薛安琳，周佳亮

(1.西安鐵路局工務(wù)機(jī)械段，陜西 西安 712400;2.中國(guó)鐵道科學(xué)研究院 鐵道建筑研究所，北京 100081)

BS-1200型邊坡清篩機(jī)是引進(jìn)美國(guó)Loram公司技術(shù)研制的高效率大型養(yǎng)路機(jī)械。該機(jī)總長(zhǎng)度約45 m，最大作業(yè)效率為1 200 m3/h，可自行完成挖掘、輸送、篩分、回填和整形全工序作業(yè)過(guò)程。它由裝載車(chē)和篩分車(chē)兩節(jié)連掛組成，裝載車(chē)在前，篩分車(chē)在后。篩分車(chē)的污土帶輸送不符合要求的石砟、雜物等，將之拋射到線路外或拋射到篩分車(chē)后方的物料車(chē)。BS-1200型邊坡清篩機(jī)作業(yè)時(shí)，污土帶超出限界，可能與接觸網(wǎng)支柱等地面設(shè)施發(fā)生碰撞，如果污土帶未能及時(shí)旋轉(zhuǎn)避讓?zhuān)涂赡馨l(fā)生重大安全事故。

BS-1200型邊坡清篩機(jī)現(xiàn)場(chǎng)施工作業(yè)存在以下缺點(diǎn):①施工作業(yè)現(xiàn)場(chǎng)的灰塵及噪音很大，視野差，司機(jī)易疲勞，存在較大安全隱患;②邊坡清篩機(jī)作業(yè)速度快，最高可達(dá)4 km/h，而污土帶的長(zhǎng)和寬分別為13 m和2.2 m，笨重的污土帶使得控制速度變慢，提高了避讓的難度;③污土帶的拋污方向在整個(gè)車(chē)的后方，駕駛員背對(duì)污土帶駕駛時(shí)不利于瞭望，增加了碰撞的風(fēng)險(xiǎn);④沒(méi)有采用先進(jìn)的電子設(shè)備保障施工安全［1-2］。

針對(duì)BS-1200型邊坡清篩機(jī)的上述缺陷，研究了一套污土帶避撞輔助安全裝置。本文對(duì)污土帶避撞技術(shù)原理、主要工作部件及控制軟件進(jìn)行設(shè)計(jì)。應(yīng)用結(jié)果表明，該系統(tǒng)操作簡(jiǎn)便，能實(shí)現(xiàn)障礙接近報(bào)警和自動(dòng)停車(chē)，不受灰塵等環(huán)境因素影響，滿足現(xiàn)場(chǎng)作業(yè)需要。

1 避撞原理

獲取障礙物的位置信息是避撞輔助安全裝置工作的前提，主要有以下非接觸式探測(cè)方法。

主動(dòng)探測(cè)類(lèi)的基于激光、超聲波、紅外探測(cè)器、或雷達(dá)等設(shè)備。它們對(duì)鄰近區(qū)域進(jìn)行主動(dòng)探測(cè)，靠特定區(qū)域的物體對(duì)聲或光信號(hào)的反射達(dá)到測(cè)量的目的。

標(biāo)識(shí)類(lèi)的基于GPS或電子標(biāo)簽等設(shè)備。它們一般至少由兩個(gè)設(shè)備構(gòu)成，一個(gè)設(shè)備放置于指定的物體附近，標(biāo)識(shí)此物體位置，另一個(gè)設(shè)備則是接收標(biāo)識(shí)設(shè)備的信號(hào)。兩個(gè)設(shè)備可以實(shí)現(xiàn)測(cè)距的功能，三個(gè)以上的設(shè)備能實(shí)現(xiàn)設(shè)備之間的空間定位。

