一種大型養(yǎng)路機(jī)械車輛作業(yè)防撞系統(tǒng)

楊 波

（中國鐵路總公司 發(fā)展和改革部，北京 100844）

隨著我國鐵路裝備的不斷發(fā)展，大型養(yǎng)路機(jī)械在鐵路線路養(yǎng)護(hù)作業(yè)中的使用范圍也在不斷增加，有效提高了線路養(yǎng)護(hù)質(zhì)量和作業(yè)效率。但是，由于大型養(yǎng)路機(jī)械施工作業(yè)大多環(huán)境較為惡劣，施工組織復(fù)雜，在其作業(yè)過程中，避免由于人為、外界干擾以及天氣等因素造成的車輛碰撞，保證大型養(yǎng)路機(jī)械作業(yè)安全是一項(xiàng)亟待解決的問題。從目前的大型養(yǎng)路機(jī)械運(yùn)用狀況看，因大型養(yǎng)路機(jī)械作業(yè)時(shí)一般在一個(gè)天窗由多臺(tái)車輛編組后進(jìn)入同一區(qū)段內(nèi)，在作業(yè)區(qū)間脫鉤后每輛車分別進(jìn)行獨(dú)立作業(yè)，由于大型養(yǎng)路機(jī)械之間無法獲取彼此的位置和速度信息，現(xiàn)有情況主要通過車輛司機(jī)目視確定。在隧道、夜晚和能見度不好的情況下，極有可能發(fā)生相撞事故，造成人員傷亡和財(cái)產(chǎn)等不必要的損失。因此增加一套大型養(yǎng)路機(jī)械作業(yè)過程中的相互距離實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)及防碰撞報(bào)警系統(tǒng)，對(duì)提高大型養(yǎng)路機(jī)械施工作業(yè)安全有著重要意義。

大型養(yǎng)路機(jī)械防撞系統(tǒng)通過GPS定位、激光測(cè)距、輪徑脈沖計(jì)數(shù)等手段實(shí)現(xiàn)位置定位及相互距離判斷，采用數(shù)傳電臺(tái)及4G網(wǎng)絡(luò)模塊實(shí)現(xiàn)車輛通信，車輛間相互距離的實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)結(jié)合當(dāng)前車輛速度評(píng)判，最終達(dá)到車輛防碰撞預(yù)警功能。

1 系統(tǒng)方案

1.1 設(shè)計(jì)目標(biāo)

在行車過程中，系統(tǒng)能實(shí)現(xiàn)多臺(tái)大型養(yǎng)路機(jī)械的自動(dòng)編組、自動(dòng)排序、智能定位、語音預(yù)警和倒車影像等功能。不需要任何人工介入，大型養(yǎng)路機(jī)械司機(jī)通過本系統(tǒng)能實(shí)現(xiàn)編組之間車輛的防撞和安全駕駛。通過瀏覽器訪問Web系統(tǒng)，用戶可查看當(dāng)前大型養(yǎng)路機(jī)械編組的作業(yè)區(qū)間和作業(yè)情況，并對(duì)車輛的防撞預(yù)警和設(shè)備運(yùn)行情況等信息進(jìn)行管理分析。

1.2 硬件組成

大型養(yǎng)路機(jī)械防撞系統(tǒng)硬件主要由輪徑脈沖設(shè)備、激光測(cè)距設(shè)備、攝像頭、GPS模塊、電臺(tái)、顯示器和工控機(jī)構(gòu)成。其中輪徑脈設(shè)備包括正交編碼器和脈沖高速計(jì)數(shù)器，正交編碼器安裝在車輪位置，脈沖高速計(jì)數(shù)器安裝在車體內(nèi)；激光測(cè)距設(shè)備有兩個(gè)，分別安裝在車頭和車尾，用于測(cè)量相鄰兩車間的距離；攝像頭有兩個(gè)，分別安裝在車頭和車尾，監(jiān)視車輛兩端的視頻；顯示器有兩個(gè)，分別安裝在車體內(nèi)的兩個(gè)司控臺(tái)位置，顯示信息相同。具體設(shè)備結(jié)構(gòu)圖如圖1所示。

