工程车辆及机械智能主动安全防护关键技术设计与应用.pdf

44工程机械与维修TECHNOLOGY&MAINTENANCE技术维修0 引言随着国民经济的快速发展，大规模公路网持续建设并运行，公路改扩建工程也逐渐增多。公路建设及作业区逐渐增多，衍生出一系列亟需解决的安全防范问题。首先，隧道建设与全封闭的道路作业区内部的车辆及机械设备混杂，安全风险与日俱增，但相关安全防范措施缺失或执行不力。其次，道路养护、清排障占道作业时，常采取边通车、边施工的作业方式，进而不可避免地会对施工作业机械和人员产生影响，导致作业区附近路段存在严重的安全隐患。其中较为典型的情形是“追尾作业车”、或“闯入作业区”，从而给施工人员、车辆造成一定伤害。传统的安全防护办法，主要是在工程车辆及机械上安装警示灯、警报器。其在实践确实也发挥了一定的防护作用，但由于其预警被动致防范效果不佳，一旦周围车辆、人员误闯入作业区，或者驾驶操作人员处理不当、失控等，极易造成安全事故。为切实消除由工程施工源头带来的安全隐患，有效预防和遏制重特大安全事故，亟需运用现代科技，大幅提升车辆及机械的安全技术防范能力。1 安全防护关键技术问题 工程车辆及机械具有品种多、夜间作业多、循环行驶多、速度快、载重大等诸多特点。工程机械一般作业环境恶劣、速度低、盲点多、人员靠作业，安全风险大。安全防护的关键技术问题包括以下几点：1.1 防追尾由于工程车辆及机械作业环境复杂，因作业需要经常会在高速公路变道、驻车，极易造成车辆追尾事故，因此如何有效防范后方车辆追尾，是安全防护首要的关键技术问题。1.2 防盲区大多数工程车辆和机械体型比较大，机构也十分复杂，视线的盲区较多，由此带来的安全隐患非常大，是造成安全事故的重要因素之一，因此防盲区是安全防护关键技术之一。1.3 防撞人在所有作业安全防范过程中，防撞人事故是最为重要环节，必须采用多种手段全面防范撞人事件出现。1.4 防坠坑与坠崖工程车辆及机械在作业过程不可避免的会遇有地坑或悬崖，一旦发生事故，后果不堪设想，因此防坠坑、坠崖也是一项需要解决的一项关键技术问题。2 安全防护技术路径2.1 采集危险信息采用各类现代检测传感器，实时监测工程车辆及机械周边的安全风险，如可能造成追尾的工程车辆及机械，可能闯入作业区的工程车辆、机械和人员，地坑（悬崖）等。工程车辆及机械智能主动安全防护关键技术设计与应用秦廷洪1 钟兴鹏1 金龙2 朱贵强3（1.四川公路桥梁建设集团有限公司养护分公司，四川成都 6100002.江苏高速公路工程养护有限公司，江苏淮安 2230013.淮阴师范学院江苏省现代检测技术与智能系统重点建设实验室，江苏淮安 223001）摘要：为有效防范工程车辆及机械伤人事故，相关技术人员在安全管理措施上进行了不断改进，取得了一定成效，但相关安全事故仍时有发生。从工程车辆及机械的特点、安全风险点的分析入手，提出工程车辆及机械智能主动安全防护需要解决的关键技术问题，并运用现代检测、计算机及无线通信等技术，为有效防范在复杂环境下作业而引发的安全事故，提供了全新的解决方案。关键词：工程车辆；机械；智能主动；安全防护CM&M 2023.04452.2 危险信息处理采用计算机处理分析危险信息，计算机对传感器监测采集到的各类危险信息进行处理与分析，并作出预警决策。2.3 预警方式选择预警时，采用声、光、电技术实时发出有效预警。当发现工程车辆及机械周边存在安全风险时，系统立即以语音提醒驾驶人员注意安全；同时，针对不同的安全风险方位采用定向声波，实时向周边车辆、机械或人员发出有效预警。2.4 紧急制动方式当上述声、光、电预警失败时，系统将采取紧急制动措施。紧急制动将分等级设计，根据不同的安全风险等级，采取不同制动措施。