舒方法，陳韜，陳曦

（1.中交第三航務工程局有限公司，上海 200032；2.中交上海三航科學研究院有限公司，上海 200032）

0 引言

目前國外大型機械設備的遠程監(jiān)控研究，主要是遠程監(jiān)控設備的運行狀態(tài)，并利用大數(shù)據(jù)分析技術，統(tǒng)計故障類型，分析故障原因，改進生產工藝。近年來，由于國家對現(xiàn)場作業(yè)施工安全的重視，國內一些公司有針對性地設計開發(fā)了一些大型機械的安全監(jiān)控系統(tǒng)，主要集中起重機等吊裝作業(yè)設備，但這些系統(tǒng)的功能大多局限在設備過載情況下的制動功能。作為地基處理的重要施工機械，碎石樁機是一種常用于建筑工地上的重型機械，它在施工現(xiàn)場的作業(yè)區(qū)域通常是以公共交叉作業(yè)區(qū)域的形式出現(xiàn)的，因此，在作業(yè)過程中，其機械作業(yè)半徑及周邊會存在大量的不可預知的危險隱患因素。

目前對碎石樁機數(shù)字化監(jiān)測研究主要在其生產工作狀態(tài)和質量控制參數(shù)的監(jiān)測[1]，對于碎石樁施工過程中的作業(yè)安全研究較少[2]；目前市面上預警的措施主要有：通過攝像機流媒體分析進行周界預警[3]、通過物聯(lián)網(wǎng)無線傳感網(wǎng)絡技術構建警戒預警網(wǎng)絡[4]或者通過振動的方式進行預警[5]等，這些方法各有利弊和適用局限性。

針對碎石樁機作業(yè)現(xiàn)場的特殊環(huán)境和施工單位對經(jīng)濟性的要求，本文提出了一種基于單線全向激光雷達的預警方法，在碎石樁機作業(yè)期間，可以對進入危險區(qū)域的人員或者物體進行自動識別、預警，必要時采取相應的預警措施，防止安全事故發(fā)生，確保施工安全[6]。

1 系統(tǒng)設計

1.1 系統(tǒng)總體設計思路

在本系統(tǒng)設計中，通過單線雷達來實現(xiàn)復雜現(xiàn)場環(huán)境的全向掃描，點云數(shù)據(jù)的濾波處理、配準融合處理，預警系統(tǒng)的可靠性都是本系統(tǒng)設計的關鍵問題。本系統(tǒng)利用單線全向激光雷達進行數(shù)據(jù)采集，并通過特定的濾波算法處理噪點數(shù)據(jù)，通過點云配準算法構建高精度、高適應性的環(huán)境模型，通過系統(tǒng)實現(xiàn)自動分級預警，并能夠向服務器端推送預警數(shù)據(jù)，支持多機數(shù)據(jù)匯總、分析和管理。

系統(tǒng)總體的設計思路如圖1 所示，系統(tǒng)架構最底層為終端激光雷達，通過對單線激光雷達裝置進行設計以實現(xiàn)全方位的掃描功能，激光雷達將掃描的點云數(shù)據(jù)通過zigbee 協(xié)議傳輸給上位機，由上位機系統(tǒng)進行數(shù)據(jù)處理，主要包括：獲取激光雷達數(shù)據(jù)、系統(tǒng)濾波、環(huán)境建模、提取物體位置信息及計算安全距離、觸發(fā)自動預警等流程，上位機將指令發(fā)送至下位機，下位機控制現(xiàn)場報警器報警和機械設備運行狀態(tài)；上位機可以通過4G/5G 無線傳輸報警數(shù)據(jù)至后臺服務器端，然后通過系統(tǒng)平臺可以實現(xiàn)報警數(shù)據(jù)的統(tǒng)計、分析和管理。

圖1 雷達預警系統(tǒng)架構圖Fig.1 Radar early warning system architecture diagram

1.2 系統(tǒng)主要功能設計

1.2.1 雷達裝置

單線全向激光雷達是一種利用單一線激光束實現(xiàn)全向掃描的激光雷達，它類似于普通的2D激光反射式雷達，設備采用機械旋轉結構原理，以高速旋轉來實現(xiàn)全向掃描。通過在高速電機驅動的旋轉平臺同軸點位上，安裝單向激光雷達傳感器，激光線束繞水平方向旋轉，實現(xiàn)對周圍環(huán)境的全向掃描[7]。

