大型養(yǎng)路機械施工現(xiàn)場人員安全預警系統(tǒng)技術研究

徐濟松 高春雷 何國華 劉尚昆

中國鐵道科學研究院集團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)路機械在線路上作業(yè)時，車輛周邊各工種施工人員多［1-2］，且人員作業(yè)地點分散，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)場形成了復雜的人、機、環(huán)境系統(tǒng)，極易發(fā)生人員安全事故。

目前國內(nèi)外大機作業(yè)安全主要是采用全面化、細致化、嚴格化的制度管理和安全監(jiān)測系統(tǒng)兩種方式。一方面，通過對大機施工安全的風險進行辨識，制定出完善的風險控制措施；另一方面，通過在大機關鍵位置安裝攝像頭，將大機周邊作業(yè)環(huán)境提供給駕駛室操作員，由操作員對周邊風險進行人工辨別并進行相應操作。但受現(xiàn)場環(huán)境干擾、司機主觀意識等因素影響，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)場人員盯控，時常發(fā)生人員或設備機具侵入鄰線的安全事故，造成巨大損失。

根據(jù)調(diào)研結果，國內(nèi)外現(xiàn)有上道作業(yè)安全防護系統(tǒng)及關于鐵路工務施工現(xiàn)場人員定位、安全預警的研究中，安全狀態(tài)的確認仍需用戶在上道和下道時進行人工操作，定位技術方案依賴衛(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)因信號強度較弱，使用效果不理想。因此，有必要研究適用于惡劣工況的大機施工現(xiàn)場人員安全預警技術。

1 總體技術方案

1.1 方案內(nèi)容

針對大機作業(yè)時施工現(xiàn)場人員特點，綜合運用激光雷達［4］、超寬帶（Ultra Wide Band，UWB）［5］等無線探測技術，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方案，對車輛或工作裝置碰撞人員、人員侵入鄰線等安全隱患進行及時預警［6-7］。

大機施工現(xiàn)場人員安全預警系統(tǒng)由多層激光雷達、位移檢測模塊、物聯(lián)感知單元、計算機處理單元、顯示終端、速度傳感器、安全預警模塊、聲光報警器等組成。其在典型大機車輛的安裝布局如圖1所示。

圖1 大機施工現(xiàn)場人員安全預警系統(tǒng)典型安裝布局

系統(tǒng)中，位移檢測模塊實時對大機工作裝置外伸端部進行橫向和縱向位置的在線檢測，構建大機施工作業(yè)安全電子圍欄；物聯(lián)感知單元的UWB信號發(fā)射器對所有進場人員攜帶的安全預警模塊進行實時探測；多層激光雷達對大機四周近端進行實時掃描，實現(xiàn)大機周邊近端的人員識別與定位。最后，計算機處理單元進行多源數(shù)據(jù)融合處理，結合大機走行速度，構建大機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行信息共享。當發(fā)生安全風險時，通過安全預警模塊及時對周邊施工人員進行安全預警，并通過聲光報警模塊對行車司機進行提示。大機施工現(xiàn)場人員安全預警流程如圖2所示。

圖2 大機施工現(xiàn)場人員安全預警流程

1.2 技術參數(shù)

1）近端人員預警范圍0～5 m；

2）周邊人員預警范圍5～200 m；

3）人員定位誤差不大于0.2 m；

4）車輛運行速度不大于10 km/h；

5）最大預警人數(shù)不小于200個；

6）工作裝置橫向定位誤差不大于100 mm。

1.3 創(chuàng)新性設計

1）不依賴衛(wèi)星與公共網(wǎng)絡，基于多源數(shù)據(jù)融合的大機周邊人員安全預警技術?；赨WB技術、激光雷達等無線探測技術相融合的定位方案，無需衛(wèi)星定位與公共網(wǎng)絡通信的支持，適用于山區(qū)、隧道等衛(wèi)星與公共網(wǎng)絡信號弱的工況。結合位移檢測模塊對工作裝置外端位置的檢測，構建大機施工人員防撞模型，通過人工佩戴安全預警模塊的方式實現(xiàn)大機施工周邊人員安全預警。

2）隨車靈活組網(wǎng)，差異化人員定位技術。基于車載基站構建隨車坐標系，充分發(fā)揮各技術優(yōu)勢，將車輛周邊人員劃分為近端和遠端。其中，多層激光雷達掃描近端人員，解決UWB技術在近端探測時車體遮擋探測路徑引起的干擾問題；UWB技術可彌補激光雷達遠端探測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)測技術。在單線封鎖工況下，通過多層激光雷達識別技術對鄰線線路及人員設備進行探測識別，對單線封鎖工況下的人員、設備侵入鄰線等隱患進行在線監(jiān)測預警。通過本車列控電臺對施工作業(yè)周邊人員的安全預警信息進行廣播，實時交互本車周邊人員位置與侵線信息。

2 論證試驗

以配砟整形車作為典型大機進行驗證試驗。

2.1 周邊人員識別定位

在車輛端部固定激光雷達傳感器，對車輛前方近端人員進行掃描。計算機處理單元通過以太網(wǎng)獲取基于指定視角的直角坐標系下的點云數(shù)據(jù)；基于點云數(shù)據(jù)特征提取算法，結合人員特征進行特征分析，得到符合人體特征的點云簇，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，針對現(xiàn)場情況，經(jīng)過系統(tǒng)算法處理后識別并定位得到實時三維圖，其中紅色框圈出的是施工人員。分別對站在不同位置的5個人進行系統(tǒng)定位，并采用卷尺在現(xiàn)場復核人車距離，得到周邊人員識別定位精度，見表1?？芍苓吶藛T識別定位精度滿足誤差不大于0.2 m的技術要求。

圖3 周邊人員識別定位示例

表1 周邊人員識別定位精度

2.2 工作裝置位置檢測

在側(cè)犁加裝位移檢測傳感器，對側(cè)犁外伸端部位置進行檢測。工作裝置處于5個不同位置時，測量其與線路中心的橫向距離，并利用卷尺對工作裝置端部位置進行現(xiàn)場復核，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參數(shù)要求。

表2 工作裝置端部定位（橫向距離）精度

3 結語

針對大機施工作業(yè)時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)融合的大機周邊人員安全預警技術，并通過現(xiàn)場試驗論證了技術方案的可行性。通過多源傳感數(shù)據(jù)融合的大機施工人員安全預警系統(tǒng)，解決了既有技術難以適應衛(wèi)星信號弱、網(wǎng)絡信號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險，進而保障施工人員安全。