基于有限空间气体安全检测仪的生命特征采集系统及方法与流程

本发明涉及施工安全，尤其涉及基于有限空间气体安全检测仪的生命特征采集系统及方法。

背景技术：

1、基坑施工中的气体安全检测对于保障人员人身安全和健康至关重要。基坑施工环境复杂，存在多种潜在的危险因素，包括有害气体的积聚、土质不稳定、水文地质条件变化等，这些因素都可能对施工人员的健康和安全构成威胁。

2、基坑属于有限空间，由于其处于地下环境，地面的风流需要引导才能对其内气体完成置换，并且由于多数有害气体的分子质量大于空气，非常容易沉降在基坑底部，目前需要使用通风与排气系统来保证基坑内气体的安全性，保证基坑内人员的人身安全。

3、现有的基坑内人员生命特征采集一般是依靠人员佩戴的身体健康监测设备完成的，对于基坑内环境以及人员的肢体动作和呼吸没有较好的监测手段，而当人的身体出现异常时，往往会进行下意识的保护性动作，并且受到有害气体影响，其呼吸状况也会出现异常，该种情况下对于人员的血氧监测、脉搏监测等手段不能及时且明确地反映人员的生命特征，存在缺陷。

技术实现思路

1、本发明的目的是为了解决现有技术中存在的缺点，优化因目前基坑内施工人员佩戴的身体监测设备不能及时反应动作和呼吸的问题。

2、为了实现上述目的，本发明采用了如下技术方案：基于有限空间气体安全检测仪的生命特征采集系统，包括主机，所述主机连接有人工操作模块、数据存储模块、警报模块、数据处理模块和分机；

3、所述警报模块用以对地面人员发出警报提醒，所述警报模块包括声光报警模块和显示模块；

4、所述数据处理模块用以对分机所检测到的数据进行处理分析，并结合分析结果对人员的生命特征进行判断，所述数据处理模块包括用以对声呐反射波处理分析的声呐识别模块、用以对图像中的人物进行动作识别的动作识别模块、用以对图像中的人物进行动作分析的动作分析模块、用以将气体数据结合声呐数据和图像数据进行综合分析的综合分析模块和用以对人员的生命特征进行判断的生命特征判断模块；

5、所述分机设置有多个，每个所述分机均包括图像模块、声呐模块、提示模块和气体安全检测仪；

6、所述图像模块用以获取基坑内图像数据并进行识别和捕捉，所述图像模块包括用以对基坑内画面进行拍摄的摄像模块、用以对基坑内画面进行红外图像拍摄的红外摄像模块、用以对画面内容进行识别的图形识别模块、用以对画面内人员进行捕捉的图形捕捉模块；

7、所述声呐模块以主动声呐的方式检测基坑内人员的呼吸声，所述声呐模块包括用以接收声呐反射波的声呐接收器模块、用以主动发射声呐信号的声呐发射器模块和用以对声呐反射波进行处理的信号处理模块；

8、所述提示模块用以在基坑内对人员进行提醒，所述提示模块包括声音提示模块和振动提示模块。

9、作为一种优选的实施方式，所述声呐识别模块包括以傅里叶变换算法构建的频率成分分析模块、以短时傅里叶变换算法构建的非平稳信号分析模块、以传统波束形成方法构建的阵列信号处理模块、以自适应波束形成方法构建的阵列信号处理优化模块、以卷积神经网络构建的声呐图像处理模块。

10、作为一种优选的实施方式，所述动作识别模块包括以光流法构建的人体动作捕捉模块、以神经网络框架构建的全身动作捕捉模块、以关键点检测方法构建的人体姿态检测模块和用以手动筛选正常动作图像的手动筛选动作特征模块。

11、作为一种优选的实施方式，所述动作分析模块包括用以将不同角度的二维图像合成到同一三维空间中的视角融合模块、用以对不同摄像机视图中的共同点进行匹配和三角测量而重建三维模型的三维重建模块、用以将实时动作与正常动作校对的动作校对模块和用以基于判断动作校对符合度进行行为判断的行为判断模块。

12、基于有限空间气体安全检测仪的生命特征采集方法，使用摄影图像和声呐对基坑内人员的动作和呼吸声进行监测，并通过动作特征和呼吸变化来判断基坑内人员的生命特征，具体包括以下步骤：

13、s1、采用动作捕捉的方式预先获取基坑内常规操作的动作数据，通过人工操作模块将动作数据进行特征提取后存储于数据存储模块中，作为数据处理模块的训练集和动作校对与行为判断的基准数据；

14、s2、由分机获取基坑内的摄像图像数据、红外图像数据、声呐数据和气体数据，并且通过数据处理模块对图像数据中的人物动作进行分析，结合声呐数据的分析结果和气体数据判断基坑内人员的生命体征情况。