BS-1200型邊坡清篩機(jī)會(huì)在夜間、霧天等天氣下作業(yè)，作業(yè)時(shí)會(huì)產(chǎn)生很大灰塵。主動(dòng)探測(cè)類(lèi)設(shè)備探測(cè)到的物體可能是灰塵、路過(guò)的工作人員，甚至可能是落葉等，這些物體對(duì)污土帶不構(gòu)成障礙，而此類(lèi)設(shè)備無(wú)法自動(dòng)區(qū)分探測(cè)到的是何種物體，因此誤報(bào)率會(huì)很高［3-4］。

對(duì)于GPS和電子標(biāo)簽這些標(biāo)識(shí)類(lèi)設(shè)備而言，測(cè)量結(jié)果只能是唯一的被標(biāo)識(shí)過(guò)的物體，這就大大增加了現(xiàn)場(chǎng)施工作業(yè)的靈活性，它們可用于標(biāo)識(shí)斜拉線、接觸網(wǎng)支柱等對(duì)污土帶構(gòu)成障礙的地面設(shè)施。人為的標(biāo)識(shí)準(zhǔn)確可靠，避撞裝置很少誤報(bào)。由于GPS設(shè)備定位區(qū)域大、價(jià)格高、局部定位誤差受地形等環(huán)境的影響，所以本裝置選取基于電子標(biāo)簽標(biāo)識(shí)障礙物位置的無(wú)線測(cè)距技術(shù)來(lái)獲取障礙物的位置。

2 系統(tǒng)設(shè)計(jì)

邊坡清篩機(jī)污土帶避撞輔助安全裝置安裝如圖1所示。該系統(tǒng)的無(wú)線測(cè)距裝置由無(wú)線測(cè)距固定端4和無(wú)線測(cè)距移動(dòng)端7組成。無(wú)線測(cè)距移動(dòng)端用于標(biāo)識(shí)障礙物的位置，它放置于接觸網(wǎng)支柱或斜拉線旁邊。無(wú)線測(cè)距固定端4安裝在邊坡清篩機(jī)車(chē)尾，檢測(cè)車(chē)體前方最近的無(wú)線測(cè)距移動(dòng)端7的位置，便可獲取經(jīng)過(guò)標(biāo)識(shí)的障礙物的距離值D。污土帶轉(zhuǎn)角傳感器2安裝在污土帶3轉(zhuǎn)盤(pán)處，它檢測(cè)污土帶3的旋轉(zhuǎn)角度，通過(guò)污土帶固定的幾何尺寸，進(jìn)一步可獲得污土帶外伸量。攝像機(jī)6安裝在車(chē)尾，它實(shí)時(shí)檢測(cè)車(chē)前現(xiàn)場(chǎng)圖像。揚(yáng)聲器10安裝在司機(jī)室和車(chē)尾兩處，它向現(xiàn)場(chǎng)工作人員發(fā)出語(yǔ)音提示信息。司機(jī)室里的計(jì)算機(jī)9接收障礙物的距離值D、污土帶轉(zhuǎn)角和監(jiān)控圖像，數(shù)據(jù)經(jīng)計(jì)算和處理后，可控制聲光報(bào)警器工作、語(yǔ)音提示和控制清篩機(jī)自動(dòng)停車(chē)。司機(jī)室內(nèi)的無(wú)線遙控接收器5接收車(chē)下任何一個(gè)無(wú)線遙控器8的遙控信號(hào)，它根據(jù)接收到的信號(hào)控制清篩機(jī)停車(chē)?yán)^電器和報(bào)警繼電器工作。

圖1 邊坡清篩機(jī)污土帶避撞輔助安全裝置

3 主要部件設(shè)計(jì)

