邊坡清篩機(jī)側(cè)犁防碰撞技術(shù)研究與應(yīng)用

王瑞軍，高春雷，周佳亮

(1.濟(jì)南鐵路局 工務(wù)機(jī)械段，山東 濟(jì)南　250022；2.中國(guó)鐵道科學(xué)研究院 鐵道建筑研究所，北京　100081)

鐵道線路在運(yùn)營(yíng)過(guò)程中，會(huì)發(fā)生變形、磨耗、破損、腐蝕、臟污及老化，因此要對(duì)其進(jìn)行養(yǎng)護(hù)、維修，以使其處于正?？煽康墓ぷ鳡顟B(tài)，保證行車安全。對(duì)碎石道床而言，當(dāng)其不潔度超過(guò)30%時(shí)，應(yīng)該進(jìn)行清篩。由于道床清篩在線路大、中修任務(wù)中是一項(xiàng)工作量大、勞動(dòng)強(qiáng)度高的作業(yè)項(xiàng)目，目前我國(guó)越來(lái)越多地采用大型養(yǎng)路機(jī)械來(lái)完成。其中，邊坡清篩機(jī)是用來(lái)完成對(duì)邊坡道砟的挖掘、清篩、回填、整形和拋土的大型養(yǎng)路機(jī)械，可大大改善道床的排水性能，延長(zhǎng)線路的大修周期。側(cè)犁是位于邊坡清篩機(jī)兩側(cè)的工作機(jī)構(gòu)，承擔(dān)著對(duì)篩分好的道砟進(jìn)行坡度整形的任務(wù)。由于側(cè)犁必須頻繁地超出限界進(jìn)行整形工作，容易碰撞沿線兩側(cè)分布的接觸網(wǎng)支柱等地面設(shè)施，造成安全或晚點(diǎn)等事故[1-2]。

針對(duì)邊坡清篩機(jī)側(cè)犁碰撞接觸網(wǎng)支柱等設(shè)施的安全隱患，各路局采用了相關(guān)管理辦法提高司機(jī)的安全駕駛意識(shí)。在噪聲、振動(dòng)和灰塵都很大的惡劣工作環(huán)境中，司機(jī)長(zhǎng)時(shí)間集中精力保障施工安全是一件很困難的事情。為了降低司機(jī)勞動(dòng)強(qiáng)度，解決邊坡清篩機(jī)側(cè)犁碰撞接觸網(wǎng)支柱等設(shè)施的安全隱患，設(shè)計(jì)了一套側(cè)犁防碰撞裝置，介紹了裝置的現(xiàn)場(chǎng)裝車應(yīng)用的方法，為邊坡清篩機(jī)側(cè)犁安全施工提供設(shè)備保障。側(cè)犁防碰撞裝置的技術(shù)方案將重點(diǎn)解決接觸網(wǎng)支柱等地面設(shè)施位置檢測(cè)和側(cè)犁超限外伸量檢測(cè)的問(wèn)題，測(cè)量結(jié)果不能受到現(xiàn)場(chǎng)塵土等周圍環(huán)境因素影響。

1　總體方案

1-邊坡清篩機(jī); 2-揚(yáng)聲器; 3-攝像機(jī); 4-無(wú)線測(cè)距固定端; 5-計(jì)算機(jī); 6-側(cè)犁外伸量檢測(cè)裝置; 7-無(wú)線測(cè)距移動(dòng)端; 8-側(cè)犁 圖1　側(cè)犁防碰撞裝置示意

邊坡清篩機(jī)側(cè)犁防碰撞裝置見(jiàn)圖1所示，該系統(tǒng)的無(wú)線測(cè)距裝置由無(wú)線測(cè)距固定端4和無(wú)線測(cè)距移動(dòng)端7組成。無(wú)線測(cè)距移動(dòng)端用于標(biāo)識(shí)障礙物的位置，它放置于接觸網(wǎng)支柱或斜拉線旁邊。無(wú)線測(cè)距固定端4安裝在邊坡清篩機(jī)車尾，它檢測(cè)車前方最近的無(wú)線測(cè)距移動(dòng)端7的位置，便可獲取經(jīng)過(guò)標(biāo)識(shí)的障礙物的距離值D。側(cè)犁外伸量檢測(cè)裝置6安裝在側(cè)犁旁的車身處。攝像機(jī)3安裝在車尾，它實(shí)時(shí)檢測(cè)車前現(xiàn)場(chǎng)圖像。揚(yáng)聲器2安裝在司機(jī)室，它向司機(jī)發(fā)出語(yǔ)音提示信息。司機(jī)室里的計(jì)算機(jī)5接收障礙物的距離值D、側(cè)犁外伸量檢測(cè)數(shù)據(jù)和監(jiān)控圖像，數(shù)據(jù)經(jīng)計(jì)算和處理后，可控制聲光報(bào)警器工作、語(yǔ)音提示和控制清篩機(jī)自動(dòng)停車。

