一種大型養路機械車輛作業防撞系統

楊 波

（中國鐵路總公司 發展和改革部，北京 100844）

隨著我國鐵路裝備的不斷發展，大型養路機械在鐵路線路養護作業中的使用范圍也在不斷增加，有效提高了線路養護質量和作業效率。但是，由于大型養路機械施工作業大多環境較為惡劣，施工組織復雜，在其作業過程中，避免由于人為、外界干擾以及天氣等因素造成的車輛碰撞，保證大型養路機械作業安全是一項亟待解決的問題。從目前的大型養路機械運用狀況看，因大型養路機械作業時一般在一個天窗由多臺車輛編組后進入同一區段內，在作業區間脫鉤后每輛車分別進行獨立作業，由于大型養路機械之間無法獲取彼此的位置和速度信息，現有情況主要通過車輛司機目視確定。在隧道、夜晚和能見度不好的情況下，極有可能發生相撞事故，造成人員傷亡和財產等不必要的損失。因此增加一套大型養路機械作業過程中的相互距離實時監測及防碰撞報警系統，對提高大型養路機械施工作業安全有著重要意義。

大型養路機械防撞系統通過GPS定位、激光測距、輪徑脈沖計數等手段實現位置定位及相互距離判斷，采用數傳電臺及4G網絡模塊實現車輛通信，車輛間相互距離的實時監測結合當前車輛速度評判，最終達到車輛防碰撞預警功能。

1 系統方案

1.1 設計目標

在行車過程中，系統能實現多臺大型養路機械的自動編組、自動排序、智能定位、語音預警和倒車影像等功能。不需要任何人工介入，大型養路機械司機通過本系統能實現編組之間車輛的防撞和安全駕駛。通過瀏覽器訪問Web系統，用戶可查看當前大型養路機械編組的作業區間和作業情況，并對車輛的防撞預警和設備運行情況等信息進行管理分析。

1.2 硬件組成

大型養路機械防撞系統硬件主要由輪徑脈沖設備、激光測距設備、攝像頭、GPS模塊、電臺、顯示器和工控機構成。其中輪徑脈設備包括正交編碼器和脈沖高速計數器，正交編碼器安裝在車輪位置，脈沖高速計數器安裝在車體內；激光測距設備有兩個，分別安裝在車頭和車尾，用于測量相鄰兩車間的距離；攝像頭有兩個，分別安裝在車頭和車尾，監視車輛兩端的視頻；顯示器有兩個，分別安裝在車體內的兩個司控臺位置，顯示信息相同。具體設備結構圖如圖1所示。

圖1 設備結構圖

1.3 通信設計

大型養路機械編組之間通過數傳電臺通信，與Web管理服務器之間通過4G網絡通信。系統編組和通信示意圖如圖2所示。

2 系統功能

2.1 自動編組

圖2 系統編組通信示意圖

大型養路機械起機后，系統自動開啟，本車GPS、速度等信息以廣播的方式向其他車輛發送。為了防止將其他非實際編組車輛排除在外，采用兩車距離和速度進行比較判斷。判斷的基本思路為：（1）通過數傳電臺獲得其他車輛的GPS、速度等信息，與本車GPS、速度信息進行比較；（2）如果兩個GPS之間的距離小于設定的值，并且速度差值也小于設定的值，則認為車輛為同一編組；（3）在大型養路機械沒脫鉤之前，系統反復進行編組判斷，確保編組的正確性；（4）若脫鉤作業后，則不再進行編組判斷。

2.2 自動排序

自動編組完成后，系統根據GPS和激光距離信息進行編組的自動排序。

排序的思路為：（1）激光測距大于預設值，確定為編組中第一輛或者最后一輛大型養路機械；（2）通過兩個GPS的距離值，獲得同一時刻下本車與其他軌道的距離；（3）根據距離的大小完成編組中車輛的排序,確定編組中所有大型養路機械的前后車關系。

2.3 防撞預警

在大型養路機械到達作業區間脫鉤作業后，系統通過數傳電臺獲得相鄰車輛的最新行駛距離，行駛方向，速度等信息。通過防撞預警模型算法，計算出兩個大型養路機械之間的安全距離值。當兩個大型養路機械之間實際距離小于安全距離時，系統進行聲光報警，提醒司機存在相撞風險，注意行車安全。

防撞預警模型算法是大型養路機械作業防撞系統的核心，算法核心輸入數據為大型養路機械當前位置和其移動速度，通過模型算法給出大型養路機械防撞預警信號算法的主要流程為：（1）大型養路機械編組掛鉤行走時，不需考慮防撞預警，脫鉤信號依據激光測距得到的前后車距判斷；（2）當激光測距信號大于設定值，判斷車輛脫鉤，所有編組內大型養路機械將自身當前里程初始化為0；（3）根據輪徑脈沖的計數累計獲得大型養路機械從初始化里程處移動的位置；（4）根據GPS信號得到的大型養路機械運行距離與輪徑脈沖計數累計值做相互檢校，計算車輛當前位置；（5）利用電臺及4G模塊發送大型養路機械的車輛編號及當前位置信息，通知接受同一編組內其余大型養路機械的位置信息；（6）利用輪徑脈沖的時間間隔計算大型養路機械的移動速度，根據速度和前后相對位置關系計算預計相遇時間，對于小于閾值的計算值，進行防撞預警。

