鐵路貨物裝卸機(jī)械人機(jī)安全防撞智能預(yù)警系統(tǒng)設(shè)計(jì)

楊廣全，楊 旭，史 村

(1.中國(guó)鐵道科學(xué)研究院集團(tuán)有限公司 運(yùn)輸及經(jīng)濟(jì)研究所，北京 100081；2.中國(guó)國(guó)家鐵路集團(tuán)有限公司 貨運(yùn)部，北京 100844)

鐵路貨物裝卸作業(yè)是一種動(dòng)態(tài)、系統(tǒng)的作業(yè)過(guò)程，人機(jī)混合、立體交叉，氣候、環(huán)境、設(shè)備、設(shè)施經(jīng)常變化，存在著各種不安全因素，易發(fā)生人身傷亡事故[1-3]。特別是大型流動(dòng)機(jī)械，如正面吊、裝載機(jī)、大型叉車等裝卸機(jī)械，在倒車、轉(zhuǎn)彎作業(yè)時(shí)，由于司機(jī)視野盲區(qū)、疲勞駕駛、盲目追求效率及作業(yè)防護(hù)不到位、作業(yè)人員自我保護(hù)意識(shí)不強(qiáng)等綜合因素作用下，造成人機(jī)相撞，輕則重傷，重則死亡，形成特別慘烈的人身傷亡事故。另外，軌行式門吊裝卸作業(yè)沿軌道運(yùn)行時(shí)，支腿區(qū)域和堆場(chǎng)區(qū)域是危險(xiǎn)區(qū)域，曾發(fā)生人員傷亡事故。為保障鐵路貨物裝卸作業(yè)人身安全，2023年7月公布了《鐵路貨物裝卸安全技術(shù)要求》(TB/T 30009—2023)鐵道行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)，明確規(guī)定集裝箱正面吊應(yīng)配置人機(jī)安全智能防撞預(yù)警裝置。在此背景下，通過(guò)對(duì)鐵路貨物裝卸作業(yè)人機(jī)碰撞事故因素分析，研究設(shè)計(jì)了鐵路貨物裝卸機(jī)械人機(jī)安全防撞智能預(yù)警系統(tǒng)，以保障人身安全，適應(yīng)裝卸機(jī)械智能化發(fā)展[4-7]。

1 鐵路貨物裝卸機(jī)械人機(jī)碰撞事故因素分析

（1）視野盲區(qū)。正面吊、裝載機(jī)等流動(dòng)式裝卸機(jī)械因自身結(jié)構(gòu)龐大、復(fù)雜的特點(diǎn)，駕駛員位于正常駕駛座位置，其視線被車體遮擋的較多，在機(jī)械兩側(cè)及后方形成較大的視野盲區(qū)，在倒車時(shí)該缺點(diǎn)尤為突出，是事故誘發(fā)的重要因素之一，易造成行人被碾壓致死事故。以正面吊為例，駕駛室與車體尾部距離較遠(yuǎn)，且吊臂支點(diǎn)位于駕駛室后側(cè)，正面吊在作業(yè)過(guò)程中，需要頻繁倒車，由于視野盲區(qū)正面吊的尾部具有明顯撞擊痕跡，說(shuō)明在投入使用后經(jīng)歷過(guò)多次碰撞，當(dāng)行人侵入正面吊作業(yè)區(qū)域特別是正面吊后方區(qū)域時(shí)，極易造成人機(jī)碰撞事故。

（2）視線遮擋或視線不良。正面吊、裝載機(jī)等流動(dòng)式裝卸機(jī)械多在露天環(huán)境下作業(yè)，其作業(yè)區(qū)域與人員行走區(qū)域有重合情況，同一區(qū)域內(nèi)多種設(shè)備同時(shí)進(jìn)行交叉作業(yè)，貨物堆存較高或設(shè)備之間遮擋司機(jī)視線，雨雪霾天氣或夜間作業(yè)視野不佳等因素，導(dǎo)致因視線受阻而引發(fā)人機(jī)碰撞事故。

