露天煤矿运输安全智能预警预控体系研究

刘小杰

（神华准格尔能源有限责任公司黑岱沟露天煤矿，内蒙古鄂尔多斯 010300）

根据统计分析，公路运输导致的车辆伤害事故占露天煤矿各类事故的首位，而在露天煤矿公路输事故中，由于卡车盲区造成的事故高达60%，由于小型车辆超速违章行驶占20%，由于驾驶员疲劳驾驶造成的事故占15%左右[1]。通过运用交通流模型对黑岱沟露天煤矿公路运输事故进行模拟分析，1 215 端帮路周围区域理论预测年均事故率约为4.25～5 次/a，计算预测交通事故死亡在0.935～1.22次/a。因此，研究露天煤矿公路运输预警预控技术，开发先进、实用的露天煤矿公路运输安全智能化预警预控体系，对实现卡车防碰撞、防疲劳、主动防追尾和自动刹车，减少行车事故。

1 防撞预警系统

通过历年来全国露天煤矿发生的伤亡事故原因分析发现，因为静态盲区和动态盲区，矿用卡车驾驶员根本不知道自身周围存在其他车辆，成为造成事故的主要原因，尤其是大型矿用卡车碾压小型生产指挥车辆的事故概率最高。怎么解决这些“不清楚”、“不知道”、“没看见”，其实是解决一个实时获知位置信息的问题[2]。因此如何让驾驶员随时掌握自身周围车辆运行的情况，有效避免事故的发生，位置信息获取至关重要。黑岱沟露天煤矿构建了大型矿用卡车防撞预警系统，将各种车辆的静态盲区和动态盲区统一考虑，形成了一体化解决方案，用以消除驾驶员视线盲区。

大型矿用卡车防撞预警系统采用无线射频技术RF（短距离无线通信）和GPS 卫星高度定位技术，并辅以三维电子罗盘技术、LCD 液晶显示功能、语音报警和防撞预测算法，在主控模块协调作用下，首先通过双GPS 模块实时采集自身位置坐标（由于得到的坐标不够精确，根据双天线等间距设定，求出当前系统误差，进行GPS 自主修正，由高精度GPS 定位技术给出车辆的精确坐标），其次是通过双RF 射频模块与周围的辅助车辆交互位置坐标，求出辆车间的距离和方位，同时将车辆的位置和相对信息通过各自的液晶屏显示出来，最后通过语音模块，根据事先规定的报警模式，给出预警信号[3]。在彩色屏上可以直观地观察到自身车辆以及对方车辆的位置、时间信息、车辆速度等数据。当车辆出现在预警范围内时，系统根据距离、方位、朝向等不同情况发出不同的语音报警。黑岱沟露天煤矿根据预警区域划分，建立了预警机制：车辆进入100～80 m 区域时显示邻近车辆距离及位置；进入80～20 m 区域时语音报告邻近车辆距离及位置；进入区域小于20 m 时语音播报“危险”，为驾驶员防御性驾驶提供了研判信息，保证了车辆全天候安全运行。大型矿用卡车防撞预警系统预警区域如图1。

图1 大型矿用卡车防撞预警系统预警区域图

2 车辆超速管理系统

露天煤矿生产作业过程中，从运输、生产、维修、指挥到其他辅助生产的各个环节都离不开车辆，生产作业现场内每天都有大量的车辆在运行，外加矿区面积大，道路复杂、情况多样，若车辆超速运行，驾驶员面对前方车辆、行人等各种紧急情况时的应急时间变短，此外车速过快也会导致紧急刹车制动距离加长，轻者造成“追尾”，车辆受到损坏，重者导致人身伤亡，给社会和家庭带来生命财产损失。据统计大型露天煤矿车辆超速行驶造成的事故占20%。因此必须采取有效手段，严肃处理违章超速行为，规范驾驶员操作行为，严格按照规定速度行驶，减少由超速引起的生产安全事故与违章行为。