單線全向激光雷達裝置的結構安裝如圖2 所示。系統(tǒng)工作時，激光雷達傳感器通過單一線激光束進行掃描，并測量它所碰到的每個物體的距離和方向。由于旋轉平臺的旋轉，傳感器可以在全向作業(yè)面上往復完成周期性測量作業(yè)[8]。這些具有連續(xù)性、同類性的測量數(shù)據(jù)結果經(jīng)過去噪[9]和濾波[10]處理后，可以被上位機系統(tǒng)用于建立碎石樁機周界環(huán)境模型，實現(xiàn)障礙物檢測和避障控制等應用。

圖2 單線全向激光雷達裝置的結構安裝示意圖Fig.2 Structural installation diagram of single line omnidirectional lidar device

1.2.2 設備安裝設計

為了確保激光雷達在檢測地面附近的人員或物體時檢測數(shù)據(jù)的完整性和準確性，安裝位置選擇在隱蔽處，安裝位置如圖3 所示。該位置于駕駛艙底部頂升油缸旁側的鏤空區(qū)域，設備倒置安裝在駕駛艙底部底盤上，激光雷達在水平面上進行掃描時，能覆蓋除4 根支腿及液壓錘外絕大部分扇形區(qū)域，還可以正常接收雷達的大部分激光反射，從而提高系統(tǒng)對入侵物體的檢測能力。同時在安裝過程中，為了規(guī)避因振動或意外碰撞導致雷達損壞的風險，采取了防震、防撞措施，使激光雷達設備在運行中能夠保持穩(wěn)定且安全。

圖3 激光雷達及組件安裝位置圖Fig.3 Location diagram of lidar and component installation

1.2.3 掃描獲取數(shù)據(jù)

利用雷達周期旋轉特性與激光反射時間可以實現(xiàn)全向輪廓掃描與計算。系統(tǒng)研究將平面一周360°等分為16 組區(qū)域，每扇區(qū)域為22.5°，每扇區(qū)域包含150 個點云數(shù)據(jù)，每個點云數(shù)據(jù)包含一組長度數(shù)據(jù)和角度數(shù)據(jù)，數(shù)據(jù)利用UDP 協(xié)議傳輸，每組UDP 數(shù)據(jù)包含1 050 字節(jié)，數(shù)據(jù)結構見表1。

表1 激光掃描數(shù)據(jù)結構Table 1 Laser scanning data structure

由于系統(tǒng)實時性要求較高，考慮到數(shù)據(jù)傳輸、處理的時間延遲，確保系統(tǒng)在實際應用中及時準確，系統(tǒng)選取低功耗、低延遲的ZigBee/802.15.4通信協(xié)議將點云數(shù)據(jù)發(fā)送至上位機進行數(shù)據(jù)處理。

1.2.4 濾波系統(tǒng)設計

為了確保激光雷達的精度滿足周界闖入預警系統(tǒng)的要求，多次測量的數(shù)據(jù)通過統(tǒng)計學置信度計算，測量精度符合ISO/R（1938—1971）《公差和配合的IS0 系統(tǒng)·第2 部分：平面工件的檢驗》的相關規(guī)定，其統(tǒng)計置信度為95.4%（標準偏差σ 的±2倍），見圖4。此外，測量精度與測量條件有關，經(jīng)過測試激光雷達的平均反射差可達±1.5 mm。在不利條件下（例如陽光直射）或在測量反射不良或非常粗糙的表面時，可能會出現(xiàn)最大偏差；對于30 m 以上的距離，測量精度可能會降低約±0.02 mm/m；因設備無法補償大氣環(huán)境的變化，如果在與20 ℃、相對濕度60%和大氣壓95.3 kPa 下測量遠距離（＞150 m），這些變化也會影響精度。

圖4 激光雷達反射置信度區(qū)間Fig.4 Lidar reflection confidence interval

為了補償數(shù)據(jù)中可能出現(xiàn)的異常激光飛點或因不利條件產生的偏差過大的點，在軟件數(shù)據(jù)處理機制中加入了針對原始點云數(shù)據(jù)的濾波算法，采用移動平均濾波器，濾波次數(shù)每周期10 次。在每個新的濾波周期中若存在新的測量值，則此值將被添加到篩選器值中，而最后一個值將被刪除，所有測量值除以濾波器位數(shù)的尺寸大小，結果作為濾波結果輸出，見圖5。

