铁路货物装卸机械人机安全防撞智能预警系统设计

杨广全，杨 旭，史 村

(1.中国铁道科学研究院集团有限公司 运输及经济研究所，北京 100081；2.中国国家铁路集团有限公司 货运部，北京 100844)

铁路货物装卸作业是一种动态、系统的作业过程，人机混合、立体交叉，气候、环境、设备、设施经常变化，存在着各种不安全因素，易发生人身伤亡事故[1-3]。特别是大型流动机械，如正面吊、装载机、大型叉车等装卸机械，在倒车、转弯作业时，由于司机视野盲区、疲劳驾驶、盲目追求效率及作业防护不到位、作业人员自我保护意识不强等综合因素作用下，造成人机相撞，轻则重伤，重则死亡，形成特别惨烈的人身伤亡事故。另外，轨行式门吊装卸作业沿轨道运行时，支腿区域和堆场区域是危险区域，曾发生人员伤亡事故。为保障铁路货物装卸作业人身安全，2023年7月公布了《铁路货物装卸安全技术要求》(TB/T 30009—2023)铁道行业标准，明确规定集装箱正面吊应配置人机安全智能防撞预警装置。在此背景下，通过对铁路货物装卸作业人机碰撞事故因素分析，研究设计了铁路货物装卸机械人机安全防撞智能预警系统，以保障人身安全，适应装卸机械智能化发展[4-7]。

1 铁路货物装卸机械人机碰撞事故因素分析

（1）视野盲区。正面吊、装载机等流动式装卸机械因自身结构庞大、复杂的特点，驾驶员位于正常驾驶座位置，其视线被车体遮挡的较多，在机械两侧及后方形成较大的视野盲区，在倒车时该缺点尤为突出，是事故诱发的重要因素之一，易造成行人被碾压致死事故。以正面吊为例，驾驶室与车体尾部距离较远，且吊臂支点位于驾驶室后侧，正面吊在作业过程中，需要频繁倒车，由于视野盲区正面吊的尾部具有明显撞击痕迹，说明在投入使用后经历过多次碰撞，当行人侵入正面吊作业区域特别是正面吊后方区域时，极易造成人机碰撞事故。

（2）视线遮挡或视线不良。正面吊、装载机等流动式装卸机械多在露天环境下作业，其作业区域与人员行走区域有重合情况，同一区域内多种设备同时进行交叉作业，货物堆存较高或设备之间遮挡司机视线，雨雪霾天气或夜间作业视野不佳等因素，导致因视线受阻而引发人机碰撞事故。

（3）超速。流动式装卸机械在运动中的视野盲区是动态变化的，车速越快，造成的视野盲区越大。为确保流动式装卸机械有足够的制动距离和突发事件反应时间，一般对流动式装卸机械的行驶速度有严格控制要求。但在实际装卸作业中，司机盲目追求作业效率，存在超速行驶的情况。超速行驶危害较大，可能会因为制动距离过长或反应时间太短而引发碰撞事故。

（4）人的不安全因素。铁路货物装卸作业工作环境较为恶劣，作业重复率高，司机长时间关注于货物装卸作业，精神高度紧张，极易产生身体疲劳，易于忽略对环境状态变化的察觉，是引起人机碰撞事故的潜在原因。除了装卸机械司机外，还有辅助作业人员及其他人员存在，不少事故原因为现场作业人员不遵守作业规范或无关人员(误)闯入作业现场而引发的人机碰撞或在作业区域休息被碾压致死。而在所有的因素中，进入装卸机械工作区域的人员警惕性不高占人机碰撞事故绝对比例，无意识进入装卸机械运行线路上造成人机碰撞事故。