车辆超速管理系统采用先进的GPS 测速及定位技术、RF 通信、无线Mesh 网络、RFID 识别、电子地图等技术，实时监测进入生产作业现场的生产指挥车、辅助车辆、中巴车等行驶速度，当超出规定车速时语音提醒驾驶员[4]：①超速管理系统车载终端检测：在矿区布置系统，当车辆到达生产作业现场入口岗亭附近时，通过对车辆无线射频信号的检测，获取车载终端设备状态，通过对回传数据的分析和甄别，判断被检测车载终端是否完好；②语音报警和信息记录：当车辆进入生产作业现场，该车载终端能够在驾驶员超过规定速度驾驶时及时语音提示报警，并记录该车辆超速开始时的时间、地点、速度及超速过程中的最高速度等信息，当驾驶员减速到规定的速度以下时也记录相应的信息；③数据传输：当车辆驶出生产作业现场，经过入矿岗亭时，车载终端通过其无线射频RF 模块向设置在入矿岗亭的数据采集装置发送其记录的该车辆的行驶数据，入矿岗亭的数据采集装置将接收到的数据通过无线Mesh 网络远传给监控中心的服务端，监控中心的服务端和客户端通过矿内以太网实现数据共享，相关管理人员可在客户端方便的查询超速车辆的相关信息，并可在电子地图上看到超速车辆的行驶轨迹，安全监察部门通过客户端对各个时间段的超速情况进行统计后，可根据车辆超速数据对相关部门、个人进行处罚。

3 疲劳驾驶识别预警系统

露天煤矿生产过程中，大型矿用卡车公路运输是最主要的开拓形式。从事公路运输的矿用卡车驾驶员，由于运输工作量大，工作强度大，单人长时间穿行在没有生机的岩体中，容易因枯燥产生困倦和疲劳，尤其是凌晨4 点左右极易打盹和昏睡，极大地影响了驾驶员警觉和安全驾驶能力。疲劳会使驾驶员的观察注意力下降，反应速度减缓，瞬间的驾驶失控，危险极大，这些均给公路运输作业带来了巨大的安全隐患[5]。

疲劳驾驶识别预警系统集人脸状态识别（机器视觉技术、图像处理技术）、无线传输、GPS 定位等多种先进技术于一体，关键是疲劳状态识别：通过疲劳驾驶机器视觉识别装置[6-7]，对驾驶员状态进行快速取像，判断输入的图像是否存在人脸，驾驶员的驾驶位置一般比较固定，头部的位置也比较固定，如果经常检测不到人脸或是检测到很小的一部分人脸，那么就可以判断驾驶员处于疲劳状态；如果检测到存在完整的人脸，则进一步给出驾驶员的人脸位置、大小和各个主要面部器官的位置，经过高速DSP 分析后，定位眼睛和嘴巴的位置，通过计算上下眼皮和上下嘴唇的距离来判断驾驶员的状态（眼睛的3 个重要表征即完全睁开、半闭合、完全闭合，嘴巴的3 个重要表征即完全张口、半闭合、完全闭合），当主机检测到（采用机器视觉装置检测人眼开闭状态，进而确定人眼的局部特征，从眼睛闭合及瞳孔状态来判断驾驶员是否处于疲劳状态）驾驶员处于疲劳状态时，震动腕表、震动坐垫、语音和指示灯报警提示正在行驶中的卡车驾驶员注意安全，并将卡车驾驶员疲劳信息通过Mesh 无线网络传递到露天煤矿生产指挥中心电脑，由指挥中心调度人员负责管控[8-9]。

4 毫米波雷达自动刹车系统

露天煤矿虽然实施了以GPS 和RF 技术为主的防撞预警系统、车辆超速系统和疲劳驾驶识别预警系统，但无法识别障碍物（大块滚石、挡墙、故障设备、电缆桥等），也未能实现主动防追尾和自动刹车，大型矿用卡车追尾事故时有发生，为解决此问题，黑岱沟露天煤矿研发了大型矿用卡车毫米波雷达防碰撞智能制动系统。

