南山礦鐵路運(yùn)輸行車安全預(yù)警系統(tǒng)建設(shè)與應(yīng)用

楊小江 何先文 朱春山 陳宗援

（安徽馬鋼礦業(yè)資源集團(tuán)南山礦業(yè)有限公司）

當(dāng)前，隨著信息技術(shù)的發(fā)展，機(jī)車運(yùn)行安全和設(shè)備監(jiān)測(cè)系統(tǒng)正朝著集多功能安全監(jiān)測(cè)模塊于一體的大型平臺(tái)化、系統(tǒng)化的方向發(fā)展，國(guó)內(nèi)各類新型機(jī)車目前也廣泛運(yùn)用具備高效傳輸、統(tǒng)一存儲(chǔ)、智能化人機(jī)交互界面的車載安全防護(hù)系統(tǒng)及其地面專家系統(tǒng)，這些車載安全防護(hù)系統(tǒng)正在國(guó)內(nèi)電力機(jī)車、內(nèi)燃機(jī)車、調(diào)車機(jī)等車型上進(jìn)行工程化應(yīng)用，為解決機(jī)車運(yùn)用中最突出的安全問(wèn)題提供了有效技術(shù)支撐。露天礦山由于其特殊的運(yùn)行環(huán)境，老式的機(jī)車設(shè)備缺少必要的安全防護(hù)系統(tǒng)，使得行車安全成為企業(yè)生產(chǎn)的短板，需要對(duì)現(xiàn)有鐵路運(yùn)輸設(shè)備進(jìn)行改造升級(jí)，從而達(dá)到安全行車的目的。

1 南山礦鐵路運(yùn)輸現(xiàn)狀

南山礦作為國(guó)內(nèi)大型露天礦山，同時(shí)也是近城礦山，其內(nèi)部運(yùn)輸（采場(chǎng)—選廠、采場(chǎng)—排土場(chǎng)）主要采用鐵路運(yùn)輸方式，其鐵路運(yùn)輸線路全長(zhǎng)約50 km，經(jīng)過(guò)多個(gè)村莊道口，鐵路線為開(kāi)放式線路。運(yùn)輸設(shè)備為傳統(tǒng)的ZG150—1500型直流電力機(jī)車和KF60型自翻礦石敞車，運(yùn)行過(guò)程中電機(jī)車連掛9節(jié)自翻車在單行軌道上進(jìn)行往返作業(yè)，其平均運(yùn)行速度達(dá)25 km/h。為保證電機(jī)車安全穩(wěn)定運(yùn)行，單臺(tái)運(yùn)行車組配置3人（正副駕駛員各1 人，調(diào)車員1 人）。牽引作業(yè)時(shí)，由駕駛員觀察前方道路情況并控制電機(jī)車；推進(jìn)作業(yè)時(shí)，由于車組較長(zhǎng)（約120 m），駕駛員無(wú)法觀察到行進(jìn)方向道路情況，主要依靠車組尾端翻斗車上的調(diào)車員給駕駛員相應(yīng)的信號(hào)。

南山礦鐵路運(yùn)輸電機(jī)車安全運(yùn)行存在巨大的挑戰(zhàn)：一是鐵路線途經(jīng)大量村莊和道口，且鐵路線上日常維護(hù)人員較多，人員或異物入侵鐵路線時(shí)有發(fā)生，行車過(guò)車中如不能及時(shí)發(fā)現(xiàn)并停車將產(chǎn)生嚴(yán)重后果；二是在長(zhǎng)周期作業(yè)情況下，操作指揮人員容易產(chǎn)生思想麻痹或精力不集中的情況，也將嚴(yán)重影響行車安全；三是調(diào)度指揮人員無(wú)法及時(shí)掌控電機(jī)車運(yùn)行狀態(tài)及位置，影響運(yùn)行指揮效率；四是現(xiàn)有電機(jī)車因制造年代較久，缺少機(jī)車運(yùn)行安全和設(shè)備監(jiān)測(cè)裝置。隨著行業(yè)和技術(shù)發(fā)展，以及企業(yè)減員增效和安全生產(chǎn)要求，傳統(tǒng)的電機(jī)車和人工駕駛模式需要升級(jí)改造，逐步向智能化和無(wú)人化方向發(fā)展。

2 預(yù)警系統(tǒng)功能要求

為提高露天礦山電機(jī)車行車安全，減少事故的發(fā)生，同時(shí)為露天礦山電機(jī)車無(wú)人化奠定基礎(chǔ)，電機(jī)車行車預(yù)警系統(tǒng)改造參照國(guó)內(nèi)外關(guān)于車載安全防護(hù)系統(tǒng)設(shè)計(jì)理念，并針對(duì)南山礦鐵路運(yùn)輸場(chǎng)景實(shí)施。

