Мобильная система на базе Интернета вещей для мониторинга безопасности одиноких работников

Европейское агентство по безопасности и гигиене труда рассматривает интеллектуальные средства индивидуальной защиты как “Интеллектуальную защиту будущего”. В основном он состоит из электронных компонентов, которые собирают данные об их использовании, работниках, которые их носят, и рабочей среде. В этой статье предлагается распределенное решение интеллектуальных средств индивидуальной защиты для мониторинга безопасности одиноких работников за счет использования недорогих электронных устройств. В дополнение к тем же опасностям, что и все остальные, работники-одиночки нуждаются в дополнительных и специфических системах из-за более высокого риска, которому они подвергаются на рабочем месте. С этой целью парадигма пограничных вычислений может быть принята для развертывания архитектуры, встраивающей носимые устройства, которая предупреждает менеджеров по безопасности, когда работники не используют предписанные средства индивидуальной защиты на высоте, и поддерживает быстрое спасение, когда работник обращается за помощью или автоматически обнаруживается случайное падение. Предлагаемая система находится в стадии разработки, которая обеспечивает архитектурный проект с учетом различных требований, а именно трудностей с развертыванием на временных и крупных рабочих площадках, повторяющихся проблем с затратами на обслуживание и подключение, уважения частной жизни работников и простоты использования для работников и их руководителей.

Вступление

По данным Европейского агентства по безопасности и гигиене труда [1], несчастные случаи на производстве представляют собой высокие издержки для компаний и, прежде всего, гораздо более высокие издержки для жертв и их семей. По сравнению с валовым национальным продуктом для большинства стран эти затраты колеблются от 2,6% до 3,8%, что свидетельствует о явлении с социальными и экономическими последствиями, признанными на различных институциональных уровнях.
В то время как компании несут этическую и юридическую ответственность за обеспечение того, чтобы их работники, работники субподрядчиков, работающие на их объектах, и любое другое лицо, посещающее их объекты, всегда оставались в безопасности, Европейский союз действует через свои органы, чтобы определить соответствующие процедуры для регулирования этой темы. В частности, в Европейских рекомендациях по охране труда (БГТ) средствам индивидуальной защиты (СИЗ) присваивается наивысшая эффективность профилактических мер, в то время как директива Европейского экономического сообщества (ЕЭС) о их использовании на рабочем месте подтверждает, что, когда риски невозможно избежать или в достаточной степени ограничить с помощью процедур и технических средств коллективной защиты, Необходимо использовать СИЗ [2]. Что касается национальных институтов страхования от несчастных случаев государств-членов, то они отвечают за проверку того, что компании соблюдают правила, инспектируя рабочие места и выписывая штрафы, если они не соблюдают. Однако то же европейское агентство также стремится распространить системы стимулирования по всему континенту, так что эти институты обычно предлагают компаниям некоторые налоговые скидки, обеспечивая дополнительный стимул для изучения новых и подходящих СИЗ.
Однако, несмотря на эту осведомленность, число несчастных случаев на производстве, которые наносят серьезный ущерб людям, остается высоким. Эта негативная тенденция объясняется отсутствием фундаментального требования. Хотя успех этих профилактических средств, безусловно, зависит от правильного выбора СИЗ и их правильной подгонки, также важно, чтобы они носились постоянно, и это требование часто не выполняется, как указано в исследовании Kimberly-Clark [3]. Согласно опросу, 82% специалистов по технике безопасности утверждают, что они наблюдали, как работники в их организациях не носили требуемые СИЗ. Причинами несоблюдения, указанными респондентами опроса [3], были:

Неудобный.
Слишком жарко.
Обвиняют в снижении производительности или неспособности выполнять задачи.
Недоступен рядом с рабочей задачей.
Неподходящий.
Непривлекательно выглядящий.

Результаты опроса Kimberly-Clark указывают на необходимость удобной конструкции СИЗ и на то, что крайне важно убедиться в том, что они постоянно надеваются. Более того, когда речь идет о людях, работающих самостоятельно, без пристального или непосредственного надзора, изолированных от других работников, меры предосторожности приобретают еще большее значение. Таким образом, в дополнение к тем же опасностям, что и все остальные, эти одинокие работники подвергаются большему риску, поскольку им не к кому обратиться за помощью в случае несчастного случая. Следовательно, требуются дополнительные системы для поддержания связи и удаленного мониторинга одиноких работников. В частности, необходимы инновационные решения для автоматического или ручного срабатывания сигнализации, определения их местоположения и распознавания того, что они вернулись на свою базу, как только выполнили свою задачу.
Интеллектуальные средства индивидуальной защиты
Недавний дискуссионный документ [4] Европейского агентства по безопасности и гигиене труда описывает интеллектуальные СИЗ как интеллектуальную защиту будущего. Хотя определение европейской стандартизации все еще является лишь предложением, принято определять интеллектуальные СИЗ как "сочетание традиционных СИЗ с интеллектуальными элементами". Как показано на рисунке 1, большинство интеллектуальных элементов являются электронными.
Большинство из них собирают данные и должны передавать их практически в режиме реального времени, если требуется непрерывный удаленный мониторинг состояния безопасности работников. Если для установки этих решений на рабочих местах требуется дорогостоящая или сложная инфраструктура, они становятся менее привлекательными для работодателей и даже непригодными для некоторых рабочих мест на открытом воздухе.
Интеллектуальные СИЗ должны привлечь к себе внимание, и для этой цели в [4] четко подчеркивается, что предоставление явных преимуществ в области безопасности и сохранение низких затрат являются необходимыми предпосылками. Кроме того, поскольку хорошие СИЗ - это СИЗ, используемые постоянно, умные СИЗ должны быть приняты сотрудниками и беспрепятственно использоваться на рабочих местах.

