露天煤礦運(yùn)輸安全智能預(yù)警預(yù)控體系研究

劉小杰

（神華準(zhǔn)格爾能源有限責(zé)任公司黑岱溝露天煤礦，內(nèi)蒙古鄂爾多斯 010300）

根據(jù)統(tǒng)計(jì)分析，公路運(yùn)輸導(dǎo)致的車輛傷害事故占露天煤礦各類事故的首位，而在露天煤礦公路輸事故中，由于卡車盲區(qū)造成的事故高達(dá)60%，由于小型車輛超速違章行駛占20%，由于駕駛員疲勞駕駛造成的事故占15%左右[1]。通過運(yùn)用交通流模型對(duì)黑岱溝露天煤礦公路運(yùn)輸事故進(jìn)行模擬分析，1 215 端幫路周圍區(qū)域理論預(yù)測(cè)年均事故率約為4.25～5 次/a，計(jì)算預(yù)測(cè)交通事故死亡在0.935～1.22次/a。因此，研究露天煤礦公路運(yùn)輸預(yù)警預(yù)控技術(shù)，開發(fā)先進(jìn)、實(shí)用的露天煤礦公路運(yùn)輸安全智能化預(yù)警預(yù)控體系，對(duì)實(shí)現(xiàn)卡車防碰撞、防疲勞、主動(dòng)防追尾和自動(dòng)剎車，減少行車事故。

1 防撞預(yù)警系統(tǒng)

通過歷年來全國(guó)露天煤礦發(fā)生的傷亡事故原因分析發(fā)現(xiàn)，因?yàn)殪o態(tài)盲區(qū)和動(dòng)態(tài)盲區(qū)，礦用卡車駕駛員根本不知道自身周圍存在其他車輛，成為造成事故的主要原因，尤其是大型礦用卡車碾壓小型生產(chǎn)指揮車輛的事故概率最高。怎么解決這些“不清楚”、“不知道”、“沒看見”，其實(shí)是解決一個(gè)實(shí)時(shí)獲知位置信息的問題[2]。因此如何讓駕駛員隨時(shí)掌握自身周圍車輛運(yùn)行的情況，有效避免事故的發(fā)生，位置信息獲取至關(guān)重要。黑岱溝露天煤礦構(gòu)建了大型礦用卡車防撞預(yù)警系統(tǒng)，將各種車輛的靜態(tài)盲區(qū)和動(dòng)態(tài)盲區(qū)統(tǒng)一考慮，形成了一體化解決方案，用以消除駕駛員視線盲區(qū)。

大型礦用卡車防撞預(yù)警系統(tǒng)采用無線射頻技術(shù)RF（短距離無線通信）和GPS 衛(wèi)星高度定位技術(shù)，并輔以三維電子羅盤技術(shù)、LCD 液晶顯示功能、語音報(bào)警和防撞預(yù)測(cè)算法，在主控模塊協(xié)調(diào)作用下，首先通過雙GPS 模塊實(shí)時(shí)采集自身位置坐標(biāo)（由于得到的坐標(biāo)不夠精確，根據(jù)雙天線等間距設(shè)定，求出當(dāng)前系統(tǒng)誤差，進(jìn)行GPS 自主修正，由高精度GPS 定位技術(shù)給出車輛的精確坐標(biāo)），其次是通過雙RF 射頻模塊與周圍的輔助車輛交互位置坐標(biāo)，求出輛車間的距離和方位，同時(shí)將車輛的位置和相對(duì)信息通過各自的液晶屏顯示出來，最后通過語音模塊，根據(jù)事先規(guī)定的報(bào)警模式，給出預(yù)警信號(hào)[3]。在彩色屏上可以直觀地觀察到自身車輛以及對(duì)方車輛的位置、時(shí)間信息、車輛速度等數(shù)據(jù)。當(dāng)車輛出現(xiàn)在預(yù)警范圍內(nèi)時(shí)，系統(tǒng)根據(jù)距離、方位、朝向等不同情況發(fā)出不同的語音報(bào)警。黑岱溝露天煤礦根據(jù)預(yù)警區(qū)域劃分，建立了預(yù)警機(jī)制：車輛進(jìn)入100～80 m 區(qū)域時(shí)顯示鄰近車輛距離及位置；進(jìn)入80～20 m 區(qū)域時(shí)語音報(bào)告鄰近車輛距離及位置；進(jìn)入?yún)^(qū)域小于20 m 時(shí)語音播報(bào)“危險(xiǎn)”，為駕駛員防御性駕駛提供了研判信息，保證了車輛全天候安全運(yùn)行。大型礦用卡車防撞預(yù)警系統(tǒng)預(yù)警區(qū)域如圖1。

