應(yīng)對(duì)復(fù)雜道路環(huán)境的新型清障救援車(chē)

文·圖/姜慧夫 任春曉

交通運(yùn)輸部公路科學(xué)研究院最新研制出了一款面向作業(yè)空間受限的復(fù)雜道路環(huán)境的綜合清障救援車(chē)，在整車(chē)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)與布局優(yōu)化、電控系統(tǒng)開(kāi)發(fā)及完備功能集成、多裝備協(xié)同救援等方面填補(bǔ)了國(guó)內(nèi)空白。

近年來(lái)，對(duì)突發(fā)性公共安全事件的應(yīng)急處置引起了社會(huì)各界和政府的高度重視和關(guān)注。在突發(fā)性公共安全事件中，道路交通事故占比最高，2011年度道路交通事故占我國(guó)各類(lèi)安全事故總數(shù)的71.7%，死亡人數(shù)占各類(lèi)安全事故總死亡人數(shù)的83%，造成的城市交通擁堵達(dá)到了總量的40%。道路交通事故發(fā)生后，若不能進(jìn)行快速高效的清障救援，將影響道路的安全暢通，降低運(yùn)輸效率，甚至有可能因清障救援不及時(shí)或操作不當(dāng)導(dǎo)致二次事故的發(fā)生，特別是隧道、立交橋、山區(qū)公路等復(fù)雜道路環(huán)境下交通事故的清障救援，由于其作業(yè)空間狹窄、不便于清障救援操作的特點(diǎn)，加之當(dāng)前清障救援行業(yè)存在相關(guān)救援裝備研發(fā)滯后、從業(yè)人員操作水平不高、規(guī)范救援操作方法缺失等問(wèn)題，致使在這些復(fù)雜道路環(huán)境下交通擁堵和人民生命財(cái)產(chǎn)損失加劇，嚴(yán)重影響國(guó)家公共安全穩(wěn)定和經(jīng)濟(jì)建設(shè)持續(xù)發(fā)展。因此，研發(fā)面向作業(yè)空間受限的復(fù)雜道路環(huán)境的綜合清障救援裝備，能夠有效解決復(fù)雜道路環(huán)境下快速高效清障救援的問(wèn)題。在構(gòu)建“暢通、高效、安全、綠色”交通運(yùn)輸體系的大背景下，國(guó)家也在突發(fā)事件現(xiàn)場(chǎng)救助領(lǐng)域的發(fā)展規(guī)劃中，提出了相關(guān)裝備的研制計(jì)劃。

研究背景

目前我國(guó)救援裝備行業(yè)依然停留在引進(jìn)、吸收仿制以及初級(jí)研發(fā)階段，尚未形成自主的清障救援裝備體系。其清障救援裝備結(jié)構(gòu)功能不夠完善，無(wú)法滿(mǎn)足復(fù)雜道路環(huán)境清障救援需求；布局不夠合理，導(dǎo)致難以發(fā)揮裝備的最大功效；裝備自身安全性得不到充分保證，易對(duì)被救車(chē)輛造成危害。同時(shí)，由于各國(guó)政策法規(guī)的限制，導(dǎo)致國(guó)外裝備并不完全適宜于我國(guó)具體國(guó)情，很多工況下無(wú)法滿(mǎn)足我國(guó)道路交通事故清障救援的需求，不適合直接引進(jìn)。

在智能化方面，國(guó)外的清障救援裝備智能化程度較高，一鍵操作控制技術(shù)和無(wú)線遙控技術(shù)應(yīng)用得較為廣泛。國(guó)內(nèi)清障救援裝備的智能化程度和信息化水平相對(duì)較低，操作多以操作人員手動(dòng)完成，影響救援效率，易造成誤操作；清障救援過(guò)程中缺少合理有效的監(jiān)控環(huán)節(jié)，易發(fā)生二次事故，難以保證清障救援過(guò)程的便捷性與安全性。

因此，我國(guó)亟需研發(fā)針對(duì)復(fù)雜道路環(huán)境下的大型事故車(chē)輛專(zhuān)業(yè)救援裝備，開(kāi)發(fā)多功能一體化的綜合救援裝備，以提高救援效率，同時(shí)充分利用信息化、智能化技術(shù)，以便救援過(guò)程安全快捷。

關(guān)鍵技術(shù)突破

針對(duì)我國(guó)道路交通事故救援行業(yè)現(xiàn)狀，交通運(yùn)輸部公路科學(xué)研究院、東南大學(xué)、江蘇中汽高科股份有限公司的課題研發(fā)團(tuán)隊(duì)，提出了研發(fā)面向作業(yè)空間受限的復(fù)雜道路環(huán)境的綜合清障救援車(chē)，形成集多功能于一體、配置齊全、布局合理、操作方便、數(shù)字化程度高、安全可靠，并對(duì)較為復(fù)雜的清障救援環(huán)境有較好適應(yīng)性的樣機(jī)，填補(bǔ)國(guó)內(nèi)清障救援領(lǐng)域的技術(shù)空白，從而解決復(fù)雜道路環(huán)境下快速高效清障救援的問(wèn)題。該項(xiàng)目獲得了“十二五”國(guó)家科技支撐計(jì)劃課題的支持。