Исходя из вышеизложенных соображений, исследовательским направлением Лаборатории географических информационных систем (LabGIS) факультета компьютерных наук (Университет Салерно) было определение решений, которые позволят специалистам по безопасности проверять непрерывное использование СИЗ и предлагать возможность оперативного спасения в случае аварии.
Для достижения этих целей было признано удовлетворенным несколько требований, затрагивающих различные этапы проектирования. В частности, помимо необходимости разработать решение, основанное на простой инфраструктуре, имеющей удобную стоимость на момент покупки, необходимо сделать решение привлекательным и выполнимым с точки зрения работодателей. Это означает, что электроника должна оказывать минимальное влияние на традиционные СИЗ при преобразовании их в интеллектуальные СИЗ, а способ сбора данных во время их использования не должен беспокоить сотрудников по поводу слежки в рабочее время. Наконец, чтобы стимулировать использование сотрудниками интеллектуальных СИЗ, необходимо контролировать непрерывное использование интеллектуальных СИЗ и знать местоположение работника, когда требуется спасение.

Незавершенное исследование, описанное в этой статье, представляет собой методологическое и технологическое решение этих требований. В частности, учитывая эффективность инфраструктуры облачных вычислений, в этом документе предлагается практичное и доступное решение, основанное на специальном оборудовании, для преобразования традиционных СИЗ в интеллектуальные СИЗ и реализации необходимых носимых датчиков. Более того, его можно развернуть даже на открытой и большой рабочей площадке, где требуется ограниченное использование облачных ресурсов, исключительно для второстепенных задач, что делает использование подключения к Интернету необязательным, а всю систему устойчивой к ненадежному подключению к Интернету.
Документ организован следующим образом, в разделе 2 приводятся ссылки на некоторые соответствующие работы. Обзор разработанной архитектуры и используемых технологий приведен в разделе 3. Предлагаемое решение затем описывается в разделе 4. В разделе 5 показан возможный сценарий, иллюстрирующий символическое развертывание. Далее следуют разделы обсуждения и заключения. Наконец, описание лабораторных тестов с их предварительными результатами приведено в приложении A.