電機(jī)車行車安全預(yù)警系統(tǒng)主要從防火監(jiān)控、視頻監(jiān)控、目標(biāo)識(shí)別（行車防撞）、超速監(jiān)控4 個(gè)方面對(duì)電機(jī)車行車提供安全預(yù)警，還為電機(jī)車行車信息預(yù)留數(shù)據(jù)接口，為物聯(lián)網(wǎng)無(wú)線數(shù)據(jù)傳輸提供技術(shù)支撐。為此，行車安全預(yù)警系統(tǒng)由中央處理平臺(tái)和4個(gè)子系統(tǒng)（防火監(jiān)控子系統(tǒng)、視頻監(jiān)控子系統(tǒng)、行車防撞子系統(tǒng)、GPS 測(cè)速子系統(tǒng)）構(gòu)成。中央處理平臺(tái)對(duì)各子系統(tǒng)進(jìn)行數(shù)據(jù)集中、數(shù)據(jù)管理，并對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行綜合分析；各子系統(tǒng)遵照統(tǒng)一的通信協(xié)議，與中央處理平臺(tái)通訊［1-4］。

2.1 防火監(jiān)測(cè)子系統(tǒng)功能

該系統(tǒng)由防火監(jiān)控板、前端探測(cè)設(shè)備、連接器和線纜組成，其點(diǎn)型感煙探測(cè)器具備漂移補(bǔ)償、污染自動(dòng)識(shí)別和報(bào)警功能。系統(tǒng)具備注冊(cè)登錄功能，注冊(cè)登錄完成后能自動(dòng)識(shí)別在線設(shè)備的類型。系統(tǒng)實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)機(jī)車高壓室的煙霧、熱量等物理量，超過(guò)限值時(shí)發(fā)出火災(zāi)報(bào)警信號(hào)；當(dāng)發(fā)出火警時(shí)，由中央處理平臺(tái)在音視頻終端上顯示火警區(qū)域并發(fā)出語(yǔ)音報(bào)警；同時(shí)具備人工消除當(dāng)次報(bào)警功能。系統(tǒng)實(shí)時(shí)采集前端探測(cè)設(shè)備（視頻、激光雷達(dá)、傳感器等）狀態(tài)信息，并能將狀態(tài)信息實(shí)時(shí)分析處理，從而判斷電機(jī)車設(shè)備的正常、火警、故障、短路等狀態(tài)。

2.2 視頻監(jiān)控子系統(tǒng)功能

該系統(tǒng)能實(shí)時(shí)采集電機(jī)車司機(jī)室前方路況、電機(jī)車電弓情況、電機(jī)車兩側(cè)車身情況、電機(jī)車車組尾端翻斗車前方路況圖像，系統(tǒng)根據(jù)電機(jī)車行車信號(hào)的變換（牽引行車、推進(jìn)行車），可自動(dòng)切換行車視頻圖像（牽引行車時(shí)主要顯示電機(jī)車司機(jī)室前方路況，推進(jìn)行車時(shí)主要顯示尾端翻斗礦石敞車前方路況），也可手動(dòng)切換視頻圖像，可切換多畫(huà)面顯示模式及單畫(huà)面顯示模式。系統(tǒng)具備視頻圖像存儲(chǔ)能力，存儲(chǔ)視頻圖像時(shí)間最短不少于10 d。視頻存儲(chǔ)采用滾動(dòng)方式，當(dāng)占用的存儲(chǔ)空間達(dá)到上限時(shí)，自動(dòng)覆蓋早期的視頻數(shù)據(jù)；存儲(chǔ)的視頻圖像可以在音視頻終端進(jìn)行本地回放，并提供下載功能。當(dāng)有報(bào)警事件時(shí)，系統(tǒng)可進(jìn)行相應(yīng)語(yǔ)音報(bào)警，包括火警提示、行人提示及超速提示等。電機(jī)車車組調(diào)整時(shí)，系統(tǒng)主界面可以與新掛接的尾端翻斗車的視頻裝置進(jìn)行自由配置。系統(tǒng)具備查看監(jiān)控?cái)?shù)據(jù)、運(yùn)行記錄及歷史記錄功能。