（3）超速。流動(dòng)式裝卸機(jī)械在運(yùn)動(dòng)中的視野盲區(qū)是動(dòng)態(tài)變化的，車速越快，造成的視野盲區(qū)越大。為確保流動(dòng)式裝卸機(jī)械有足夠的制動(dòng)距離和突發(fā)事件反應(yīng)時(shí)間，一般對(duì)流動(dòng)式裝卸機(jī)械的行駛速度有嚴(yán)格控制要求。但在實(shí)際裝卸作業(yè)中，司機(jī)盲目追求作業(yè)效率，存在超速行駛的情況。超速行駛危害較大，可能會(huì)因?yàn)橹苿?dòng)距離過(guò)長(zhǎng)或反應(yīng)時(shí)間太短而引發(fā)碰撞事故。

（4）人的不安全因素。鐵路貨物裝卸作業(yè)工作環(huán)境較為惡劣，作業(yè)重復(fù)率高，司機(jī)長(zhǎng)時(shí)間關(guān)注于貨物裝卸作業(yè)，精神高度緊張，極易產(chǎn)生身體疲勞，易于忽略對(duì)環(huán)境狀態(tài)變化的察覺(jué)，是引起人機(jī)碰撞事故的潛在原因。除了裝卸機(jī)械司機(jī)外，還有輔助作業(yè)人員及其他人員存在，不少事故原因?yàn)楝F(xiàn)場(chǎng)作業(yè)人員不遵守作業(yè)規(guī)范或無(wú)關(guān)人員(誤)闖入作業(yè)現(xiàn)場(chǎng)而引發(fā)的人機(jī)碰撞或在作業(yè)區(qū)域休息被碾壓致死。而在所有的因素中，進(jìn)入裝卸機(jī)械工作區(qū)域的人員警惕性不高占人機(jī)碰撞事故絕對(duì)比例，無(wú)意識(shí)進(jìn)入裝卸機(jī)械運(yùn)行線路上造成人機(jī)碰撞事故。

2 鐵路貨物裝卸機(jī)械人機(jī)安全防撞智能預(yù)警系統(tǒng)技術(shù)方案

目前，鐵路大型流動(dòng)式裝卸機(jī)械主要采用倒車?yán)走_(dá)進(jìn)行防撞管理，但倒車?yán)走_(dá)僅提供影像，不能區(qū)分人員和物體，不能標(biāo)定設(shè)備作業(yè)半徑內(nèi)人員入侵危險(xiǎn)區(qū)域，且頻繁報(bào)警造成司機(jī)無(wú)謂的緊張、聽(tīng)覺(jué)干擾和聽(tīng)覺(jué)疲勞。在港口裝卸作業(yè)中，為保障地面作業(yè)人員的人身安全，提出了基于RFID技術(shù)的港口裝卸作業(yè)人機(jī)安全預(yù)警系統(tǒng)，地面作業(yè)人員需要隨身配備預(yù)警設(shè)備，但對(duì)于進(jìn)入裝卸機(jī)械作業(yè)區(qū)域的其他人員不能起到保護(hù)作用[8]。隨著機(jī)器視覺(jué)、人工智能技術(shù)的發(fā)展和GPU計(jì)算能力的提升[9-10]，研究基于深度學(xué)習(xí)的人機(jī)安全防撞智能預(yù)警技術(shù)，實(shí)時(shí)自動(dòng)識(shí)別周邊人員并測(cè)距，及時(shí)向司機(jī)預(yù)警，防止裝卸機(jī)械與人員相撞，避免人身傷亡事故發(fā)生。為此，開(kāi)發(fā)了鐵路貨物裝卸機(jī)械人機(jī)安全防撞智能預(yù)警系統(tǒng)。

2.1 鐵路貨物裝卸機(jī)械人機(jī)安全防撞智能預(yù)警系統(tǒng)構(gòu)成

鐵路貨物裝卸機(jī)械人機(jī)安全防撞預(yù)警系統(tǒng)由高清工業(yè)攝像機(jī)、圖像處理器、報(bào)警顯示器、遠(yuǎn)程傳輸單元、遠(yuǎn)程監(jiān)測(cè)中心、衛(wèi)星車載定位模塊等組成，人機(jī)安全防撞智能預(yù)警系統(tǒng)構(gòu)成如圖1所示。其工作流程為：高清工業(yè)攝像機(jī)采集裝卸機(jī)械車體作業(yè)區(qū)域的圖像；圖像處理器根據(jù)采集的圖像對(duì)裝卸機(jī)械作業(yè)區(qū)域的行人進(jìn)行實(shí)時(shí)識(shí)別和定位，確定行人邊界框坐標(biāo)；根據(jù)行人邊界框坐標(biāo)測(cè)距，確定行人位于的區(qū)域。若行人位于危險(xiǎn)區(qū)域，則根據(jù)行人所在的危險(xiǎn)區(qū)域向報(bào)警顯示模塊發(fā)送相應(yīng)的報(bào)警指令，報(bào)警顯示器進(jìn)行一級(jí)預(yù)警或二級(jí)預(yù)警，提示司機(jī)注意行人。

