叉車(chē)防站臺(tái)跌落智能報(bào)警裝置的研制

陸 磊 中國(guó)鐵路上海局集團(tuán)有限公司蚌埠貨運(yùn)中心

叉車(chē)防站臺(tái)跌落智能報(bào)警裝置是一種直接安裝在叉車(chē)上的防跌落站臺(tái)報(bào)警裝置。當(dāng)叉車(chē)作業(yè)距離站臺(tái)邊緣或障礙物很近時(shí)有跌落站臺(tái)或撞上障礙物的危險(xiǎn)，叉車(chē)防站臺(tái)跌落智能報(bào)警裝置可自動(dòng)檢測(cè)、判斷并發(fā)出報(bào)警，提醒叉車(chē)司機(jī)采取措施，確保叉車(chē)作業(yè)安全。

1 研制叉車(chē)防跌落智能報(bào)警裝置意義

叉車(chē)是鐵路貨場(chǎng)必不可少的機(jī)械設(shè)備，主要用于火車(chē)、汽車(chē)貨物裝卸，貨位貨物堆碼。近年來(lái)，運(yùn)輸市場(chǎng)的快速發(fā)展，運(yùn)量急劇增加，加之叉車(chē)具有起重量大、操作便捷、移動(dòng)速度快等優(yōu)點(diǎn)，叉車(chē)的使用越來(lái)越廣泛。鐵路貨運(yùn)運(yùn)輸?shù)募b化發(fā)展趨勢(shì)，以及快速、優(yōu)質(zhì)裝卸服務(wù)要求，貨場(chǎng)叉車(chē)等機(jī)械裝卸作業(yè)逐漸替代傳統(tǒng)落后的人力裝卸。

鐵路貨物運(yùn)輸裝卸作業(yè)需要將貨物從車(chē)輛卸到站臺(tái)或從站臺(tái)搬運(yùn)到車(chē)輛上，而叉車(chē)在站臺(tái)作業(yè)會(huì)經(jīng)常性靠近站臺(tái)邊緣。由于站臺(tái)與鐵軌或道路側(cè)有1.1 m的高度差，一旦叉車(chē)在前進(jìn)或倒退時(shí)邊緣距離估計(jì)錯(cuò)誤，就會(huì)發(fā)生墜落站臺(tái)的事故，嚴(yán)重時(shí)會(huì)造成機(jī)毀人亡的重大事故。這類(lèi)事故在鐵路貨場(chǎng)內(nèi)已多次發(fā)生，并且造成了不可挽回的財(cái)產(chǎn)損失和人身傷亡。

研制叉車(chē)站臺(tái)防跌落的智能報(bào)警裝置，通過(guò)叉車(chē)在站臺(tái)作業(yè)時(shí)可以自動(dòng)檢測(cè)叉車(chē)靠近站臺(tái)邊緣或障礙物的距離，當(dāng)叉車(chē)離站臺(tái)邊緣或障礙物達(dá)到安全距離時(shí)，發(fā)出報(bào)警，提醒叉車(chē)司機(jī)立即轉(zhuǎn)向或停止運(yùn)行，從而避免事故的發(fā)生。

2 叉車(chē)防跌落智能報(bào)警裝置原理及功能

（1）組成：本裝置由測(cè)距傳感器、信號(hào)放大電路、CPU控制模塊和聲光報(bào)警器四部分組成。

（2）工作原理：測(cè)距傳感器采用超聲波、激光傳感綜合測(cè)量技術(shù)，測(cè)量叉車(chē)與站臺(tái)邊緣距離的電壓信號(hào)，經(jīng)信號(hào)放大電路放大，放大后的信號(hào)由CPU控制模塊進(jìn)行分析、計(jì)算、判斷，得出叉車(chē)是否接近站臺(tái)邊緣的結(jié)論，滿足設(shè)置的報(bào)警條件時(shí)，由報(bào)警裝置發(fā)出聲光報(bào)警信號(hào)。系統(tǒng)工作原理框圖如圖1所示。

