魏 浩，劉靜川，屈 鵬，張 舉，陳國明，史英祥

（1.中煤平朔發(fā)展集團(tuán)有限公司，山西朔州 036002；2.中煤天津設(shè)計(jì)工程有限公司，天津 300120）

0 引言

無軌膠輪車作為采礦運(yùn)輸?shù)闹饕ぞ咧?，在提高運(yùn)輸效率的同時(shí)也面臨著一系列安全隱患[1]。傳統(tǒng)的無軌膠輪車運(yùn)營管理依賴人工巡視和監(jiān)控，這種方法雖然能在一定程度上確保礦山生產(chǎn)的安全，但是由于工作環(huán)境的復(fù)雜性和無軌膠輪車特殊的運(yùn)營模式，人工監(jiān)控的局限性逐漸顯現(xiàn)，例如，道路狹小、視線受阻、通風(fēng)條件差等因素，給人工巡視帶來困難，容易造成潛在的安全隱患不能及時(shí)被發(fā)現(xiàn)[2]。因此智能預(yù)警系統(tǒng)的引入為無軌膠輪車的安全運(yùn)輸帶來新的解決方案。通過結(jié)合先進(jìn)的傳感器技術(shù)和物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)，智能預(yù)警系統(tǒng)能夠?qū)崟r(shí)監(jiān)測無軌膠輪車的運(yùn)行狀態(tài)和環(huán)境信息，及時(shí)發(fā)現(xiàn)潛在的安全隱患，并提前預(yù)警駕駛員和管理人員，以降低事故發(fā)生的概率。

當(dāng)前井下無軌輔助運(yùn)輸設(shè)備使用的智能防撞及安全系統(tǒng)主要有紅外測距傳感器、接近開關(guān)及影像系統(tǒng)等，測量精度較高，但測量范圍小、受環(huán)境影響較大，障礙物定位能力差以及被動(dòng)制動(dòng)能力較差[3]。近年來，前向碰撞預(yù)警系統(tǒng)被越來越多地用于智能汽車的縱向輔助駕駛系統(tǒng)。在車輛行駛過程中，前向碰撞預(yù)警系統(tǒng)可以向駕駛?cè)藗鬟f預(yù)警信號，然后駕駛?cè)税凑疹A(yù)警信號執(zhí)行操作，從而降低事故發(fā)生的可能性[4]。由于前向碰撞預(yù)警系統(tǒng)和駕駛?cè)酥g的密切聯(lián)系，對于系統(tǒng)性能有兩個(gè)主要的要求：首先，當(dāng)有潛在的追尾碰撞時(shí)，系統(tǒng)必須穩(wěn)定和可靠地傳遞預(yù)警信號；另外，由于駕駛環(huán)境多變且復(fù)雜，因此前碰撞系統(tǒng)的危險(xiǎn)決策應(yīng)該滿足實(shí)時(shí)性，并且預(yù)警信號不能影響駕駛?cè)说恼Ｐ旭俒5]。

項(xiàng)目結(jié)合無軌膠輪車運(yùn)輸?shù)臉I(yè)務(wù)實(shí)際，將智能預(yù)警系統(tǒng)引入WC5XE 防爆柴油機(jī)無軌膠輪車中，突出考慮人車障礙物識(shí)別、駕駛疲勞監(jiān)測以及人車通信等功能，在降低無軌膠輪車運(yùn)輸事故，助力礦山智慧化等方面具有重要意義。

1 智能預(yù)警系統(tǒng)總體設(shè)計(jì)

智能預(yù)警系統(tǒng)涉及的4 個(gè)攝像頭、1 個(gè)超聲波雷達(dá)需要憑借車載電源供電，接受并發(fā)送CAN 通信信號，轉(zhuǎn)為以太網(wǎng)通信信號后與計(jì)算單元進(jìn)行交互，行車記錄儀僅需要電源即可；無軌膠輪車運(yùn)行監(jiān)測平臺(tái)涉及到的車速傳感器、油壓傳感器、瓦斯?jié)舛葌鞲衅?、水溫傳感器、礦用喇叭等傳感器與計(jì)算單元實(shí)現(xiàn)信息交互過程。WC5XE 防爆柴油機(jī)無軌膠輪車智能化改造硬件連接方式如圖1 所示。

圖1 智能化改造硬件連接方式

2 智能預(yù)警系統(tǒng)功能概述

2.1 UWB 精準(zhǔn)人—車定位功能

系統(tǒng)基礎(chǔ)功能如下[6]：①具有攜卡人員及車輛出/入井時(shí)刻、出/入重點(diǎn)區(qū)域時(shí)刻、出/入限制區(qū)域時(shí)刻等人員及車輛位置精確監(jiān)測功能；②具有識(shí)別多個(gè)同時(shí)進(jìn)入識(shí)別區(qū)域的識(shí)別卡的功能；③具有對歷史和實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)上傳功能。