圖1 大型礦用卡車防撞預(yù)警系統(tǒng)預(yù)警區(qū)域圖

2 車輛超速管理系統(tǒng)

露天煤礦生產(chǎn)作業(yè)過程中，從運(yùn)輸、生產(chǎn)、維修、指揮到其他輔助生產(chǎn)的各個(gè)環(huán)節(jié)都離不開車輛，生產(chǎn)作業(yè)現(xiàn)場(chǎng)內(nèi)每天都有大量的車輛在運(yùn)行，外加礦區(qū)面積大，道路復(fù)雜、情況多樣，若車輛超速運(yùn)行，駕駛員面對(duì)前方車輛、行人等各種緊急情況時(shí)的應(yīng)急時(shí)間變短，此外車速過快也會(huì)導(dǎo)致緊急剎車制動(dòng)距離加長(zhǎng)，輕者造成“追尾”，車輛受到損壞，重者導(dǎo)致人身傷亡，給社會(huì)和家庭帶來生命財(cái)產(chǎn)損失。據(jù)統(tǒng)計(jì)大型露天煤礦車輛超速行駛造成的事故占20%。因此必須采取有效手段，嚴(yán)肅處理違章超速行為，規(guī)范駕駛員操作行為，嚴(yán)格按照規(guī)定速度行駛，減少由超速引起的生產(chǎn)安全事故與違章行為。

車輛超速管理系統(tǒng)采用先進(jìn)的GPS 測(cè)速及定位技術(shù)、RF 通信、無線Mesh 網(wǎng)絡(luò)、RFID 識(shí)別、電子地圖等技術(shù)，實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)進(jìn)入生產(chǎn)作業(yè)現(xiàn)場(chǎng)的生產(chǎn)指揮車、輔助車輛、中巴車等行駛速度，當(dāng)超出規(guī)定車速時(shí)語音提醒駕駛員[4]：①超速管理系統(tǒng)車載終端檢測(cè)：在礦區(qū)布置系統(tǒng)，當(dāng)車輛到達(dá)生產(chǎn)作業(yè)現(xiàn)場(chǎng)入口崗?fù)じ浇鼤r(shí)，通過對(duì)車輛無線射頻信號(hào)的檢測(cè)，獲取車載終端設(shè)備狀態(tài)，通過對(duì)回傳數(shù)據(jù)的分析和甄別，判斷被檢測(cè)車載終端是否完好；②語音報(bào)警和信息記錄：當(dāng)車輛進(jìn)入生產(chǎn)作業(yè)現(xiàn)場(chǎng)，該車載終端能夠在駕駛員超過規(guī)定速度駕駛時(shí)及時(shí)語音提示報(bào)警，并記錄該車輛超速開始時(shí)的時(shí)間、地點(diǎn)、速度及超速過程中的最高速度等信息，當(dāng)駕駛員減速到規(guī)定的速度以下時(shí)也記錄相應(yīng)的信息；③數(shù)據(jù)傳輸：當(dāng)車輛駛出生產(chǎn)作業(yè)現(xiàn)場(chǎng)，經(jīng)過入礦崗?fù)r(shí)，車載終端通過其無線射頻RF 模塊向設(shè)置在入礦崗?fù)さ臄?shù)據(jù)采集裝置發(fā)送其記錄的該車輛的行駛數(shù)據(jù)，入礦崗?fù)さ臄?shù)據(jù)采集裝置將接收到的數(shù)據(jù)通過無線Mesh 網(wǎng)絡(luò)遠(yuǎn)傳給監(jiān)控中心的服務(wù)端，監(jiān)控中心的服務(wù)端和客戶端通過礦內(nèi)以太網(wǎng)實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)共享，相關(guān)管理人員可在客戶端方便的查詢超速車輛的相關(guān)信息，并可在電子地圖上看到超速車輛的行駛軌跡，安全監(jiān)察部門通過客戶端對(duì)各個(gè)時(shí)間段的超速情況進(jìn)行統(tǒng)計(jì)后，可根據(jù)車輛超速數(shù)據(jù)對(duì)相關(guān)部門、個(gè)人進(jìn)行處罰。