Сопутствующая работа

В этом разделе собраны документы, в которых рекомендуются различные технические решения для повышения безопасности работников с помощью интеллектуальных средств индивидуальной защиты и беспроводных датчиков. В частности, они предлагают решения, предназначенные для предотвращения несчастных случаев или обеспечения быстрого спасения при возникновении аварии, и именно эти аспекты требует улучшить данная исследовательская работа.
В [5] Шабина предлагает умный шлем, оснащенный датчиками для мониторинга рабочей среды работников подземных шахт. В [6] авторы предлагают специальный беспроводной датчик для предотвращения несчастных случаев со смертельным исходом с транспортными средствами на строительных площадках. В [7] Хайбо Ли предлагает использовать RFID-метки и считыватели, чтобы работники порта знали, когда они находятся в опасной зоне, например, в рабочей зоне крана. В [8] авторы предлагают прототип носимой тактильной сенсорной системы для предупреждения строительных рабочих о потенциальных опасностях. Уведомления отправляются с помощью тактильной языковой системы. В [9], признавая растущее использование датчиков Интернета вещей для обеспечения безопасности работников, авторы предлагают структуру для сбора этих устройств и управления ими. Они также описывают интеллектуальный шлем, оснащенный сенсорами, разработанный для подтверждения их идеи.
Система, способная обнаруживать аномальные ситуации, предложена в [10], в которой используются установленные на поясе датчики и датчики окружающей среды. Он предупреждает работников в случае неопределенности и сообщает об их положении только в случае несчастного случая, тем самым сохраняя их конфиденциальность во время обычных рабочих ситуаций. В [11] авторы предлагают множество носимых датчиков для мониторинга окружающей среды и физиологических параметров работников. Носимые датчики могут взаимодействовать между собой и передавать данные на шлюз. Как только обнаруживаются опасные ситуации, сенсорный узел предоставляет пользователям и удаленному сайту уведомление и механизм предупреждения.
Использование нейросетевого решения для определения того, носят ли работники шлемы во время своей деятельности, предложено в [12,13]. В [14] Равикиран и Сен утверждают, что видеофиксация защитного снаряжения на рабочих могла бы быть адекватным решением в контексте промышленной безопасности путем введения набора данных для обнаружения защитного снаряжения, состоящего из 5 тыс. изображений с касками, жилетами, перчатками и защитными очками. В [15] авторы описывают интеллектуальное устройство интернета вещей, разработанное для обнаружения падений людей и мониторинга жизненно важных параметров работников путем отправки SMS-уведомления о немедленной помощи, когда такие сигналы указывают на несчастный случай. В [16] авторы предлагают носимые устройства и Edge-устройства для обучения модели нейронной сети обнаруживать падения работника с помощью видеокамер глубокого обучения. Они утверждают, что достигнутая эффективность обнаружения падений превышает 94%. В [17] Джаясри и Кумар предлагают шлем, встроенный в акселерометр и датчик гироскопа, для мониторинга физического состояния строительных рабочих и отправки уведомления подрядчику через мобильный телефон. В [18] авторы предлагают носимое устройство для повышения безопасности пожарных при лесных пожарах. Устройство оснащено датчиками для обнаружения вероятного несчастного случая и системой определения местоположения на основе GPS, позволяющей следить за одинокими работниками во время опасных работ и быстро связаться с ними в случае запроса о помощи.
В следующих подразделах вышеупомянутые документы и настоящее предложение сравниваются путем классификации их с точки зрения используемых в них технологий и целей, которые, по их утверждению, достигаются.
2.1. Технологии интернета вещей
Эта первая группа относится к решениям интернета вещей, которые используют беспроводные датчики и передают данные на удаленный сервер. Статьи [5,6,7,8,9,10,11] включены в эту категорию. В основном они утверждают, что решают проблему предупреждения работников, когда некоторые параметры окружающей среды или их положение указывают на потенциальный неминуемый риск.
Примечания: Хотя они используют технологии, аналогичные предлагаемому решению, их цели различны. Действительно, только документы [10,11] могли бы подойти для одиноких работников, в то время как другие в наибольшей степени ориентированы на предупреждение работников о неизбежном риске и не поддерживают их связь с коллегами. Во всяком случае, ни один из них не рассматривает возможность подтверждения того, что работники действительно носят СИЗ в течение рабочего времени, что является существенным улучшением решения, предложенного в этой статье.
2.2. Решения для машинного обучения
Эта группировка включает решения, использующие передовые технологии машинного обучения (ML) для достижения своих целей [12,13,14].
Примечания: Хотя в их решениях используется методология, сильно отличающаяся от предложенной в этой статье, они утверждают, что предотвращают несчастные случаи путем контроля за использованием СИЗ, что является общей целью. С другой стороны, они не предлагают никакого решения, учитывающего положение работников и позволяющего обеспечить более быстрое спасение в случае несчастного случая, что является значительным преимуществом, заявленным в настоящем предложении.
Более того, стоит отметить, что использование и установка интеллектуальных камер контрастируют с ожиданиями простой и недорогой установки, если учитывать условия одиноких работников, поскольку в этом случае необходимо установить камеру для каждого из них.
2.3. Носимые датчики
В статьях [15,16,17,18] предлагаются решения для автономного оповещения спасателей, когда носимые датчики фиксируют обнаружение падения или другие предсказуемые несчастные случаи.
Примечания: Хотя использование носимых датчиков и обнаружение падений людей являются методами и целями, общими с предлагаемым решением, цитируемые статьи не объединяют их решение с решением, разработанным для проверки правильности ношения работниками средств индивидуальной защиты, что является основной целью настоящей статьи.
2.4. Краткое изложение
Исследовательская работа, описанная в следующих разделах, предлагает комплексное решение, которое с помощью недорогих устройств, встроенных в архитектуру “туманных вычислений”, обеспечивает как непрерывный мониторинг использования СИЗ, так и подход к быстрому спасению при возникновении инцидента, который представляет отличительные особенности по сравнению с существующей литературой.
Кроме того, предлагаемое решение решает проблемы, связанные с развертыванием на крупных и временных рабочих площадках, сокращает затраты на периодическое обслуживание и подключение и гарантирует конфиденциальность работников, оказывая при этом незначительное влияние на их обычную деятельность, таким образом, удовлетворяя основные требования к функциональному решению с интеллектуальными средствами индивидуальной защиты, как утверждалось в предыдущем разделе..