車(chē)輛總體設(shè)計(jì)

隨著汽車(chē)工業(yè)不斷向?qū)I(yè)化發(fā)展，尤其營(yíng)運(yùn)車(chē)輛正不斷向大型化、重型化趨勢(shì)發(fā)展，大型重型車(chē)輛的數(shù)量逐年增多，重型專(zhuān)用清障救援裝備的研究成為了迫在眉睫的要求。同時(shí)根據(jù)作業(yè)空間受限環(huán)境（包括隧道、立交橋及山區(qū)道路等）的清障救援需求，兼顧清障救援車(chē)的機(jī)動(dòng)性、經(jīng)濟(jì)性和實(shí)際應(yīng)用價(jià)值，該款復(fù)雜道路環(huán)境交通事故清障救援車(chē)的最大總質(zhì)量為44 t。結(jié)合汽車(chē)行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)QC/T 645-2005《清障車(chē)》對(duì)車(chē)輛最大允許總質(zhì)量的最大限值規(guī)定，選取該款清障救援車(chē)的底盤(pán)軸數(shù)為4。各總成（總成：即集合體，一系列零件或者產(chǎn)品，組成一個(gè)實(shí)現(xiàn)某個(gè)特定功能的整體，這一系統(tǒng)的總稱(chēng)即為總成）系統(tǒng)分布如圖1 a）所示，圖中P點(diǎn)為各總成布置完成后車(chē)輛空載時(shí)的質(zhì)心位置。

該款清障救援車(chē)的救援功能包括：

1.清障救援裝備集成起復(fù)、拖曳、支撐、牽拉、起吊、托舉、撐漲、破拆、消防、照明以及一般性恢復(fù)功能——該功能也即為了應(yīng)對(duì)車(chē)輛專(zhuān)業(yè)化、大型化的發(fā)展趨勢(shì)，可對(duì)重型事故車(chē)輛實(shí)施救援和清障。

2.多絞盤(pán)協(xié)同作業(yè)功能——為使救援裝備適應(yīng)空間受限環(huán)境的救援要求，并起到預(yù)防二次事故、避免影響旁車(chē)道通行的作用，采用多絞盤(pán)協(xié)同的布局方式，如圖1 b）所示。副梁兩側(cè)2個(gè)絞盤(pán)用以實(shí)現(xiàn)牽拉、起復(fù)等功能；車(chē)輛前部1個(gè)絞盤(pán)用以輔助保證車(chē)身穩(wěn)定。

3.空間允許條件下整車(chē)360°轉(zhuǎn)向——面向隧道等作業(yè)空間受限復(fù)雜環(huán)境，為解決清障救援車(chē)自身行動(dòng)受限，需具有有限空間旋轉(zhuǎn)、調(diào)頭等功能。

4.支腿架設(shè)與回收均可實(shí)現(xiàn)一鍵操作功能。

5.具備控制器局域網(wǎng)總線(CAN，Controller Area Network)及氣、電接口。

關(guān)鍵結(jié)構(gòu)總成設(shè)計(jì)

原地360°轉(zhuǎn)向機(jī)構(gòu)，其旋轉(zhuǎn)直徑控制在車(chē)長(zhǎng)范圍內(nèi)，以實(shí)現(xiàn)作業(yè)空間受限復(fù)雜道路環(huán)境的裝備自轉(zhuǎn)向功能。

起重機(jī)構(gòu)是完成事故車(chē)輛起吊作業(yè)的重要總成，為將不在正常位置上的待救援車(chē)輛或者其他物體移動(dòng)至可以被救援的位置上，該車(chē)起重機(jī)構(gòu)增加了旋轉(zhuǎn)轉(zhuǎn)臺(tái)，可以實(shí)現(xiàn)吊臂的360°旋轉(zhuǎn)功能，可以將不在正常位置上的待救援車(chē)輛或者其他物體移動(dòng)至可以被救援的位置上。避免了受限空間作業(yè)時(shí)車(chē)輛吊臂無(wú)法展開(kāi)等問(wèn)題。

托舉機(jī)構(gòu)是完成對(duì)故障車(chē)輛清障牽引工作的主要總成，該車(chē)托舉機(jī)構(gòu)為一種前后雙鉸點(diǎn)折疊式托舉機(jī)構(gòu)，空載和滿(mǎn)載狀態(tài)下均可折疊，以縮小整車(chē)尺寸，提高車(chē)輛在受限空間內(nèi)的靈活性。

