于智能设备的安全防护技术逐渐成为解决这一问题的重要手段。智能安全帽作为一种集成多项先进技术的个人防护装备，能够实时监控作业人员的健康状况、精确定位工人的位置，并通过不安全行为的图像识别系统提供智能预警。本论文探讨了慧视先锋智能安全帽的核心技术，包括一体式集成传感模块和UWB纳秒脉冲定位技术，并分析了其在有限空间作业中的应用及技术优势。研究表明，智能安全帽能够有效提高有限空间作业的安全性，减少事故发生的概率，具有广阔的应用前景。

关键词：有限空间作业；不安全行为；图像识别；智能安全帽；物联网；人工智能；UWB定位

一、引言

（一）．背景介绍

在矿井、电力设施、油气开采等高危行业，有限空间作业无处不在。然而，这些环境往往暗藏危机——缺氧、高温、有毒气体泄漏……每一种隐患都可能威胁作业人员的生命安全。传统的安全管理手段，如人工巡检和基础安全设备，虽然在一定程度上降低了风险，但面对突发状况和复杂的作业环境，仍然存在监测滞后、反应不及时的短板。如今，科技的发展为安全生产带来了新的可能。智能安全帽的出现，让有限空间作业的安全防线更加坚固。这种新型设备不仅能实时监测作业人员的生命体征，还能精准定位、识别不安全行为，并在风险来临时迅速预警。慧视先锋智能安全帽整合多项核心技术，为作业人员提供全方位的安全守护，弥补了传统安全管理的不足，让高危作业环境变得更加可控与安全。

（二）． 研究目的与意义

1. 行业痛点

有限空间作业（如管道、储罐、地下作业等）由于空间狭小、通风不良、气体积聚等因素，极易发生窒息、中毒、爆炸等安全事故。而在实际安全管理中，仍然存在以下突出问题：

不安全行为难以实时监测：工人在有限空间作业时，违规操作（如未佩戴防护装备、未按规定系安全绳、擅自进入危险区域等）往往难以及时发现，增加了安全隐患。

传统监控方式局限性大：人工巡检方式效率低、覆盖面有限，普通摄像头受光线、角度、遮挡物等因素影响，难以全面、精准地识别作业行为。

事故响应滞后：当作业人员因不安全行为导致事故发生时，救援人员往往无法第一时间掌握具体情况，延误救援时机，造成严重后果。

2. 技术趋势

随着人工智能（AI）、计算机视觉、物联网（IoT）等技术的发展，基于图像识别的不安全行为检测技术在有限空间作业安全管理中展现出巨大潜力。

智能图像识别技术：利用深度学习算法，结合目标检测、姿态识别、行为分析等技术，对作业人员的穿戴合规性、作业姿态、危险动作等进行自动识别，实现全天候监测，减少人为疏漏。

UWB精准定位与实时告警：结合超宽带（UWB）定位技术，在有限空间内对作业人员进行误差小于30厘米的精准定位，并与图像识别技术联动，当发现不安全行为时，能够精准推送告警信息，确保管理人员第一时间介入。

二、慧视先锋产品及核心技术分析

（一）. 核心技术一：一体式集成传感模块

（1）技术原理

有限空间作业环境复杂，工人容易因缺氧、中毒、疲劳等原因发生意外，但传统安全防护手段难以及时发现和预警。针对这一问题，慧视先锋智能安全帽集成多个传感器，能够实时监测作业人员的健康状况，并结合环境数据进行安全预警。