3 疲勞駕駛識(shí)別預(yù)警系統(tǒng)

露天煤礦生產(chǎn)過程中，大型礦用卡車公路運(yùn)輸是最主要的開拓形式。從事公路運(yùn)輸?shù)牡V用卡車駕駛員，由于運(yùn)輸工作量大，工作強(qiáng)度大，單人長(zhǎng)時(shí)間穿行在沒有生機(jī)的巖體中，容易因枯燥產(chǎn)生困倦和疲勞，尤其是凌晨4 點(diǎn)左右極易打盹和昏睡，極大地影響了駕駛員警覺和安全駕駛能力。疲勞會(huì)使駕駛員的觀察注意力下降，反應(yīng)速度減緩，瞬間的駕駛失控，危險(xiǎn)極大，這些均給公路運(yùn)輸作業(yè)帶來了巨大的安全隱患[5]。

疲勞駕駛識(shí)別預(yù)警系統(tǒng)集人臉狀態(tài)識(shí)別（機(jī)器視覺技術(shù)、圖像處理技術(shù)）、無線傳輸、GPS 定位等多種先進(jìn)技術(shù)于一體，關(guān)鍵是疲勞狀態(tài)識(shí)別：通過疲勞駕駛機(jī)器視覺識(shí)別裝置[6-7]，對(duì)駕駛員狀態(tài)進(jìn)行快速取像，判斷輸入的圖像是否存在人臉，駕駛員的駕駛位置一般比較固定，頭部的位置也比較固定，如果經(jīng)常檢測(cè)不到人臉或是檢測(cè)到很小的一部分人臉，那么就可以判斷駕駛員處于疲勞狀態(tài)；如果檢測(cè)到存在完整的人臉，則進(jìn)一步給出駕駛員的人臉位置、大小和各個(gè)主要面部器官的位置，經(jīng)過高速DSP 分析后，定位眼睛和嘴巴的位置，通過計(jì)算上下眼皮和上下嘴唇的距離來判斷駕駛員的狀態(tài)（眼睛的3 個(gè)重要表征即完全睜開、半閉合、完全閉合，嘴巴的3 個(gè)重要表征即完全張口、半閉合、完全閉合），當(dāng)主機(jī)檢測(cè)到（采用機(jī)器視覺裝置檢測(cè)人眼開閉狀態(tài)，進(jìn)而確定人眼的局部特征，從眼睛閉合及瞳孔狀態(tài)來判斷駕駛員是否處于疲勞狀態(tài)）駕駛員處于疲勞狀態(tài)時(shí)，震動(dòng)腕表、震動(dòng)坐墊、語音和指示燈報(bào)警提示正在行駛中的卡車駕駛員注意安全，并將卡車駕駛員疲勞信息通過Mesh 無線網(wǎng)絡(luò)傳遞到露天煤礦生產(chǎn)指揮中心電腦，由指揮中心調(diào)度人員負(fù)責(zé)管控[8-9]。

4 毫米波雷達(dá)自動(dòng)剎車系統(tǒng)

露天煤礦雖然實(shí)施了以GPS 和RF 技術(shù)為主的防撞預(yù)警系統(tǒng)、車輛超速系統(tǒng)和疲勞駕駛識(shí)別預(yù)警系統(tǒng)，但無法識(shí)別障礙物（大塊滾石、擋墻、故障設(shè)備、電纜橋等），也未能實(shí)現(xiàn)主動(dòng)防追尾和自動(dòng)剎車，大型礦用卡車追尾事故時(shí)有發(fā)生，為解決此問題，黑岱溝露天煤礦研發(fā)了大型礦用卡車毫米波雷達(dá)防碰撞智能制動(dòng)系統(tǒng)。