2 铁路货物装卸机械人机安全防撞智能预警系统技术方案

目前，铁路大型流动式装卸机械主要采用倒车雷达进行防撞管理，但倒车雷达仅提供影像，不能区分人员和物体，不能标定设备作业半径内人员入侵危险区域，且频繁报警造成司机无谓的紧张、听觉干扰和听觉疲劳。在港口装卸作业中，为保障地面作业人员的人身安全，提出了基于RFID技术的港口装卸作业人机安全预警系统，地面作业人员需要随身配备预警设备，但对于进入装卸机械作业区域的其他人员不能起到保护作用[8]。随着机器视觉、人工智能技术的发展和GPU计算能力的提升[9-10]，研究基于深度学习的人机安全防撞智能预警技术，实时自动识别周边人员并测距，及时向司机预警，防止装卸机械与人员相撞，避免人身伤亡事故发生。为此，开发了铁路货物装卸机械人机安全防撞智能预警系统。

2.1 铁路货物装卸机械人机安全防撞智能预警系统构成

铁路货物装卸机械人机安全防撞预警系统由高清工业摄像机、图像处理器、报警显示器、远程传输单元、远程监测中心、卫星车载定位模块等组成，人机安全防撞智能预警系统构成如图1所示。其工作流程为：高清工业摄像机采集装卸机械车体作业区域的图像；图像处理器根据采集的图像对装卸机械作业区域的行人进行实时识别和定位，确定行人边界框坐标；根据行人边界框坐标测距，确定行人位于的区域。若行人位于危险区域，则根据行人所在的危险区域向报警显示模块发送相应的报警指令，报警显示器进行一级预警或二级预警，提示司机注意行人。

图1 人机安全防撞智能预警系统构成Fig.1 Composition of the human-machine safety and collision avoidance intelligent warning system

（1）高清工业摄像机。高清工业摄像机安装在铁路货物装卸机械车身上，用于采集装卸作业区域的视频流。选用网络型摄像机，分辨率1 280×720，最小照度满足0.002 Lux，镜头光圈F1.0，镜头焦距2.8 mm，水平视角不低于90°，垂直视场角大于55°，帧率不低于25 fps，采用3D数字降噪、宽动态及强光抑制功能，摄像机画面成像日夜全彩、暗光下不会出现拖尾或延迟，具有自动搜索重连功能。外壳防护等级达到GB/T 4208—2017规定的IP68，防水防尘。

（2）图像处理器。图像处理器如图2所示，用于接收装卸作业区域视频流，并对装卸作业区域视频流的行人进行实时识别和定位。GPU图像处理器采用Pascal架构，中央处理器采用64位A57架构，采用256个CUDA核心的GPU图像处理器作为数据处理单元，内存为8 GB，存储空间32 G，浮点算力为每秒1.3万亿浮点运算次数；图像处理器的封装工艺采用无风扇散热工艺，处理器涂抹导热剂，紧贴铝合金散热型材，外壳防护等级达到GB/T 4208—2017规定的IP65。图像处理器具有电源指示灯，每路摄像机连接指示灯，至少具有1个HDMI、1个USB、4个RJ45、2路DC12V信号输出(可驱动12 V声光报警灯)、2路信号输入接口。图像处理器带有挂耳式安装孔，可侧挂式安装固定。

图2 图像处理器Fig.2 Image processor

（3）报警显示器。报警显示器用于显示图像处理器处理后的视频流，并高亮显示行人位置，按照人机距离进行一级预警和二级预警。报警显示器屏幕尺寸不小于7寸，外壳防护等级达到GB/T 4208—2017规定的IP65，HDMI及电源接口采用隐藏式防水接口，抗无线电电磁干扰，可屏蔽驾驶室内对讲机的电磁干扰，音量及明暗度可调节。

（4）远程传输单元。图像经过图像处理器处理后，人机冲突图像由网络处理器传输到远程监测中心存储。网络处理器采用全频棒状天线，内置4G无线通信模块，借助TCP/UDP/MQTT/DNS等互联网通信协议，将人机冲突图像、冲突位置、冲突时间等数据无线传输到远程监测中心。