毫米波雷达防碰撞智能制动系统，开发了雷达波调制与解调的硬件电路和软件DSP 算法技术，研制了适用于大型矿用卡车防碰撞的24 GHz 车载毫米波雷达传感器和基于MEMS 陀螺仪技术的大型矿用卡车运行姿态监测装置，创建了大型矿用卡车和障碍物图像模拟库，采用神经网络图像识别技术实现大型矿用卡车与障碍物的动态识别，进而建立了大型矿用卡车防碰撞的自动刹车规则与智能制动机制：毫米波雷达矿用卡车自动刹车系统的雷达控制器，根据本车速度得出安全距离，并将该安全距离和雷达传感器测得的距离进行比较，当雷达传感器测得的距离小于安全距离时，雷达控制器给出刹车信号，刹车机械装置的电机转动，带动钢丝绳拉动刹车踏板，进行刹车（电刹车），车辆减速。在刹车过程中，雷达控制器不断计算本车速度及与障碍物的距离并和相应的安全距离比较，刹车制动检测装置实时测量刹车踏板的位移量是否和电机带动钢丝绳的位移量相符：①当减速过程中雷达传感器测得的距离仍小于相应的安全距离时，雷达控制器给出继续刹车信号，刹车机械装置的电机进一步运转，电刹车的刹车踏板继续位移直到最大行程，电刹车踏板至最大行程后，当车速不大于5 km/h 时，启动工作制动，卡车的刹车机械装置的电机进一步转动，直到车辆速度为0，达到停车状态；②电刹车的刹车机械装置启动后，车辆在减速过程中雷达传感器测得的距离变化大于相应的安全距离时，雷达控制器给出解除刹车信号，电机反转解除电刹车，电刹车踏板恢复到正常状态，车辆继续前行，实现1 次点刹减速过程；③刹车制动检测装置实时测量刹车踏板的位移情况，不论在任何条件下，只要刹车踏板的位移量超过了刹车机械装置的位移量，该系统就认为是司机的踩踏刹车行为，该系统不启动或解除刹车机械装置的刹车制动，以人的操作为第1 优先级。

基于24 GHz 毫米波雷达探测技术，实现了矿用卡车在遇到障碍物或其它车辆时，当双方距离小于安全距离后能够自动刹车，实现了“失误-安全”的本质安全[6-9]。

5 “四位一体”集成终端

为解决露天煤矿公路运输安全问题，在大型矿用卡车上先后使用了盲区摄像、RF 无线射频、GPS卫星定位、图像识别、毫米波雷达等技术，完成了“露天煤矿车辆防撞预警系统”、“露天煤矿车辆超速管理系统”、“露天矿卡车疲劳驾驶预警系统”、“露天煤矿卡车毫米波雷达自动刹车系统”等安防技术的研发与实践，为解决露天煤矿矿用卡车防碰撞问题提供了有效的技术手段。然而，上述系统属于不同时期研发的产品，安装时间先后不等，安装位置和报警模式未进行统筹考虑，占用卡车操作台的空间太多，各种声光报警也给驾驶员带来困扰。其次是原设备功能单一，接口不足，急需整合原有功能，进行技术优化集成，统一预警预控，以便于驾驶员对预警预控事件的观察和响应，也便于上述安防系统的维护。再次是图像识别技术的引用，为进一步整合驾驶员疲劳驾驶、瞌睡提醒、驾驶员行为监控和盲区监测成为可能。因此有必要采用图像识别技术、给出障碍物类别，并与毫米波雷达技术融合，促使预警和刹车规则更加精准和高效。