圖1 人機(jī)安全防撞智能預(yù)警系統(tǒng)構(gòu)成Fig.1 Composition of the human-machine safety and collision avoidance intelligent warning system

（1）高清工業(yè)攝像機(jī)。高清工業(yè)攝像機(jī)安裝在鐵路貨物裝卸機(jī)械車身上，用于采集裝卸作業(yè)區(qū)域的視頻流。選用網(wǎng)絡(luò)型攝像機(jī)，分辨率1 280×720，最小照度滿足0.002 Lux，鏡頭光圈F1.0，鏡頭焦距2.8 mm，水平視角不低于90°，垂直視場(chǎng)角大于55°，幀率不低于25 fps，采用3D數(shù)字降噪、寬動(dòng)態(tài)及強(qiáng)光抑制功能，攝像機(jī)畫面成像日夜全彩、暗光下不會(huì)出現(xiàn)拖尾或延遲，具有自動(dòng)搜索重連功能。外殼防護(hù)等級(jí)達(dá)到GB/T 4208—2017規(guī)定的IP68，防水防塵。

（2）圖像處理器。圖像處理器如圖2所示，用于接收裝卸作業(yè)區(qū)域視頻流，并對(duì)裝卸作業(yè)區(qū)域視頻流的行人進(jìn)行實(shí)時(shí)識(shí)別和定位。GPU圖像處理器采用Pascal架構(gòu)，中央處理器采用64位A57架構(gòu)，采用256個(gè)CUDA核心的GPU圖像處理器作為數(shù)據(jù)處理單元，內(nèi)存為8 GB，存儲(chǔ)空間32 G，浮點(diǎn)算力為每秒1.3萬(wàn)億浮點(diǎn)運(yùn)算次數(shù)；圖像處理器的封裝工藝采用無(wú)風(fēng)扇散熱工藝，處理器涂抹導(dǎo)熱劑，緊貼鋁合金散熱型材，外殼防護(hù)等級(jí)達(dá)到GB/T 4208—2017規(guī)定的IP65。圖像處理器具有電源指示燈，每路攝像機(jī)連接指示燈，至少具有1個(gè)HDMI、1個(gè)USB、4個(gè)RJ45、2路DC12V信號(hào)輸出(可驅(qū)動(dòng)12 V聲光報(bào)警燈)、2路信號(hào)輸入接口。圖像處理器帶有掛耳式安裝孔，可側(cè)掛式安裝固定。

圖2 圖像處理器Fig.2 Image processor

（3）報(bào)警顯示器。報(bào)警顯示器用于顯示圖像處理器處理后的視頻流，并高亮顯示行人位置，按照人機(jī)距離進(jìn)行一級(jí)預(yù)警和二級(jí)預(yù)警。報(bào)警顯示器屏幕尺寸不小于7寸，外殼防護(hù)等級(jí)達(dá)到GB/T 4208—2017規(guī)定的IP65，HDMI及電源接口采用隱藏式防水接口，抗無(wú)線電電磁干擾，可屏蔽駕駛室內(nèi)對(duì)講機(jī)的電磁干擾，音量及明暗度可調(diào)節(jié)。

（4）遠(yuǎn)程傳輸單元。圖像經(jīng)過(guò)圖像處理器處理后，人機(jī)沖突圖像由網(wǎng)絡(luò)處理器傳輸?shù)竭h(yuǎn)程監(jiān)測(cè)中心存儲(chǔ)。網(wǎng)絡(luò)處理器采用全頻棒狀天線，內(nèi)置4G無(wú)線通信模塊，借助TCP/UDP/MQTT/DNS等互聯(lián)網(wǎng)通信協(xié)議，將人機(jī)沖突圖像、沖突位置、沖突時(shí)間等數(shù)據(jù)無(wú)線傳輸?shù)竭h(yuǎn)程監(jiān)測(cè)中心。