圖1 設(shè)備結(jié)構(gòu)圖

1.3 通信設(shè)計(jì)

大型養(yǎng)路機(jī)械編組之間通過數(shù)傳電臺(tái)通信，與Web管理服務(wù)器之間通過4G網(wǎng)絡(luò)通信。系統(tǒng)編組和通信示意圖如圖2所示。

2 系統(tǒng)功能

2.1 自動(dòng)編組

圖2 系統(tǒng)編組通信示意圖

大型養(yǎng)路機(jī)械起機(jī)后，系統(tǒng)自動(dòng)開啟，本車GPS、速度等信息以廣播的方式向其他車輛發(fā)送。為了防止將其他非實(shí)際編組車輛排除在外，采用兩車距離和速度進(jìn)行比較判斷。判斷的基本思路為：（1）通過數(shù)傳電臺(tái)獲得其他車輛的GPS、速度等信息，與本車GPS、速度信息進(jìn)行比較；（2）如果兩個(gè)GPS之間的距離小于設(shè)定的值，并且速度差值也小于設(shè)定的值，則認(rèn)為車輛為同一編組；（3）在大型養(yǎng)路機(jī)械沒脫鉤之前，系統(tǒng)反復(fù)進(jìn)行編組判斷，確保編組的正確性；（4）若脫鉤作業(yè)后，則不再進(jìn)行編組判斷。

2.2 自動(dòng)排序

自動(dòng)編組完成后，系統(tǒng)根據(jù)GPS和激光距離信息進(jìn)行編組的自動(dòng)排序。

排序的思路為：（1）激光測(cè)距大于預(yù)設(shè)值，確定為編組中第一輛或者最后一輛大型養(yǎng)路機(jī)械；（2）通過兩個(gè)GPS的距離值，獲得同一時(shí)刻下本車與其他軌道的距離；（3）根據(jù)距離的大小完成編組中車輛的排序,確定編組中所有大型養(yǎng)路機(jī)械的前后車關(guān)系。

2.3 防撞預(yù)警

在大型養(yǎng)路機(jī)械到達(dá)作業(yè)區(qū)間脫鉤作業(yè)后，系統(tǒng)通過數(shù)傳電臺(tái)獲得相鄰車輛的最新行駛距離，行駛方向，速度等信息。通過防撞預(yù)警模型算法，計(jì)算出兩個(gè)大型養(yǎng)路機(jī)械之間的安全距離值。當(dāng)兩個(gè)大型養(yǎng)路機(jī)械之間實(shí)際距離小于安全距離時(shí)，系統(tǒng)進(jìn)行聲光報(bào)警，提醒司機(jī)存在相撞風(fēng)險(xiǎn)，注意行車安全。

防撞預(yù)警模型算法是大型養(yǎng)路機(jī)械作業(yè)防撞系統(tǒng)的核心，算法核心輸入數(shù)據(jù)為大型養(yǎng)路機(jī)械當(dāng)前位置和其移動(dòng)速度，通過模型算法給出大型養(yǎng)路機(jī)械防撞預(yù)警信號(hào)算法的主要流程為：（1）大型養(yǎng)路機(jī)械編組掛鉤行走時(shí)，不需考慮防撞預(yù)警，脫鉤信號(hào)依據(jù)激光測(cè)距得到的前后車距判斷；（2）當(dāng)激光測(cè)距信號(hào)大于設(shè)定值，判斷車輛脫鉤，所有編組內(nèi)大型養(yǎng)路機(jī)械將自身當(dāng)前里程初始化為0；（3）根據(jù)輪徑脈沖的計(jì)數(shù)累計(jì)獲得大型養(yǎng)路機(jī)械從初始化里程處移動(dòng)的位置；（4）根據(jù)GPS信號(hào)得到的大型養(yǎng)路機(jī)械運(yùn)行距離與輪徑脈沖計(jì)數(shù)累計(jì)值做相互檢校，計(jì)算車輛當(dāng)前位置；（5）利用電臺(tái)及4G模塊發(fā)送大型養(yǎng)路機(jī)械的車輛編號(hào)及當(dāng)前位置信息，通知接受同一編組內(nèi)其余大型養(yǎng)路機(jī)械的位置信息；（6）利用輪徑脈沖的時(shí)間間隔計(jì)算大型養(yǎng)路機(jī)械的移動(dòng)速度，根據(jù)速度和前后相對(duì)位置關(guān)系計(jì)算預(yù)計(jì)相遇時(shí)間，對(duì)于小于閾值的計(jì)算值，進(jìn)行防撞預(yù)警。

