工程車輛及機械智能主動安全防護關鍵技術設計與應用

摘要：為有效防范工程車輛及機械傷人事故，相關技術人員在安全管理措施上進行了不斷改進，取得了一定成效，但相關安全事故仍時有發生。從工程車輛及機械的特點、安全風險點的分析入手，提出工程車輛及機械智能主動安全防護需要解決的關鍵技術問題，并運用現代檢測、計算機及無線通信等技術，為有效防范在復雜環境下作業而引發的安全事故，提供了全新的解決方案。

關鍵詞：工程車輛；機械；智能主動；安全防護

0 " 引言

隨著國民經濟的快速發展，大規模公路網持續建設并運行，公路改擴建工程也逐漸增多。公路建設及作業區逐漸增多，衍生出一系列亟需解決的安全防范問題。

首先，隧道建設與全封閉的道路作業區內部的車輛及機械設備混雜，安全風險與日俱增，但相關安全防范措施缺失或執行不力。其次，道路養護、清排障占道作業時，常采取邊通車、邊施工的作業方式，進而不可避免地會對施工作業機械和人員產生影響，導致作業區附近路段存在嚴重的安全隱患。其中較為典型的情形是“追尾作業車”、或“闖入作業區”，從而給施工人員、車輛造成一定傷害。

傳統的安全防護辦法，主要是在工程車輛及機械上安裝警示燈、警報器。其在實踐確實也發揮了一定的防護作用，但由于其預警被動致防范效果不佳，一旦周圍車輛、人員誤闖入作業區，或者駕駛操作人員處理不當、失控等，極易造成安全事故。為切實消除由工程施工源頭帶來的安全隱患，有效預防和遏制重特大安全事故，亟需運用現代科技，大幅提升車輛及機械的安全技術防范能力。

1 " 安全防護關鍵技術問題

工程車輛及機械具有品種多、夜間作業多、循環行駛多、速度快、載重大等諸多特點。工程機械一般作業環境惡劣、速度低、盲點多、人員靠作業，安全風險大。安全防護的關鍵技術問題包括以下幾點：

1.1 " 防追尾

由于工程車輛及機械作業環境復雜，因作業需要經常會在高速公路變道、駐車，極易造成車輛追尾事故，因此如何有效防范后方車輛追尾，是安全防護首要的關鍵技術問題。

1.2 " 防盲區

大多數工程車輛和機械體型比較大，機構也十分復雜，視線的盲區較多，由此帶來的安全隱患非常大，是造成安全事故的重要因素之一，因此防盲區是安全防護關鍵技術之一。

1.3 " 防撞人

在所有作業安全防范過程中，防撞人事故是最為重要環節，必須采用多種手段全面防范撞人事件出現。

1.4 " 防墜坑與墜崖

工程車輛及機械在作業過程不可避免的會遇有地坑或懸崖，一旦發生事故，后果不堪設想，因此防墜坑、墜崖也是一項需要解決的一項關鍵技術問題。

2 " 安全防護技術路徑

2.1 " 采集危險信息

采用各類現代檢測傳感器，實時監測工程車輛及機械周邊的安全風險，如可能造成追尾的工程車輛及機械，可能闖入作業區的工程車輛、機械和人員，地坑（懸崖）等。

2.2 " 危險信息處理

采用計算機處理分析危險信息，計算機對傳感器監測采集到的各類危險信息進行處理與分析，并作出預警決策。

2.3 " 預警方式選擇

預警時，采用聲、光、電技術實時發出有效預警。當發現工程車輛及機械周邊存在安全風險時，系統立即以語音提醒駕駛人員注意安全；同時，針對不同的安全風險方位采用定向聲波，實時向周邊車輛、機械或人員發出有效預警。

2.4 " 緊急制動方式

當上述聲、光、電預警失敗時，系統將采取緊急制動措施。緊急制動將分等級設計，根據不同的安全風險等級，采取不同制動措施。當危險完全消除時，系統制動自動取消。

2.5 "對人員的精準預警

對人員的實時判別、有效預警，也是解決工程車輛志機械安全防護的一項十分重要的課題。通過精準定位、雷達實時探測，精準實現對人員的實時預警，有效防范撞人事故。

3 " 安全防護關鍵技術

3.1 " 控制系統

3.1.1 " 檢測預警設計

系統由主控制模塊、前向與后向毫米波雷達、超聲波測坑雷達、探人雷達、顯示報警模塊、線束、安裝附件等組成。具體技術包括智能主動安全防護擬采取的檢測手段、預警方式與防護方法等。

毫米波雷達用于探測車輛前方、后方的障礙物。超聲波測坑雷達用于探測車輛及機械后方深坑或懸崖。探人雷達用于探測車輛及機械周邊的人員。顯示報警模塊用于顯示各類傳感器探測到的人、障礙物及距離，當有人或障礙物靠近車輛，且距離小于系統設置的安全距離時，顯示報警模塊會發出聲光報警，提醒駕駛員減速避讓、立即停車，以避免車輛碰撞、或發生撞人事故。系統可與后臺計算機系統連接，進行參數設置、事件記錄的讀取等。