支腿機(jī)構(gòu)主要是在起吊和牽拉事故車(chē)輛時(shí)用于支撐地面，以便提高整車(chē)穩(wěn)定性，防止輪胎過(guò)載。該車(chē)支腿機(jī)構(gòu)的撐腳帶有可互換的齒撐腳和平撐腳，以適應(yīng)不同的地面狀況。

圖1 車(chē)輛整體布局圖

電控系統(tǒng)設(shè)計(jì)

為避免救援過(guò)程發(fā)生二次事故，提高復(fù)雜道路環(huán)境下清障救援車(chē)裝備的安全性與操作性，保障裝備自身安全和操作便捷，需針對(duì)車(chē)輛作業(yè)空間受限、被救車(chē)輛重型化的特點(diǎn)，研發(fā)相應(yīng)的信息化安全監(jiān)控裝置、智能化無(wú)線操控裝置等電控系統(tǒng)。該款復(fù)雜道路環(huán)境交通事故清障救援車(chē)的電控系統(tǒng)包括操控系統(tǒng)、裝備自身安全監(jiān)控系統(tǒng)及救援作業(yè)過(guò)程監(jiān)控系統(tǒng)。

整車(chē)操控系統(tǒng)采用無(wú)線操控與實(shí)體操控相結(jié)合的方式。無(wú)線操控裝置基于定制阿波羅系列工業(yè)控制器結(jié)合自主研發(fā)，主要由2部分構(gòu)成，分別是無(wú)線操控發(fā)射器和無(wú)線信號(hào)接收器，如圖2所示。無(wú)線電傳輸格式為FSK 433MHz（20CH），該格式具有抗噪聲與抗衰減性能好的優(yōu)點(diǎn)。同時(shí)，無(wú)線操控裝置將一些清障救援領(lǐng)域固定的裝備動(dòng)作，如裝備前支腿的側(cè)擺收放動(dòng)作、裝備后固定支腿的收放動(dòng)作等通過(guò)相應(yīng)控制程序集成為“一鍵控制”，有效提高操作效率并防止操作人員誤操作，如圖3 a)所示。為實(shí)現(xiàn)“一鍵控制”，無(wú)線操控系統(tǒng)配備了電感式直流接近開(kāi)關(guān)，即霍爾開(kāi)關(guān)，如圖3 b)所示。支腿機(jī)構(gòu)通過(guò)改變霍爾開(kāi)關(guān)檢測(cè)面附近的磁場(chǎng)來(lái)改變霍爾開(kāi)關(guān)的通或斷狀態(tài)。

救援裝備自身安全是安全救援的前提。該款救援車(chē)裝備了自身安全監(jiān)控系統(tǒng)，包括吊臂載荷監(jiān)控、絞盤(pán)油溫監(jiān)控、裝備姿態(tài)角監(jiān)控等，實(shí)現(xiàn)對(duì)操作過(guò)程吊臂的長(zhǎng)度、角度、作業(yè)幅面、承載量，絞盤(pán)溫度和裝備自身姿態(tài)的實(shí)時(shí)監(jiān)控，在監(jiān)測(cè)量超過(guò)預(yù)定值時(shí)發(fā)出警報(bào)，以避免因吊臂超載、絞盤(pán)溫度過(guò)高等而引起救援過(guò)程中二次事故的發(fā)生。

吊臂載荷監(jiān)控系統(tǒng)以力矩限制器為安全保護(hù)裝置，既能有效控制吊臂不超過(guò)穩(wěn)定力矩，還可以對(duì)吊臂、回轉(zhuǎn)支承等結(jié)構(gòu)件的強(qiáng)度進(jìn)行保護(hù)。當(dāng)中央數(shù)據(jù)處理裝置判斷吊臂處于危險(xiǎn)工作狀況時(shí)，力矩限制器裝置會(huì)為清障救援裝備操作人員提供報(bào)警，并使用卸荷保護(hù)裝置強(qiáng)制裝備停止向危險(xiǎn)方向的相關(guān)操作。絞盤(pán)油溫監(jiān)控系統(tǒng)采用在液壓油箱底部、液壓管路中間位置以及液壓馬達(dá)處安裝溫度傳感器來(lái)實(shí)現(xiàn)液壓油溫度實(shí)時(shí)監(jiān)控。

為避免操作者違章作業(yè)、經(jīng)驗(yàn)不足、管理不善及車(chē)輛姿態(tài)監(jiān)控信息匱乏的問(wèn)題，防范救援過(guò)程中救援清障車(chē)發(fā)生側(cè)翻或傾翻的事故，該款清障救援車(chē)裝備了姿態(tài)監(jiān)控系統(tǒng)。系統(tǒng)采用了成本較低的MEMS加速度傳感器，并基于H∞魯棒濾波的估算方法，對(duì)姿態(tài)角進(jìn)行估值，以減少M(fèi)EMS加速度傳感器數(shù)據(jù)中的噪聲，提高計(jì)算精度。

