配砟整形車智能避障系統(tǒng)研究

徐濟(jì)松 朱廣平 李繼龍 高春雷 劉尚昆

（1.中國鐵道科學(xué)研究院集團(tuán)有限公司鐵道建筑研究所，北京 100081；2.西安局集團(tuán)有限公司西安工務(wù)機(jī)械段，西安 712400）

1 配砟整形車存在的問題

配砟整形車在進(jìn)行配砟整形作業(yè)時側(cè)犁、翼犁等裝置最大伸展距離距軌道中心線約4 m，極有可能碰到距軌道中心線最近距離不到3 m 的接觸網(wǎng)支柱、里程標(biāo)等設(shè)施［1］。配砟整形車須開天窗作業(yè)，天窗時間短，作業(yè)后線路立即開通運(yùn)營，因此對施工作業(yè)安全提出了很高的要求［2］。由于施工作業(yè)多在夜間，視野較差，作業(yè)現(xiàn)場的灰塵及噪音大，容易讓司機(jī)和防護(hù)人員疲勞，更是加大了配砟整形車側(cè)犁與鐵路設(shè)施碰撞的風(fēng)險［3］。

目前沒有與SPZ-200型配砟整形車避障相關(guān)的檢測設(shè)備，主要依靠工人實時現(xiàn)場防護(hù)（圖1）、駕駛員瞭望等方式來保障作業(yè)安全，存在較大的安全隱患。作業(yè)現(xiàn)場多次發(fā)生側(cè)犁碰撞接觸網(wǎng)支柱等鐵路設(shè)施的意外事故，造成較大經(jīng)濟(jì)損失。

圖1 配砟整形施工人工盯防現(xiàn)場

DPZ440 型配砟整形車裝備了輔助避障系統(tǒng)。該系統(tǒng)由安裝在車端頂部的單層激光掃描儀對障礙進(jìn)行掃描，由拉繩傳感器對翼犁外伸量進(jìn)行測量，從而實現(xiàn)輔助避障［2-3］。

據(jù)現(xiàn)場應(yīng)用反饋，該系統(tǒng)存在三點不足：①在車頭、車尾兩端裝備的單層激光掃描儀抗干擾能力較弱。當(dāng)配砟整形車距道旁待識別目標(biāo)距離較遠(yuǎn)時，測量精度明顯受影響。②測量配砟整形車翼犁外伸量時，須采用拉繩傳感器對伸縮油缸進(jìn)行位移檢測，進(jìn)而得出翼犁轉(zhuǎn)角。由于石砟頻繁磨損鋼絲繩，導(dǎo)致翼犁上的拉繩傳感器故障率較高。③系統(tǒng)定位精度低，因此采用了加大避障安全距離的做法，即在距離障礙物較遠(yuǎn)時就采取停車措施，這無疑影響了配砟整形車的作業(yè)效率。

國內(nèi)一些研究人員還采用超聲波傳感器來檢測障礙物，或采用機(jī)器視覺技術(shù)識別線路設(shè)施［4-5］，但不能適應(yīng)作業(yè)現(xiàn)場惡劣的環(huán)境。國外主要采用激光雷達(dá)對障礙物進(jìn)行檢測，檢測精度高，實時性好［6］。鑒于此，本文基于激光雷達(dá)檢測技術(shù)，研發(fā)了配砟整形車智能避障系統(tǒng)。該系統(tǒng)可實現(xiàn)配砟整形車作業(yè)過程中側(cè)犁對接觸網(wǎng)立柱、里程標(biāo)等設(shè)施的智能實時識別與避讓，有效解決配砟整形車作業(yè)過程中的安全問題。

2 配砟整形車智能避障系統(tǒng)的設(shè)計

智能避障系統(tǒng)主要由硬件部分和上位機(jī)軟件組成。

2.1 避障系統(tǒng)硬件

智能避障系統(tǒng)的硬件主要由左右側(cè)激光雷達(dá)傳感器、左右側(cè)翼犁板位置測量裝置、測控箱、處理主機(jī)、報警器等組成，如圖2所示。

圖2 智能避障系統(tǒng)組成示意

受連接翼犁板與主側(cè)犁板的鉸接軸尺寸限制［7］，無法直接在鉸接軸上安裝轉(zhuǎn)角測量裝置，因此設(shè)計了四邊形連桿機(jī)構(gòu)對鉸接軸的轉(zhuǎn)角進(jìn)行間接測量。與DPZ-440 型配砟整形車中采用拉繩傳感器測量翼犁位置［8］不同的是，該機(jī)構(gòu)不僅可以實現(xiàn)翼犁外伸量的可靠測量，有效解決空間尺寸問題，還提高了測量機(jī)構(gòu)的抗干擾能力。

智能避障系統(tǒng)采用布置在配砟整形車兩側(cè)的側(cè)犁上的多層激光雷達(dá)對兩側(cè)接觸網(wǎng)支柱、里程標(biāo)等鐵路設(shè)施進(jìn)行實時掃描，獲取掃描范圍內(nèi)的三維點云數(shù)據(jù)。多層激光雷達(dá)工作原理如圖3所示。

圖3 多層激光雷達(dá)工作原理示意

2.2 避障系統(tǒng)軟件

系統(tǒng)在獲取激光雷達(dá)三維點云數(shù)據(jù)后，通過計算機(jī)數(shù)字處理技術(shù)對原始數(shù)據(jù)進(jìn)行濾波、分割和聚類處理，再提取所測物體的形態(tài)特征，最后對每幀斷面信息進(jìn)行數(shù)據(jù)關(guān)聯(lián)，從而實現(xiàn)障礙物精確定位。本系統(tǒng)優(yōu)化了傳統(tǒng)的中值濾波算法［9］，可以在減少干擾點的同時盡可能保留有效點。