2.4 倒車影像

大型養(yǎng)路機(jī)械前后安裝攝像機(jī)，當(dāng)車輛行駛時(shí)，顯示屏上顯示車輛行駛方向的視頻影像，如果大型養(yǎng)路機(jī)械進(jìn)行倒車時(shí)，司機(jī)可以通過顯示屏查看車輛行駛方式的情況，防止撞到施工人員或者后方作業(yè)車輛等事故的發(fā)生。為了保證系統(tǒng)的可追溯性，倒車影像功能保存最近7天的錄像，以供用戶查閱。

2.5 Web服務(wù)

用戶可以登錄到Web服務(wù)器，在首頁查看當(dāng)前大型養(yǎng)路機(jī)械編組的作業(yè)區(qū)間和作業(yè)情況。同時(shí)，Web端還具備數(shù)據(jù)查詢和報(bào)表導(dǎo)出功能。輸入某臺(tái)大型養(yǎng)路機(jī)械車輛編號(hào)后，可查詢指定時(shí)間范圍內(nèi)此車輛發(fā)出的所有防撞預(yù)警信號(hào)以及信號(hào)發(fā)生時(shí)車輛速度、車輛位置、前后車距等信息。此外，系統(tǒng)還可以查詢指定時(shí)間范圍內(nèi)車輛的運(yùn)行軌跡坐標(biāo)及運(yùn)行軌跡圖。所有的Web端查詢結(jié)果均支持報(bào)表導(dǎo)出，方便管理人員了解大型養(yǎng)路機(jī)械防撞預(yù)警和設(shè)備運(yùn)行情況。

3 系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)

3.1 車載軟件實(shí)現(xiàn)

系統(tǒng)啟動(dòng)后，通過串口采集GPS，激光測(cè)距，輪徑脈沖計(jì)數(shù)等信息，并通過電臺(tái)發(fā)送本車信息和接收其他車輛信息，通過顯示器將車輛編組信息，運(yùn)行情況展示給用戶查看，達(dá)到一目了然的效果。在車輛行駛到作業(yè)區(qū)間過程中，系統(tǒng)完成大型養(yǎng)路機(jī)械的自動(dòng)編組，自動(dòng)排序；在車輛到達(dá)作業(yè)區(qū)間脫鉤作業(yè)后，由預(yù)警算法模塊計(jì)算出本車與相鄰車輛之間剎車需要的安全距離，如果安全距離大于本車與相鄰車輛的實(shí)際距離，將進(jìn)行聲音報(bào)警，提醒司機(jī)存在相撞風(fēng)險(xiǎn)。在確定報(bào)警信息后，可以按下取消聲音播報(bào)按鈕，停止聲音播報(bào)。經(jīng)過規(guī)定的時(shí)間后，防撞系統(tǒng)如果再次產(chǎn)生報(bào)警，將繼續(xù)進(jìn)行聲音報(bào)警。系統(tǒng)流程如圖3所示。

圖3 系統(tǒng)流程圖

3.2 Web服務(wù)軟件

Web服務(wù)器主要有2個(gè)功能：（1）接收大型養(yǎng)路機(jī)械上傳的信息，并存儲(chǔ)到內(nèi)存數(shù)據(jù)庫和MySQL數(shù)據(jù)庫；（2）提供BS訪問，能在瀏覽器上基于GIS地圖看到大型養(yǎng)路機(jī)械運(yùn)行的情況；能在信息查詢頁面查看大型養(yǎng)路機(jī)械的詳細(xì)信息和異常信息。

