徐濟(jì)松 朱廣平 李繼龍 高春雷 劉尚昆

（1.中國(guó)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(wèn)題

配砟整形車在進(jìn)行配砟整形作業(yè)時(shí)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(shí)間短，作業(yè)后線路立即開通運(yùn)營(yíng)，因此對(duì)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(chǎng)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(xiǎn)［3］。

目前沒(méi)有與SPZ-200型配砟整形車避障相關(guān)的檢測(cè)設(shè)備，主要依靠工人實(shí)時(shí)現(xiàn)場(chǎng)防護(hù)（圖1）、駕駛員瞭望等方式來(lái)保障作業(yè)安全，存在較大的安全隱患。作業(yè)現(xiàn)場(chǎng)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(chǎng)

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(duì)障礙進(jìn)行掃描，由拉繩傳感器對(duì)翼犁外伸量進(jìn)行測(cè)量，從而實(shí)現(xiàn)輔助避障［2-3］。

據(jù)現(xiàn)場(chǎng)應(yīng)用反饋，該系統(tǒng)存在三點(diǎn)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(shí)別目標(biāo)距離較遠(yuǎn)時(shí)，測(cè)量精度明顯受影響。②測(cè)量配砟整形車翼犁外伸量時(shí)，須采用拉繩傳感器對(duì)伸縮油缸進(jìn)行位移檢測(cè)，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(shí)就采取停車措施，這無(wú)疑影響了配砟整形車的作業(yè)效率。

國(guó)內(nèi)一些研究人員還采用超聲波傳感器來(lái)檢測(cè)障礙物，或采用機(jī)器視覺(jué)技術(shù)識(shí)別線路設(shè)施［4-5］，但不能適應(yīng)作業(yè)現(xiàn)場(chǎng)惡劣的環(huán)境。國(guó)外主要采用激光雷達(dá)對(duì)障礙物進(jìn)行檢測(cè)，檢測(cè)精度高，實(shí)時(shí)性好［6］。鑒于此，本文基于激光雷達(dá)檢測(cè)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(shí)現(xiàn)配砟整形車作業(yè)過(guò)程中側(cè)犁對(duì)接觸網(wǎng)立柱、里程標(biāo)等設(shè)施的智能實(shí)時(shí)識(shí)別與避讓，有效解決配砟整形車作業(yè)過(guò)程中的安全問(wèn)題。

2 配砟整形車智能避障系統(tǒng)的設(shè)計(jì)

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(cè)量裝置、測(cè)控箱、處理主機(jī)、報(bào)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(wú)法直接在鉸接軸上安裝轉(zhuǎn)角測(cè)量裝置，因此設(shè)計(jì)了四邊形連桿機(jī)構(gòu)對(duì)鉸接軸的轉(zhuǎn)角進(jìn)行間接測(cè)量。與DPZ-440 型配砟整形車中采用拉繩傳感器測(cè)量翼犁位置［8］不同的是，該機(jī)構(gòu)不僅可以實(shí)現(xiàn)翼犁外伸量的可靠測(cè)量，有效解決空間尺寸問(wèn)題，還提高了測(cè)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(duì)兩側(cè)接觸網(wǎng)支柱、里程標(biāo)等鐵路設(shè)施進(jìn)行實(shí)時(shí)掃描，獲取掃描范圍內(nèi)的三維點(diǎn)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(diǎn)云數(shù)據(jù)后，通過(guò)計(jì)算機(jī)數(shù)字處理技術(shù)對(duì)原始數(shù)據(jù)進(jìn)行濾波、分割和聚類處理，再提取所測(cè)物體的形態(tài)特征，最后對(duì)每幀斷面信息進(jìn)行數(shù)據(jù)關(guān)聯(lián)，從而實(shí)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(diǎn)的同時(shí)盡可能保留有效點(diǎn)。