1.1　接觸網(wǎng)支柱位置檢測(cè)

測(cè)量接觸網(wǎng)支柱位置的傳感器按照被測(cè)物對(duì)檢測(cè)信號(hào)的影響可分為主動(dòng)探測(cè)類和標(biāo)識(shí)類。主動(dòng)探測(cè)類傳感器是對(duì)某個(gè)信號(hào)區(qū)域進(jìn)行主動(dòng)探測(cè)，利用特定區(qū)域的物體對(duì)聲光信號(hào)的反射，計(jì)算信號(hào)的往返時(shí)間和傳播速度，達(dá)到測(cè)量的目的。例如激光、超聲波、紅外探測(cè)器、雷達(dá)等設(shè)備。標(biāo)識(shí)類傳感器一般至少由2個(gè)設(shè)備構(gòu)成，一個(gè)設(shè)備放置于指定的被測(cè)物附近，標(biāo)識(shí)被測(cè)物位置，另一個(gè)設(shè)備則是接收標(biāo)識(shí)設(shè)備的信號(hào)。2個(gè)設(shè)備可以實(shí)現(xiàn)測(cè)距的功能，3個(gè)以上的設(shè)備能實(shí)現(xiàn)設(shè)備之間的空間定位。例如GPS、電子標(biāo)簽等設(shè)備。

主動(dòng)探測(cè)類設(shè)備探測(cè)到的物體可能是灰塵、路過(guò)的工作人員、甚至可能是落葉等，這些物體對(duì)污土帶不構(gòu)成障礙，而此類設(shè)備無(wú)法自動(dòng)區(qū)分探測(cè)到的是何種物體，因此誤報(bào)率會(huì)很高[3-5]。

對(duì)于GPS和電子標(biāo)簽這些標(biāo)識(shí)類設(shè)備而言，測(cè)量結(jié)果只能是唯一的被標(biāo)識(shí)過(guò)的物體，這就大大增加了現(xiàn)場(chǎng)施工作業(yè)的靈活性，它們可用于標(biāo)識(shí)斜拉線、接觸網(wǎng)支柱等對(duì)側(cè)犁構(gòu)成障礙的一切地面設(shè)施。人為標(biāo)識(shí)這些設(shè)施準(zhǔn)確可靠，避撞裝置將很少有誤報(bào)。由于GPS設(shè)備定位區(qū)域大、價(jià)格高，局部定位誤差受地形等環(huán)境的影響，所以選取基于電子標(biāo)簽標(biāo)識(shí)障礙物位置的無(wú)線測(cè)距技術(shù)來(lái)獲取障礙物的位置信息。

1.2　側(cè)犁外伸量檢測(cè)

側(cè)犁外伸量檢測(cè)裝置見(jiàn)圖2所示，該裝置的核心單元由拉繩傳感器和角度傳感器組成。拉繩傳感器下方有一個(gè)半徑為r的導(dǎo)輪，輪的軸心與角度傳感器的軸心重合。角度傳感器前方有一個(gè)轉(zhuǎn)動(dòng)半徑為R的擺桿，拉繩傳感器的鋼絲繩穿過(guò)擺桿的橫梁后與側(cè)犁外側(cè)邊緣固定。

1-拉繩傳感器; 2-角度傳感器圖2　側(cè)犁外伸量檢測(cè)裝置

圖3　側(cè)犁外伸量檢測(cè)數(shù)學(xué)模型

根據(jù)側(cè)犁外伸量檢測(cè)裝置的機(jī)械結(jié)構(gòu)，可得到側(cè)犁外伸量檢測(cè)的數(shù)學(xué)模型，見(jiàn)圖3所示。設(shè)導(dǎo)輪軸心距線路中心為X0，鋼絲繩垂直向下時(shí)的擺角為θ0，鋼絲繩位于導(dǎo)輪水平軸的位置時(shí)的長(zhǎng)度為L(zhǎng)0，則側(cè)犁外伸量X的計(jì)算公式為

式中：L為拉繩傳感器的輸出值；θ為角度傳感器的輸出值，其他參數(shù)為跟安裝幾何結(jié)構(gòu)有關(guān)的已知量。

2　軟件設(shè)計(jì)

2.1　軟件結(jié)構(gòu)