圖5 濾波器數(shù)據(jù)尺寸圖Fig.5 Filter data size diagram

通過周界預警軟件內部的尖峰抑制消除算法，統(tǒng)計濾波器值內的最小值和最大值，始終從平均值計算中刪除最小值和最大值，見圖6。

圖6 尖峰抑制消除算法圖Fig.6 Spike suppression elimination algorithm diagram

同時上述系統(tǒng)可抑制篩選值內的最大錯誤數(shù)，如果篩選值中的錯誤數(shù)小于指定值，則在輸出中不再顯示錯誤。

1.2.5 環(huán)境建模

環(huán)境建模是系統(tǒng)最重要的環(huán)節(jié)，首先使用點云配準算法將多個點云數(shù)據(jù)進行融合，并將點云數(shù)據(jù)轉換成環(huán)境模型，生成一個包含環(huán)境中物體位置信息的2D 平面圖。通過使用點云配準算法ICP（Iterative Closest Point）來實現(xiàn)，該算法可以計算兩組點云之間的最優(yōu)變換矩陣，從而實現(xiàn)點云數(shù)據(jù)的融合和對齊。

ICP 核心算法：確定最小化目標函數(shù)，即所有對應點之間的歐式距離的平方和f（R，t）。

式中：Ps為源點云集合；Pt為目標點云集合；NP為對應點總數(shù)量；i為當前點的序號，i=1，2，3，…，NP；R為旋轉矩陣；t為平移矩陣。

1） 尋找對應點

通過確定源點云和初始目標點云可以構建初始點集合，計算初始旋轉矩陣和平移向量t，用初始的旋轉矩陣和平移向量對原始點云進行變換，得到一個變換后的點云。然后將這個變換后的點云與目標點云進行比較，只要2 個點云中存在距離小于一定閾值，就認為這2 個點是對應點，稱為最鄰近點對。

2） 求解R和t

用對應點對旋轉矩陣R與平移矩陣t進行估計，這里R和t中有6 個自由度，而對應點因存在多余觀測值使得數(shù)量很大，因此，可采用最小二乘等方法求解最優(yōu)的旋轉矩陣R和平移矩陣t。

3） 迭代優(yōu)化

基于優(yōu)化后的R與t再次進行點云轉換，容易發(fā)現(xiàn)部分點云在轉換后的位置發(fā)生變化，一些最鄰近點對也相應的發(fā)生了變化，需要重復步驟2） 和3） 不斷進行迭代，直到滿足以下任一條件時停止迭代，生成2D 平面圖：

①R、t的變化量小于一定值；

②目標函數(shù)的變化小于一定值；

③鄰近點對不再變化。

1.2.6 提取物體位置信息及計算安全距離

將提取出物體位置信息后，采用歐氏距離公式計算物體中心位置至設定區(qū)域邊界的距離，與設定碎石樁機施工安全半徑進行對比，以確定是否有物體進入危險區(qū)域。

歐式二維空間公式：

式中：ρ 為點（x2，y2）與點（x1，y1）之間的歐氏距離；|X|為點（x2，y2）到原點的歐氏距離。

1.2.7 自動預警設計

在碎石樁機周邊環(huán)境無任何干擾的前提下，用激光雷達進行一次全向掃描，進行點云環(huán)境建模，生成固定的點云數(shù)據(jù)模板，并將數(shù)據(jù)存儲在數(shù)據(jù)庫中，形成激光雷達掃描周界，并根據(jù)現(xiàn)場情況可以人工設置周界禁入?yún)^(qū)域。正常使用時，系統(tǒng)生成的數(shù)據(jù)與固定的數(shù)據(jù)模板進行對比，根據(jù)比對結果進行自動分級預警，按危險等級分一級預警和二級預警，其中，一級預警是指只要有人或物體進入設定的區(qū)域即觸發(fā)；二級預警是指人或物體不僅進入設定的區(qū)域，且距離已低于設定的安全距離閾值。當觸發(fā)一級預警時，系統(tǒng)將發(fā)出聲光報警提醒操作人員；當發(fā)生二級報警時，系統(tǒng)不僅發(fā)出聲光報警提醒操作人員，同時還將發(fā)送指令啟動碎石樁機的緊急鎖定機制，確保施工現(xiàn)場安全。

2 系統(tǒng)可靠性分析

作為安全預警系統(tǒng)，系統(tǒng)的可靠性十分重要，需要通過多種手段確保系統(tǒng)穩(wěn)定、準確的運行。

1） 精度驗證與標準化

激光雷達作為監(jiān)測系統(tǒng)的核心組件，其精度直接決定了系統(tǒng)的可靠性。為確保激光雷達的測量精度，采用了統(tǒng)計學方法對其進行了嚴格的驗證。經(jīng)過大量的實驗數(shù)據(jù)分析，確認激光雷達的測量精度符合ISO 國際標準，從而保證了輸出數(shù)據(jù)的準確性和可靠性。

