BS-1200型边坡清筛机避撞辅助安全装置设计

薛安琳，周佳亮

(1.西安铁路局工务机械段，陕西 西安 712400;2.中国铁道科学研究院 铁道建筑研究所，北京 100081)

BS-1200型边坡清筛机是引进美国Loram公司技术研制的高效率大型养路机械。该机总长度约45 m，最大作业效率为1 200 m3/h，可自行完成挖掘、输送、筛分、回填和整形全工序作业过程。它由装载车和筛分车两节连挂组成，装载车在前，筛分车在后。筛分车的污土带输送不符合要求的石砟、杂物等，将之抛射到线路外或抛射到筛分车后方的物料车。BS-1200型边坡清筛机作业时，污土带超出限界，可能与接触网支柱等地面设施发生碰撞，如果污土带未能及时旋转避让，就可能发生重大安全事故。

BS-1200型边坡清筛机现场施工作业存在以下缺点:①施工作业现场的灰尘及噪音很大，视野差，司机易疲劳，存在较大安全隐患;②边坡清筛机作业速度快，最高可达4 km/h，而污土带的长和宽分别为13 m和2.2 m，笨重的污土带使得控制速度变慢，提高了避让的难度;③污土带的抛污方向在整个车的后方，驾驶员背对污土带驾驶时不利于瞭望，增加了碰撞的风险;④没有采用先进的电子设备保障施工安全［1-2］。

针对BS-1200型边坡清筛机的上述缺陷，研究了一套污土带避撞辅助安全装置。本文对污土带避撞技术原理、主要工作部件及控制软件进行设计。应用结果表明，该系统操作简便，能实现障碍接近报警和自动停车，不受灰尘等环境因素影响，满足现场作业需要。

1 避撞原理

获取障碍物的位置信息是避撞辅助安全装置工作的前提，主要有以下非接触式探测方法。

主动探测类的基于激光、超声波、红外探测器、或雷达等设备。它们对邻近区域进行主动探测，靠特定区域的物体对声或光信号的反射达到测量的目的。

标识类的基于GPS或电子标签等设备。它们一般至少由两个设备构成，一个设备放置于指定的物体附近，标识此物体位置，另一个设备则是接收标识设备的信号。两个设备可以实现测距的功能，三个以上的设备能实现设备之间的空间定位。

BS-1200型边坡清筛机会在夜间、雾天等天气下作业，作业时会产生很大灰尘。主动探测类设备探测到的物体可能是灰尘、路过的工作人员，甚至可能是落叶等，这些物体对污土带不构成障碍，而此类设备无法自动区分探测到的是何种物体，因此误报率会很高［3-4］。

对于GPS和电子标签这些标识类设备而言，测量结果只能是唯一的被标识过的物体，这就大大增加了现场施工作业的灵活性，它们可用于标识斜拉线、接触网支柱等对污土带构成障碍的地面设施。人为的标识准确可靠，避撞装置很少误报。由于GPS设备定位区域大、价格高、局部定位误差受地形等环境的影响，所以本装置选取基于电子标签标识障碍物位置的无线测距技术来获取障碍物的位置。

2 系统设计

边坡清筛机污土带避撞辅助安全装置安装如图1所示。该系统的无线测距装置由无线测距固定端4和无线测距移动端7组成。无线测距移动端用于标识障碍物的位置，它放置于接触网支柱或斜拉线旁边。无线测距固定端4安装在边坡清筛机车尾，检测车体前方最近的无线测距移动端7的位置，便可获取经过标识的障碍物的距离值D。污土带转角传感器2安装在污土带3转盘处，它检测污土带3的旋转角度，通过污土带固定的几何尺寸，进一步可获得污土带外伸量。摄像机6安装在车尾，它实时检测车前现场图像。扬声器10安装在司机室和车尾两处，它向现场工作人员发出语音提示信息。司机室里的计算机9接收障碍物的距离值D、污土带转角和监控图像，数据经计算和处理后，可控制声光报警器工作、语音提示和控制清筛机自动停车。司机室内的无线遥控接收器5接收车下任何一个无线遥控器8的遥控信号，它根据接收到的信号控制清筛机停车继电器和报警继电器工作。