2.3 行車防撞子系統(tǒng)功能

該系統(tǒng)利用計(jì)算機(jī)視覺(jué)及深度學(xué)習(xí)技術(shù)，實(shí)時(shí)檢測(cè)電機(jī)車車身四周及電機(jī)車行進(jìn)方向路況的視頻圖像。當(dāng)檢測(cè)到有可能影響行車安全的行人及異物時(shí)，及時(shí)發(fā)送預(yù)警信息，利用音視頻終端發(fā)出語(yǔ)音報(bào)警提示，在視頻畫(huà)面上標(biāo)注車身四周出現(xiàn)行人或異物的位置，在視頻圖像上用紅框提示行人位置且顯示行人與機(jī)車之間的距離信息。

2.4 GPS測(cè)速子系統(tǒng)功能

該系統(tǒng)通過(guò)GPS 模組，結(jié)合電機(jī)車運(yùn)行的電子地圖，實(shí)時(shí)獲取車輛行駛速度及坐標(biāo)。系統(tǒng)通過(guò)設(shè)置電機(jī)車各區(qū)段的最高行駛速度，在電機(jī)車超速時(shí)，及時(shí)發(fā)出超速的語(yǔ)音提示。

3 行車預(yù)警改造方案

3.1 系統(tǒng)方案

南山礦現(xiàn)有的ZG150-1500 型直流電力機(jī)車為兩端拼接結(jié)構(gòu)，具有雙駕駛室，駕駛室空間位置狹小。牽引作業(yè)時(shí)駕駛員在前端駕駛進(jìn)行操作，推進(jìn)作業(yè)時(shí)駕駛員則在連接自翻車一端的駕駛室進(jìn)行操作。同時(shí)，考慮到電機(jī)車行駛輪輪緣磨損，電機(jī)車將定期掉頭。因此行車預(yù)警改造時(shí)需要在電機(jī)車Ⅰ端及Ⅱ端都安裝相應(yīng)的視頻監(jiān)控及檢測(cè)顯示裝置。考慮電機(jī)車推進(jìn)作業(yè)時(shí)要實(shí)時(shí)掌握車組尾端的路況，需要對(duì)尾端自翻車進(jìn)行改造，安裝相應(yīng)的視頻檢測(cè)設(shè)備。電機(jī)車行車預(yù)警設(shè)備改造安裝方案如圖1 所示。

3.2 主機(jī)安裝

主機(jī)是行車預(yù)警系統(tǒng)的數(shù)據(jù)處理及控制單元，由于ZG150-1500 型直流電力機(jī)車為雙車拼接結(jié)構(gòu)，需要在電機(jī)車兩端司機(jī)室各安裝1 臺(tái)主機(jī)。考慮空間限制及使用特點(diǎn)，2 臺(tái)主機(jī)的功能不完全相同。一端主機(jī)安裝在司機(jī)室衣帽柜內(nèi)，一端主機(jī)從二端主機(jī)輸出插取DC24 V電源，并分別給一端顯示屏、一端攝像機(jī)提供DC12 V電源，主機(jī)內(nèi)裝有圖像處理板、機(jī)車信號(hào)接收板、交換機(jī)、硬盤等部件。二端主機(jī)安裝在二端司機(jī)室衣帽柜內(nèi)，二端主機(jī)從機(jī)車48 V 蓄電池閘刀后端進(jìn)行取電，并分別給二端主機(jī)提供DC24 V 電源，為二端顯示屏及二端攝像機(jī)提供DC12 V 電源，主機(jī)內(nèi)裝有中央處理平臺(tái)處理板、防火監(jiān)控板卡、交換機(jī)、硬盤等部件。

3.3 音視頻終端安裝

音視頻終端是行車預(yù)警系統(tǒng)的人機(jī)交互終端，安裝在司機(jī)室操作臺(tái)平面調(diào)車系統(tǒng)的上方，便于司機(jī)查看及操作。兩端司機(jī)室各安裝1臺(tái)音視頻終端，并在其中1臺(tái)音視頻終端內(nèi)部裝有GPS模組。

3.4 網(wǎng)絡(luò)攝像機(jī)安裝

為實(shí)現(xiàn)電機(jī)車運(yùn)行行車過(guò)程中的實(shí)際檢測(cè)，電機(jī)車行車預(yù)警系統(tǒng)改造中安裝了多只攝像頭，實(shí)現(xiàn)各自功能。

（1）電機(jī)車路況攝像機(jī)。每臺(tái)電機(jī)車在兩端車頭中間的位置分別安裝1 只長(zhǎng)焦路況攝像機(jī)及1 只廣角路況攝像機(jī)，用于觀測(cè)行車前方路況，視頻檢測(cè)距離達(dá)到200 m。

（2）電機(jī)車車身攝像機(jī)。每臺(tái)電機(jī)車在兩端車身底部?jī)蓚?cè)分別安裝1只廣角路況攝像機(jī)，實(shí)現(xiàn)了對(duì)車身四周的視頻監(jiān)控。