基于UWB 的煤礦高精度定位技術(shù)將定位精度提升至30 cm 甚至更高，這足以支撐精確定位。井下定位系統(tǒng)主要包括車載定位裝置、井下作業(yè)人員定位裝置，車載定位裝置用于給車輛進(jìn)行定位，井下作業(yè)人員定位裝置用于給井下作業(yè)人員進(jìn)行定位，定位卡通過UWB 協(xié)議將定位信息傳輸至定位基站，定位基站通過網(wǎng)絡(luò)將定位信息傳輸至地面服務(wù)器的位置計(jì)算模塊，再通過UWB 軟件系統(tǒng)進(jìn)行處理。

2.2 防碰撞預(yù)警功能

2.2.1 智能識(shí)別功能

智能視覺系統(tǒng)采用了一種只有單獨(dú)回歸網(wǎng)絡(luò)的智能算法，可在網(wǎng)絡(luò)中實(shí)現(xiàn)準(zhǔn)確的目標(biāo)分類和目標(biāo)邊框坐標(biāo)回歸。在這個(gè)算法中，最終的誤差是通過計(jì)算預(yù)測值與真實(shí)值之間的平均方誤差來衡量的。因此，智能算法將目標(biāo)檢測問題直接視為回歸問題來處理。其核心思想是將整張圖片作為網(wǎng)絡(luò)的輸入，然后在輸出層直接回歸目標(biāo)的位置和所屬的類別。通過這種方式，智能算法能夠從輸入圖像中直接學(xué)習(xí)目標(biāo)的位置和類別信息，而無需依賴復(fù)雜的特征提取過程。

在智能算法的訓(xùn)練過程中，采用了一種先驗(yàn)值，即用于預(yù)測邊界框初始尺寸的網(wǎng)格數(shù)據(jù)集。這些先驗(yàn)值通過K-means 聚類算法得到，以提供目標(biāo)檢測的初始參考。通過這種方式，智能算法能夠更加準(zhǔn)確地估計(jì)目標(biāo)的位置和尺寸，并且減少了人工設(shè)置先驗(yàn)值的復(fù)雜性。智能算法的輸出結(jié)果如圖2 所示，顯示了圖像中檢測到的目標(biāo)位置和對應(yīng)的類別。這些結(jié)果經(jīng)過訓(xùn)練獲得，能夠在實(shí)際應(yīng)用中快速而準(zhǔn)確地識(shí)別圖像中的目標(biāo)。

圖2 智能算法結(jié)果

通過采用智能視覺AI 識(shí)別算法，WC5XE 防爆柴油機(jī)無軌膠輪車能夠高效、準(zhǔn)確地進(jìn)行目標(biāo)檢測和識(shí)別，為車輛的智能化改造提供強(qiáng)大的視覺感知能力，進(jìn)一步增強(qiáng)駕駛員的安全性和駕駛體驗(yàn)。

2.2.2 聲光報(bào)警功能

通過紅外熱成像AI 智能分析系統(tǒng)的應(yīng)用，可以實(shí)現(xiàn)多重預(yù)警功能，并與聲光報(bào)警系統(tǒng)聯(lián)動(dòng)。當(dāng)系統(tǒng)檢測到緊急情況時(shí)，它會(huì)觸發(fā)聲音和光線的報(bào)警裝置，提醒周圍人員注意。智能分析系統(tǒng)能夠綜合分析礦井內(nèi)部的情況，并做出相應(yīng)的決策。它可以實(shí)時(shí)檢測并預(yù)警礦井內(nèi)的人員情況，確保他們的生命安全。通過紅外熱成像技術(shù)，系統(tǒng)能夠準(zhǔn)確地識(shí)別和監(jiān)測人員的熱能信號，并根據(jù)事先設(shè)定的安全標(biāo)準(zhǔn)進(jìn)行分析。一旦檢測到異常情況，系統(tǒng)會(huì)立即發(fā)出警報(bào)，并采取必要的措施，如通知救援人員或啟動(dòng)緊急疏散程序等。

2.3 駕駛員疲勞檢測功能

駕駛員疲勞檢測系統(tǒng)基于駕駛員面部特征，解決傳統(tǒng)駕駛員疲勞檢測系統(tǒng)的局限性。該系統(tǒng)能夠?qū)崟r(shí)提取駕駛員的面部特征，并檢測出疲勞狀態(tài)下容易發(fā)生分心駕駛行為的跡象。一旦發(fā)現(xiàn)駕駛員處于疲勞或分心駕駛狀態(tài)，系統(tǒng)會(huì)立即向駕駛員發(fā)送警告信息，以確保他們在清醒狀態(tài)下安全駕駛?；诿娌刻卣鞯鸟{駛員疲勞檢測功能主要依賴于圖像傳感器對駕駛員面部信息的采集。采集到的圖像數(shù)據(jù)經(jīng)過高速數(shù)字信號處理器進(jìn)行處理和分析。系統(tǒng)采用高魯棒性的疲勞檢測算法，能夠?qū)崟r(shí)監(jiān)控駕駛員的疲勞程度和注意力分散等不安全狀態(tài)。

