徐濟(jì)松 高春雷 何國(guó)華 劉尚昆

中國(guó)鐵道科學(xué)研究院集團(tuán)有限公司鐵道建筑研究所，北京 100081

搗固車、配砟整形車等大型養(yǎng)路機(jī)械在線路上作業(yè)時(shí)，車輛周邊各工種施工人員多［1-2］，且人員作業(yè)地點(diǎn)分散，安全管理難度極大。特別是在鄰線未封鎖的施工條件下，作業(yè)時(shí)間受線路來車、天氣等因素的影響，作業(yè)范圍受鐵路限界、路肩寬度等因素的影響，現(xiàn)場(chǎng)形成了復(fù)雜的人、機(jī)、環(huán)境系統(tǒng)，極易發(fā)生人員安全事故。

目前國(guó)內(nèi)外大機(jī)作業(yè)安全主要是采用全面化、細(xì)致化、嚴(yán)格化的制度管理和安全監(jiān)測(cè)系統(tǒng)兩種方式。一方面，通過對(duì)大機(jī)施工安全的風(fēng)險(xiǎn)進(jìn)行辨識(shí)，制定出完善的風(fēng)險(xiǎn)控制措施；另一方面，通過在大機(jī)關(guān)鍵位置安裝攝像頭，將大機(jī)周邊作業(yè)環(huán)境提供給駕駛室操作員，由操作員對(duì)周邊風(fēng)險(xiǎn)進(jìn)行人工辨別并進(jìn)行相應(yīng)操作。但受現(xiàn)場(chǎng)環(huán)境干擾、司機(jī)主觀意識(shí)等因素影響，觀察力有限，存在較大的安全隱患。另外，在單線封鎖工況下，僅僅依賴現(xiàn)場(chǎng)人員盯控，時(shí)常發(fā)生人員或設(shè)備機(jī)具侵入鄰線的安全事故，造成巨大損失。

根據(jù)調(diào)研結(jié)果，國(guó)內(nèi)外現(xiàn)有上道作業(yè)安全防護(hù)系統(tǒng)及關(guān)于鐵路工務(wù)施工現(xiàn)場(chǎng)人員定位、安全預(yù)警的研究中，安全狀態(tài)的確認(rèn)仍需用戶在上道和下道時(shí)進(jìn)行人工操作，定位技術(shù)方案依賴衛(wèi)星定位模塊與公共網(wǎng)通訊［3］，在山區(qū)、隧道等特殊施工條件下系統(tǒng)因信號(hào)強(qiáng)度較弱，使用效果不理想。因此，有必要研究適用于惡劣工況的大機(jī)施工現(xiàn)場(chǎng)人員安全預(yù)警技術(shù)。

1 總體技術(shù)方案

1.1 方案內(nèi)容

針對(duì)大機(jī)作業(yè)時(shí)施工現(xiàn)場(chǎng)人員特點(diǎn)，綜合運(yùn)用激光雷達(dá)［4］、超寬帶（Ultra Wide Band，UWB）［5］等無線探測(cè)技術(shù)，提出多源數(shù)據(jù)融合的車輛周邊人員定位與電子圍欄技術(shù)方案，對(duì)車輛或工作裝置碰撞人員、人員侵入鄰線等安全隱患進(jìn)行及時(shí)預(yù)警［6-7］。

大機(jī)施工現(xiàn)場(chǎng)人員安全預(yù)警系統(tǒng)由多層激光雷達(dá)、位移檢測(cè)模塊、物聯(lián)感知單元、計(jì)算機(jī)處理單元、顯示終端、速度傳感器、安全預(yù)警模塊、聲光報(bào)警器等組成。其在典型大機(jī)車輛的安裝布局如圖1所示。

圖1 大機(jī)施工現(xiàn)場(chǎng)人員安全預(yù)警系統(tǒng)典型安裝布局

系統(tǒng)中，位移檢測(cè)模塊實(shí)時(shí)對(duì)大機(jī)工作裝置外伸端部進(jìn)行橫向和縱向位置的在線檢測(cè)，構(gòu)建大機(jī)施工作業(yè)安全電子圍欄；物聯(lián)感知單元的UWB信號(hào)發(fā)射器對(duì)所有進(jìn)場(chǎng)人員攜帶的安全預(yù)警模塊進(jìn)行實(shí)時(shí)探測(cè)；多層激光雷達(dá)對(duì)大機(jī)四周近端進(jìn)行實(shí)時(shí)掃描，實(shí)現(xiàn)大機(jī)周邊近端的人員識(shí)別與定位。最后，計(jì)算機(jī)處理單元進(jìn)行多源數(shù)據(jù)融合處理，結(jié)合大機(jī)走行速度，構(gòu)建大機(jī)施工配合人員防撞模型，并通過本車列控單元與本線及鄰線其他車輛進(jìn)行信息共享。當(dāng)發(fā)生安全風(fēng)險(xiǎn)時(shí)，通過安全預(yù)警模塊及時(shí)對(duì)周邊施工人員進(jìn)行安全預(yù)警，并通過聲光報(bào)警模塊對(duì)行車司機(jī)進(jìn)行提示。大機(jī)施工現(xiàn)場(chǎng)人員安全預(yù)警流程如圖2所示。

圖2 大機(jī)施工現(xiàn)場(chǎng)人員安全預(yù)警流程

1.2 技術(shù)參數(shù)