（5）遠(yuǎn)程監(jiān)測(cè)中心。經(jīng)過(guò)圖像處理器處理后的人機(jī)沖突圖像及相關(guān)信息通過(guò)4G網(wǎng)絡(luò)傳輸，存儲(chǔ)到遠(yuǎn)程數(shù)據(jù)庫(kù)服務(wù)器中，為系統(tǒng)應(yīng)用和移動(dòng)終端提供查詢、統(tǒng)計(jì)服務(wù)。

（6）衛(wèi)星車載定位模塊。采用GPS/北斗雙模實(shí)時(shí)定位，定位精度2 m，可以獲取人機(jī)沖突的位置，并對(duì)裝卸機(jī)械的運(yùn)行軌跡進(jìn)行追溯、回放。

2.2 鐵路貨物裝卸機(jī)械人機(jī)安全防撞智能預(yù)警系統(tǒng)技術(shù)指標(biāo)和功能

（1）針對(duì)現(xiàn)場(chǎng)作業(yè)時(shí)白天出現(xiàn)強(qiáng)光、夜晚出現(xiàn)暗光低照度各種光線條件，采用日夜全彩高清工業(yè)攝像機(jī)，在星光環(huán)境下無(wú)需任何輔助光源，可以清晰顯示彩色圖像，滿足貨場(chǎng)作業(yè)區(qū)域正常工作照度條件，白天夜晚識(shí)別效果一致，并在強(qiáng)光、弱光、夜晚等環(huán)境下能有效地識(shí)別設(shè)備危險(xiǎn)區(qū)域內(nèi)的人員。針對(duì)露天作業(yè)，作業(yè)環(huán)境惡劣，高清工業(yè)攝像機(jī)采用IP68防護(hù)等級(jí)封裝，采用專用支架安裝，安裝牢固可靠、防震，適合鐵路貨場(chǎng)全天候工作。

（2）行人識(shí)別準(zhǔn)確率≥98%，行人識(shí)別響應(yīng)時(shí)間≤300 ms，滿足行人識(shí)別實(shí)時(shí)性要求，能夠全天候主動(dòng)識(shí)別行人走行、騎行、站蹲等各種姿態(tài)。為了提升行人識(shí)別準(zhǔn)確率和識(shí)別實(shí)時(shí)性，一是基于深度學(xué)習(xí)理論，構(gòu)建行人識(shí)別卷積神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)，并融入注意力機(jī)制，建立鐵路貨物裝卸作業(yè)行人智能識(shí)別網(wǎng)絡(luò)模型，以平衡行人的識(shí)別準(zhǔn)確性和識(shí)別速度；二是建立鐵路貨場(chǎng)裝卸作業(yè)環(huán)境行人標(biāo)注數(shù)據(jù)集用于訓(xùn)練網(wǎng)絡(luò)模型，提升行人識(shí)別準(zhǔn)確性；三是采用GPU高效處理芯片進(jìn)行嵌入式設(shè)計(jì)，提升行人識(shí)別速度。

（3）按照人機(jī)距離采用分級(jí)預(yù)警。正面吊的人機(jī)距離一般設(shè)為10 m，15 m，當(dāng)人機(jī)距離≤10 m時(shí)采用一級(jí)預(yù)警，當(dāng)10 m≤人機(jī)距離≤15 m時(shí)采用二級(jí)預(yù)警；裝載機(jī)的人機(jī)距離一般設(shè)置為5 m，10 m，當(dāng)人機(jī)距離≤5 m時(shí)采用一級(jí)預(yù)警，當(dāng)5 m≤人機(jī)距離≤10 m時(shí)采用二級(jí)預(yù)警。報(bào)警區(qū)域范圍也可自定義調(diào)節(jié)，按照需求設(shè)定分級(jí)預(yù)警的人機(jī)距離范圍。

（4）報(bào)警顯示器顯示報(bào)警。實(shí)時(shí)顯示高清工業(yè)攝像機(jī)采集的裝卸作業(yè)區(qū)域圖像，若行人進(jìn)入裝卸機(jī)械報(bào)警區(qū)域，則按照一級(jí)和二級(jí)預(yù)警判斷標(biāo)準(zhǔn)觸發(fā)報(bào)警，并高亮框選行人、閃爍蜂鳴報(bào)警，提醒司機(jī)注意行人，控制人機(jī)碰撞風(fēng)險(xiǎn)。