系統(tǒng)軟件結(jié)構(gòu)見(jiàn)圖4所示，按功能劃分為4個(gè)模塊。顯示HMI模塊是人機(jī)交互界面，它告知司機(jī)障礙物的位置、側(cè)犁超出限界的外伸量和現(xiàn)場(chǎng)作業(yè)視頻圖像。參數(shù)設(shè)置模塊可對(duì)預(yù)警等級(jí)區(qū)間進(jìn)行劃分，用3個(gè)縱向設(shè)定參數(shù)Y1,Y2,Y3進(jìn)行設(shè)置；還可對(duì)側(cè)犁安全外伸量區(qū)間進(jìn)行劃分，用一個(gè)橫向設(shè)定參數(shù)X1進(jìn)行設(shè)置。狀態(tài)監(jiān)測(cè)模塊用于查看系統(tǒng)工作過(guò)程中底層硬件的數(shù)字開(kāi)關(guān)量輸入輸出、脈沖量和傳感器的狀態(tài)是否處于正常工作狀態(tài)。防撞預(yù)警模塊通過(guò)計(jì)算側(cè)犁外伸量，以及接觸網(wǎng)支柱等設(shè)施迎著作業(yè)方向的一側(cè)和車輛端面之間的距離，與預(yù)設(shè)距離(Y1,Y2,Y3)比較，滿足設(shè)定條件時(shí)，進(jìn)行斷續(xù)報(bào)警、持續(xù)報(bào)警或自動(dòng)停車，實(shí)現(xiàn)輔助避障。

圖4　系統(tǒng)軟件結(jié)構(gòu)

2.2　程序邏輯

側(cè)犁防碰撞裝置的程序邏輯見(jiàn)圖5所示。程序采集無(wú)線測(cè)距、側(cè)犁外伸量和圖像數(shù)據(jù)，通過(guò)計(jì)算分析實(shí)現(xiàn)不報(bào)警、斷續(xù)報(bào)警、持續(xù)報(bào)警和自動(dòng)停車4個(gè)避障預(yù)警等級(jí)。4個(gè)避障預(yù)警等級(jí)程序邏輯劃分是：當(dāng)測(cè)距值D≥Y1時(shí)，不報(bào)警；當(dāng)測(cè)距值DX1時(shí)，斷續(xù)報(bào)警；當(dāng)測(cè)距值DX1時(shí)，持續(xù)報(bào)警；當(dāng)測(cè)距值D

圖5　防撞預(yù)警程序邏輯

2.3　濾波算法

邊坡清篩機(jī)擁有一套振動(dòng)裝置，可將泥土等雜質(zhì)從篩網(wǎng)孔內(nèi)分離出來(lái)。為減少車體振動(dòng)對(duì)側(cè)犁外伸量檢測(cè)裝置的影響，選用中值濾波算法對(duì)角度傳感器和拉繩傳感器的數(shù)據(jù)進(jìn)行處理。具體步驟如下：

1)定義一個(gè)大小為20的數(shù)組a[20]用于存放傳感器的數(shù)據(jù)。

2)采用冒泡排序算法對(duì)數(shù)組a[20]進(jìn)行由小到大排序后,取數(shù)組中間2個(gè)數(shù)據(jù)a[9]和a[10]的均值。

3)采集傳感器數(shù)據(jù)后更新數(shù)組a[20]。

3　裝車應(yīng)用

通過(guò)對(duì)側(cè)犁防碰撞裝置的裝車應(yīng)用，總結(jié)了一套既能滿足實(shí)際側(cè)犁的防撞需求，又能適應(yīng)邊坡清篩機(jī)司機(jī)的使用習(xí)慣的操作流程：

1)啟動(dòng)電源

在邊坡清篩機(jī)到達(dá)施工地點(diǎn)后，閉合防碰撞裝置的保險(xiǎn)和各級(jí)電源開(kāi)關(guān)，系統(tǒng)在30 s后將自動(dòng)啟動(dòng)并運(yùn)行程序。

2)標(biāo)識(shí)障礙物位置

車下防護(hù)工位操作人員將無(wú)線測(cè)距移動(dòng)端放置于距線路中心3 m且與接觸網(wǎng)支柱或斜拉線等障礙物位置對(duì)齊處。在數(shù)據(jù)跳動(dòng)較大時(shí)，為保證測(cè)距精度，可將移動(dòng)端托舉到胸前高度或以上，使無(wú)線信號(hào)能無(wú)遮擋的在空中傳輸。

3)避障

根據(jù)預(yù)警危險(xiǎn)等級(jí)進(jìn)行避障：斷續(xù)報(bào)警時(shí)，說(shuō)明接觸網(wǎng)支柱等設(shè)施距清篩機(jī)車尾距離已小于縱向設(shè)定參數(shù)Y1，此時(shí)應(yīng)謹(jǐn)慎操作。持續(xù)報(bào)警時(shí)，應(yīng)立即操作側(cè)犁避讓障礙。車下防護(hù)工位操作人員必須等到側(cè)犁成功避開(kāi)障礙物后，將無(wú)線測(cè)距移動(dòng)端放置于下一個(gè)需標(biāo)識(shí)的障礙物位置。