Web服務(wù)器使用Java語言開發(fā)，運(yùn)行在Linux系統(tǒng)上，對(duì)外開放2個(gè)HTTP端口：8008用于與大型養(yǎng)路機(jī)械通信，8080用于客戶使用瀏覽器訪問（如果與現(xiàn)有調(diào)度中心端口沖突，可以配置成80，或者其他端口號(hào)）。

大型養(yǎng)路機(jī)械作為客戶端，與服務(wù)器的通信全部采用HTTP協(xié)議，消息體使用Json格式。服務(wù)器收到大型養(yǎng)路機(jī)械的上報(bào)消息后，需要更新內(nèi)存數(shù)據(jù)庫Redis，并將數(shù)據(jù)存入MySQL數(shù)據(jù)庫供詳細(xì)查詢和分析。另外，收到大型養(yǎng)路機(jī)械的數(shù)據(jù)請(qǐng)求時(shí)，需要查詢Redis并將對(duì)應(yīng)的數(shù)據(jù)應(yīng)答給客戶端。

客戶使用瀏覽器作為客戶端，主要實(shí)現(xiàn)的功能有：（1）系統(tǒng)默認(rèn)展示GIS地圖頁面，能在地圖上實(shí)時(shí)動(dòng)態(tài)展示所有大型養(yǎng)路機(jī)械，并且鼠標(biāo)移到該大型養(yǎng)路機(jī)械時(shí)，能顯示該大型養(yǎng)路機(jī)械的詳細(xì)信息；（2）在收到大型養(yǎng)路機(jī)械預(yù)警等信息時(shí)，還能用不同的顏色體現(xiàn)該大型養(yǎng)路機(jī)械的狀態(tài)；（3）顯示車輛的歷史軌跡；（4）對(duì)車輛進(jìn)行管理；（5）保存防撞裝置的設(shè)備異常、告警等信息，并進(jìn)行統(tǒng)計(jì)分析；（6）在詳細(xì)信息查詢頁面，可以按照指定的搜索條件（GFC系統(tǒng)唯一ID、車號(hào)、時(shí)間范圍等），查詢滿足條件的該大型養(yǎng)路機(jī)械運(yùn)行過程中的所有詳細(xì)信息、設(shè)備異常信息等；（7）其他管理功能。

3.3 系統(tǒng)軟件界面

車載軟件用于司機(jī)或車上工作人員查看編組的走行情況，軟件可通過鼠標(biāo)點(diǎn)擊切換界面，查看編組走行作業(yè)情況，提供聲光報(bào)警。當(dāng)防撞預(yù)警時(shí)，用戶也可以通過顯示界面按鈕取消預(yù)警。顯示界面如圖4所示。

圖4 車載軟件界面

Web服務(wù)軟件可提供用戶遠(yuǎn)程訪問，獲取編組的實(shí)時(shí)信息，并告警、設(shè)備異常等信息進(jìn)行統(tǒng)計(jì)分析管理。用戶點(diǎn)擊主菜單區(qū)域和子菜單區(qū)域，在內(nèi)容區(qū)域顯示出菜單關(guān)聯(lián)內(nèi)容。軟件界面如圖5所示。

圖5 Web軟件界面

4 結(jié)束語

大型養(yǎng)路機(jī)械車輛作業(yè)防碰撞系統(tǒng)通過GPS、激光測(cè)距、輪徑脈沖等進(jìn)行相互配合和校驗(yàn)，實(shí)現(xiàn)了大型養(yǎng)路機(jī)械車輛的精確位置定位。系統(tǒng)通過車載電臺(tái)和4G網(wǎng)絡(luò)雙備份的冗余設(shè)計(jì)實(shí)現(xiàn)了車輛間的通信可靠性。

在現(xiàn)場測(cè)試中，系統(tǒng)可實(shí)現(xiàn)60 km/h的車速下，提前1 min以上進(jìn)行車輛碰撞預(yù)警，有效保障了大型養(yǎng)路機(jī)械的作業(yè)安全。下一步的工作計(jì)劃是：加裝微波通信等模塊，確保極端條件下的碰撞預(yù)警信號(hào)能夠提前到3 min以上。