基于RFID与AVM的重型设备接近预警系统研究

陈黎明 周旭 吴月浩 马二领

（1.北方国际合作股份有限公司，北京 100043；2.北方矿业有限责任公司，北京 100053；3.中国北方工业有限公司，北京 100053）

0 引言

重型设备如推土机、挖掘机、装载机等广泛应用于各类施工现场，而施工现场内设备、人员、材料众多，交叉作业导致设备和人员在特定的空间内进行连续的动态活动，易发生冲突从而引发事故。其中，重型设备车体庞大、操作手视线不良、存在视觉盲区是导致此类事故发生的重要原因，而安装接近预警系统，消除重型设备视觉盲区，在人员接近设备时提供预警，能够提升重型设备本质安全性，有效降低此类事故的发生概率［1］。

在国外，重型设备接近预警技术研究开始较早，系统应用也已较为成熟，LEE HS等［2］开发一种基于RFID技术的实时定位系统，用于施工现场设备安全管理；TEIZER J等［3］提出一套重型设备接近预警系统测试方法，并对各类预警方法进行测试。在国内，重型设备接近预警系统主要应用于煤矿生产中，郭昭华等［4］基于RFID技术研制露天矿车辆防撞预警系统，实现了矿区车辆全天侯安全运行的自动预警；曹勇［5］利用双GPS卫星定位、双射频通讯及有源电子标签等技术来解决露天矿重型卡车、辅助车辆和现场作业人员之间的安全防撞预警问题，而在其他施工领域，重型设备接近预警系统尚未得到广泛应用。

本文对重型设备预警系统原理进行介绍，对比各类预警方法技术特点及使用范围。在此基础上，研究一套基于RFID与AVM技术的重型设备接近预警系统，对该系统在某境外长输管道工程的应用进行分析，并对未来重型设备接近预警系统的发展方向进行展望。

1 重型设备接近预警系统介绍

重型设备接近预警系统（Proximity Warning Systems，简称PWS）通过在重型设备上安装传感器与操作界面，在重型设备周围形成检测区域，当人员或物体进入该检测区域后，触发传感器并通过视觉、听觉及振动等方式向设备操作手发出警告。根据采用的传感器类型不同，PWS系统可分为多种类型，其中应用较为广泛的有雷达、超声波以及电子标签3种。

基于雷达的接近预警系统从安装在设备上的定向天线发射无线电信号，无线电信号被发射波束内的物体反射时，一部分反射能量返回到接收天线，导致生成警报。雷达系统检测障碍物的相对运动，即检测过程需要障碍物或设备的运动。雷达通过测量脉冲信号的传播时间来检测障碍物的距离，可以有效地检测人员、车辆及建筑物等。基于雷达的接近警告系统有效检测范围约1~30 m［6］，在检测区域较宽时，需安装多个天线才能完全覆盖。

基于超声波的接近预警系统发射脉冲声波并检测附近物体的回波，用于设备的超声波系统覆盖范围较为有限，通常小于3 m，且需要多个传感器来覆盖大型设备的宽度。超声波传感器对空气中的颗粒物（灰尘、雪和雨水等）较为敏感，必须保持清洁，该系统不适用于环境恶劣的施工现场。

基于电子标签技术的接近报警系统包含由人员携带或固定在物体上的电子标签，以及安装在重型设备上的标签识别器，电子标签发送信号，在一定范围内信号被标签识别器读取后会在驾驶室内生成警报，读取器和标签之间的双向通信允许在标签处也生成警报，超声、磁场以及射频（RFID）等多种技术可用于生成确定电子标签接近程度的信号。

国内外针对PWS系统的研究成果表明，适当使用各种传感器技术可以有效地防止重型设备在危险接近情况下发生事故［6］。但同时各类接近预警系统在施工现场的应用存在技术局限性，需考虑信号的可用性、重量、大小、电源、可靠性以及价格等因素，如雷达传感器不适合使用于存在可能触发错误警报的障碍物的恶劣环境，在基于RFID的接近预警系统中，必须在所有工人和设备上安装发射器和接收器。此外，还必须基于设备尺寸和特性来确定用于各种重型设备类型的接近预警系统。综合各类接近预警系统的研究应用成果，各类接近预警系统的传感器技术特性对比见表1［3］。

由表1可以看出，与其他传感器技术相比，射频技术具有探测范围适中、数据精度高、安装与使用成本低的优点，因此在重型设备接近预警系统中的应用也最为广泛。

表1 接近预警系统传感器技术特性对比

2 基于RFID和AVM技术的重型设备接近预警系统

2.1 使用需求分析

长输管道工程点多面广，各施工环节均需使用大量的重型设备，如挖掘机、推土机、装载机、刮平机、吊管机及自卸车等，且施工现场受作业带范围限制，设备可移动空间狭小，人员与设备交叉作业多，重型设备与人员及其他设备发生冲突导致的事故曾多次发生，在管道施工重型设备上安装接近预警系统对于保障施工人员安全十分必要。根据管道施工现场预防重型设备与人冲突事故的需要，重型接近预警系统必须具备以下3个方面的功能：

1）当人员进入重型设备的警戒范围内时，系统能够实时自动识别；

2）系统识别人员进入重型设备警戒范围时，能够发出语音及视觉警报，及时提醒设备操作手及进入设备警戒范围的人员；

3）设备操作手听到警报后，能够立即观察设备四周尤其是盲区内的情况，及时采取有效应对措施。

2.2 RFID和AVM技术

综合考虑管道施工现场使用需求及野外施工恶劣使用环境，对比各类传感器技术的特点，确定选用RFID技术作为接近预警系统的传感器技术。但RFID技术无法提供用于在视觉上区分接近对象的信息，通过将其与AVM技术相结合，由显示设备向设备操作手提供视觉信息，从而使接近预警系统更加有效。