2.4 倒車影像

大型養路機械前后安裝攝像機，當車輛行駛時，顯示屏上顯示車輛行駛方向的視頻影像，如果大型養路機械進行倒車時，司機可以通過顯示屏查看車輛行駛方式的情況，防止撞到施工人員或者后方作業車輛等事故的發生。為了保證系統的可追溯性，倒車影像功能保存最近7天的錄像，以供用戶查閱。

2.5 Web服務

用戶可以登錄到Web服務器，在首頁查看當前大型養路機械編組的作業區間和作業情況。同時，Web端還具備數據查詢和報表導出功能。輸入某臺大型養路機械車輛編號后，可查詢指定時間范圍內此車輛發出的所有防撞預警信號以及信號發生時車輛速度、車輛位置、前后車距等信息。此外，系統還可以查詢指定時間范圍內車輛的運行軌跡坐標及運行軌跡圖。所有的Web端查詢結果均支持報表導出，方便管理人員了解大型養路機械防撞預警和設備運行情況。

3 系統軟件設計

3.1 車載軟件實現

系統啟動后，通過串口采集GPS，激光測距，輪徑脈沖計數等信息，并通過電臺發送本車信息和接收其他車輛信息，通過顯示器將車輛編組信息，運行情況展示給用戶查看，達到一目了然的效果。在車輛行駛到作業區間過程中，系統完成大型養路機械的自動編組，自動排序；在車輛到達作業區間脫鉤作業后，由預警算法模塊計算出本車與相鄰車輛之間剎車需要的安全距離，如果安全距離大于本車與相鄰車輛的實際距離，將進行聲音報警，提醒司機存在相撞風險。在確定報警信息后，可以按下取消聲音播報按鈕，停止聲音播報。經過規定的時間后，防撞系統如果再次產生報警，將繼續進行聲音報警。系統流程如圖3所示。

圖3 系統流程圖

3.2 Web服務軟件

Web服務器主要有2個功能：（1）接收大型養路機械上傳的信息，并存儲到內存數據庫和MySQL數據庫；（2）提供BS訪問，能在瀏覽器上基于GIS地圖看到大型養路機械運行的情況；能在信息查詢頁面查看大型養路機械的詳細信息和異常信息。

Web服務器使用Java語言開發，運行在Linux系統上，對外開放2個HTTP端口：8008用于與大型養路機械通信，8080用于客戶使用瀏覽器訪問（如果與現有調度中心端口沖突，可以配置成80，或者其他端口號）。

大型養路機械作為客戶端，與服務器的通信全部采用HTTP協議，消息體使用Json格式。服務器收到大型養路機械的上報消息后，需要更新內存數據庫Redis，并將數據存入MySQL數據庫供詳細查詢和分析。另外，收到大型養路機械的數據請求時，需要查詢Redis并將對應的數據應答給客戶端。

客戶使用瀏覽器作為客戶端，主要實現的功能有：（1）系統默認展示GIS地圖頁面，能在地圖上實時動態展示所有大型養路機械，并且鼠標移到該大型養路機械時，能顯示該大型養路機械的詳細信息；（2）在收到大型養路機械預警等信息時，還能用不同的顏色體現該大型養路機械的狀態；（3）顯示車輛的歷史軌跡；（4）對車輛進行管理；（5）保存防撞裝置的設備異常、告警等信息，并進行統計分析；（6）在詳細信息查詢頁面，可以按照指定的搜索條件（GFC系統唯一ID、車號、時間范圍等），查詢滿足條件的該大型養路機械運行過程中的所有詳細信息、設備異常信息等；（7）其他管理功能。

3.3 系統軟件界面

車載軟件用于司機或車上工作人員查看編組的走行情況，軟件可通過鼠標點擊切換界面，查看編組走行作業情況，提供聲光報警。當防撞預警時，用戶也可以通過顯示界面按鈕取消預警。顯示界面如圖4所示。

圖4 車載軟件界面

Web服務軟件可提供用戶遠程訪問，獲取編組的實時信息，并告警、設備異常等信息進行統計分析管理。用戶點擊主菜單區域和子菜單區域，在內容區域顯示出菜單關聯內容。軟件界面如圖5所示。

圖5 Web軟件界面

4 結束語

大型養路機械車輛作業防碰撞系統通過GPS、激光測距、輪徑脈沖等進行相互配合和校驗，實現了大型養路機械車輛的精確位置定位。系統通過車載電臺和4G網絡雙備份的冗余設計實現了車輛間的通信可靠性。

在現場測試中，系統可實現60 km/h的車速下，提前1 min以上進行車輛碰撞預警，有效保障了大型養路機械的作業安全。下一步的工作計劃是：加裝微波通信等模塊，確保極端條件下的碰撞預警信號能夠提前到3 min以上。