2） 點云配準與環(huán)境捕捉

系統(tǒng)運用先進的ICP 算法進行點云配準，通過建立固定的數(shù)據(jù)模板，實現(xiàn)了對周邊環(huán)境狀態(tài)的精確捕捉，系統(tǒng)能夠迅速并準確地構建出周圍環(huán)境的點云模型，為后續(xù)的監(jiān)測和分析提供了堅實的基礎。

3） 周界禁入?yún)^(qū)域設置

針對不同施工現(xiàn)場的特定需求，系統(tǒng)允許人工設置周界禁入?yún)^(qū)域。這一功能大大增加了系統(tǒng)的適用性和靈活性，使得監(jiān)測更加精準，有效防止了未經(jīng)授權的闖入和潛在的安全風險。

4） 專用工裝結構與防震防撞措施

在保證激光雷達高效運行的同時，專用工裝結構的設計充分考慮了設備的穩(wěn)定性和安全性。通過防震、防撞等多重保護措施，確保激光雷達在各種惡劣環(huán)境下都能保持穩(wěn)定的工作狀態(tài)。

5） 持續(xù)性能監(jiān)測與維護

為確保系統(tǒng)長期穩(wěn)定運行，通過定期校準激光雷達、軟硬件系統(tǒng)維護在內的持續(xù)性能監(jiān)測機制。同時，定期分析環(huán)境變化對系統(tǒng)性能的影響，及時調整系統(tǒng)參數(shù)，確保在任何時候都能提供最優(yōu)的監(jiān)測效果。

通過上述綜合手段的應用，整套激光雷達周界監(jiān)測系統(tǒng)的可靠性得到了保障和顯著加強。

3 系統(tǒng)驗證

通過在實際施工環(huán)境下安裝碎石樁機周界闖入預警系統(tǒng)并進行現(xiàn)場試驗，以驗證系統(tǒng)的可行性和有效性及濾波配準功能的可靠性，選取了100 組數(shù)據(jù)進行分析和驗證。在標準環(huán)境下將雷達設備放置在已知的特定環(huán)境中進行測試，通過研發(fā)系統(tǒng)軟件獲取100 組雷達UDP 數(shù)據(jù)，同時通過濾波算法對100 組連續(xù)數(shù)據(jù)進行濾波輸出，數(shù)據(jù)表見圖7，通過濾波能有效地剔除飛點及無效數(shù)據(jù)，實現(xiàn)數(shù)據(jù)穩(wěn)定。

圖7 濾波數(shù)據(jù)前后對比折線圖Fig.7 Filtered data comparison chart

在實際的工程測試中，采用對碎石樁機危險作業(yè)區(qū)域及半徑進行了全方位的掃描，獲取了環(huán)境的深度信息和物體位置信息。本文選取了45°～135°范圍內的點云數(shù)據(jù)進行實時傳輸至上位機進行處理、分析與預警，這一區(qū)域的選擇是基于對碎石樁機周邊情況的關注，以確保系統(tǒng)能夠及時、準確地檢測到可能的危險情況，圖8 為碎石樁機附近區(qū)域固定的配準模型。

圖8 碎石樁機點云預警區(qū)域配準Fig.8 Gravel pile machine point cloud early warning area registration

當檢測到碎石樁機周界發(fā)生闖入時，系統(tǒng)能快速、準確輸出預警結果。

一級預警情況時，系統(tǒng)會發(fā)出聲光報警，提醒操作人員及時采取必要的措施；二級報警情況時，碎石樁機會停止運行，確保在發(fā)現(xiàn)潛在風險時，可以迅速采取安全措施，以保障設備和操作人員的安全。

圖9 為人員闖入時觸發(fā)預警。

圖9 碎石樁機危險區(qū)域闖入預警Fig.9 Dangerous area intrusion warning of gravel pile machine

通過驗證整個系統(tǒng)運行穩(wěn)定可靠，試驗結果達到預期，系統(tǒng)的性能滿足了設計要求，為碎石樁機在復雜環(huán)境中的安全運行提供了可靠的保障。

4 結語

本文通過周界闖入預警系統(tǒng)設計和研發(fā)，實現(xiàn)了對大型機械設備周邊環(huán)境進行全方位數(shù)據(jù)采集，對大型機械設備周界安全智能化監(jiān)測預警進行了研究和探索，為工程機械設備施工安全監(jiān)測提供了一套經(jīng)濟、可靠的解決方案。系統(tǒng)采用的單線全向激光雷達具有較高的性價比和經(jīng)濟性，可適用于施工現(xiàn)場環(huán)境，具備較強的實用性；系統(tǒng)通過對點云數(shù)據(jù)的處理、分析實現(xiàn)了周界安全智能化監(jiān)測預警；系統(tǒng)不僅僅可應用于碎石樁機，還可以擴展到各類大型施工現(xiàn)場。