当危险完全消除时，系统制动自动取消。2.5 对人员的精准预警对人员的实时判别、有效预警，也是解决工程车辆志机械安全防护的一项十分重要的课题。通过精准定位、雷达实时探测，精准实现对人员的实时预警，有效防范撞人事故。3 安全防护关键技术3.1 控制系统3.1.1 检测预警设计系统由主控制模块、前向与后向毫米波雷达、超声波测坑雷达、探人雷达、显示报警模块、线束、安装附件等组成。具体技术包括智能主动安全防护拟采取的检测手段、预警方式与防护方法等。毫米波雷达用于探测车辆前方、后方的障碍物。超声波测坑雷达用于探测车辆及机械后方深坑或悬崖。探人雷达用于探测车辆及机械周边的人员。显示报警模块用于显示各类传感器探测到的人、障碍物及距离，当有人或障碍物靠近车辆，且距离小于系统设置的安全距离时，显示报警模块会发出声光报警，提醒驾驶员减速避让、立即停车，以避免车辆碰撞、或发生撞人事故。系统可与后台计算机系统连接，进行参数设置、事件记录的读取等。3.1.2 电路原理设计按上述分析，设计工程车辆及机械电路控制原理如图 1 所示。本系统由主、副两个模块组成，电源由车载DC20V 提供输入。检测雷达 1、显示+按键、远程通讯等，分别通过 CAN1、CAN2、CAN3 向主控模块输入检测数据。检测雷达 2 通过副模块后，再通过 CAN2 输入主控模块。人体热释模块（前、后、左、右）、车外设备（灯光、声音、其他）等通过 CAN2 输入主控模块。疲劳驾驶信号通过 TTL 输入主控模块。主控模块对上述数据进行处理后，输出报警事件信号，事件提醒无线发射与无线接收即可实现预警目标。3.1.3 系统控制电路印制板设计根据控制系统原理，设计相应的电路印制板图。选择电子原器件，完成焊接电路板、检测电路板等相关工作。3.1.4 编写程序设计根据系统框图编写相关计算机程序，包括数据采集部分、通讯部分、主机获取数据、显示、报警、制动等。3.2 安全检测系统3.2.1 前后、向检测用传感器应用设计 重点解决盲区突出问题，其次是参考距离、速度等重要参数选择传感器，使之实时检测输出预警参数。一般对工程车辆应考虑选用 77GHz 毫米波雷达，而对于工程机械推荐选用 24GHz 毫米波雷达。3.2.2 检测周边危险用传感器应用设计为实时检测周边的安全风险，采用在特定位置安装超声波雷达检测靠近的车辆与人员的方法，实时检测输出预警参数。3.2.3 检测探人用传感器应用设计 为确保施工作业过程中的人员安全，需针对作业人员采用人体热释红外、微波传感器、探人雷达等专用传感器，强化监测人员流动情况，实时检测输出预警参数。3.2.4 对地检测用传感器应用设计为实时有效防范车辆或机械坠坑、坠崖，宜采用超声波对地雷达、外号筒式设计，并运用计算机算法分析，实时监测车辆及机械后向地面状况，实时检测输出预警参数。3.2.5 疲劳驾驶防控应用设计为有效防范疲劳驾驶行为，设计采用瞳孔+人脸+动作分析方法，实时检测输出预警参数。3.2.6 安全警戒线设计为有效预防作业人员误闯入车辆及机械作业区，有必要设立安全警戒线。安全警戒线采用激光线束设计，在车辆或机械周边 2m 范围形成长方形框。对于在昏暗的工作环境下防范人员闯入作业，它将发挥有效的警示防范作用。图 1 工程车辆及机械电路控制原理46工程机械与维修TECHNOLOGY&MAINTENANCE技术维修3.3 工程车辆防追尾系统工程车辆防追尾系统工作原理如图 2 所示。系统采用 DC12V、24GHz 的毫米波远距离雷达，实时监测工程车辆所在车道后方 200m 范围的危险车辆。