毫米波雷達(dá)防碰撞智能制動(dòng)系統(tǒng)，開發(fā)了雷達(dá)波調(diào)制與解調(diào)的硬件電路和軟件DSP 算法技術(shù)，研制了適用于大型礦用卡車防碰撞的24 GHz 車載毫米波雷達(dá)傳感器和基于MEMS 陀螺儀技術(shù)的大型礦用卡車運(yùn)行姿態(tài)監(jiān)測(cè)裝置，創(chuàng)建了大型礦用卡車和障礙物圖像模擬庫，采用神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)圖像識(shí)別技術(shù)實(shí)現(xiàn)大型礦用卡車與障礙物的動(dòng)態(tài)識(shí)別，進(jìn)而建立了大型礦用卡車防碰撞的自動(dòng)剎車規(guī)則與智能制動(dòng)機(jī)制：毫米波雷達(dá)礦用卡車自動(dòng)剎車系統(tǒng)的雷達(dá)控制器，根據(jù)本車速度得出安全距離，并將該安全距離和雷達(dá)傳感器測(cè)得的距離進(jìn)行比較，當(dāng)雷達(dá)傳感器測(cè)得的距離小于安全距離時(shí)，雷達(dá)控制器給出剎車信號(hào)，剎車機(jī)械裝置的電機(jī)轉(zhuǎn)動(dòng)，帶動(dòng)鋼絲繩拉動(dòng)剎車踏板，進(jìn)行剎車（電剎車），車輛減速。在剎車過程中，雷達(dá)控制器不斷計(jì)算本車速度及與障礙物的距離并和相應(yīng)的安全距離比較，剎車制動(dòng)檢測(cè)裝置實(shí)時(shí)測(cè)量剎車踏板的位移量是否和電機(jī)帶動(dòng)鋼絲繩的位移量相符：①當(dāng)減速過程中雷達(dá)傳感器測(cè)得的距離仍小于相應(yīng)的安全距離時(shí)，雷達(dá)控制器給出繼續(xù)剎車信號(hào)，剎車機(jī)械裝置的電機(jī)進(jìn)一步運(yùn)轉(zhuǎn)，電剎車的剎車踏板繼續(xù)位移直到最大行程，電剎車踏板至最大行程后，當(dāng)車速不大于5 km/h 時(shí)，啟動(dòng)工作制動(dòng)，卡車的剎車機(jī)械裝置的電機(jī)進(jìn)一步轉(zhuǎn)動(dòng)，直到車輛速度為0，達(dá)到停車狀態(tài)；②電剎車的剎車機(jī)械裝置啟動(dòng)后，車輛在減速過程中雷達(dá)傳感器測(cè)得的距離變化大于相應(yīng)的安全距離時(shí)，雷達(dá)控制器給出解除剎車信號(hào)，電機(jī)反轉(zhuǎn)解除電剎車，電剎車踏板恢復(fù)到正常狀態(tài)，車輛繼續(xù)前行，實(shí)現(xiàn)1 次點(diǎn)剎減速過程；③剎車制動(dòng)檢測(cè)裝置實(shí)時(shí)測(cè)量剎車踏板的位移情況，不論在任何條件下，只要?jiǎng)x車踏板的位移量超過了剎車機(jī)械裝置的位移量，該系統(tǒng)就認(rèn)為是司機(jī)的踩踏剎車行為，該系統(tǒng)不啟動(dòng)或解除剎車機(jī)械裝置的剎車制動(dòng)，以人的操作為第1 優(yōu)先級(jí)。

基于24 GHz 毫米波雷達(dá)探測(cè)技術(shù)，實(shí)現(xiàn)了礦用卡車在遇到障礙物或其它車輛時(shí)，當(dāng)雙方距離小于安全距離后能夠自動(dòng)剎車，實(shí)現(xiàn)了“失誤-安全”的本質(zhì)安全[6-9]。