Предварительные мероприятия

Этот раздел содержит обзор архитектур и технологий, принятых в предлагаемом решении.
Парадигма пограничных вычислений [19] распространилась по мере того, как число устройств, подключенных по Интернет-протоколу (IP), резко возросло. Цель этой парадигмы - перенести часть вычислений с облачных ресурсов на границу сети, ближе к источникам данных, поскольку сокращение сетевого пути уменьшает задержку, обычно возникающую при подключении к Интернету в Облаке, и в то же время уменьшает заполняемость полосы пропускания Интернета. Необходимость этого недавнего подхода дополнительно мотивирована ежегодным отчетом Cisco об Интернете (2018-2023) [20], в котором говорится, что к 2023 году количество устройств, подключенных по IP, будет более чем в три раза превышать население мира, что приведет к увеличению проблем с подключением к Интернету. Более того, когда устройства, подключенные по IP, используются для действий в режиме реального времени, ненадежные или медленные сетевые подключения потенциально могут создать опасную ситуацию.
На рисунке 2 изображена типичная архитектура пограничных вычислений, имеющая зону Wi-Fi в качестве границы сети для всех устройств, подключенных по беспроводной сети, и некоторые пограничные устройства между устройствами конечного пользователя и глобальной сетью (WAN).
3.1. Туманные вычисления
Решение для туманных вычислений - это архитектура пограничных вычислений, состоящая из многоуровневой сети [21,22], узлы которой, туманные узлы, должны предоставлять услуги подключения, а также вычислительные ресурсы и ресурсы хранения, если требуется.
В 2010 году на встрече CISCO /MBARI Флавио Бономи представил свое иное видение пограничных вычислений, а Джинни Николс, присутствовавшая на встрече, предложила термин “Туманные вычисления”, чтобы подчеркнуть, что “в то время как облака высоко в небе, туман ощущается близко к на земле, то есть близко к пользователям”, - пояснила она. Фактически, основной целью облачных вычислений является распределение вычислений ближе к источникам данных и пользователям, таким образом избегая или уменьшая использование облачных ресурсов, когда они не являются необходимыми. Более того, растущая доступность одноплатных компьютеров с низким энергопотреблением, низкой стоимостью и высокой вычислительной мощностью способствовала появлению такого решения для облачных вычислений [23,24], обещающего распределенные решения с низкой задержкой, не полагающиеся на непредсказуемое и дорогостоящее подключение к Интернету.
В этой статье принята архитектура туманных вычислений, поскольку размещение туманных узлов в локальной вычислительной сети (LAN) дает возможность избежать подключения к Интернету для всех функций, которые не нуждаются в широком географическом распределении.
3.2. Протоколы интернета вещей
Надежный и эффективный протокол связи имеет первостепенное значение для любой распределенной системы, а также для архитектуры облачных вычислений. Таким образом, в решении, описанном в этой статье, был принят телеметрический транспорт с очередью сообщений (MQTT) [25], один из наиболее часто используемых протоколов связи IoT. Это стандартный облегченный протокол обмена сообщениями OASIS, основанный на шаблоне публикации/подписки. Шаблон публикации/подписки [26] обеспечивает асинхронную связь между узлами сети практически в режиме реального времени. Основываясь на шаблоне клиент/сервер, издатели (клиенты) публикуют сообщения в определенной теме, подключаясь к известному брокеру (серверу), который пересылает их любым подписчикам (другим клиентам) такой темы [27].
Тема MQTT - это то, что она точно означает, то есть тема содержания сообщений. Он выражается в виде строки, которая имеет иерархическую структуру, аналогичную пути к файлу. Например, предлагаемое решение предполагает, что тема идентифицирует рабочий сайт, в то время как подтемы идентифицируют его работников, так что, если “Сайт"
является темой сайта, “Site/Useri" относится к теме i-го работника. Кроме того, для каждого работника можно определить подтему “статус”, так что “Сайт/Пользователь/статус" - это тема, в которой будет опубликован статус i-го работника, где i∈N
.
Протокол MQTT допускает использование подстановочных знаков в качестве возможности фильтрации. Таким образом, клиенты, заинтересованные в статусе всех пользователей, работающих на Сайте
, могут подписаться на тему “Сайт /#", где подстановочный знак # в конце строки дает возможность получать уведомления обо всех сообщениях, опубликованных в каждой теме ниже “Сайт
”, т.е. все сообщения о статусе всех пользователей на этом сайте (рис. 3).
В качестве альтернативы, клиенты, заинтересованные в статусе данного пользователя
, работающего на Сайте, могут подписаться на конкретную тему “Сайт/ Пользователь / статус
” и получать все сообщения, строго относящиеся к этому работнику.
В таком случае соединением между издателями и подписчиками управляет брокер. Больше, чем один издатель может опубликовать в одной и той же теме, и больше, чем один подписчик может подписаться на одну и ту же тему. Издателям и подписчикам не обязательно знать друг друга, им нужно только знать адрес брокера для подключения.
Брокер может работать автономно или в соединении с другим брокером, чтобы иметь сбалансированный по нагрузке зеркальный сервер или разрешать доступ к одним и тем же темам по двум разным адресам

Система мониторинга для одиноких работников

Целью этого раздела является описание архитектуры, аппаратного и программного обеспечения предлагаемого решения, разработанного для достижения функций, изложенных в предыдущих разделах и обобщенных следующим образом:

Проверка того, что работники эффективно носят шлем, перчатки и защитную обувь для предотвращения несчастных случаев, и оповещение специалистов по технике безопасности, если эти условия не соблюдаются;
Оповещение спасателей, как только датчик обнаруживает падение человека или работник намеренно зовет на помощь, информирование спасателей о положении жертвы для быстрого реагирования.