3.1.2 " 電路原理設計

按上述分析，設計工程車輛及機械電路控制原理如圖1所示。本系統由主、副兩個模塊組成，電源由車載DC20V提供輸入。檢測雷達1、顯示+按鍵、遠程通訊等，分別通過CAN1、CAN2、CAN3向主控模塊輸入檢測數據。檢測雷達2通過副模塊后，再通過CAN2輸入主控模塊。人體熱釋模塊（前、后、左、右）、車外設備（燈光、聲音、其他）等通過CAN2輸入主控模塊。疲勞駕駛信號通過TTL輸入主控模塊。主控模塊對上述數據進行處理后，輸出報警事件信號，事件提醒無線發射與無線接收即可實現預警目標。

3.1.3 " 系統控制電路印制板設計

根據控制系統原理，設計相應的電路印制板圖。選擇電子原器件，完成焊接電路板、檢測電路板等相關工作。

3.1.4 " 編寫程序設計

根據系統框圖編寫相關計算機程序，包括數據采集部分、通訊部分、主機獲取數據、顯示、報警、制動等。

3.2 " 安全檢測系統

3.2.1 " 前后、向檢測用傳感器應用設計

重點解決盲區突出問題，其次是參考距離、速度等重要參數選擇傳感器，使之實時檢測輸出預警參數。一般對工程車輛應考慮選用≧77GHz毫米波雷達，而對于工程機械推薦選用≧24GHz毫米波雷達。

3.2.2 " 檢測周邊危險用傳感器應用設計

為實時檢測周邊的安全風險，采用在特定位置安裝超聲波雷達檢測靠近的車輛與人員的方法，實時檢測輸出預警參數。

3.2.3 " 檢測探人用傳感器應用設計

為確保施工作業過程中的人員安全，需針對作業人員采用人體熱釋紅外、微波傳感器、探人雷達等專用傳感器，強化監測人員流動情況，實時檢測輸出預警參數。

3.2.4 " 對地檢測用傳感器應用設計

為實時有效防范車輛或機械墜坑、墜崖，宜采用超聲波對地雷達、外號筒式設計，并運用計算機算法分析，實時監測車輛及機械后向地面狀況，實時檢測輸出預警參數。

3.2.5 " 疲勞駕駛防控應用設計

為有效防范疲勞駕駛行為，設計采用瞳孔+人臉+動作分析方法，實時檢測輸出預警參數。

3.2.6 " 安全警戒線設計

為有效預防作業人員誤闖入車輛及機械作業區，有必要設立安全警戒線。安全警戒線采用激光線束設計，在車輛或機械周邊2m范圍形成長方形框。對于在昏暗的工作環境下防范人員闖入作業，它將發揮有效的警示防范作用。

3.3 " 工程車輛防追尾系統

工程車輛防追尾系統工作原理如圖2所示。系統采用DC12V、≧24GHz的毫米波遠距離雷達，實時監測工程車輛所在車道后方200m范圍的危險車輛。設計采用計算機算法分析，預設在工程車輛駐車時后方車輛行駛速度≥35km/h，或者后方車輛與工程車輛之間的相對行駛速度≥20km/h，判定后方車輛有可能與工程車輛發生追尾時，啟動定向聲波向后方車輛發出預警。如后方車輛減速或變道行駛、解除危險，系統自動關閉。如后方車輛繼續向工程車輛靠近且距離達到預設50m范圍時，系統應二次預警，實時提醒作業人員及時躲避。

3.4 " 工程機械防撞系統

針對工程機械盲點多、聲音嘈雜、速度低等等突出的安全問題，筆者設計了工程機械防撞原理圖，如圖3所示。系統設計采用中央控制器控制，24GHz短矩雷達用于在180o范圍內實時掃描，超聲波雷達用于監測兩側坑或懸崖，激光線用于警告周邊人員，探人雷達用于實時探測周邊是否有人，LED爆閃燈用于實時爆閃警示，定向聲波用于實時預警車輛和人員。必要時，主控制器實時發出緊急制動命令。

3.5 " 自動制動系統

自動制動系統由中央控制系統控制模塊控制，如圖4所示。系統可根據安全風險等級，采用不同的制動模式。系統采用外掛式機械制動設計，當制動模塊接收到制動命令時，拉線電機啟動，定滑輪拉動踏板鋼絲繩實現制動。為解決自動平緩、安全制動問題，設計時采用計算機算法，實時數控電流，控制踏板拉力，實現控制制動力度目標。

4 " 關鍵技術應用

為將上述關鍵技術成果應用于工程實踐，我們在開發出系統樣機的同時，在四川路橋集團有限公司養護分公司、江蘇高速公路工程養護有限公司等單位施工作業車輛上（如裝載機、壓路機等）進行了測試。同時為保證測試效果，還模擬了實際作業環境進行測試，并對其進行了改進。在隧道施工裝載機作業、高速公路養護防撞車、掃地車、救援巡查車作業中，對該方案進行多輪次測試與改進，工程車輛及機械的安全防護能得到大幅提升。目前，該技術已于施工作業中投入應用，應用效果良好。

5 " 結束語

本文從工程車輛及機械的特點、安全風險點的分析入手，提出工程車輛及機械智能主動安全防護需要解決的關鍵技術問題，并運用現代檢測、計算機及無線通信等技術，為有效防范在復雜環境下作業而引發的安全事故，提供了全新的解決方案。雖然該方案目前還處于試點應用階段，但從使用情況來看，使用效果良好，應用前景十分廣闊。接下來將擴大試用范圍、總結經驗，為盡快實現產業化奠定扎實基礎。

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