BS-1200型邊坡清篩機避撞輔助安全裝置設計

薛安琳，周佳亮

(1.西安鐵路局工務機械段，陜西 西安 712400;2.中國鐵道科學研究院 鐵道建筑研究所，北京 100081)

BS-1200型邊坡清篩機是引進美國Loram公司技術研制的高效率大型養路機械。該機總長度約45 m，最大作業效率為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過程。它由裝載車和篩分車兩節連掛組成，裝載車在前，篩分車在后。篩分車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后方的物料車。BS-1200型邊坡清篩機作業時，污土帶超出限界，可能與接觸網支柱等地面設施發生碰撞，如果污土帶未能及時旋轉避讓，就可能發生重大安全事故。

BS-1200型邊坡清篩機現場施工作業存在以下缺點:①施工作業現場的灰塵及噪音很大，視野差，司機易疲勞，存在較大安全隱患;②邊坡清篩機作業速度快，最高可達4 km/h，而污土帶的長和寬分別為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車的后方，駕駛員背對污土帶駕駛時不利于瞭望，增加了碰撞的風險;④沒有采用先進的電子設備保障施工安全［1-2］。

針對BS-1200型邊坡清篩機的上述缺陷，研究了一套污土帶避撞輔助安全裝置。本文對污土帶避撞技術原理、主要工作部件及控制軟件進行設計。應用結果表明，該系統操作簡便，能實現障礙接近報警和自動停車，不受灰塵等環境因素影響，滿足現場作業需要。

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方法。

主動探測類的基于激光、超聲波、紅外探測器、或雷達等設備。它們對鄰近區域進行主動探測，靠特定區域的物體對聲或光信號的反射達到測量的目的。

標識類的基于GPS或電子標簽等設備。它們一般至少由兩個設備構成，一個設備放置于指定的物體附近，標識此物體位置，另一個設備則是接收標識設備的信號。兩個設備可以實現測距的功能，三個以上的設備能實現設備之間的空間定位。

BS-1200型邊坡清篩機會在夜間、霧天等天氣下作業，作業時會產生很大灰塵。主動探測類設備探測到的物體可能是灰塵、路過的工作人員，甚至可能是落葉等，這些物體對污土帶不構成障礙，而此類設備無法自動區分探測到的是何種物體，因此誤報率會很高［3-4］。

對于GPS和電子標簽這些標識類設備而言，測量結果只能是唯一的被標識過的物體，這就大大增加了現場施工作業的靈活性，它們可用于標識斜拉線、接觸網支柱等對污土帶構成障礙的地面設施。人為的標識準確可靠，避撞裝置很少誤報。由于GPS設備定位區域大、價格高、局部定位誤差受地形等環境的影響，所以本裝置選取基于電子標簽標識障礙物位置的無線測距技術來獲取障礙物的位置。

2 系統設計

邊坡清篩機污土帶避撞輔助安全裝置安裝如圖1所示。該系統的無線測距裝置由無線測距固定端4和無線測距移動端7組成。無線測距移動端用于標識障礙物的位置，它放置于接觸網支柱或斜拉線旁邊。無線測距固定端4安裝在邊坡清篩機車尾，檢測車體前方最近的無線測距移動端7的位置，便可獲取經過標識的障礙物的距離值D。污土帶轉角傳感器2安裝在污土帶3轉盤處，它檢測污土帶3的旋轉角度，通過污土帶固定的幾何尺寸，進一步可獲得污土帶外伸量。攝像機6安裝在車尾，它實時檢測車前現場圖像。揚聲器10安裝在司機室和車尾兩處，它向現場工作人員發出語音提示信息。司機室里的計算機9接收障礙物的距離值D、污土帶轉角和監控圖像，數據經計算和處理后，可控制聲光報警器工作、語音提示和控制清篩機自動停車。司機室內的無線遙控接收器5接收車下任何一個無線遙控器8的遙控信號，它根據接收到的信號控制清篩機停車繼電器和報警繼電器工作。

圖1 邊坡清篩機污土帶避撞輔助安全裝置

3 主要部件設計

1)無線測距設備

無線測距設備包括無線測距移動端和無線測距固定端，一個作為發射器使用，一個作為接收器使用，如圖2所示。固定端安裝于邊坡清篩機車尾位置，移動端放置于接觸網支柱或斜拉線旁邊。無線電信號在固定端和移動端的傳輸時間乘以光速得到兩個設備之間的距離，固定端將實時測量距離值傳送給計算機進行處理。本系統一共配置了4個無線測距移動端，它的本質是電子標簽，可以標識4個障礙物的位置。