4.1. Базовая архитектура
Базовая архитектура предлагаемого решения основана на общей парадигме пограничных вычислений, представленной в предыдущих разделах и изображенной на рисунке 2. В то время как происхождение и наиболее важные функции, которые отличают архитектуру пограничных вычислений от архитектуры туманных вычислений [22], приведены в разделе 3.1, на рисунке 5 схематизированы уровни последней применительно к предлагаемому решению.
Небольшие устройства, которые делают СИЗ "умными", представляют собой нижний уровень. В архитектуре туманных вычислений нижний уровень состоит из узлов, которые не обеспечивают подключение к другим узлам, следовательно, в настоящем предложении небольшие устройства являются конечными узлами архитектуры.
Поясные устройства, которые носит каждый работник, представляют собой первый слой туманных узлов, обеспечивая связь и ресурсы разработки для нижних узлов. Наконец, одно пограничное устройство, подключенное к облачным ресурсам через Интернет-соединение, является верхним слоем облачных узлов.
4.2. Аппаратные компоненты
4.2.1. Небольшие встроенные устройства
Подключенные к каждому СИЗ небольшие устройства, состоящие из модуля nRF52832 [28] Bluetooth 5.0 с низким энергопотреблением, образуют персональную локальную сеть (PAN) с соответствующим поясным устройством, как показано на рисунке 6.
Они не являются инвазивными по конструкции, а их корпуса полностью изготовлены из мягкой силиконовой резины, чтобы их было удобно носить, их можно встраивать в волокна перчаток или обуви и внутрь шлема (рис. 7).
Эти устройства, питаемые от основной (неперезаряжаемой) литиевой батареи, могут прослужить долгие годы благодаря своей низкой мощности. Долговечный аккумулятор для этих устройств имеет решающее значение для значительного снижения затрат на техническое обслуживание и владение предлагаемым решением.
4.2.2. Ленточные устройства
Поясные устройства оснащены акселерометром, модулем GPS, подключением Wi-Fi и Bluetooth Low Energy (BLE). Их пользовательский интерфейс имеет одну кнопку для получения входных данных от пользователя, а также трехцветный светодиод и вибрирующее устройство для выдачи выходных данных пользователю (рис. 8).
Прототип экспериментальной системы состоял из модуля ESP32 [29], оснащенного многофункциональным блоком микроконтроллера (MCU) со встроенным подключением Wi-Fi и Bluetooth, схемой акселерометра ADXL345 [30] и дополнительным модулем GPS [31].
Размер ремней-приспособлений (рис. 9) достаточен для использования с защитными перчатками. Они прочные и покрыты силиконом, чтобы быть устойчивыми к падению и воде. Питаемые от литий-ионной аккумуляторной батареи, они могут работать более одной рабочей смены.
4.2.3. Пограничное устройство
Пограничное устройство обеспечивает подключение по Wi-Fi и выполняет функции локального сервера для веб-приложений и микросервисов. Кроме того, он действует как локальный брокер MQTT, где все локально подключенные устройства публикуют сообщения exchange и подписываются на них. Всякий раз, когда пограничное устройство не может гарантировать полное покрытие Wi-Fi на крупных объектах, дополнительные удлинители Wi-Fi могут расширить зону покрытия.
Raspberry Pi с его операционной системой Raspberry Pi - это простое и дешевое решение для работы в качестве периферийного устройства. Операционная система Raspberry - это дистрибутив Debian Linux, совместимый с брокером Mosquitto MQTT и всеми необходимыми пакетами для получения сервера LAMP, а именно ОС Linux с Apache, MySQL и PHP.
LAMP - это проверенный набор программного обеспечения для создания высокопроизводительных веб-приложений. Mosquitto - это MQTT-брокер Eclipse foundation с открытым исходным кодом [27,32], который также позволяет использовать WebSockets [33]. WebSockets - это модель двусторонней связи между браузером и сервером по протоколу TCP без открытия нескольких HTTP-соединений. Кроме того, Mosquitto соответствует стандарту качества обслуживания MQTT (QoS), предлагая три уровня QoS, а именно уровень QoS 0, который отправляет сообщение только один раз и не проверяет, прибыло ли сообщение в пункт назначения; Уровень QoS 1, который отправляет сообщение по крайней мере один раз и проверяет статус доставки; Уровень QoS 2, который отправляет сообщение ровно один раз, используя 4-стороннее рукопожатие. Хотя потеря сообщений на этом уровне невозможна, это влечет за собой более длительные сквозные задержки.
В [34] авторы предлагают корреляционный анализ сквозной задержки и потери сообщений при различных уровнях QoS и полезных нагрузках, позволяющий выбрать соответствующий QoS для предлагаемого решения. Поскольку повторяющиеся сообщения не влияют на результаты, а также небольшая задержка в приеме сообщения, для предлагаемого случая был выбран QoS 1.
Кроме того, платы Raspberry имеют программируемые порты ввода-вывода общего назначения (GPIO), которые можно использовать для активации звуковых сигналов тревоги, вызванных аварийными событиями. Наконец, точка доступа, подключенная к порту Ethernet Raspberry, создает зону локальной сети Wi-Fi с радиусом действия от 75 до 100 м на открытой местности.