（3）電機(jī)車電弓攝像機(jī)。每臺(tái)機(jī)車在兩端車頂朝向電弓的位置安裝1 只攝像機(jī)，用于觀察電弓狀態(tài)。為避免電弧對(duì)設(shè)備的影響，攝像機(jī)加裝防護(hù)罩。

（4）尾端自翻車攝像機(jī)。在電機(jī)車車組尾端自翻車車頂棚下方的位置分別安裝1 只長(zhǎng)焦路況攝像機(jī)及1 只廣角路況攝像機(jī)，通過(guò)無(wú)線網(wǎng)橋傳輸方式，將視頻信息實(shí)時(shí)傳輸?shù)今{駛室音視頻終端。

3.5 高壓室防火監(jiān)測(cè)裝置安裝方案

電機(jī)車高壓室存在大量電器設(shè)備，使用過(guò)程中容易發(fā)生火災(zāi)，為提前預(yù)計(jì)，每臺(tái)機(jī)車在高壓室接觸器上方安裝點(diǎn)型感煙探測(cè)器，高壓主線位置纏繞感溫線纜，在高壓室背墻安裝中間接線盒及終端盒，實(shí)時(shí)掌握高壓設(shè)備狀態(tài)。當(dāng)高壓室發(fā)生火災(zāi)或高壓主線溫度過(guò)高時(shí)，通過(guò)音視頻裝置進(jìn)行報(bào)警提醒。

3.6 無(wú)線網(wǎng)橋安裝方案

為實(shí)現(xiàn)行車預(yù)警系統(tǒng)電機(jī)車主機(jī)與車組尾端守車攝像機(jī)之間有效的通信連接，由于有線方式無(wú)法實(shí)現(xiàn)，選用無(wú)線網(wǎng)橋方式進(jìn)行無(wú)線網(wǎng)絡(luò)連接。在電機(jī)車車頂位置和并車組尾端自翻車的車墻壁上分別安裝1只無(wú)線網(wǎng)橋。

4 行車預(yù)警系統(tǒng)應(yīng)用效果

目前，南山礦12 臺(tái)ZG150-1500 型直流電力機(jī)車及12 臺(tái)尾端守車已全部安裝行車預(yù)警系統(tǒng)，運(yùn)行效果良好，電機(jī)車駕駛員通過(guò)行車預(yù)警系統(tǒng)能夠方便快捷地掌控機(jī)車運(yùn)行狀況，有效降低電機(jī)車行車風(fēng)險(xiǎn)。

（1）通過(guò)無(wú)線網(wǎng)橋電機(jī)車主機(jī)能夠方便地與新掛接的尾端翻斗車的視頻裝置進(jìn)行自由配置，實(shí)時(shí)顯示車組尾端畫(huà)面。

（2）駕駛員通過(guò)攝像機(jī)能夠?qū)崟r(shí)觀察電機(jī)車周邊的環(huán)境，并可以根據(jù)需要在人機(jī)界面上選擇需要重點(diǎn)關(guān)注的畫(huà)面。視頻畫(huà)面顯示效果如圖2所示。

（3）行車預(yù)警系統(tǒng)利用計(jì)算機(jī)視覺(jué)及深度學(xué)習(xí)技術(shù)，實(shí)現(xiàn)了對(duì)可能影響行車安全的行人及異物進(jìn)行判斷和預(yù)警提醒。

（4）實(shí)現(xiàn)了電機(jī)車運(yùn)行速度、溫度及煙霧的報(bào)警提醒功能。

（5）利用行車預(yù)警GPS 模組，并通過(guò)物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)，將電機(jī)車運(yùn)行狀態(tài)（速度、位置、防火檢測(cè)）等信息有效地傳輸?shù)秸{(diào)度集控室，提高了集中調(diào)度效率。

5 結(jié)語(yǔ)

（1）傳統(tǒng)ZG150-1500 型直流電力機(jī)車行車安全預(yù)警系統(tǒng)能夠有效提高行車中的安全性，滿足了露天礦山行車要求，具有很好的推廣價(jià)值。

（2）車組尾端自翻車視頻信號(hào)利用網(wǎng)橋傳輸方式，視頻延時(shí)較大，不能滿足未來(lái)電機(jī)車自動(dòng)駕駛或無(wú)人駕駛的需要，需要利用5G技術(shù)降低延時(shí)。

（3）利用信息化、自動(dòng)化技術(shù)提高礦山運(yùn)輸設(shè)備智能化水平，保障設(shè)備運(yùn)行安全，是礦山企業(yè)實(shí)現(xiàn)高質(zhì)量發(fā)展的必由之路。