1)無(wú)線測(cè)距設(shè)備

無(wú)線測(cè)距設(shè)備包括無(wú)線測(cè)距移動(dòng)端和無(wú)線測(cè)距固定端，一個(gè)作為發(fā)射器使用，一個(gè)作為接收器使用，如圖2所示。固定端安裝于邊坡清篩機(jī)車(chē)尾位置，移動(dòng)端放置于接觸網(wǎng)支柱或斜拉線旁邊。無(wú)線電信號(hào)在固定端和移動(dòng)端的傳輸時(shí)間乘以光速得到兩個(gè)設(shè)備之間的距離，固定端將實(shí)時(shí)測(cè)量距離值傳送給計(jì)算機(jī)進(jìn)行處理。本系統(tǒng)一共配置了4個(gè)無(wú)線測(cè)距移動(dòng)端，它的本質(zhì)是電子標(biāo)簽，可以標(biāo)識(shí)4個(gè)障礙物的位置。

圖2 無(wú)線測(cè)距設(shè)備

2)污土帶轉(zhuǎn)角傳感器

污土帶轉(zhuǎn)角傳感器安裝在污土帶轉(zhuǎn)盤(pán)處，如圖3所示。邊坡清篩機(jī)整個(gè)污土帶可以視為一個(gè)剛體，通過(guò)測(cè)量轉(zhuǎn)盤(pán)的轉(zhuǎn)動(dòng)角度即可測(cè)量整個(gè)污土帶轉(zhuǎn)角。污土帶轉(zhuǎn)角傳感器的拉繩緊貼在污土帶轉(zhuǎn)盤(pán)上，當(dāng)污土帶轉(zhuǎn)動(dòng)時(shí)，轉(zhuǎn)盤(pán)轉(zhuǎn)動(dòng)的弧長(zhǎng)會(huì)等于傳感器內(nèi)部從動(dòng)輪的弧長(zhǎng)。設(shè)傳感器內(nèi)部從動(dòng)輪的半徑為r，污土帶轉(zhuǎn)盤(pán)外沿到旋轉(zhuǎn)中心半徑為R，測(cè)量從動(dòng)輪轉(zhuǎn)角的絕對(duì)編碼器輸出的角度φ，則污土帶轉(zhuǎn)角θ為

式中，φ0為污土帶位于線路中心位置時(shí)絕對(duì)編碼器輸出的角度。

圖3 轉(zhuǎn)角傳感器

3)攝像機(jī)

攝像機(jī)安裝于車(chē)尾，對(duì)現(xiàn)場(chǎng)環(huán)境進(jìn)行拍攝，并將圖像傳輸給計(jì)算機(jī)，操作人員從計(jì)算機(jī)上確認(rèn)前方是否有障礙物。

4)計(jì)算機(jī)控制系統(tǒng)

選用工業(yè)平板電腦作為整個(gè)控制系統(tǒng)的計(jì)算機(jī)平臺(tái)，編制的軟件在該平臺(tái)上運(yùn)行。

5)語(yǔ)音設(shè)備

語(yǔ)音設(shè)備會(huì)根據(jù)障礙物的遠(yuǎn)近實(shí)時(shí)提示障礙物的距離值和避讓信息。

6)無(wú)線遙控器和接收器

無(wú)線遙控器由車(chē)下的操作人員操作。本系統(tǒng)配有多達(dá)5個(gè)遙控器，可由5個(gè)防護(hù)員在5個(gè)視野良好位置防護(hù)污土帶，在緊急情況下，可遙控?zé)o線接收器控制邊坡清篩機(jī)上的停車(chē)?yán)^電器和報(bào)警繼電器工作。

遙控功能:①車(chē)下任何一個(gè)遙控器按下“停車(chē)”按鈕，接收器使得停車(chē)信號(hào)端子的電平置高，邊坡清篩機(jī)停車(chē);②車(chē)下任何一個(gè)遙控器按下“報(bào)警”按鈕，接收器使得報(bào)警器報(bào)警。

4 軟件設(shè)計(jì)

4.1 軟件流程圖

系統(tǒng)軟件避撞流程圖如圖4所示。在編制的軟件代碼中，數(shù)據(jù)采集線程采集無(wú)線測(cè)距數(shù)據(jù)、轉(zhuǎn)角傳感器數(shù)據(jù)和圖像數(shù)據(jù)，根據(jù)采集到的數(shù)據(jù)輸出報(bào)警、語(yǔ)音和停車(chē)信號(hào)。