图1 边坡清筛机污土带避撞辅助安全装置

3 主要部件设计

1)无线测距设备

无线测距设备包括无线测距移动端和无线测距固定端，一个作为发射器使用，一个作为接收器使用，如图2所示。固定端安装于边坡清筛机车尾位置，移动端放置于接触网支柱或斜拉线旁边。无线电信号在固定端和移动端的传输时间乘以光速得到两个设备之间的距离，固定端将实时测量距离值传送给计算机进行处理。本系统一共配置了4个无线测距移动端，它的本质是电子标签，可以标识4个障碍物的位置。

图2 无线测距设备

2)污土带转角传感器

污土带转角传感器安装在污土带转盘处，如图3所示。边坡清筛机整个污土带可以视为一个刚体，通过测量转盘的转动角度即可测量整个污土带转角。污土带转角传感器的拉绳紧贴在污土带转盘上，当污土带转动时，转盘转动的弧长会等于传感器内部从动轮的弧长。设传感器内部从动轮的半径为r，污土带转盘外沿到旋转中心半径为R，测量从动轮转角的绝对编码器输出的角度φ，则污土带转角θ为

式中，φ0为污土带位于线路中心位置时绝对编码器输出的角度。

图3 转角传感器

3)摄像机

摄像机安装于车尾，对现场环境进行拍摄，并将图像传输给计算机，操作人员从计算机上确认前方是否有障碍物。

4)计算机控制系统

选用工业平板电脑作为整个控制系统的计算机平台，编制的软件在该平台上运行。

5)语音设备

语音设备会根据障碍物的远近实时提示障碍物的距离值和避让信息。

6)无线遥控器和接收器

无线遥控器由车下的操作人员操作。本系统配有多达5个遥控器，可由5个防护员在5个视野良好位置防护污土带，在紧急情况下，可遥控无线接收器控制边坡清筛机上的停车继电器和报警继电器工作。

遥控功能:①车下任何一个遥控器按下“停车”按钮，接收器使得停车信号端子的电平置高，边坡清筛机停车;②车下任何一个遥控器按下“报警”按钮，接收器使得报警器报警。

4 软件设计

4.1 软件流程图

系统软件避撞流程图如图4所示。在编制的软件代码中，数据采集线程采集无线测距数据、转角传感器数据和图像数据，根据采集到的数据输出报警、语音和停车信号。

当无线测距得到的障碍物的距离值D＞20 m时，系统只给出语音提示信息;测距值在14～20 m时，有断续声光报警信息;测距值在8～14 m时，有连续声光报警信息，操作人员需要在此范围内完成污土带的避让操作;测距值在8 m内时，软件将给出停车信号，此时车下视野良好位置的防护员也可以及时用遥控器发出停车信号。

图4 系统软件避撞流程

4.2 软件功能

如图5所示，该系统软件对采集到的数据进行处理，实现障碍接近报警、语音提示和清筛机自动停车的功能，并且能直观地显示障碍物的距离值、污土带的摆动位置和现场作业图。

图5 软件界面

5 现场试验

在边坡清筛机作业时，将无线测距移动端放置在接触网支柱旁边，标识接触网支柱的位置，防护员在车下视野良好处携带遥控器防护污土带作业，并对系统各项功能进行测试。

试验测试结果表明:系统能实现障碍接近报警和清筛机自动停车功能;5个遥控器使得防护员能在多个视野良好位置观察，在紧急情况下，可控制清筛机停车;该系统不受灰尘等环境的影响。

6 结论

BS-1200型边坡清筛机污土带避撞辅助安全装置可直观显示所标识的接触网支柱等设施的远近、污土带的位置和现场监控图像，能实现障碍接近报警和自动停车，为清筛机作业提供有效安全辅助保障手段。现场使用表明，该系统不受灰尘等环境因素影响，采用无线遥控技术能在多个视野良好位置远程防护污土带。该系统操作简便，性能稳定，能满足边坡清筛机的现场使用需求。

［1］寇长青，宋慧京.全断面枕底清筛机［M］.北京:中国铁道出版社，1998.

［2］高春雷，王发灯.清筛机污土输送装置避障系统的设计［J］.铁道建筑，2007(8):97-99.

［3］薛安琳.基于无线测距技术的清筛机污土带辅助避障系统应用研究［J］.铁道建筑，2013(6):160-163.

［4］胡传亮，高春雷，王发灯，等.非接触障碍检测技术在清筛机污土带避障中的应用［J］.铁道建筑，2013(3):121-124.