RFID技术，全称为无线射频识别（Radiofrequency Identification）技术，是一种自动识别与无线通信相结合的无线自动识别技术，通过射频信号与电感或电磁耦合实现对被标识物体进行识别。RFID系统一般包括3部分：电子标签、标签识别器和通信天线，其中电子标签为预先设定的存有唯一识别码的芯片，通常固定在需要被识别的人员或物体身上；标签识别器为一能存储、识别、接收电子标签中识别码数据的设备，通常固定在重型设备上；通信天线则是用于电子标签和标签识别器之间的射频通信桥梁。RFID系统具备可靠性与耐用性高、成本低、尺寸小、识别频率高、安装方便与数据可追溯等特点，符合环境恶劣的管道施工现场使用需求。

“叔伯辈都发话了，按孔家规矩，长子在，不发丧，说是这规矩不能破，越是兵荒马乱，纲常更不能乱，越要遵守祖宗立下的规矩。所以让我前来报丧，叔伯还说……”

AVM技术，全称为全景式监控影像系统（Around View Monitor），用1组（通常4个）广角摄像头，对目标体四周的情况进行拍摄，通过图像的处理和显示，得到全景式影像，以达到观察、确认等监控目的。AVW通常用于车辆或移动设备，可以实现驾驶员或操作手360°无盲区操作，从而提高车辆行驶或移动设备操作的便捷性和安全性。

3 基于RFID和AVM的接近预警系统构建

该系统将RFID和AVW技术应用于防撞预警系统，包含RFID和AVW两大模块，其中RFID模块包含电子标签、通信天线、标签识别器及语音报警器，AVW模块包含摄像头组、图像处理及显示器，两模块的设备相对独立，可以分开采购和安装。系统各模块在重型设备上安装配置如图1所示，RFID通信天线安装在设备顶部或背面，摄像头安装在设备侧方及后方，AVM显示器安装在设备驾驶室内，设备周围施工人员佩戴RFID电子标签。

图1 接近预警系统安装配置

当佩戴电子标签的人员进入重型设备的警戒范围内时，主控制器内的标签识别器通过通信天线识别到电子标签信号，发出警报声，操作手听到警报声后，从AVW模块的图像显示器中察看设备四周情况，如果确认有危险，则立即停止作业，如果确认无危险，则重置警报器后继续作业，系统工作流程如图2所示。

图2 接近预警系统工作流程

4 现场应用实例分析

在某境外长输管道工程中，基于上述系统分析，分别采购成熟的RFID模块和AVM模块硬件产品，在各重型设备上按照图1的布置进行安装。其中RFID模块包括主控制器（集成标签识别模块及通信天线，具备数据记录导出功能）、电子标签及标签检查器（用于检查确认标签完好）、报警器（蜂鸣器），AVM模块包含LED显示器、摄像头及连接线等。根据管道施工现场的实际条件，组织项目业主、承包商及供应商的相关人员进行商讨，确定系统警戒区域为设备周围10 m之内的区域。

在为期6个月的施工时间内，对安装PWS的重型设备种类、数量、总报警次数、日均报警次数等数据进行统计和分析，如表2所示。

从表2中的统计数据可以看出：

表2 管道施工现场接近预警系统数据统计

1）该系统安装方便、灵活，可以适用于推土机、装载机、吊管机、压路机、汽车吊等众多施工设备，且使用可靠、故障率低，符合管道施工恶劣环境条件的使用要求。

3）不同的设备，其日均报警次数有差别，如同时间段内吊管机每天要比自卸式卡车的报警次数要多约10次，现场管理人员可以根据施工机械日均报警次数的多少确定管理重点或关键点。

4）预警数据中可记录每次进入警戒范围的电子标签编号，通过预警数据分析，可根据电子标签编号确定相应的人员，有针对性的采取教育培训等管理措施。

5）各种施工机械每月的总警报次数都超过1万次，虽然总报警次数与投入的施工机械数量有关，但是根据海因希里法则推断，积累到一定数量的不安全因素会最终导致事故的发生，施工现场管理人员应给予足够的重视，不能盲目依赖报警系统，还应通过采取相应管理措施，如加强员工安全意识培训与现场监管等方式降低报警发生的次数，从而保障现场的生产安全。

5 结语

本文对重型设备接近预警系统进行介绍，对各类传感器技术进行对比，在此基础上针对长输管道施工构建了一套基于RFID与AVM技术的重型设备接近预警系统，并应用于某境外长输管道项目。应用分析表明该系统简便可靠，可实时识别进入设备警戒范围内的人员并发出警报，能够有效防止设备与人员碰撞事故的发生。通过对系统报警数据记录的统计分析，可以了解现场设备安全管理状况，为现场安全管理工作提供指导。

在今后的重型设备接近预警系统开发应用过程中，一方面可结合5G及物联网等先进技术，将系统预警数据及时上传管理平台，实现设备及设备周边环境、人员的远程实时监控，方便管理人员实时掌握现场情况；另一方面，可将接近预警系统与主动刹车技术相结合，在探测到人员进入设备警戒范围内时自动进行减速刹车，避免因操作手操作失误或反应迟缓而导致事故的发生，从而进一步提升重型设备的本质安全水平。