5 “四位一體”集成終端

為解決露天煤礦公路運(yùn)輸安全問題，在大型礦用卡車上先后使用了盲區(qū)攝像、RF 無線射頻、GPS衛(wèi)星定位、圖像識(shí)別、毫米波雷達(dá)等技術(shù)，完成了“露天煤礦車輛防撞預(yù)警系統(tǒng)”、“露天煤礦車輛超速管理系統(tǒng)”、“露天礦卡車疲勞駕駛預(yù)警系統(tǒng)”、“露天煤礦卡車毫米波雷達(dá)自動(dòng)剎車系統(tǒng)”等安防技術(shù)的研發(fā)與實(shí)踐，為解決露天煤礦礦用卡車防碰撞問題提供了有效的技術(shù)手段。然而，上述系統(tǒng)屬于不同時(shí)期研發(fā)的產(chǎn)品，安裝時(shí)間先后不等，安裝位置和報(bào)警模式未進(jìn)行統(tǒng)籌考慮，占用卡車操作臺(tái)的空間太多，各種聲光報(bào)警也給駕駛員帶來困擾。其次是原設(shè)備功能單一，接口不足，急需整合原有功能，進(jìn)行技術(shù)優(yōu)化集成，統(tǒng)一預(yù)警預(yù)控，以便于駕駛員對(duì)預(yù)警預(yù)控事件的觀察和響應(yīng)，也便于上述安防系統(tǒng)的維護(hù)。再次是圖像識(shí)別技術(shù)的引用，為進(jìn)一步整合駕駛員疲勞駕駛、瞌睡提醒、駕駛員行為監(jiān)控和盲區(qū)監(jiān)測(cè)成為可能。因此有必要采用圖像識(shí)別技術(shù)、給出障礙物類別，并與毫米波雷達(dá)技術(shù)融合，促使預(yù)警和剎車規(guī)則更加精準(zhǔn)和高效。

通過技術(shù)集成創(chuàng)新和功能整合，最終形成1 套一體化管控系統(tǒng)，其中包含了4 個(gè)主要功能，并將系統(tǒng)硬件分為4 個(gè)部分：①無線模組-微處理器：主要完成RF 射頻通訊和GPS 定位功能，包括北斗/GPS定位、RF 射頻通訊、4G/GPRS 網(wǎng)絡(luò)通訊及MEMS 陀螺儀等；②雷達(dá)模組-微處理器：具有雷達(dá)防碰撞剎車功能，包括三路雷達(dá)傳感器數(shù)據(jù)輸入，剎車機(jī)構(gòu)完成車輛減速或剎車；③攝像模組-HUB：承擔(dān)機(jī)器視覺識(shí)別中多路攝像頭數(shù)據(jù)輸入和盲區(qū)監(jiān)測(cè)功能；④駕駛室內(nèi)僅有主機(jī)、CPU 圖像處理、室內(nèi)攝像頭和顯示器，大大減少了駕駛室內(nèi)的空間占用?！八奈灰惑w”終端功能圖如圖2，一體化管控系統(tǒng)功能分布圖如圖3。

圖2 “四位一體”終端功能圖

圖3 一體化管控系統(tǒng)功能分布圖

6 安全管理系統(tǒng)軟件

安全管理信息化是露天礦現(xiàn)代化管理的必然趨勢(shì)，黑岱溝露天煤礦高度重視安全信息化建設(shè)工作，為實(shí)現(xiàn)防撞預(yù)警、超速管理、疲勞駕駛識(shí)別預(yù)警、毫米波雷達(dá)智能自動(dòng)剎車系統(tǒng)全過程信息化管理目標(biāo)，采用計(jì)算機(jī)及信息化技術(shù)，提出了安全管理軟件系統(tǒng)的構(gòu)架，實(shí)現(xiàn)安全管理信息共享和風(fēng)險(xiǎn)預(yù)警平臺(tái)的建設(shè)[10]。安全管理軟件系統(tǒng)包括4 個(gè)子系統(tǒng)。

1）防撞預(yù)警子系統(tǒng)。防撞預(yù)警記錄?？砂刺?、班次、部門、設(shè)備編號(hào)或車型對(duì)每輛車和其他車輛相會(huì)的過程中的預(yù)警級(jí)別和預(yù)警次數(shù)進(jìn)行統(tǒng)計(jì)。單擊次數(shù)可顯示預(yù)警明細(xì)，通過點(diǎn)擊報(bào)表和軌跡，可顯示本車速度和對(duì)車距離曲線變化表和電子地圖中的運(yùn)行軌跡（運(yùn)行軌跡支持重新回放）。

2）超速管理子系統(tǒng)?？砂刺?、班次、部門、設(shè)備編號(hào)或車型對(duì)每輛車超速情況進(jìn)行統(tǒng)計(jì)，預(yù)警統(tǒng)計(jì)情況。點(diǎn)擊右側(cè)“速度”可顯示超度速度變化情況，點(diǎn)擊“軌跡”可對(duì)超速軌跡進(jìn)行回放，通過對(duì)回放軌跡的路線進(jìn)行甄別，用以判斷超速的真實(shí)性。