智能避障系統(tǒng)軟件采用Visual Studio 2017 編寫，可在Windows 平臺上運(yùn)行，界面交互性友好，穩(wěn)定性強(qiáng)。軟件界面如圖4 所示，主要呈現(xiàn)左右側(cè)翼犁板外端與接觸網(wǎng)支柱、里程標(biāo)等鐵路設(shè)施之間的位置關(guān)系，以及車輛運(yùn)行和報警信息。

圖4 軟件界面

2.3 配砟整形車智能避障系統(tǒng)的工作流程

智能避障系統(tǒng)具體工作流程為：①由安裝在配砟整形車左右側(cè)的激光雷達(dá)對軌道線路左右側(cè)接觸網(wǎng)支柱、里程標(biāo)等鐵路設(shè)施進(jìn)行掃描。②由安裝在左右兩側(cè)的4 個翼犁轉(zhuǎn)角測量裝置對翼犁轉(zhuǎn)角進(jìn)行測量。根據(jù)測量值計算得出翼犁8 個關(guān)鍵點的坐標(biāo)，并判斷出左右兩側(cè)最先可能會發(fā)生碰撞的危險點。③在兩側(cè)激光雷達(dá)傳感器安裝座上分別設(shè)置姿態(tài)傳感器，對激光雷達(dá)的橫滾角和俯仰角進(jìn)行測量，用于激光雷達(dá)數(shù)據(jù)的坐標(biāo)系變換。④在車體上設(shè)置速度傳感器對車輛走行速度進(jìn)行測量，根據(jù)行車速度確定避障安全距離［10］。⑤司機(jī)室內(nèi)的嵌入式處理平臺對傳感器數(shù)據(jù)進(jìn)行在線采集與處理，實時計算側(cè)犁外端與障礙物之間的橫向和縱向距離，并進(jìn)行碰撞風(fēng)險監(jiān)測與評估。監(jiān)測結(jié)果在司機(jī)室內(nèi)的顯示屏顯示，如有碰撞風(fēng)險，則通過聲光報警器進(jìn)行報警提示。智能避障系統(tǒng)工作原理如圖5所示。

圖5 智能避障系統(tǒng)工作原理示意

3 樣機(jī)的研制與現(xiàn)場試驗

根據(jù)對配砟整形車智能避障系統(tǒng)的設(shè)計，2020年9月研制出了由左右側(cè)激光掃描傳感器、左右側(cè)翼犁板端部位置測量單元、測控箱、處理主機(jī)、報警器等組成的樣機(jī)。2020年11月在西安工務(wù)機(jī)械段，將樣機(jī)安裝在SPZ200 型配砟整形車上進(jìn)行了現(xiàn)場試驗，見圖6。

圖6 樣機(jī)試驗現(xiàn)場

在作業(yè)現(xiàn)場對接觸網(wǎng)支柱、里程標(biāo)等鐵路設(shè)施和避障系統(tǒng)性能進(jìn)行了檢測。試驗過程中某一時刻的三維點云圖見圖7。方框中圈出的為檢測出的接觸網(wǎng)支柱。使用卷尺測量翼犁外端關(guān)鍵點（圖4 中P1—P8）在各自一側(cè)指定坐標(biāo)系中的位置，同時測量出障礙物距離翼犁危險點（翼犁外端關(guān)鍵點中最先可能會發(fā)生碰撞的點）的橫向和縱向距離。檢測結(jié)果見表1。

圖7 試驗過程中某一時刻的三維點云圖

表1 智能避障系統(tǒng)檢測值與實際值對比 mm

由表1 可知：智能避障系統(tǒng)對翼犁板外端位置定位誤差小于50 mm，接觸網(wǎng)支柱和里程標(biāo)與危險點距離檢測誤差小于100 mm，可滿足現(xiàn)場作業(yè)時的智能避障需求。

出現(xiàn)碰撞風(fēng)險時，智能避障系統(tǒng)能按報警等級輸出報警信號或停車信號。輸出報警信號提醒司機(jī)前方有障礙物，輸出停車信號提醒司機(jī)停止作業(yè)，有效降低了司機(jī)的工作強(qiáng)度，提高了安全性。

4 結(jié)語

針對配砟整形車在施工作業(yè)過程中存在側(cè)犁碰撞接觸網(wǎng)支柱、里程標(biāo)等鐵路設(shè)施的風(fēng)險，研發(fā)了一套智能避障系統(tǒng)。

該系統(tǒng)采用四邊形連桿機(jī)構(gòu)對鉸接軸的轉(zhuǎn)角進(jìn)行間接測量，采用多層激光雷達(dá)對兩側(cè)接觸網(wǎng)支柱、里程標(biāo)等鐵路設(shè)施進(jìn)行實時掃描，通過對檢測數(shù)據(jù)進(jìn)行濾波、分割和聚類處理，再提取形態(tài)特征，最后對每幀斷面信息進(jìn)行數(shù)據(jù)關(guān)聯(lián)，從而實現(xiàn)障礙物精確定位。

根據(jù)對智能避障系統(tǒng)的設(shè)計研制了樣機(jī)，并在SPZ200 型配砟整形車上進(jìn)行了裝車試驗。經(jīng)現(xiàn)場測試，該智能避障系統(tǒng)檢測精度可滿足配砟整形車側(cè)犁避障需求，有效解決了現(xiàn)有技術(shù)手段抗干擾能力差、故障率高的問題。