通过技术集成创新和功能整合，最终形成1 套一体化管控系统，其中包含了4 个主要功能，并将系统硬件分为4 个部分：①无线模组-微处理器：主要完成RF 射频通讯和GPS 定位功能，包括北斗/GPS定位、RF 射频通讯、4G/GPRS 网络通讯及MEMS 陀螺仪等；②雷达模组-微处理器：具有雷达防碰撞刹车功能，包括三路雷达传感器数据输入，刹车机构完成车辆减速或刹车；③摄像模组-HUB：承担机器视觉识别中多路摄像头数据输入和盲区监测功能；④驾驶室内仅有主机、CPU 图像处理、室内摄像头和显示器，大大减少了驾驶室内的空间占用。“四位一体”终端功能图如图2，一体化管控系统功能分布图如图3。

图2 “四位一体”终端功能图

图3 一体化管控系统功能分布图

6 安全管理系统软件

安全管理信息化是露天矿现代化管理的必然趋势，黑岱沟露天煤矿高度重视安全信息化建设工作，为实现防撞预警、超速管理、疲劳驾驶识别预警、毫米波雷达智能自动刹车系统全过程信息化管理目标，采用计算机及信息化技术，提出了安全管理软件系统的构架，实现安全管理信息共享和风险预警平台的建设[10]。安全管理软件系统包括4 个子系统。

1）防撞预警子系统。防撞预警记录。可按天、班次、部门、设备编号或车型对每辆车和其他车辆相会的过程中的预警级别和预警次数进行统计。单击次数可显示预警明细，通过点击报表和轨迹，可显示本车速度和对车距离曲线变化表和电子地图中的运行轨迹（运行轨迹支持重新回放）。

2）超速管理子系统。可按天、班次、部门、设备编号或车型对每辆车超速情况进行统计，预警统计情况。点击右侧“速度”可显示超度速度变化情况，点击“轨迹”可对超速轨迹进行回放，通过对回放轨迹的路线进行甄别，用以判断超速的真实性。

3）毫米波雷达自动刹车子系统。①系统检测总表：体现当前正在运行的设备数量以及毫米波雷达正常开机和运行数量；②运行检测明细：可以查看每台矿用开车每个班毫米波雷达开机运行的具体时间段；③开机时间统计：可以查看每台矿用卡车每个班行车累计时长、刹车启用累计运行时长、刹车启用有效使用率、雷达开机累计运行时长；④系统状态：可以查看雷达各个传感器的运行状态（绿色表示正常，红色表示故障）；⑤刹车统计：可以查看每台矿用卡车某天或某个班次毫米波雷达自动刹车次数以及刹车原因分析。

4）疲劳识别预警子系统。实时识别和判断矿用卡车疲劳状态，并将疲劳照片及时上传，并做到及时提醒。同时可以查看照片和拍照地点在电子地图上的具体坐标位置。

7 结语

1）采用GPS、无线射频、毫米波雷达等先进成熟的技术和多项技术集成，通过不断的科学研究和实践，对露天煤矿矿用卡车的公路运输安全进行了有效的预警预控，为露天煤矿科技保安走出了一条切实可行的道路。

2）以建设信息共享和风险预警平台为目标的安全管理系统，将露天煤矿规章制度中要求的职责及工作内容落实到具体的系统操作中，使管理更高效，职责更清晰，内容更完整，标准更统一。

3）露天煤矿公路运输安全智能化预警预控体系大大提高了露天煤矿公路运输的安全系数，运输效率也大幅提升。经现场测试，大型矿用卡车车速由原来的20 km/h 提高到24 km/h，按24 km/h 的平均速度计算大型矿用卡车的年生产能力，运输效率提高达12%。

4）露天煤矿公路运输安全智能化预警预控体系实现了“一增一减一转变”。一增：人员操作效率增加；一减：“三违”数量明显减少；一转变：作业人员从“要我安全”到“我懂安全”和“我要安全”的转变，为创建安全高效露天煤矿奠定了基础。

5）露天煤矿公路运输安全智能化预警预控体系的“减损”（减少事故造成的人员伤亡、职业病负担、事故经济损失、环境危害等）效益凸显。露天煤矿公路运输安全智能化预警预控体系实施以来，杜绝了公路运输“零敲碎打”事故，每避免1 次事故可减少经济损失上百万，甚至上千万。