4.3. Создание сетей
Сеть играет важную роль для предлагаемого решения, поскольку узлы системы нуждаются в надежной связи, чтобы предлагать свои услуги.
Небольшие устройства взаимодействуют с соответствующим ленточным устройством с помощью технологий BLE, создавая PAN для каждого задействованного работника. Поясное устройство взаимодействует с пограничным устройством по Wi-Fi-соединению и протоколу MQTT. Пограничное устройство взаимодействует с удаленными и облачными ресурсами через подключение к Интернету (рис. 10).
4.4. Программное обеспечение
Связь между компонентами системы является наиболее важной частью решения. Устройства рассматриваются как автономные туманные узлы, которые взаимодействуют между собой, предоставляя свои услуги.
4.4.1. Связь между малогабаритными устройствами и ленточным устройством
BLE обеспечивает недорогое и совместимое беспроводное подключение для компактных приложений, работающих от батарей. Технология отличается высокой эффективностью, сводя к минимуму потребление энергии, необходимой для передачи данных. Он безопасен и содержит функции, обеспечивающие конфиденциальность, целостность и неприкосновенность частной жизни.
Технология Bluetooth использует принципы устройств “запрос” и “сканирование запроса”. Согласно спецификации ядра Bluetooth [35], клиентское приложение BLE может обнаруживать услуги, предлагаемые другими устройствами сервера BLE в непосредственной близости от него. Небольшие устройства, встроенные в PPE, ведут себя как серверы BLE, предлагая службы оповещения (ANS) [36] устройствам, находящимся поблизости от них. Вместо этого устройства Belt ведут себя как клиент BLE, который будет использовать эти службы. Как только устройство Belt обнаруживает серверы BLE в непосредственной близости от себя, оно запоминает такое соединение, предупреждая приложение, когда одно из этих соединений слабое или потеряно. Поскольку малогабаритные устройства оснащены переключателем, который включает цепи при надевании встроенных СИЗ, потеря соединения указывает на то, что защитное снаряжение отключено.
4.4.2. Связь между ленточными устройствами и пограничным устройством
Устройства Belt взаимодействуют с пограничным устройством с помощью подключения Wi-Fi и протокола MQTT. Поскольку связь MQTT является двунаправленной, устройства Belt могут быть как издателем, так и подписчиком одновременно. Таким образом, одно и то же ленточное устройство может публиковать сообщения на пограничное устройство, но оно также может получать сообщения от других сетевых служб.
4.4.3. Прошивка
Прошивка делает устройства малого размера и устройства с поясом интеллектуальными устройствами. Небольшие устройства имеют встроенное ПО, которое позволяет использовать сервер BLE [36]. Вместо этого микропрограммное обеспечение поясного устройства имеет множество функций, как описано ниже. На рисунке 11 показана технологическая схема встроенного программного обеспечения ленточного устройства.
Вначале, поскольку необходимо обмениваться сообщениями о событиях, клиент MQTT, развернутый на ленточном устройстве, начинает с подключения к брокеру MQTT, т.е. пограничному устройству сайта, и подписывается на интересующие темы для получения сообщений от системы.
После этого поток продолжается по двум параллельным путям. Первый приводит в действие выходы устройства, светодиод и вибратор, чтобы обеспечить визуальную и тактильную обратную связь при получении нового сообщения от системы. Последний оценивает необходимость публикации предупреждения всякий раз, когда происходит случайное падение человека, распознается событие нажатия кнопки или теряется соединение BLE.
Чтобы убедиться в том, что СИЗ надеваются постоянно, клиент BLE, развернутый на устройстве Belt, связывает первоначально надетые СИЗ с самим собой, запоминая список серверов BLE, предлагающих ANS поблизости.
Поскольку маленькое устройство, встроенное в СИЗ, обеспечивает оповещение только в том случае, если СИЗ изношены, когда теряется какой-либо из сигналов сервера BLE, поясное устройство предполагает, что соответствующие СИЗ не изношены, не оставлены далеко от работника или повреждены. В этих случаях на пограничное устройство должно быть отправлено предупреждающее сообщение, но не немедленно. Действительно, сначала генерируется вибрирующий сигнал, информирующий работника о том, что некоторые СИЗ не обнаружены. Если работник нажмет кнопку ленточного устройства один раз, в течение трех секунд, до истечения десяти секунд, сообщение будет отложено на пятнадцать минут или отменено, если сигнал BLE будет восстановлен по истечении этого периода. Эта стратегия позволяет работнику снимать любые СИЗ на ограниченное время без предупреждения руководителя. Если после вибрации работник нажмет кнопку три раза, предупреждающее сообщение будет заменено информационным сообщением, и процедура восстановится после повторного обнаружения сигнала BLE. Эта стратегия позволяет работнику добровольно отказаться от СИЗ, например, во время обеда или в конце смены, и в то же время принимать к сведению такого рода события для дальнейшего анализа (рисунок 12).
Чтобы обнаружить свободное падение, чип акселерометра использует встроенный алгоритм. Это вызывает прерывание, когда ускорение по трем осям имеет шаблон, совместимый со свободным падением [37]. Всякий раз, когда микроконтроллер обнаруживает прерывание свободного падения, он информирует работника, генерируя длительную вибрацию. Если работник не отменяет событие, удерживая пользовательскую кнопку нажатой в течение трех секунд в течение 10 секунд после тактильной обратной связи, поясное устройство публикует тревожное сообщение, содержащее координаты GPS, чтобы спасатели могли быть уведомлены о событии и месте (рисунок 13).
У работника всегда есть возможность отменить сигнал тревоги до его отправки или вскоре после этого.
Для взаимодействия с работником микропрограммное обеспечение ленточного устройства управляет кнопкой, вибрирующим устройством и трехцветным светодиодом.
В частности:

Для вызова помощи и спасения работник может нажать кнопку ремня-устройства. При обнаружении события нажатия кнопки встроенное ПО проверяет, что кнопка удерживается нажатой не менее трех секунд, прежде чем отправлять экстренное сообщение на пограничное устройство. Эта мера предосторожности предотвращает срабатывание сигнализации из-за непроизвольного временного нажатия кнопки.

Чтобы отменить ложную тревогу, работник может нажать кнопку ленточного устройства после получения от пограничного устройства подтверждения о том, что ранее опубликованное тревожное сообщение было получено. Подтверждение передается работнику путем приведения в действие вибрирующего устройства ленточного устройства в течение трех секунд. Если работник нажмет кнопку устройства для крепления ремня в течение десяти секунд, новое сообщение от устройства для крепления ремня на периферийное устройство прервет аварийное состояние (рис. 14).

Чтобы определить местонахождение работника для быстрого спасения с помощью GPS, устройство, прикрепленное к поясу, сообщает о его местоположении после подтверждения события свободного падения или запроса о помощи. Модуль GPS выводит местоположение работника с помощью стандартной строки NMEA [38]. Стандарт NMEA представляет собой набор отформатированных строк, именованных предложений, легко читаемых последовательным портом MCU. В качестве примера, предложение может содержать следующую информацию:

Время: 235317.000 - это 23:53 и 17.000 секунд по Гринвичу.
Долгота: 4003.9040 N - широта в градусах.десятичные минуты, Северная.
Широта: 10512.5792 W - долгота в градусах.десятичных минутах, западная.
Количество замеченных спутников: 08.
Высота над уровнем моря: 1577 м.

