大型养路机械施工现场人员安全预警系统技术研究

徐济松 高春雷 何国华 刘尚昆

中国铁道科学研究院集团有限公司铁道建筑研究所，北京 100081

捣固车、配砟整形车等大型养路机械在线路上作业时，车辆周边各工种施工人员多［1-2］，且人员作业地点分散，安全管理难度极大。特别是在邻线未封锁的施工条件下，作业时间受线路来车、天气等因素的影响，作业范围受铁路限界、路肩宽度等因素的影响，现场形成了复杂的人、机、环境系统，极易发生人员安全事故。

目前国内外大机作业安全主要是采用全面化、细致化、严格化的制度管理和安全监测系统两种方式。一方面，通过对大机施工安全的风险进行辨识，制定出完善的风险控制措施；另一方面，通过在大机关键位置安装摄像头，将大机周边作业环境提供给驾驶室操作员，由操作员对周边风险进行人工辨别并进行相应操作。但受现场环境干扰、司机主观意识等因素影响，观察力有限，存在较大的安全隐患。另外，在单线封锁工况下，仅仅依赖现场人员盯控，时常发生人员或设备机具侵入邻线的安全事故，造成巨大损失。

根据调研结果，国内外现有上道作业安全防护系统及关于铁路工务施工现场人员定位、安全预警的研究中，安全状态的确认仍需用户在上道和下道时进行人工操作，定位技术方案依赖卫星定位模块与公共网通讯［3］，在山区、隧道等特殊施工条件下系统因信号强度较弱，使用效果不理想。因此，有必要研究适用于恶劣工况的大机施工现场人员安全预警技术。

1 总体技术方案

1.1 方案内容

针对大机作业时施工现场人员特点，综合运用激光雷达［4］、超宽带（Ultra Wide Band，UWB）［5］等无线探测技术，提出多源数据融合的车辆周边人员定位与电子围栏技术方案，对车辆或工作装置碰撞人员、人员侵入邻线等安全隐患进行及时预警［6-7］。

大机施工现场人员安全预警系统由多层激光雷达、位移检测模块、物联感知单元、计算机处理单元、显示终端、速度传感器、安全预警模块、声光报警器等组成。其在典型大机车辆的安装布局如图1所示。

图1 大机施工现场人员安全预警系统典型安装布局

系统中，位移检测模块实时对大机工作装置外伸端部进行横向和纵向位置的在线检测，构建大机施工作业安全电子围栏；物联感知单元的UWB信号发射器对所有进场人员携带的安全预警模块进行实时探测；多层激光雷达对大机四周近端进行实时扫描，实现大机周边近端的人员识别与定位。最后，计算机处理单元进行多源数据融合处理，结合大机走行速度，构建大机施工配合人员防撞模型，并通过本车列控单元与本线及邻线其他车辆进行信息共享。当发生安全风险时，通过安全预警模块及时对周边施工人员进行安全预警，并通过声光报警模块对行车司机进行提示。大机施工现场人员安全预警流程如图2所示。

图2 大机施工现场人员安全预警流程

1.2 技术参数

1）近端人员预警范围0～5 m；

2）周边人员预警范围5～200 m；

3）人员定位误差不大于0.2 m；

4）车辆运行速度不大于10 km/h；

5）最大预警人数不小于200个；

6）工作装置横向定位误差不大于100 mm。

1.3 创新性设计

1）不依赖卫星与公共网络，基于多源数据融合的大机周边人员安全预警技术。基于UWB技术、激光雷达等无线探测技术相融合的定位方案，无需卫星定位与公共网络通信的支持，适用于山区、隧道等卫星与公共网络信号弱的工况。结合位移检测模块对工作装置外端位置的检测，构建大机施工人员防撞模型，通过人工佩戴安全预警模块的方式实现大机施工周边人员安全预警。

2）随车灵活组网，差异化人员定位技术。基于车载基站构建随车坐标系，充分发挥各技术优势，将车辆周边人员划分为近端和远端。其中，多层激光雷达扫描近端人员，解决UWB技术在近端探测时车体遮挡探测路径引起的干扰问题；UWB技术可弥补激光雷达远端探测抗干扰能力差且无法通信的不足。

3）单线封锁工况下的侵邻线监测技术。在单线封锁工况下，通过多层激光雷达识别技术对邻线线路及人员设备进行探测识别，对单线封锁工况下的人员、设备侵入邻线等隐患进行在线监测预警。通过本车列控电台对施工作业周边人员的安全预警信息进行广播，实时交互本车周边人员位置与侵线信息。

2 论证试验

以配砟整形车作为典型大机进行验证试验。

2.1 周边人员识别定位

在车辆端部固定激光雷达传感器，对车辆前方近端人员进行扫描。计算机处理单元通过以太网获取基于指定视角的直角坐标系下的点云数据；基于点云数据特征提取算法，结合人员特征进行特征分析，得到符合人体特征的点云簇，通过数字处理算法得到施工人员的位置信息。

如图3所示，针对现场情况，经过系统算法处理后识别并定位得到实时三维图，其中红色框圈出的是施工人员。分别对站在不同位置的5个人进行系统定位，并采用卷尺在现场复核人车距离，得到周边人员识别定位精度，见表1。可知，周边人员识别定位精度满足误差不大于0.2 m的技术要求。

图3 周边人员识别定位示例

表1 周边人员识别定位精度

2.2 工作装置位置检测

在侧犁加装位移检测传感器，对侧犁外伸端部位置进行检测。工作装置处于5个不同位置时，测量其与线路中心的横向距离，并利用卷尺对工作装置端部位置进行现场复核，得到工作装置端部定位（横向距离）的精度，见表2。可知，工作装置端部定位精度满足技术参数要求。

表2 工作装置端部定位（横向距离）精度

3 结语

针对大机施工作业时车辆周边各工种施工作业人员众多，人员安全管理难度极大的问题，本文提出了基于多源数据融合的大机周边人员安全预警技术，并通过现场试验论证了技术方案的可行性。通过多源传感数据融合的大机施工人员安全预警系统，解决了既有技术难以适应卫星信号弱、网络信号差等恶劣工况的难题，有效降低了工作装置碰撞人员、人员侵入邻线等安全风险，进而保障施工人员安全。