圖2 無(wú)線操控系統(tǒng)

圖3 支腿一鍵開(kāi)啟

圖4 安全監(jiān)控系統(tǒng)軟件界面

作業(yè)過(guò)程中，該款清障車(chē)通過(guò)激光掃描聚類(lèi)獲取周?chē)S空間信息，對(duì)清障車(chē)周?chē)赡茉斐晌ｋU(xiǎn)的障礙物進(jìn)行預(yù)警，能有效減少二次事故發(fā)生的概率。

以上所述各系統(tǒng)通過(guò)安全監(jiān)控系統(tǒng)軟件進(jìn)行集成，搭載軟件的工控機(jī)平臺(tái)配備有串口、CAN總線接口以及網(wǎng)絡(luò)接口，電控系統(tǒng)的傳感器通過(guò)不同的接口實(shí)現(xiàn)與工控機(jī)平臺(tái)的通信，采用多線程技術(shù)實(shí)現(xiàn)多個(gè)傳感器信息的同步獲取，并利用圖形顯示工控控件組中的控件構(gòu)建軟件的顯示界面，如圖4所示。

在復(fù)雜環(huán)境的道路事故救援中，由于作業(yè)難度高、風(fēng)險(xiǎn)大，需要對(duì)作業(yè)過(guò)程進(jìn)行實(shí)時(shí)監(jiān)控，必須要進(jìn)行遠(yuǎn)程指揮，同時(shí)為避免施救與被救雙方間糾紛還需對(duì)整個(gè)作業(yè)過(guò)程進(jìn)行音視頻留存。為此，研發(fā)設(shè)計(jì)作業(yè)過(guò)程監(jiān)控系統(tǒng)，實(shí)現(xiàn)對(duì)救援現(xiàn)場(chǎng)的監(jiān)控和取證。作業(yè)過(guò)程監(jiān)控系統(tǒng)涵蓋作業(yè)人員單兵便攜終端、作業(yè)裝備車(chē)載終端、高空無(wú)人機(jī)機(jī)載視頻監(jiān)控終端、現(xiàn)場(chǎng)路由器（5.8G/Wifi）、監(jiān)控指揮平臺(tái)（軟件）。該系統(tǒng)具有視頻預(yù)覽、GPS定位、錄像、拍照、云臺(tái)控制、語(yǔ)音對(duì)講、輪循等功能，從作業(yè)人員視角、作業(yè)裝備視角、高空鳥(niǎo)瞰宏觀視角，實(shí)時(shí)監(jiān)控、記錄操作過(guò)程，在必要時(shí)，可直接對(duì)現(xiàn)場(chǎng)作業(yè)人員進(jìn)行遠(yuǎn)程指揮。

圖5 車(chē)輛性能實(shí)地測(cè)試

功能驗(yàn)證

研究中通過(guò)在公路交通試驗(yàn)場(chǎng)搭建相應(yīng)的復(fù)雜救援場(chǎng)景，并實(shí)施裝備的功能與性能試驗(yàn)及綜合示范救援演練，對(duì)該款復(fù)雜道路環(huán)境交通事故清障救援車(chē)進(jìn)行功能驗(yàn)證。試驗(yàn)結(jié)果表明車(chē)輛能夠在復(fù)雜道路環(huán)境下有效進(jìn)行交通事故清障救援，滿(mǎn)足研究預(yù)期的5大功能，如圖5所示。

發(fā)展前景

該款清障救援車(chē)系自主研發(fā)，自主生產(chǎn)，集成創(chuàng)新，主要設(shè)備及原材料均取材于國(guó)內(nèi)，于國(guó)外同類(lèi)產(chǎn)品對(duì)比，價(jià)格優(yōu)勢(shì)明顯，售后服務(wù)便捷，有利于降低裝備的運(yùn)營(yíng)成本，大幅提高救援效率，減少因交通擁堵導(dǎo)致的直接和間接經(jīng)濟(jì)損失。其綜合救援裝備功能齊全，可以獨(dú)立解決以前必須多臺(tái)設(shè)備合作才能處理的道路交通事故，還可用于自然災(zāi)害的應(yīng)急救援。并可以有效保障清障救援車(chē)自身及其救援過(guò)程安全，方便清障救援人員作業(yè)，提高救援效率，節(jié)約救援時(shí)間，減少交通事故造成的社會(huì)及經(jīng)濟(jì)損失，具有良好的經(jīng)濟(jì)和社會(huì)效益。（作者姜慧夫，博士后，單位系交通運(yùn)輸部公路科學(xué)研究院）