圖1 工作原理框圖

（3）主要功能：本裝置可自動(dòng)檢測(cè)叉車(chē)四周是否有障礙物，是否已經(jīng)靠近站臺(tái)邊緣；當(dāng)叉車(chē)一側(cè)離站臺(tái)邊緣小于指定的距離時(shí)，可以自動(dòng)判斷并發(fā)出強(qiáng)烈的報(bào)警聲響；同時(shí)增設(shè)的叉車(chē)頂部傳感器還能排除誤報(bào)的可能，增加報(bào)警可靠性。

3 技術(shù)方案

（1）測(cè)距傳感器：測(cè)距傳感器為專(zhuān)門(mén)設(shè)計(jì)的一種超聲波和激光復(fù)合型測(cè)距傳感器，兩種原理的復(fù)合應(yīng)用能夠解決設(shè)備安裝時(shí)的角度調(diào)整和測(cè)距需要。其中激光傳感器由激光器、激光檢測(cè)器和測(cè)量電路組成，它的優(yōu)點(diǎn)是能實(shí)現(xiàn)無(wú)接觸遠(yuǎn)距離測(cè)量，速度快，精度高，量程大，抗光、電干擾能力強(qiáng)等，在本技術(shù)方案中擔(dān)任定位作用，使安裝調(diào)試更為方便；超聲波測(cè)距傳感器是通過(guò)超聲波在空氣中傳播的時(shí)間計(jì)算測(cè)量距離，本項(xiàng)目中超聲波和激光傳感器是測(cè)量距離核心部件。

（2）CPU控制處理模塊：該模塊由愛(ài)特梅爾(ATMEGA)單片機(jī)ATMEGA8A-AU TQFP32產(chǎn)生40 kHz的頻率信號(hào)、超聲波傳感器、接收處理電路和1V～10V測(cè)量信號(hào)輸出等電路等構(gòu)成。單片機(jī)是整個(gè)系統(tǒng)的核心部件，它協(xié)調(diào)和控制各部分電路的工作。單片機(jī)控制口發(fā)一個(gè)10 μs以上的高電平，就可以在接收口等待高電平輸出，一有輸出就可以開(kāi)啟定時(shí)器計(jì)時(shí)，當(dāng)輸出變?yōu)榈碗娖綍r(shí)就可以讀定時(shí)器的值，此時(shí)就為此次測(cè)距的時(shí)間，從而計(jì)算出距離。如此不斷的周期測(cè),即可以達(dá)到你移動(dòng)測(cè)量的值。

（3）聲光報(bào)警模塊：將超聲波傳感器和單片機(jī)電壓識(shí)別模塊組合在一起，配上110 dB的高音報(bào)警音響喇叭，形成完整的檢測(cè)報(bào)警裝置。單片機(jī)處理模塊輸出相應(yīng)的距離信號(hào)后，由智能識(shí)別電路進(jìn)行距離比對(duì)，當(dāng)滿足報(bào)警條件時(shí)，發(fā)出報(bào)警信號(hào)。

（4）安裝位置：本套裝置分別在叉車(chē)門(mén)架左、右前臂處、車(chē)頂、車(chē)尾部等安裝有四個(gè)測(cè)距傳感器，其中車(chē)輛頂部傳感器用于甄別車(chē)廂內(nèi)外部環(huán)境，減少誤報(bào)警現(xiàn)象，其余三個(gè)測(cè)距傳感器均用于距離測(cè)量及墜落臨界狀況判斷。具體安裝位置見(jiàn)圖2。