Обрабатывая его, микроконтроллер может извлекать время, долготу, широту и высоту и добавляет их к экстренному сообщению. Стоит отметить, что положение работников сообщается на пограничное устройство только в этих случаях, в противном случае сохраняется их конфиденциальность.
Хотя время спасения зависит от многих внешних факторов, таких как расстояние спасателей от места аварии или трудности в достижении места аварии из-за таких факторов, как погода или условия местности, быстрое оповещение о возникновении аварии и точное знание места, до которого нужно добраться, несомненно, ускоряют спасение. Эта более быстрая реакция может привести к спасению жизни. Например, травма при подвешивании в результате свободного падения может произойти всего за 20-30 минут, а иногда и меньше, в зависимости от состояния здоровья человека и характера травм, полученных при падении. Спасение должно начаться немедленно, как также указано в [39].

4.4.4. Веб-приложение
Веб-приложение может визуализировать статус работников и возможные сигналы тревоги в режиме реального времени. Любое мобильное или стационарное устройство с современным браузером может получить доступ к веб-панели мониторинга и получать статус работников в режиме реального времени. На рисунке 15 показано схематическое представление всей системы и того, как взаимодействуют ее программные приложения.
Веб-интерфейс использует парадигму мультикоординатного представления, где состояние каждого работника суммируется в виде простого списка. В случае, если это становится критичным, оно геолокализуется и синхронизируется на карте, как показано на рисунке 16.
Соединение между мобильными устройствами и веб-сервером Apache2 использует протокол SSL, чтобы гарантировать безопасность и конфиденциальность обмениваемой информации, даже если она находится в локальной сети.
4.4.5. Микросервисы
Микросервисы реализуют бизнес-логику и внутренние операции. В предлагаемом решении каждое опубликованное сообщение MQTT является событием. Таким образом, некоторые события активируют некоторые действия, в то время как некоторые другие события нужно только отображать или уведомлять.
Поскольку микросервисы могут публиковать темы и подписываться на них в том же брокере MQTT, который используется веб-приложением и устройствами Belt, они могут анализировать все опубликованные сообщения и реагировать соответствующим образом. Таким образом, события, которые необходимо визуализировать или уведомить супервизоров, напрямую управляются брокером MQTT, который отправляет их непосредственно на веб-страницу в подключенных браузерах через websockets. Вместо этого микросервисы управляют событиями, требующими действий. Они публикуют подтверждение для каждого полученного события как запрос на спасение, Обнаружено свободное падение (тип экстренных сообщений), СИЗ отклонены (тип предупреждающих сообщений), тревога отменена. Кроме того, микросервисы могут активировать выходной сигнал на GPIO пограничного устройства для приведения в действие звукового сигнала тревоги, если публикуется один из типов экстренных сообщений. При желании микросервисы могут постоянно записывать все события в облачное хранилище для дальнейшего анализа.
4.4.6. Основы безопасности
Веб-приложение, использующее протокол HTTPS, обеспечивает встроенную защиту конфиденциальности для всех коммуникаций между мобильными устройствами и пограничным устройством.
Для связи между носимыми поясными устройствами и периферийными устройствами предлагаемое решение использует функции безопасности протокола MQTT, предлагая решения на трех уровнях:

На сетевом уровне обмен данными между устройствами Belt и Edge осуществляется по локальной сети Wi-Fi. Таким образом, все протоколы безопасности Wi-Fi используются для предотвращения атаки "человек посередине". Соединение с облачным ресурсом, если оно применимо, может осуществляться через VPN-соединение для дополнительной безопасности, когда это необходимо.
На транспортном уровне для шифрования используется TLS/SSL. Этот метод гарантирует, что данные не могут быть прочитаны во время передачи, и обеспечивает аутентификацию по сертификату клиента для проверки личности обеих сторон.
На прикладном уровне протокол MQTT обеспечивает идентификацию клиента и учетные данные имени пользователя/ пароля для аутентификации устройств.

5. Запуск системы мониторинга
В этом разделе кратко иллюстрируется предлагаемое решение, развернутое на открытой строительной площадке.
На любом рабочем сайте есть офис сайта, где доступно питание и может быть развернуто пограничное устройство. Затем одна (или несколько) точек доступа создают беспроводную локальную сеть (WLAN), охватывающую всю территорию сайта. Если достаточно только одной точки доступа, она может находиться в офисе и питаться от источника питания сайта. Если расширение Wi-Fi должно охватывать большую площадь, удлинители могут питаться от аккумулятора и солнечной панели и размещаться на подвижных опорах. Однако питание обычно распределяется по всему участку в соответствии с требованиями к освещению или для использования инструментов с электрическим приводом, поэтому удлинители Wi-Fi также могут питаться от этих источников.
Когда бригада рабочих прибудет на строительную площадку, они должны надеть свои интеллектуальные СИЗ и надеть любое из заряженных поясных устройств, взятых с зарядных док-станций.
Перед началом работы рабочий инициализирует ленточное устройство нажатием его кнопки. Инициализация состоит из фазы обнаружения, выполняемой ленточным устройством. На этом этапе устройство Belt-Device ищет ближайшие серверы BLE, предлагающие ANS, и регистрирует эти серверы в качестве СИЗ для мониторинга. На этом этапе следует соблюдать определенную дистанцию между работниками, чтобы избежать того, чтобы поясное устройство одного работника могло выявить СИЗ другого работника и ошибочно идентифицировать его как свой. Эту проблему можно было бы смягчить, позволив фазе инициализации начинаться в то время, когда работники один за другим проходят через турникет или ворота.
С этого момента Поясное устройство может отправлять сообщение пограничному устройству в случае потери СИЗ. Вместо этого, если работникам требуется спасение или обнаружено автоматическое падение человека, и только в этих случаях, сообщение также будет содержать GPS-координаты местоположения работника.
Как описано ранее, когда сообщения достигают пограничного устройства, они могут быть прочитаны любым клиентом, подключенным к веб-серверу, и браузер может легко отслеживать состояние рабочего. Всякий раз, когда генерируется сообщение аварийного типа, микросервисы на пограничном устройстве отправляют уведомление в подключенные браузеры и активируют громкий звуковой сигнал для оповещения персонала.
Соединение локального MQTT-брокера с другим удаленным MQTT-брокером в облаке позволяет использовать все те же функции удаленно.