1）近端人員預(yù)警范圍0～5 m；

2）周邊人員預(yù)警范圍5～200 m；

3）人員定位誤差不大于0.2 m；

4）車輛運(yùn)行速度不大于10 km/h；

5）最大預(yù)警人數(shù)不小于200個(gè)；

6）工作裝置橫向定位誤差不大于100 mm。

1.3 創(chuàng)新性設(shè)計(jì)

1）不依賴衛(wèi)星與公共網(wǎng)絡(luò)，基于多源數(shù)據(jù)融合的大機(jī)周邊人員安全預(yù)警技術(shù)。基于UWB技術(shù)、激光雷達(dá)等無線探測(cè)技術(shù)相融合的定位方案，無需衛(wèi)星定位與公共網(wǎng)絡(luò)通信的支持，適用于山區(qū)、隧道等衛(wèi)星與公共網(wǎng)絡(luò)信號(hào)弱的工況。結(jié)合位移檢測(cè)模塊對(duì)工作裝置外端位置的檢測(cè)，構(gòu)建大機(jī)施工人員防撞模型，通過人工佩戴安全預(yù)警模塊的方式實(shí)現(xiàn)大機(jī)施工周邊人員安全預(yù)警。

2）隨車靈活組網(wǎng)，差異化人員定位技術(shù)?；谲囕d基站構(gòu)建隨車坐標(biāo)系，充分發(fā)揮各技術(shù)優(yōu)勢(shì)，將車輛周邊人員劃分為近端和遠(yuǎn)端。其中，多層激光雷達(dá)掃描近端人員，解決UWB技術(shù)在近端探測(cè)時(shí)車體遮擋探測(cè)路徑引起的干擾問題；UWB技術(shù)可彌補(bǔ)激光雷達(dá)遠(yuǎn)端探測(cè)抗干擾能力差且無法通信的不足。

3）單線封鎖工況下的侵鄰線監(jiān)測(cè)技術(shù)。在單線封鎖工況下，通過多層激光雷達(dá)識(shí)別技術(shù)對(duì)鄰線線路及人員設(shè)備進(jìn)行探測(cè)識(shí)別，對(duì)單線封鎖工況下的人員、設(shè)備侵入鄰線等隱患進(jìn)行在線監(jiān)測(cè)預(yù)警。通過本車列控電臺(tái)對(duì)施工作業(yè)周邊人員的安全預(yù)警信息進(jìn)行廣播，實(shí)時(shí)交互本車周邊人員位置與侵線信息。

2 論證試驗(yàn)

以配砟整形車作為典型大機(jī)進(jìn)行驗(yàn)證試驗(yàn)。

2.1 周邊人員識(shí)別定位

在車輛端部固定激光雷達(dá)傳感器，對(duì)車輛前方近端人員進(jìn)行掃描。計(jì)算機(jī)處理單元通過以太網(wǎng)獲取基于指定視角的直角坐標(biāo)系下的點(diǎn)云數(shù)據(jù)；基于點(diǎn)云數(shù)據(jù)特征提取算法，結(jié)合人員特征進(jìn)行特征分析，得到符合人體特征的點(diǎn)云簇，通過數(shù)字處理算法得到施工人員的位置信息。

如圖3所示，針對(duì)現(xiàn)場(chǎng)情況，經(jīng)過系統(tǒng)算法處理后識(shí)別并定位得到實(shí)時(shí)三維圖，其中紅色框圈出的是施工人員。分別對(duì)站在不同位置的5個(gè)人進(jìn)行系統(tǒng)定位，并采用卷尺在現(xiàn)場(chǎng)復(fù)核人車距離，得到周邊人員識(shí)別定位精度，見表1?？芍?，周邊人員識(shí)別定位精度滿足誤差不大于0.2 m的技術(shù)要求。

圖3 周邊人員識(shí)別定位示例

表1 周邊人員識(shí)別定位精度

2.2 工作裝置位置檢測(cè)

在側(cè)犁加裝位移檢測(cè)傳感器，對(duì)側(cè)犁外伸端部位置進(jìn)行檢測(cè)。工作裝置處于5個(gè)不同位置時(shí)，測(cè)量其與線路中心的橫向距離，并利用卷尺對(duì)工作裝置端部位置進(jìn)行現(xiàn)場(chǎng)復(fù)核，得到工作裝置端部定位（橫向距離）的精度，見表2?？芍?，工作裝置端部定位精度滿足技術(shù)參數(shù)要求。

表2 工作裝置端部定位（橫向距離）精度

3 結(jié)語

針對(duì)大機(jī)施工作業(yè)時(shí)車輛周邊各工種施工作業(yè)人員眾多，人員安全管理難度極大的問題，本文提出了基于多源數(shù)據(jù)融合的大機(jī)周邊人員安全預(yù)警技術(shù)，并通過現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)論證了技術(shù)方案的可行性。通過多源傳感數(shù)據(jù)融合的大機(jī)施工人員安全預(yù)警系統(tǒng)，解決了既有技術(shù)難以適應(yīng)衛(wèi)星信號(hào)弱、網(wǎng)絡(luò)信號(hào)差等惡劣工況的難題，有效降低了工作裝置碰撞人員、人員侵入鄰線等安全風(fēng)險(xiǎn)，進(jìn)而保障施工人員安全。