15、作为一种优选的实施方式，所述步骤s1具体包括以下步骤：

16、s1.1、首先根据基坑下施工规范制定操作动作，并使用动作捕捉的方式获取规范操作动作的三维动作数据；

17、s1.2、使用人工操作模块将三维动作数据输入到数据存储模块中，并通过手动筛选动作特征模块将三维动作数据中的动作特征筛选出来；

18、s1.3、将三维动作数据关联到动作校对模块中，作为动作校对的基准数据；

19、s1.4、将三维动作数据关联到行为判断模块中，作为行为判断的基准数据。

20、作为一种优选的实施方式，所述s2具体包括以下步骤：

21、s2.1、首先根据摄像模块的摄像视角将分机安装在基坑内，并在主机中对分机进行编号；

22、s2.2、通过摄像模块和红外摄像模块获取基坑内的图像数据和红外图像数据；

23、s2.3、然后通过图像模块对基坑内的图像信息和红外图像信息进行采集，并通过动作识别模块和动作分析模块对图像中的人员行为动作信息进行处理、分析和判断；

24、s2.4、同时通过声呐接收器模块接收声呐发射模块发射的声呐反射波，使用信号处理模块对声呐反射波中的呼吸声进行分析；

25、s2.5、使用综合分析模块以声呐识别模块分析的呼吸声数据为基础，结合行为判断模块判断的人员行为和气体安全检测仪所检测的气体数据对基坑内人员的情况进行分析；

26、s2.6、再通过生命特征判断模块来判断基坑内人员的生命特征情况；

27、s2.7、当判断基坑内人员存在生命特征异常的情况时，首先由声音提示模块和震动提示模块进行声音提醒和震动提醒，同时主机通过警报模块将异常情况显示在显示模块上，同时通过声光报警模块进行警报，提醒地面人员施救。

28、作为一种优选的实施方式，所述s2.3中，

29、s2.3.1、通过人体动作捕捉模块对图像数据进行连续帧之间的像素运动来捕捉人体动作，同时通过全身动作捕捉模块根据图像中单一颜色图像估计身体和手的形状以及运动，再通过人体姿态检测模块检测人体关键点，以人体关键点数据为基础，将人体动作捕捉模块和全身动作捕捉模块计算的动作数据进行整合，获得单个图像内动作数据；

30、s2.3.2、通过视角融合模块将多个分机获得的单个图像内动作数据进行二维图像合成到统一的三维模型中，并通过三维重建模块对不同摄像图像中的共同点进行匹配和三角测量，重建动作的三维模型；

31、s2.3.3、通过动作校对模块分析三维模型中的动作的幅度、速度和轨迹，并将对应数据与训练数据进行校对，分析差异；

32、s2.3.4、根据动作校对模块校对的三维模型与训练集的差异，通过行为判断模块判断基坑内人员行为。

33、作为一种优选的实施方式，所述2.4中，声呐反射波的具体处理步骤包括：

34、2.4.1、首先使用频率成分分析模块将声呐反射波从时间域转换到频率域，然后识别不同深度和成分的反射波频率特征，将反射波中的呼吸声信息提出；

35、2.4.2、由于呼吸声随时间变化具有强度变化的特性，所以使用非平稳信号分析模块提供时间域和频率域的联合分布，提高多组声呐模块监测环境下的动态监测声呐反射波的频率变化的精度；

36、2.4.3、然后使用阵列信号处理模块对多组分机内的声呐反射波进行加权求和，增强基坑内人员方向上的信号，削弱其他方向的干扰；

37、2.4.4、再使用阵列信号处理优化模块对加权求和算法的权重进行自适应调整；

38、2.4.5、最后通过声呐图像处理模块对声呐生成的图像进行分析和特征提取，明确声呐反射波中人员的呼吸声信号。

39、与现有技术相比，本发明的优点和积极效果在于：

40、1、本发明中，所采集的图像信号结合声呐信号和基坑气体数据，以基坑内人员的人体动作为基础，结合其呼吸情况和基坑内气体环境情况对人员的身体状况进行监控，并且由于采用了声呐探测的方式，所以基坑内地形出现变化时也可以被检测到，额外的，可以再结合基坑内地形变化、人体动作、呼吸情况和气体分布情况对基坑内人员的健康状况进行综合性判断，实现了对人员的全方位保护效果。

41、2、本发明中，以多视觉角度、多数据处理层次、多数据分析方法的综合性处理方法在基坑内有限空间对于其内人员的生命特征采集，并且结合环境内气体数据对人员的状况实现进一步的精确检测。