Обсуждение и выводы

Современная литература по безопасности работников предполагает, что эволюция СИЗ в интеллектуальные СИЗ - это интеллектуальная защита будущего. Хотя в различных исследовательских работах рекомендуются решения для повышения безопасности с помощью электроники и беспроводных датчиков, как указано в разделе 2, было отмечено отсутствие предложений, специально предназначенных для одиноких работников. Сотрудники, работающие изолированно, нуждаются в дополнительных функциях, поскольку поблизости им некого позвать на помощь в случае несчастного случая. В этой статье незавершенное исследование описано в терминах архитектурного проекта, предлагающего следующие преимущества, действительные для любого работника, но полезные для одиноких работников:

он проверяет непрерывное использование интеллектуальных СИЗ в течение рабочей смены;
он автоматически обнаруживает случайное падение человека и вызывает службу спасения без вмешательства пострадавшего;
это ускоряет спасение при возникновении несчастного случая или выполнении запроса о помощи.

Хотя можно найти другие исследовательские работы, которые отдельно предлагают решения с такой возможностью, в настоящей работе излагаются следующие основные преимущества, в настоящее время недоступные в литературе.

Решение является комплексным и удовлетворяет всем основным требованиям, особенно важным для одиноких работников, таким как локализация, проверка непрерывного использования СИЗ и возможность поддерживать контакт с удаленными работниками для обращения за помощью.
Решение основано на архитектуре Fog-Computing, обеспечивая автономность от ненадежного и дорогостоящего подключения к Интернету для всех основных функций.
Решение просто в развертывании даже на больших и временных рабочих площадках. Это позволило снизить текущие расходы на техническое обслуживание и гарантирует конфиденциальность работников, практически не влияя на обычную деятельность.

6.1. Выводы по результатам лабораторных испытаний
Поскольку сетевое подключение, по-видимому, является критическим компонентом всего предлагаемого решения, его архитектура была оценена в лаборатории LabGis Университета Салерно. Подробная информация об испытаниях приведена в приложении A.
Результаты тестов показывают, что предлагаемая архитектура туманных вычислений обеспечивает широкий диапазон допусков к пропускной способности сети. Следовательно, даже если использование WLAN в предлагаемом решении не является интенсивным, поскольку обмен данными происходит только во время исключительных, надеюсь, редких событий, во время самого напряженного теста система смогла обрабатывать до ≈9 предупреждающих сообщений в секунду, что намного превышает необходимую ожидаемую пропускную способность в реальном развертывание.
Хотя подключение к Интернету необязательно используется в решении, это не является существенным из-за предлагаемой архитектуры туманных вычислений, и все решение по своей конструкции устойчиво к ненадежному подключению к Интернету, как подробно описано в документе. По этим причинам он не был протестирован.
6.2. Отличительные технические характеристики
Предлагаемое оборудование было разработано для легкого преобразования классических СИЗ, таких как шлемы, защитные перчатки и обувь, в интеллектуальные СИЗ.
Решение не требует какой-либо конкретной инфраструктуры, покрытия Wi-Fi рабочей площадки достаточно. Также возможно добавить недорогие расширители Wi-Fi для больших рабочих площадок, когда одной точки доступа Wi-Fi недостаточно.
Выбор протокола MQTT для обмена сообщениями оказался идеальным для подключения недорогих беспроводных устройств с небольшим объемом кода и минимальной пропускной способностью сети.
Для мониторинга статуса работников и управления системой адаптивное веб-приложение на интерфейсе позволяет использовать смартфоны, планшеты и ноутбуки в полевых условиях без установки дополнительного программного обеспечения.
6.2.1. Масштабируемость датчиков
Хотя в этом предложении на поясном устройстве был установлен только детектор свободного падения, модуль ESP32, используемый в аппаратной схеме, имеет множество интерфейсов для подключения большего количества датчиков. Например, в [18] был проведен эксперимент с дополнительным датчиком температуры и влажности с тем же электронным модулем ESP32 для определения воздействия тепла на пожарного. Дополнительные датчики с I2C, однопроводной или просто TTL последовательной связью могут быть добавлены с очень небольшими изменениями в микропрограммном обеспечении и аппаратном обеспечении ленточного устройства. Применение датчиков опасных газов и детекторов гамма-излучения будет оценено для других конкретных работников.
6.2.2. Недорогое решение
Разработка недорогого решения была одним из наиболее важных факторов для того, чтобы сделать его приемлемым для работодателей. В этой статье улучшение соотношения затрат и выгод основано на следующих особенностях:

электронные компоненты, которые легко доступны на полке, что делает стоимость электронной части smart PPE доступной, а стоимость периферийного устройства незначительной.;
затраты на установку, которые могут быть ограничены установкой дополнительного расширителя Wi-Fi для больших рабочих площадок;
низкие текущие затраты на техническое обслуживание и владение, которые заключаются в замене батарей небольших устройств, ограничиваются раз в несколько лет, благодаря технологии BLE.

Источник: www.mdpi.com

Комментарии: