陳黎明 周旭 吳月浩 馬二領(lǐng)

（1.北方國際合作股份有限公司，北京 100043；2.北方礦業(yè)有限責(zé)任公司，北京 100053；3.中國北方工業(yè)有限公司，北京 100053）

0 引言

重型設(shè)備如推土機(jī)、挖掘機(jī)、裝載機(jī)等廣泛應(yīng)用于各類施工現(xiàn)場，而施工現(xiàn)場內(nèi)設(shè)備、人員、材料眾多，交叉作業(yè)導(dǎo)致設(shè)備和人員在特定的空間內(nèi)進(jìn)行連續(xù)的動(dòng)態(tài)活動(dòng)，易發(fā)生沖突從而引發(fā)事故。其中，重型設(shè)備車體龐大、操作手視線不良、存在視覺盲區(qū)是導(dǎo)致此類事故發(fā)生的重要原因，而安裝接近預(yù)警系統(tǒng)，消除重型設(shè)備視覺盲區(qū)，在人員接近設(shè)備時(shí)提供預(yù)警，能夠提升重型設(shè)備本質(zhì)安全性，有效降低此類事故的發(fā)生概率［1］。

在國外，重型設(shè)備接近預(yù)警技術(shù)研究開始較早，系統(tǒng)應(yīng)用也已較為成熟，LEE HS等［2］開發(fā)一種基于RFID技術(shù)的實(shí)時(shí)定位系統(tǒng)，用于施工現(xiàn)場設(shè)備安全管理；TEIZER J等［3］提出一套重型設(shè)備接近預(yù)警系統(tǒng)測試方法，并對(duì)各類預(yù)警方法進(jìn)行測試。在國內(nèi)，重型設(shè)備接近預(yù)警系統(tǒng)主要應(yīng)用于煤礦生產(chǎn)中，郭昭華等［4］基于RFID技術(shù)研制露天礦車輛防撞預(yù)警系統(tǒng)，實(shí)現(xiàn)了礦區(qū)車輛全天侯安全運(yùn)行的自動(dòng)預(yù)警；曹勇［5］利用雙GPS衛(wèi)星定位、雙射頻通訊及有源電子標(biāo)簽等技術(shù)來解決露天礦重型卡車、輔助車輛和現(xiàn)場作業(yè)人員之間的安全防撞預(yù)警問題，而在其他施工領(lǐng)域，重型設(shè)備接近預(yù)警系統(tǒng)尚未得到廣泛應(yīng)用。

本文對(duì)重型設(shè)備預(yù)警系統(tǒng)原理進(jìn)行介紹，對(duì)比各類預(yù)警方法技術(shù)特點(diǎn)及使用范圍。在此基礎(chǔ)上，研究一套基于RFID與AVM技術(shù)的重型設(shè)備接近預(yù)警系統(tǒng)，對(duì)該系統(tǒng)在某境外長輸管道工程的應(yīng)用進(jìn)行分析，并對(duì)未來重型設(shè)備接近預(yù)警系統(tǒng)的發(fā)展方向進(jìn)行展望。

1 重型設(shè)備接近預(yù)警系統(tǒng)介紹

重型設(shè)備接近預(yù)警系統(tǒng)（Proximity Warning Systems，簡稱PWS）通過在重型設(shè)備上安裝傳感器與操作界面，在重型設(shè)備周圍形成檢測區(qū)域，當(dāng)人員或物體進(jìn)入該檢測區(qū)域后，觸發(fā)傳感器并通過視覺、聽覺及振動(dòng)等方式向設(shè)備操作手發(fā)出警告。根據(jù)采用的傳感器類型不同，PWS系統(tǒng)可分為多種類型，其中應(yīng)用較為廣泛的有雷達(dá)、超聲波以及電子標(biāo)簽3種。

基于雷達(dá)的接近預(yù)警系統(tǒng)從安裝在設(shè)備上的定向天線發(fā)射無線電信號(hào)，無線電信號(hào)被發(fā)射波束內(nèi)的物體反射時(shí)，一部分反射能量返回到接收天線，導(dǎo)致生成警報(bào)。雷達(dá)系統(tǒng)檢測障礙物的相對(duì)運(yùn)動(dòng)，即檢測過程需要障礙物或設(shè)備的運(yùn)動(dòng)。雷達(dá)通過測量脈沖信號(hào)的傳播時(shí)間來檢測障礙物的距離，可以有效地檢測人員、車輛及建筑物等?；诶走_(dá)的接近警告系統(tǒng)有效檢測范圍約1~30 m［6］，在檢測區(qū)域較寬時(shí)，需安裝多個(gè)天線才能完全覆蓋。

基于超聲波的接近預(yù)警系統(tǒng)發(fā)射脈沖聲波并檢測附近物體的回波，用于設(shè)備的超聲波系統(tǒng)覆蓋范圍較為有限，通常小于3 m，且需要多個(gè)傳感器來覆蓋大型設(shè)備的寬度。超聲波傳感器對(duì)空氣中的顆粒物（灰塵、雪和雨水等）較為敏感，必須保持清潔，該系統(tǒng)不適用于環(huán)境惡劣的施工現(xiàn)場。

基于電子標(biāo)簽技術(shù)的接近報(bào)警系統(tǒng)包含由人員攜帶或固定在物體上的電子標(biāo)簽，以及安裝在重型設(shè)備上的標(biāo)簽識(shí)別器，電子標(biāo)簽發(fā)送信號(hào)，在一定范圍內(nèi)信號(hào)被標(biāo)簽識(shí)別器讀取后會(huì)在駕駛室內(nèi)生成警報(bào)，讀取器和標(biāo)簽之間的雙向通信允許在標(biāo)簽處也生成警報(bào)，超聲、磁場以及射頻（RFID）等多種技術(shù)可用于生成確定電子標(biāo)簽接近程度的信號(hào)。

國內(nèi)外針對(duì)PWS系統(tǒng)的研究成果表明，適當(dāng)使用各種傳感器技術(shù)可以有效地防止重型設(shè)備在危險(xiǎn)接近情況下發(fā)生事故［6］。但同時(shí)各類接近預(yù)警系統(tǒng)在施工現(xiàn)場的應(yīng)用存在技術(shù)局限性，需考慮信號(hào)的可用性、重量、大小、電源、可靠性以及價(jià)格等因素，如雷達(dá)傳感器不適合使用于存在可能觸發(fā)錯(cuò)誤警報(bào)的障礙物的惡劣環(huán)境，在基于RFID的接近預(yù)警系統(tǒng)中，必須在所有工人和設(shè)備上安裝發(fā)射器和接收器。此外，還必須基于設(shè)備尺寸和特性來確定用于各種重型設(shè)備類型的接近預(yù)警系統(tǒng)。綜合各類接近預(yù)警系統(tǒng)的研究應(yīng)用成果，各類接近預(yù)警系統(tǒng)的傳感器技術(shù)特性對(duì)比見表1［3］。

由表1可以看出，與其他傳感器技術(shù)相比，射頻技術(shù)具有探測范圍適中、數(shù)據(jù)精度高、安裝與使用成本低的優(yōu)點(diǎn)，因此在重型設(shè)備接近預(yù)警系統(tǒng)中的應(yīng)用也最為廣泛。

表1 接近預(yù)警系統(tǒng)傳感器技術(shù)特性對(duì)比

2 基于RFID和AVM技術(shù)的重型設(shè)備接近預(yù)警系統(tǒng)

2.1 使用需求分析

長輸管道工程點(diǎn)多面廣，各施工環(huán)節(jié)均需使用大量的重型設(shè)備，如挖掘機(jī)、推土機(jī)、裝載機(jī)、刮平機(jī)、吊管機(jī)及自卸車等，且施工現(xiàn)場受作業(yè)帶范圍限制，設(shè)備可移動(dòng)空間狹小，人員與設(shè)備交叉作業(yè)多，重型設(shè)備與人員及其他設(shè)備發(fā)生沖突導(dǎo)致的事故曾多次發(fā)生，在管道施工重型設(shè)備上安裝接近預(yù)警系統(tǒng)對(duì)于保障施工人員安全十分必要。根據(jù)管道施工現(xiàn)場預(yù)防重型設(shè)備與人沖突事故的需要，重型接近預(yù)警系統(tǒng)必須具備以下3個(gè)方面的功能：

1）當(dāng)人員進(jìn)入重型設(shè)備的警戒范圍內(nèi)時(shí)，系統(tǒng)能夠?qū)崟r(shí)自動(dòng)識(shí)別；

2）系統(tǒng)識(shí)別人員進(jìn)入重型設(shè)備警戒范圍時(shí)，能夠發(fā)出語音及視覺警報(bào)，及時(shí)提醒設(shè)備操作手及進(jìn)入設(shè)備警戒范圍的人員；

3）設(shè)備操作手聽到警報(bào)后，能夠立即觀察設(shè)備四周尤其是盲區(qū)內(nèi)的情況，及時(shí)采取有效應(yīng)對(duì)措施。

2.2 RFID和AVM技術(shù)

綜合考慮管道施工現(xiàn)場使用需求及野外施工惡劣使用環(huán)境，對(duì)比各類傳感器技術(shù)的特點(diǎn)，確定選用RFID技術(shù)作為接近預(yù)警系統(tǒng)的傳感器技術(shù)。但RFID技術(shù)無法提供用于在視覺上區(qū)分接近對(duì)象的信息，通過將其與AVM技術(shù)相結(jié)合，由顯示設(shè)備向設(shè)備操作手提供視覺信息，從而使接近預(yù)警系統(tǒng)更加有效。

RFID技術(shù)，全稱為無線射頻識(shí)別（Radiofrequency Identification）技術(shù)，是一種自動(dòng)識(shí)別與無線通信相結(jié)合的無線自動(dòng)識(shí)別技術(shù)，通過射頻信號(hào)與電感或電磁耦合實(shí)現(xiàn)對(duì)被標(biāo)識(shí)物體進(jìn)行識(shí)別。RFID系統(tǒng)一般包括3部分：電子標(biāo)簽、標(biāo)簽識(shí)別器和通信天線，其中電子標(biāo)簽為預(yù)先設(shè)定的存有唯一識(shí)別碼的芯片，通常固定在需要被識(shí)別的人員或物體身上；標(biāo)簽識(shí)別器為一能存儲(chǔ)、識(shí)別、接收電子標(biāo)簽中識(shí)別碼數(shù)據(jù)的設(shè)備，通常固定在重型設(shè)備上；通信天線則是用于電子標(biāo)簽和標(biāo)簽識(shí)別器之間的射頻通信橋梁。RFID系統(tǒng)具備可靠性與耐用性高、成本低、尺寸小、識(shí)別頻率高、安裝方便與數(shù)據(jù)可追溯等特點(diǎn)，符合環(huán)境惡劣的管道施工現(xiàn)場使用需求。

“叔伯輩都發(fā)話了，按孔家規(guī)矩，長子在，不發(fā)喪，說是這規(guī)矩不能破，越是兵荒馬亂，綱常更不能亂，越要遵守祖宗立下的規(guī)矩。所以讓我前來報(bào)喪，叔伯還說……”

AVM技術(shù)，全稱為全景式監(jiān)控影像系統(tǒng)（Around View Monitor），用1組（通常4個(gè)）廣角攝像頭，對(duì)目標(biāo)體四周的情況進(jìn)行拍攝，通過圖像的處理和顯示，得到全景式影像，以達(dá)到觀察、確認(rèn)等監(jiān)控目的。AVW通常用于車輛或移動(dòng)設(shè)備，可以實(shí)現(xiàn)駕駛員或操作手360°無盲區(qū)操作，從而提高車輛行駛或移動(dòng)設(shè)備操作的便捷性和安全性。

3 基于RFID和AVM的接近預(yù)警系統(tǒng)構(gòu)建

該系統(tǒng)將RFID和AVW技術(shù)應(yīng)用于防撞預(yù)警系統(tǒng)，包含RFID和AVW兩大模塊，其中RFID模塊包含電子標(biāo)簽、通信天線、標(biāo)簽識(shí)別器及語音報(bào)警器，AVW模塊包含攝像頭組、圖像處理及顯示器，兩模塊的設(shè)備相對(duì)獨(dú)立，可以分開采購和安裝。系統(tǒng)各模塊在重型設(shè)備上安裝配置如圖1所示，RFID通信天線安裝在設(shè)備頂部或背面，攝像頭安裝在設(shè)備側(cè)方及后方，AVM顯示器安裝在設(shè)備駕駛室內(nèi)，設(shè)備周圍施工人員佩戴RFID電子標(biāo)簽。

圖1 接近預(yù)警系統(tǒng)安裝配置

當(dāng)佩戴電子標(biāo)簽的人員進(jìn)入重型設(shè)備的警戒范圍內(nèi)時(shí)，主控制器內(nèi)的標(biāo)簽識(shí)別器通過通信天線識(shí)別到電子標(biāo)簽信號(hào)，發(fā)出警報(bào)聲，操作手聽到警報(bào)聲后，從AVW模塊的圖像顯示器中察看設(shè)備四周情況，如果確認(rèn)有危險(xiǎn)，則立即停止作業(yè)，如果確認(rèn)無危險(xiǎn)，則重置警報(bào)器后繼續(xù)作業(yè)，系統(tǒng)工作流程如圖2所示。

圖2 接近預(yù)警系統(tǒng)工作流程

4 現(xiàn)場應(yīng)用實(shí)例分析

在某境外長輸管道工程中，基于上述系統(tǒng)分析，分別采購成熟的RFID模塊和AVM模塊硬件產(chǎn)品，在各重型設(shè)備上按照?qǐng)D1的布置進(jìn)行安裝。其中RFID模塊包括主控制器（集成標(biāo)簽識(shí)別模塊及通信天線，具備數(shù)據(jù)記錄導(dǎo)出功能）、電子標(biāo)簽及標(biāo)簽檢查器（用于檢查確認(rèn)標(biāo)簽完好）、報(bào)警器（蜂鳴器），AVM模塊包含LED顯示器、攝像頭及連接線等。根據(jù)管道施工現(xiàn)場的實(shí)際條件，組織項(xiàng)目業(yè)主、承包商及供應(yīng)商的相關(guān)人員進(jìn)行商討，確定系統(tǒng)警戒區(qū)域?yàn)樵O(shè)備周圍10 m之內(nèi)的區(qū)域。