圖2 檢測(cè)裝置(傳感器)安裝位置

4 該裝置研制開(kāi)發(fā)過(guò)程及試行效果

2016年06月通過(guò)現(xiàn)場(chǎng)調(diào)研初步制定了項(xiàng)目實(shí)施方案，主要是通過(guò)激光測(cè)距傳感器垂直測(cè)量叉車(chē)距地面或軌面高度的方式，通過(guò)兩個(gè)月的攻關(guān)，完成了樣機(jī)試制，進(jìn)而將樣機(jī)投入到蚌埠站南貨場(chǎng)進(jìn)行試用測(cè)試。經(jīng)過(guò)試用測(cè)試發(fā)現(xiàn)，激光傳感器在惡劣天氣或者站臺(tái)地面有水洼等情況下會(huì)有誤測(cè)和誤判情況發(fā)生，而且測(cè)量垂直高度的數(shù)學(xué)模型不夠可靠，不適用叉車(chē)進(jìn)入火車(chē)車(chē)廂內(nèi)部作業(yè)等情形，因此課題組針對(duì)該問(wèn)題，對(duì)方案馬上進(jìn)行了改進(jìn)。首先，將原來(lái)的激光傳感器更換為激光、超聲波一體的復(fù)合測(cè)距傳感器，可靠性大大增加；其次，測(cè)量模型和安裝位置進(jìn)行調(diào)整，改為特定角度斜向測(cè)量到軌面的距離，并同步修改變化閾值。最后，在叉車(chē)頂部增加一個(gè)測(cè)距傳感器，用以測(cè)量叉車(chē)在車(chē)廂內(nèi)作業(yè)時(shí)，到車(chē)廂內(nèi)頂面的距離，防止裝置誤報(bào)，對(duì)貨場(chǎng)工作人員工作造成誤報(bào)干擾。

2016年12月，上述改造完成，將樣機(jī)再次投入現(xiàn)場(chǎng)試用。經(jīng)過(guò)試用后，現(xiàn)場(chǎng)反映該裝置體積過(guò)大，容易在作業(yè)過(guò)程中受到碰撞后損壞，而且線路布局不夠合理。課題組及時(shí)聽(tīng)取用戶意見(jiàn)，對(duì)樣機(jī)體積及密封性進(jìn)行了重新設(shè)計(jì)，最終將體積從原來(lái)的150 mm×120 mm×55 mm改為現(xiàn)在的58 mm×29 mm×21 mm，體積縮小至原來(lái)的1/30，同時(shí)將防水性能進(jìn)一步提高，線路布局更加合理，安裝維護(hù)更為便捷。

本項(xiàng)目研發(fā)的報(bào)警裝置經(jīng)過(guò)在現(xiàn)場(chǎng)長(zhǎng)達(dá)一年的試用，目前的使用結(jié)果表明該裝置設(shè)計(jì)合理，環(huán)境適應(yīng)性強(qiáng)，可在各種惡劣天氣和環(huán)境中使用，報(bào)警失誤率幾乎為零，完全能夠滿足現(xiàn)場(chǎng)安全保障的目的。

5 推廣前景

從鐵路推進(jìn)現(xiàn)代物流建設(shè)的發(fā)展趨勢(shì)看，安全發(fā)展、協(xié)調(diào)發(fā)展、共享發(fā)展是貨運(yùn)轉(zhuǎn)型發(fā)展的必然要求，加強(qiáng)安全風(fēng)險(xiǎn)管控能力是不可缺少的管理手段；叉車(chē)防站臺(tái)跌落智能報(bào)警裝置經(jīng)過(guò)一年多的現(xiàn)場(chǎng)使用，證明其在現(xiàn)場(chǎng)安全預(yù)防中具有重要作用。從鐵路貨運(yùn)安全的現(xiàn)狀看，叉車(chē)在鐵路貨場(chǎng)使用極為普遍，叉車(chē)的投入量逐年增加，上海局集團(tuán)公司現(xiàn)有叉車(chē)約1 200臺(tái)，其存在可能發(fā)生的站臺(tái)安全風(fēng)險(xiǎn)也越來(lái)越大，可以預(yù)見(jiàn)該成果會(huì)在集團(tuán)公司，甚至是總公司范圍內(nèi)快速推廣，取得較好的經(jīng)濟(jì)和社會(huì)安全效益。綜上所述，叉車(chē)防站臺(tái)跌落智能報(bào)警裝置推廣應(yīng)用，將不斷提高鐵路貨運(yùn)設(shè)備保安全的能力。