智能避障系統(tǒng)軟件采用Visual Studio 2017 編寫，可在Windows 平臺(tái)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(bào)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(duì)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(gè)翼犁轉(zhuǎn)角測(cè)量裝置對(duì)翼犁轉(zhuǎn)角進(jìn)行測(cè)量。根據(jù)測(cè)量值計(jì)算得出翼犁8 個(gè)關(guān)鍵點(diǎn)的坐標(biāo)，并判斷出左右兩側(cè)最先可能會(huì)發(fā)生碰撞的危險(xiǎn)點(diǎn)。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(duì)激光雷達(dá)的橫滾角和俯仰角進(jìn)行測(cè)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(duì)車輛走行速度進(jìn)行測(cè)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(tái)對(duì)傳感器數(shù)據(jù)進(jìn)行在線采集與處理，實(shí)時(shí)計(jì)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(xiǎn)監(jiān)測(cè)與評(píng)估。監(jiān)測(cè)結(jié)果在司機(jī)室內(nèi)的顯示屏顯示，如有碰撞風(fēng)險(xiǎn)，則通過(guò)聲光報(bào)警器進(jìn)行報(bào)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(chǎng)試驗(yàn)

根據(jù)對(duì)配砟整形車智能避障系統(tǒng)的設(shè)計(jì)，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(cè)量單元、測(cè)控箱、處理主機(jī)、報(bào)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(chǎng)試驗(yàn)，見圖6。

圖6 樣機(jī)試驗(yàn)現(xiàn)場(chǎng)

在作業(yè)現(xiàn)場(chǎng)對(duì)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(cè)。試驗(yàn)過(guò)程中某一時(shí)刻的三維點(diǎn)云圖見圖7。方框中圈出的為檢測(cè)出的接觸網(wǎng)支柱。使用卷尺測(cè)量翼犁外端關(guān)鍵點(diǎn)（圖4 中P1—P8）在各自一側(cè)指定坐標(biāo)系中的位置，同時(shí)測(cè)量出障礙物距離翼犁危險(xiǎn)點(diǎn)（翼犁外端關(guān)鍵點(diǎn)中最先可能會(huì)發(fā)生碰撞的點(diǎn)）的橫向和縱向距離。檢測(cè)結(jié)果見表1。

圖7 試驗(yàn)過(guò)程中某一時(shí)刻的三維點(diǎn)云圖

表1 智能避障系統(tǒng)檢測(cè)值與實(shí)際值對(duì)比 mm

由表1 可知：智能避障系統(tǒng)對(duì)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(xiǎn)點(diǎn)距離檢測(cè)誤差小于100 mm，可滿足現(xiàn)場(chǎng)作業(yè)時(shí)的智能避障需求。

出現(xiàn)碰撞風(fēng)險(xiǎn)時(shí)，智能避障系統(tǒng)能按報(bào)警等級(jí)輸出報(bào)警信號(hào)或停車信號(hào)。輸出報(bào)警信號(hào)提醒司機(jī)前方有障礙物，輸出停車信號(hào)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(yǔ)

針對(duì)配砟整形車在施工作業(yè)過(guò)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(xiǎn)，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(duì)鉸接軸的轉(zhuǎn)角進(jìn)行間接測(cè)量，采用多層激光雷達(dá)對(duì)兩側(cè)接觸網(wǎng)支柱、里程標(biāo)等鐵路設(shè)施進(jìn)行實(shí)時(shí)掃描，通過(guò)對(duì)檢測(cè)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(duì)每幀斷面信息進(jìn)行數(shù)據(jù)關(guān)聯(lián)，從而實(shí)現(xiàn)障礙物精確定位。

根據(jù)對(duì)智能避障系統(tǒng)的設(shè)計(jì)研制了樣機(jī)，并在SPZ200 型配砟整形車上進(jìn)行了裝車試驗(yàn)。經(jīng)現(xiàn)場(chǎng)測(cè)試，該智能避障系統(tǒng)檢測(cè)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(wèn)題。