圖2 無線測距設備

2)污土帶轉角傳感器

污土帶轉角傳感器安裝在污土帶轉盤處，如圖3所示。邊坡清篩機整個污土帶可以視為一個剛體，通過測量轉盤的轉動角度即可測量整個污土帶轉角。污土帶轉角傳感器的拉繩緊貼在污土帶轉盤上，當污土帶轉動時，轉盤轉動的弧長會等于傳感器內部從動輪的弧長。設傳感器內部從動輪的半徑為r，污土帶轉盤外沿到旋轉中心半徑為R，測量從動輪轉角的絕對編碼器輸出的角度φ，則污土帶轉角θ為

式中，φ0為污土帶位于線路中心位置時絕對編碼器輸出的角度。

圖3 轉角傳感器

3)攝像機

攝像機安裝于車尾，對現場環境進行拍攝，并將圖像傳輸給計算機，操作人員從計算機上確認前方是否有障礙物。

4)計算機控制系統

選用工業平板電腦作為整個控制系統的計算機平臺，編制的軟件在該平臺上運行。

5)語音設備

語音設備會根據障礙物的遠近實時提示障礙物的距離值和避讓信息。

6)無線遙控器和接收器

無線遙控器由車下的操作人員操作。本系統配有多達5個遙控器，可由5個防護員在5個視野良好位置防護污土帶，在緊急情況下，可遙控無線接收器控制邊坡清篩機上的停車繼電器和報警繼電器工作。

遙控功能:①車下任何一個遙控器按下“停車”按鈕，接收器使得停車信號端子的電平置高，邊坡清篩機停車;②車下任何一個遙控器按下“報警”按鈕，接收器使得報警器報警。

4 軟件設計

4.1 軟件流程圖

系統軟件避撞流程圖如圖4所示。在編制的軟件代碼中，數據采集線程采集無線測距數據、轉角傳感器數據和圖像數據，根據采集到的數據輸出報警、語音和停車信號。

當無線測距得到的障礙物的距離值D＞20 m時，系統只給出語音提示信息;測距值在14～20 m時，有斷續聲光報警信息;測距值在8～14 m時，有連續聲光報警信息，操作人員需要在此范圍內完成污土帶的避讓操作;測距值在8 m內時，軟件將給出停車信號，此時車下視野良好位置的防護員也可以及時用遙控器發出停車信號。

圖4 系統軟件避撞流程

4.2 軟件功能

如圖5所示，該系統軟件對采集到的數據進行處理，實現障礙接近報警、語音提示和清篩機自動停車的功能，并且能直觀地顯示障礙物的距離值、污土帶的擺動位置和現場作業圖。

圖5 軟件界面

5 現場試驗

在邊坡清篩機作業時，將無線測距移動端放置在接觸網支柱旁邊，標識接觸網支柱的位置，防護員在車下視野良好處攜帶遙控器防護污土帶作業，并對系統各項功能進行測試。

試驗測試結果表明:系統能實現障礙接近報警和清篩機自動停車功能;5個遙控器使得防護員能在多個視野良好位置觀察，在緊急情況下，可控制清篩機停車;該系統不受灰塵等環境的影響。

6 結論

BS-1200型邊坡清篩機污土帶避撞輔助安全裝置可直觀顯示所標識的接觸網支柱等設施的遠近、污土帶的位置和現場監控圖像，能實現障礙接近報警和自動停車，為清篩機作業提供有效安全輔助保障手段?，F場使用表明，該系統不受灰塵等環境因素影響，采用無線遙控技術能在多個視野良好位置遠程防護污土帶。該系統操作簡便，性能穩定，能滿足邊坡清篩機的現場使用需求。

［1］寇長青，宋慧京.全斷面枕底清篩機［M］.北京:中國鐵道出版社，1998.

［2］高春雷，王發燈.清篩機污土輸送裝置避障系統的設計［J］.鐵道建筑，2007(8):97-99.

［3］薛安琳.基于無線測距技術的清篩機污土帶輔助避障系統應用研究［J］.鐵道建筑，2013(6):160-163.

［4］胡傳亮，高春雷，王發燈，等.非接觸障礙檢測技術在清篩機污土帶避障中的應用［J］.鐵道建筑，2013(3):121-124.