（5）180°，270°和360°覆蓋范圍。①180°覆蓋范圍。在流動(dòng)式裝卸機(jī)械尾部安裝2臺(tái)高清工業(yè)攝像機(jī)，采集機(jī)械尾部的工作區(qū)域，圖像處理器對(duì)尾部作業(yè)區(qū)域內(nèi)的行人識(shí)別和定位。②270°覆蓋范圍。在流動(dòng)式裝卸機(jī)械兩側(cè)和尾部安裝4臺(tái)高清工業(yè)攝像機(jī)，采集機(jī)械兩側(cè)和尾部的工作區(qū)域，圖像處理器對(duì)兩側(cè)和尾部作業(yè)區(qū)域內(nèi)的行人識(shí)別和定位，270°覆蓋范圍示意圖如圖3所示。③360°覆蓋范圍。在流動(dòng)式裝卸機(jī)械兩側(cè)、尾部和前方安裝高清工業(yè)攝像機(jī)，圖像處理器對(duì)周圍作業(yè)區(qū)域內(nèi)的行人識(shí)別和定位。

圖3 270°覆蓋范圍示意圖Fig.3 Schematic diagram of coverage with 270 degrees

（6）人機(jī)沖突信息存儲(chǔ)和查詢。行人在報(bào)警區(qū)域的圖像經(jīng)過(guò)圖像處理器識(shí)別和定位后，由網(wǎng)絡(luò)處理器的4G無(wú)線通信模塊傳輸?shù)竭h(yuǎn)程監(jiān)測(cè)中心壓縮存儲(chǔ)，每張圖像大小約為50 KB，可通過(guò)終端設(shè)備進(jìn)行追溯和查詢查看。遠(yuǎn)程監(jiān)測(cè)中心存儲(chǔ)的行人識(shí)別、定位和報(bào)警圖像如圖4所示，圖像中的黃色圓點(diǎn)表示正面吊右側(cè)和右后方的行人均處于二級(jí)報(bào)警區(qū)域，若圓點(diǎn)顯示為紅色時(shí)，表示行人處于一級(jí)報(bào)警區(qū)域。

圖4 行人識(shí)別、定位和報(bào)警圖像Fig.4 Image example of pedestrian recognition, positioning and alarm

（7）程序的遠(yuǎn)程自動(dòng)升級(jí)。通過(guò)遠(yuǎn)程監(jiān)測(cè)中心存儲(chǔ)的行人圖像，形成鐵路貨場(chǎng)行人大數(shù)據(jù)，以訓(xùn)練行人智能識(shí)別網(wǎng)絡(luò)模型，持續(xù)提升行人識(shí)別準(zhǔn)確性。網(wǎng)絡(luò)處理器具有物聯(lián)網(wǎng)遠(yuǎn)程傳輸功能接口，利用4G無(wú)線通信模塊，進(jìn)行模型和程序的遠(yuǎn)程自動(dòng)升級(jí)。

3 結(jié)束語(yǔ)

鐵路貨物裝卸機(jī)械人機(jī)安全防撞智能預(yù)警系統(tǒng)是以圖像處理器為核心，通過(guò)高清工業(yè)攝像機(jī)獲取裝卸機(jī)械作業(yè)區(qū)域視頻流，實(shí)時(shí)自動(dòng)識(shí)別作業(yè)區(qū)域行人并標(biāo)定測(cè)距，及時(shí)向司機(jī)預(yù)警并在碰撞前停車，實(shí)現(xiàn)人機(jī)防撞精準(zhǔn)預(yù)警，防止裝卸機(jī)械與人員相撞，能有效避免人身傷亡事故發(fā)生。同時(shí)，人機(jī)沖突信息通過(guò)網(wǎng)絡(luò)處理器傳輸?shù)竭h(yuǎn)程監(jiān)測(cè)中心存儲(chǔ)，為人機(jī)沖突信息的統(tǒng)計(jì)和查詢提供數(shù)據(jù)支持。該系統(tǒng)已在中國(guó)鐵路北京局集團(tuán)有限公司鐵路貨場(chǎng)推廣應(yīng)用，應(yīng)用效果良好。