3 實(shí)車運(yùn)行試驗(yàn)

3.1 智能聲光預(yù)警

在實(shí)車運(yùn)行試驗(yàn)中，模擬了前、后方10 m 范圍內(nèi)有人移動(dòng)的情況，并觸發(fā)了智能綜合預(yù)警系統(tǒng)的聲光預(yù)警功能，車載的礦用喇叭發(fā)出清晰響亮的語音警告，同時(shí)車內(nèi)外的警示燈進(jìn)行閃爍，提醒駕駛員注意前后方的障礙物。前、后方10 m 范圍內(nèi)有人移動(dòng)時(shí)，智能預(yù)警系統(tǒng)進(jìn)行聲光預(yù)警（圖3）。

圖3 智能聲光預(yù)警

在這個(gè)過程中，系統(tǒng)的雙目紅外攝像頭準(zhǔn)確地識(shí)別出移動(dòng)的目標(biāo)，并通過智能算法進(jìn)行目標(biāo)分類和邊框回歸，從而實(shí)現(xiàn)了對人的準(zhǔn)確定位和跟蹤分析。車輛駕駛員可以在繁忙和復(fù)雜的采礦場景中保持高度警覺，及時(shí)感知前、后方10 m 范圍內(nèi)的移動(dòng)目標(biāo)，包括其他車輛、行人等，降低因視野盲區(qū)、駕駛疲勞或未注意周圍環(huán)境而導(dǎo)致的事故風(fēng)險(xiǎn)，從而保障車輛和人員的安全。

3.2 駕駛員疲勞監(jiān)測

在駕駛員疲勞監(jiān)測的實(shí)車運(yùn)行試驗(yàn)中，智能預(yù)警系統(tǒng)通過實(shí)時(shí)監(jiān)測駕駛員的面部特征和行為，識(shí)別疲勞狀態(tài)并進(jìn)行聲光提醒。一旦系統(tǒng)監(jiān)測到駕駛員出現(xiàn)疲勞或分心駕駛的跡象，立即發(fā)出聲光警告提醒駕駛員保持清醒，確保安全駕駛。駕駛員疲勞監(jiān)測如圖4 所示。

圖4 駕駛員疲勞監(jiān)測

在采礦運(yùn)輸?shù)乳L時(shí)間駕駛的行業(yè)中，駕駛員的疲勞狀態(tài)往往是一個(gè)重要的安全隱患。長時(shí)間的單調(diào)駕駛和復(fù)雜的采礦環(huán)境容易導(dǎo)致駕駛員疲勞，從而影響駕駛技能和反應(yīng)能力。通過監(jiān)測和預(yù)警功能，系統(tǒng)可以在駕駛員疲勞或分心行駛時(shí)及時(shí)提醒，降低事故風(fēng)險(xiǎn)，保護(hù)駕駛員的生命安全。

3.3 緊急制動(dòng)停車

實(shí)驗(yàn)過程中設(shè)置模擬情況，分別在人員站在車輛前、后方1.5 m 距離反復(fù)進(jìn)行試驗(yàn)，并采集無軌膠輪車緊急制動(dòng)液壓變化情況（圖5）。從圖5 中的曲線分析，人員在指定距離范圍內(nèi)時(shí)，系統(tǒng)能夠快速響應(yīng)，使液壓迅速達(dá)到制動(dòng)液壓，實(shí)現(xiàn)緊急制動(dòng)。避免車輛與人員的直接接觸，提高駕駛員對前后方情況的關(guān)注度，為采礦運(yùn)輸提供堅(jiān)實(shí)可靠的保障。

圖5 緊急制動(dòng)油壓變化

4 結(jié)束語

智能預(yù)警系統(tǒng)通過圖像識(shí)別、UWB 定位和疲勞監(jiān)測等先進(jìn)技術(shù)的應(yīng)用，有效地提高了運(yùn)輸車輛的安全性和智能化水平。在實(shí)車運(yùn)行試驗(yàn)中，項(xiàng)目成功地實(shí)現(xiàn)了前、后方10 m 聲光預(yù)警、駕駛員疲勞檢測、緊急制動(dòng)等功能，可及時(shí)提醒駕駛員在運(yùn)輸作業(yè)時(shí)保持清醒，減少事故的發(fā)生，為礦井工人和車輛的安全保駕護(hù)航。該系統(tǒng)可通過不斷地優(yōu)化持續(xù)提高性能和穩(wěn)定性，引入更多更先進(jìn)的智能算法和傳感器技術(shù)，以適應(yīng)不斷變化的需求和環(huán)境，得到更加廣泛的應(yīng)用。在不斷的完善和發(fā)展下，這項(xiàng)技術(shù)將為行業(yè)的發(fā)展和人員的安全做出更大貢獻(xiàn)，為更多行業(yè)帶來安全、高效、智能的運(yùn)輸體驗(yàn)。