4)退出系統(tǒng)

施工完成后，將線路下的無(wú)線測(cè)距移動(dòng)端放置于車上，在人機(jī)交互界面上退出系統(tǒng)軟件后，斷開(kāi)防碰撞裝置電源和保險(xiǎn)。

4　現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)

2017年6月29日將側(cè)犁防碰撞裝置安裝在濟(jì)南局編號(hào)為09508#邊坡清篩機(jī)上，并對(duì)裝置的側(cè)犁外伸量測(cè)量精度和側(cè)犁防撞預(yù)警功能進(jìn)行了試驗(yàn)。

側(cè)犁外伸量精度測(cè)量試驗(yàn)過(guò)程：如圖6所示，將側(cè)犁分次外伸到距線路中心2.5～3.5 m范圍內(nèi)的3個(gè)采樣點(diǎn)位置，用卷尺測(cè)量采樣點(diǎn)處側(cè)犁外邊沿距線路中心的距離作為采樣值，讀取系統(tǒng)測(cè)得的外伸量并計(jì)算均值作為實(shí)測(cè)均值，將實(shí)測(cè)均值減去采樣值作為側(cè)犁外伸量測(cè)量精度。

圖6　側(cè)犁外伸量測(cè)量精度試驗(yàn)

試驗(yàn)結(jié)果見(jiàn)表1，側(cè)犁外伸量測(cè)量精度可控制在0.1～0.3 m內(nèi)。由于接觸網(wǎng)支柱等設(shè)施距離線路中心3 m位置附近，檢測(cè)側(cè)犁距線路中心3 m附近的外伸量測(cè)量精度具有重要意義，表1中所測(cè)精度能保障側(cè)犁通過(guò)障礙時(shí)具有0.1～0.3 m的安全距離。

側(cè)犁防撞預(yù)警功能試驗(yàn)過(guò)程：如圖7所示，將無(wú)線測(cè)距移動(dòng)端放置于接觸網(wǎng)支柱或斜拉線位置，設(shè)置Y1=20 m，Y2=18 m，Y3=14 m，X1=2.5 m，邊坡清篩機(jī)駛向接觸網(wǎng)支柱時(shí)，觀察4個(gè)避障預(yù)警等級(jí)。

側(cè)犁防撞預(yù)警功能試驗(yàn)結(jié)果：當(dāng)測(cè)距值D≥Y1時(shí)，不報(bào)警；當(dāng)測(cè)距值DX1時(shí)，斷續(xù)報(bào)警；當(dāng)測(cè)距值DX1時(shí)，持續(xù)報(bào)警；當(dāng)測(cè)距值D

表1　側(cè)犁外伸量測(cè)量精度試驗(yàn)結(jié)果　m

圖7　側(cè)犁防撞預(yù)警功能試驗(yàn)

5　結(jié)語(yǔ)

本文設(shè)計(jì)的側(cè)犁防碰撞裝置選用了不受塵土等環(huán)境因素影響的接觸網(wǎng)支柱等設(shè)施的位置檢測(cè)技術(shù)，設(shè)計(jì)了基于拉繩傳感器和角度傳感器的側(cè)犁外伸量檢測(cè)裝置，選用了中值濾波算法處理傳感器數(shù)據(jù)的抖動(dòng)問(wèn)題，設(shè)計(jì)了4個(gè)避障預(yù)警等級(jí)，實(shí)現(xiàn)了側(cè)犁防撞預(yù)警功能。該裝置可在噪聲、振動(dòng)和灰塵都很大的惡劣工作環(huán)境中使用，降低了司機(jī)勞動(dòng)強(qiáng)度，解決了邊坡清篩機(jī)側(cè)犁碰撞接觸網(wǎng)支柱等設(shè)施的安全隱患。

[1]寇長(zhǎng)青.全斷面枕底清篩機(jī)[M].北京：中國(guó)鐵道出版社，1998.

[2]劉偉，王妍萍，曲冬輝.邊坡清篩機(jī)控制系統(tǒng)的研究[J].北京服裝學(xué)院學(xué)報(bào),2016,36(3):79-86.

[3]顏瓊，李懿.清篩機(jī)污土輸送裝置防碰撞系統(tǒng)研究[J].中國(guó)鐵路，2015(12):46-50.

[4]高春雷.清篩機(jī)污土輸送裝置避障系統(tǒng)的設(shè)計(jì)[J].鐵道建筑，2007,47(8)：97-99.

[5]薛安琳，周佳亮.BS-1200型邊坡清篩機(jī)避撞輔助安全裝置設(shè)計(jì)[J].鐵道建筑，2014,54(5)：145-147.