（5）远程监测中心。经过图像处理器处理后的人机冲突图像及相关信息通过4G网络传输，存储到远程数据库服务器中，为系统应用和移动终端提供查询、统计服务。

（6）卫星车载定位模块。采用GPS/北斗双模实时定位，定位精度2 m，可以获取人机冲突的位置，并对装卸机械的运行轨迹进行追溯、回放。

2.2 铁路货物装卸机械人机安全防撞智能预警系统技术指标和功能

（1）针对现场作业时白天出现强光、夜晚出现暗光低照度各种光线条件，采用日夜全彩高清工业摄像机，在星光环境下无需任何辅助光源，可以清晰显示彩色图像，满足货场作业区域正常工作照度条件，白天夜晚识别效果一致，并在强光、弱光、夜晚等环境下能有效地识别设备危险区域内的人员。针对露天作业，作业环境恶劣，高清工业摄像机采用IP68防护等级封装，采用专用支架安装，安装牢固可靠、防震，适合铁路货场全天候工作。

（2）行人识别准确率≥98%，行人识别响应时间≤300 ms，满足行人识别实时性要求，能够全天候主动识别行人走行、骑行、站蹲等各种姿态。为了提升行人识别准确率和识别实时性，一是基于深度学习理论，构建行人识别卷积神经网络，并融入注意力机制，建立铁路货物装卸作业行人智能识别网络模型，以平衡行人的识别准确性和识别速度；二是建立铁路货场装卸作业环境行人标注数据集用于训练网络模型，提升行人识别准确性；三是采用GPU高效处理芯片进行嵌入式设计，提升行人识别速度。

（3）按照人机距离采用分级预警。正面吊的人机距离一般设为10 m，15 m，当人机距离≤10 m时采用一级预警，当10 m≤人机距离≤15 m时采用二级预警；装载机的人机距离一般设置为5 m，10 m，当人机距离≤5 m时采用一级预警，当5 m≤人机距离≤10 m时采用二级预警。报警区域范围也可自定义调节，按照需求设定分级预警的人机距离范围。

（4）报警显示器显示报警。实时显示高清工业摄像机采集的装卸作业区域图像，若行人进入装卸机械报警区域，则按照一级和二级预警判断标准触发报警，并高亮框选行人、闪烁蜂鸣报警，提醒司机注意行人，控制人机碰撞风险。

（5）180°，270°和360°覆盖范围。①180°覆盖范围。在流动式装卸机械尾部安装2台高清工业摄像机，采集机械尾部的工作区域，图像处理器对尾部作业区域内的行人识别和定位。②270°覆盖范围。在流动式装卸机械两侧和尾部安装4台高清工业摄像机，采集机械两侧和尾部的工作区域，图像处理器对两侧和尾部作业区域内的行人识别和定位，270°覆盖范围示意图如图3所示。③360°覆盖范围。在流动式装卸机械两侧、尾部和前方安装高清工业摄像机，图像处理器对周围作业区域内的行人识别和定位。

图3 270°覆盖范围示意图Fig.3 Schematic diagram of coverage with 270 degrees

（6）人机冲突信息存储和查询。行人在报警区域的图像经过图像处理器识别和定位后，由网络处理器的4G无线通信模块传输到远程监测中心压缩存储，每张图像大小约为50 KB，可通过终端设备进行追溯和查询查看。远程监测中心存储的行人识别、定位和报警图像如图4所示，图像中的黄色圆点表示正面吊右侧和右后方的行人均处于二级报警区域，若圆点显示为红色时，表示行人处于一级报警区域。

图4 行人识别、定位和报警图像Fig.4 Image example of pedestrian recognition, positioning and alarm

（7）程序的远程自动升级。通过远程监测中心存储的行人图像，形成铁路货场行人大数据，以训练行人智能识别网络模型，持续提升行人识别准确性。网络处理器具有物联网远程传输功能接口，利用4G无线通信模块，进行模型和程序的远程自动升级。

3 结束语

铁路货物装卸机械人机安全防撞智能预警系统是以图像处理器为核心，通过高清工业摄像机获取装卸机械作业区域视频流，实时自动识别作业区域行人并标定测距，及时向司机预警并在碰撞前停车，实现人机防撞精准预警，防止装卸机械与人员相撞，能有效避免人身伤亡事故发生。同时，人机冲突信息通过网络处理器传输到远程监测中心存储，为人机冲突信息的统计和查询提供数据支持。该系统已在中国铁路北京局集团有限公司铁路货场推广应用，应用效果良好。