设计采用计算机算法分析，预设在工程车辆驻车时后方车辆行驶速度 35km/h，或者后方车辆与工程车辆之间的相对行驶速度 20km/h，判定后方车辆有可能与工程车辆发生追尾时，启动定向声波向后方车辆发出预警。如后方车辆减速或变道行驶、解除危险，系统自动关闭。如后方车辆继续向工程车辆靠近且距离达到预设 50m 范围时，系统应二次预警，实时提醒作业人员及时躲避。3.4 工程机械防撞系统针对工程机械盲点多、声音嘈杂、速度低等等突出的安全问题，笔者设计了工程机械防撞原理图，如图 3所示。系统设计采用中央控制器控制，24GHz 短矩雷达用于在 180 范围内实时扫描，超声波雷达用于监测两侧坑或悬崖，激光线用于警告周边人员，探人雷达用于实时探测周边是否有人，LED爆闪灯用于实时爆闪警示，定向声波用于实时预警车辆和人员。必要时，主控制器实时发出紧急制动命令。3.5 自动制动系统自动制动系统由中央控制系统控制模块控制，如图4所示。系统可根据安全风险等级，采用不同的制动模式。系统采用外挂式机械制动设计，当制动模块接收到制动命令时，拉线电机启动，定滑轮拉动踏板钢丝绳实现制动。为解决自动平缓、安全制动问题，设计时采用计算机算法，实时数控电流，控制踏板拉力，实现控制制动力度目标。4 关键技术应用为将上述关键技术成果应用于工程实践，我们在开发出系统样机的同时，在四川路桥集团有限公司养护分公司、江苏高速公路工程养护有限公司等单位施工作业车辆上（如装载机、压路机等）进行了测试。同时为保证测试效果，还模拟了实际作业环境进行测试，并对其进行了改进。在隧道施工装载机作业、高速公路养护防撞车、扫地车、救援巡查车作业中，对该方案进行多轮次测试与改进，工程车辆及机械的安全防护能得到大幅提升。目前，该技术已于施工作业中投入应用，应用效果良好。5 结束语本文从工程车辆及机械的特点、安全风险点的分析入手，提出工程车辆及机械智能主动安全防护需要解决的关键技术问题，并运用现代检测、计算机及无线通信等技术，为有效防范在复杂环境下作业而引发的安全事故，提供了全新的解决方案。虽然该方案目前还处于试点应用阶段，但从使用情况来看，使用效果良好，应用前景十分广阔。接下来将扩大试用范围、总结经验，为尽快实现产业化奠定扎实基础。参考文献1 袁朝春,李道宇,吴飞,等.汽车纵向主动避撞 DRV 安全距离 模型建模研究J.重庆理工大学学报(自然科学),2015,29(10):29-332 李霖,朱西产,董小飞,等.自主紧急制动系统避撞策略的研 究 J.汽车工程,2015,37(2):168-1743 俄文娟,丁延超,赵鹏,等.危险品运输车辆自主紧 急制动控 制策略研究 J.公路交通科技,2017,34(S2):44-504 胡远志,吕章洁,刘西.基于 PreScan 的 AEB 系统纵向避撞 算法及仿真验证 J.汽车安全与节能学报,2017,8(2):136-142 5 裴晓飞,齐志权,王保锋,等.汽车前向主动报警/避撞策略J.吉林大学学报(工学版),2014,44(3):599-6046 刘志强,张春雷,张爱红,等.基于驾驶行为的追尾避撞控制 策略研究 J.汽车工程,2017,39(9):1068-1073.7 于广鹏,谭德荣,田厚杰,等.基于纵向避撞时间的预警/制动 算法 J.河南科技大学学报(自然科学版),2015,36(2):30-34 8 商强,谭德荣,高松,等.基于驾驶倾向性辨识的避撞报警算 法 J.科学技术与工程,2014,14(13):282-285.图 2 车辆防追尾原理图图3 工程机械防撞原理图 4 自动制动系统设计图激光预警超声波雷达毫米波雷达刹车模块控制模块拉线电机钢丝绳定滑轮制动踏板制动踏板被拉下拉线电机动作，制动踏板向下运动功效模块定向声波爆闪预警中控模块中控显示屏语音模块报警喇叭