當(dāng)無(wú)線測(cè)距得到的障礙物的距離值D＞20 m時(shí)，系統(tǒng)只給出語(yǔ)音提示信息;測(cè)距值在14～20 m時(shí)，有斷續(xù)聲光報(bào)警信息;測(cè)距值在8～14 m時(shí)，有連續(xù)聲光報(bào)警信息，操作人員需要在此范圍內(nèi)完成污土帶的避讓操作;測(cè)距值在8 m內(nèi)時(shí)，軟件將給出停車(chē)信號(hào)，此時(shí)車(chē)下視野良好位置的防護(hù)員也可以及時(shí)用遙控器發(fā)出停車(chē)信號(hào)。

圖4 系統(tǒng)軟件避撞流程

4.2 軟件功能

如圖5所示，該系統(tǒng)軟件對(duì)采集到的數(shù)據(jù)進(jìn)行處理，實(shí)現(xiàn)障礙接近報(bào)警、語(yǔ)音提示和清篩機(jī)自動(dòng)停車(chē)的功能，并且能直觀地顯示障礙物的距離值、污土帶的擺動(dòng)位置和現(xiàn)場(chǎng)作業(yè)圖。

圖5 軟件界面

5 現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)

在邊坡清篩機(jī)作業(yè)時(shí)，將無(wú)線測(cè)距移動(dòng)端放置在接觸網(wǎng)支柱旁邊，標(biāo)識(shí)接觸網(wǎng)支柱的位置，防護(hù)員在車(chē)下視野良好處攜帶遙控器防護(hù)污土帶作業(yè)，并對(duì)系統(tǒng)各項(xiàng)功能進(jìn)行測(cè)試。

試驗(yàn)測(cè)試結(jié)果表明:系統(tǒng)能實(shí)現(xiàn)障礙接近報(bào)警和清篩機(jī)自動(dòng)停車(chē)功能;5個(gè)遙控器使得防護(hù)員能在多個(gè)視野良好位置觀察，在緊急情況下，可控制清篩機(jī)停車(chē);該系統(tǒng)不受灰塵等環(huán)境的影響。

6 結(jié)論

BS-1200型邊坡清篩機(jī)污土帶避撞輔助安全裝置可直觀顯示所標(biāo)識(shí)的接觸網(wǎng)支柱等設(shè)施的遠(yuǎn)近、污土帶的位置和現(xiàn)場(chǎng)監(jiān)控圖像，能實(shí)現(xiàn)障礙接近報(bào)警和自動(dòng)停車(chē)，為清篩機(jī)作業(yè)提供有效安全輔助保障手段?，F(xiàn)場(chǎng)使用表明，該系統(tǒng)不受灰塵等環(huán)境因素影響，采用無(wú)線遙控技術(shù)能在多個(gè)視野良好位置遠(yuǎn)程防護(hù)污土帶。該系統(tǒng)操作簡(jiǎn)便，性能穩(wěn)定，能滿足邊坡清篩機(jī)的現(xiàn)場(chǎng)使用需求。

［1］寇長(zhǎng)青，宋慧京.全斷面枕底清篩機(jī)［M］.北京:中國(guó)鐵道出版社，1998.

［2］高春雷，王發(fā)燈.清篩機(jī)污土輸送裝置避障系統(tǒng)的設(shè)計(jì)［J］.鐵道建筑，2007(8):97-99.

［3］薛安琳.基于無(wú)線測(cè)距技術(shù)的清篩機(jī)污土帶輔助避障系統(tǒng)應(yīng)用研究［J］.鐵道建筑，2013(6):160-163.

［4］胡傳亮，高春雷，王發(fā)燈，等.非接觸障礙檢測(cè)技術(shù)在清篩機(jī)污土帶避障中的應(yīng)用［J］.鐵道建筑，2013(3):121-124.