（2）创新点

体积优化：采用一体化设计，相较于传统多传感器分布方案，体积减少45%（由22cm³缩减至12.1cm³），减少佩戴负担，提高舒适性。

高可靠性：核心部件优化后，故障率低至0.01%，确保设备长期稳定运行。

（3）功能模块

1、健康监测：

心率、体温检测：实时监测工人体征变化，防止因缺氧、高温等情况引发健康风险。

疲劳预警：结合心率、工作时长等数据，分析工人疲劳程度，提醒适时休息。

2、安全防护：

撞击检测：当安全帽受到剧烈撞击时，系统自动记录并向管理人员推送警报。

环境监测：可接入有毒气体传感器，当气体浓度异常时，提醒作业人员撤离。

3、系统架构：

视频采集：在有限空间作业区域内部署高清摄像头，确保从不同角度获得全面的视频数据。为适应低光照及遮挡情况，可选用红外及广角摄像设备。

数据预处理模块： 对采集到的视频帧进行去噪、增强、校正等预处理操作，以提高后续特征提取的准确性 。

（二）. 核心技术二：UWB纳秒脉冲定位技术

（1）技术原理

有限空间作业环境通常存在GPS信号盲区，传统定位方式难以提供精准的人员位置数据。UWB（超宽带）技术通过纳秒级脉冲信号，结合TOF（飞行时间测距）、TDOA（到达时间差）测距，实现高精度定位。

（2）技术优势

高精度：在300-500米范围内，定位误差小于30cm，可准确记录作业人员轨迹。

强抗干扰：能够在金属结构密集、信号反射严重的环境中保持稳定，适用于复杂作业场景。

多模式通信：支持IR-UWB、MB-OFDM等模式，可灵活适配不同作业区域。

三、 应用场景分析

1. 矿山作业的应用

矿井作业面临着瓦斯爆炸、塌方、低氧等多重风险，传统安全管理手段无法实时监控作业人员的健康状况和行为。智能安全帽通过集成的UWB定位系统、生命体征传感器和图像识别技术，为矿山作业提供了更为精准的安全保障。

精准定位与快速响应： UWB技术能够穿透矿井壁和其他障碍物，在地下环境中提供高精度定位，确保管理人员能够随时获取作业人员的位置，在发生事故时迅速进行救援。

实时健康监测： 智能安全帽通过传感器实时监控作业人员的体温、心率、血氧浓度，及时发现异常，避免因健康问题引发的安全事故。

2. 电力设施的应用

电力行业涉及高电压、高温等环境，作业人员面临触电和机械伤害等风险。智能安全帽的应用，提高了电力设施维护作业中的安全性和效率。

定位与安全区域监控： 智能安全帽能够精准定位作业人员，特别是在高压设备和高空作业中，实时监控工人的位置，及时发现人员进入危险区域。

行为监测与智能预警： 图像识别和传感器数据结合，实时分析作业人员的行为。一旦检测到不安全行为，如接触电力设备或操作不当，系统会立即发出警报。

健康监控与应急响应： 智能安全帽能够实时监控作业人员的生命体征，确保在高温、缺氧等环境中及时发现健康问题，提前预警。

3． 油气开采的应用

油气开采过程中，作业人员面临有毒气体泄漏、火灾、爆炸等风险。智能安全帽在这一领域的应用，有助于提升作业安全性，优化应急响应。

精准定位与紧急情况响应： 通过UWB定位技术，智能安全帽能够确保作业人员在开采现场的精准定位，避免事故发生时无法找到受困人员。

生命体征监测： 智能安全帽持续监测作业人员的健康状况，特别是在高风险区域，如石油平台和油气井，能够及时发现因缺氧或中毒引发的健康问题。

行为识别与安全操作： 结合图像识别技术，智能安全帽能识别作业人员的安全行为，如是否佩戴防护设备、是否进入高危区域，确保作业人员始终保持安全作业。

四、结语

慧视先锋智能安全帽作为一项创新产品，凭借其强大的技术优势和广泛的应用前景，为高危行业提供了全新的安全保障方案。通过健康监测、精准定位、智能预警等多项技术的综合应用，它显著提升了电力和矿山等有限空间中的安全性与管理效率。展望未来，智能安全帽将成为高危行业中的标准装备，推动行业的安全管理模式向智能化、信息化转型。

参考文献

[1]张俊， 赵思. （2021）. 基于智能安全帽的施工人员实时健康监测与应急报警系统设计. 安全科学， 137， 105147.

[2]张志， 陈勇. （2020）. 高风险工业环境下智能安全帽系统的设计与开发. 计算机、材料与连续体， 64（3）， 2255-2269.

[3]李旭， 杨峰. （2022）. 复杂工作环境中智能安全帽系统的研究. 高级制造与技术期刊， 42（3）， 29-37.

基金：2024年四川省大学生创新创业训练计划项目——护脑天眼：可视化作业安全守护者（项目编号S202412642006S）