3）毫米波雷達(dá)自動(dòng)剎車子系統(tǒng)。①系統(tǒng)檢測(cè)總表：體現(xiàn)當(dāng)前正在運(yùn)行的設(shè)備數(shù)量以及毫米波雷達(dá)正常開機(jī)和運(yùn)行數(shù)量；②運(yùn)行檢測(cè)明細(xì)：可以查看每臺(tái)礦用開車每個(gè)班毫米波雷達(dá)開機(jī)運(yùn)行的具體時(shí)間段；③開機(jī)時(shí)間統(tǒng)計(jì)：可以查看每臺(tái)礦用卡車每個(gè)班行車?yán)塾?jì)時(shí)長(zhǎng)、剎車啟用累計(jì)運(yùn)行時(shí)長(zhǎng)、剎車啟用有效使用率、雷達(dá)開機(jī)累計(jì)運(yùn)行時(shí)長(zhǎng)；④系統(tǒng)狀態(tài)：可以查看雷達(dá)各個(gè)傳感器的運(yùn)行狀態(tài)（綠色表示正常，紅色表示故障）；⑤剎車統(tǒng)計(jì)：可以查看每臺(tái)礦用卡車某天或某個(gè)班次毫米波雷達(dá)自動(dòng)剎車次數(shù)以及剎車原因分析。

4）疲勞識(shí)別預(yù)警子系統(tǒng)。實(shí)時(shí)識(shí)別和判斷礦用卡車疲勞狀態(tài)，并將疲勞照片及時(shí)上傳，并做到及時(shí)提醒。同時(shí)可以查看照片和拍照地點(diǎn)在電子地圖上的具體坐標(biāo)位置。

7 結(jié)語

1）采用GPS、無線射頻、毫米波雷達(dá)等先進(jìn)成熟的技術(shù)和多項(xiàng)技術(shù)集成，通過不斷的科學(xué)研究和實(shí)踐，對(duì)露天煤礦礦用卡車的公路運(yùn)輸安全進(jìn)行了有效的預(yù)警預(yù)控，為露天煤礦科技保安走出了一條切實(shí)可行的道路。

2）以建設(shè)信息共享和風(fēng)險(xiǎn)預(yù)警平臺(tái)為目標(biāo)的安全管理系統(tǒng)，將露天煤礦規(guī)章制度中要求的職責(zé)及工作內(nèi)容落實(shí)到具體的系統(tǒng)操作中，使管理更高效，職責(zé)更清晰，內(nèi)容更完整，標(biāo)準(zhǔn)更統(tǒng)一。

3）露天煤礦公路運(yùn)輸安全智能化預(yù)警預(yù)控體系大大提高了露天煤礦公路運(yùn)輸?shù)陌踩禂?shù)，運(yùn)輸效率也大幅提升。經(jīng)現(xiàn)場(chǎng)測(cè)試，大型礦用卡車車速由原來的20 km/h 提高到24 km/h，按24 km/h 的平均速度計(jì)算大型礦用卡車的年生產(chǎn)能力，運(yùn)輸效率提高達(dá)12%。

4）露天煤礦公路運(yùn)輸安全智能化預(yù)警預(yù)控體系實(shí)現(xiàn)了“一增一減一轉(zhuǎn)變”。一增：人員操作效率增加；一減：“三違”數(shù)量明顯減少；一轉(zhuǎn)變：作業(yè)人員從“要我安全”到“我懂安全”和“我要安全”的轉(zhuǎn)變，為創(chuàng)建安全高效露天煤礦奠定了基礎(chǔ)。

5）露天煤礦公路運(yùn)輸安全智能化預(yù)警預(yù)控體系的“減損”（減少事故造成的人員傷亡、職業(yè)病負(fù)擔(dān)、事故經(jīng)濟(jì)損失、環(huán)境危害等）效益凸顯。露天煤礦公路運(yùn)輸安全智能化預(yù)警預(yù)控體系實(shí)施以來，杜絕了公路運(yùn)輸“零敲碎打”事故，每避免1 次事故可減少經(jīng)濟(jì)損失上百萬，甚至上千萬。