在為期6個(gè)月的施工時(shí)間內(nèi)，對(duì)安裝PWS的重型設(shè)備種類、數(shù)量、總報(bào)警次數(shù)、日均報(bào)警次數(shù)等數(shù)據(jù)進(jìn)行統(tǒng)計(jì)和分析，如表2所示。

從表2中的統(tǒng)計(jì)數(shù)據(jù)可以看出：

表2 管道施工現(xiàn)場接近預(yù)警系統(tǒng)數(shù)據(jù)統(tǒng)計(jì)

1）該系統(tǒng)安裝方便、靈活，可以適用于推土機(jī)、裝載機(jī)、吊管機(jī)、壓路機(jī)、汽車吊等眾多施工設(shè)備，且使用可靠、故障率低，符合管道施工惡劣環(huán)境條件的使用要求。

3）不同的設(shè)備，其日均報(bào)警次數(shù)有差別，如同時(shí)間段內(nèi)吊管機(jī)每天要比自卸式卡車的報(bào)警次數(shù)要多約10次，現(xiàn)場管理人員可以根據(jù)施工機(jī)械日均報(bào)警次數(shù)的多少確定管理重點(diǎn)或關(guān)鍵點(diǎn)。

4）預(yù)警數(shù)據(jù)中可記錄每次進(jìn)入警戒范圍的電子標(biāo)簽編號(hào)，通過預(yù)警數(shù)據(jù)分析，可根據(jù)電子標(biāo)簽編號(hào)確定相應(yīng)的人員，有針對(duì)性的采取教育培訓(xùn)等管理措施。

5）各種施工機(jī)械每月的總警報(bào)次數(shù)都超過1萬次，雖然總報(bào)警次數(shù)與投入的施工機(jī)械數(shù)量有關(guān)，但是根據(jù)海因希里法則推斷，積累到一定數(shù)量的不安全因素會(huì)最終導(dǎo)致事故的發(fā)生，施工現(xiàn)場管理人員應(yīng)給予足夠的重視，不能盲目依賴報(bào)警系統(tǒng)，還應(yīng)通過采取相應(yīng)管理措施，如加強(qiáng)員工安全意識(shí)培訓(xùn)與現(xiàn)場監(jiān)管等方式降低報(bào)警發(fā)生的次數(shù)，從而保障現(xiàn)場的生產(chǎn)安全。

5 結(jié)語

本文對(duì)重型設(shè)備接近預(yù)警系統(tǒng)進(jìn)行介紹，對(duì)各類傳感器技術(shù)進(jìn)行對(duì)比，在此基礎(chǔ)上針對(duì)長輸管道施工構(gòu)建了一套基于RFID與AVM技術(shù)的重型設(shè)備接近預(yù)警系統(tǒng)，并應(yīng)用于某境外長輸管道項(xiàng)目。應(yīng)用分析表明該系統(tǒng)簡便可靠，可實(shí)時(shí)識(shí)別進(jìn)入設(shè)備警戒范圍內(nèi)的人員并發(fā)出警報(bào)，能夠有效防止設(shè)備與人員碰撞事故的發(fā)生。通過對(duì)系統(tǒng)報(bào)警數(shù)據(jù)記錄的統(tǒng)計(jì)分析，可以了解現(xiàn)場設(shè)備安全管理狀況，為現(xiàn)場安全管理工作提供指導(dǎo)。

在今后的重型設(shè)備接近預(yù)警系統(tǒng)開發(fā)應(yīng)用過程中，一方面可結(jié)合5G及物聯(lián)網(wǎng)等先進(jìn)技術(shù)，將系統(tǒng)預(yù)警數(shù)據(jù)及時(shí)上傳管理平臺(tái)，實(shí)現(xiàn)設(shè)備及設(shè)備周邊環(huán)境、人員的遠(yuǎn)程實(shí)時(shí)監(jiān)控，方便管理人員實(shí)時(shí)掌握現(xiàn)場情況；另一方面，可將接近預(yù)警系統(tǒng)與主動(dòng)剎車技術(shù)相結(jié)合，在探測到人員進(jìn)入設(shè)備警戒范圍內(nèi)時(shí)自動(dòng)進(jìn)行減速剎車，避免因操作手操作失誤或反應(yīng)遲緩而導(dǎo)致事故的發(fā)生，從而進(jìn)一步提升重型設(shè)備的本質(zhì)安全水平。