铁路柱形预制构件机械化安装安全防护系统研究与应用

简介：王芳，女，汉族，河南南阳，电气系统设计，411324200001012240

【摘要】铁路柱形预制构件传统的安装方式存在劳动密集度高、施工质量离散性大等短板。基于此，研究铁路柱形预制构件机械化安装系统。为确保人机协同作业的安全性，对铁路柱形预制构件机械化安装安全防护系统展开研究，在不改变旋挖掘臂原系统的基础上，集成外挂式安全防护系统，通过人工智能、传感器技术、数据分析技术手段，解决各安全监测装置的通用性，建立施工环境监控系统与施工人员工作状态监测系统，实时监测户外施工环境中的危险因素，与施工人员的生理与行为指征、驾驶行为，并及时发出预警，以提高现场施工的安全性和效率。

【关键词】施工现场实时监测；人员异常行为及状态监测；柱形预制构件安装；自动报警

铁路柱形预制构件机械化安装施工在室外环境中进行，受施工环境复杂、施工人员异常作业行为及生理指征等因素影响，施工过程存在一定的安全风险。为确保施工中人-机协同作业的安全性、高效性、精准性，开发铁路柱形预制构件机械化安装安全防护系统，该系统由机械化安装设备多场景施工现场实时监测预警系统、施工人员异常行为及状态的智能监测预警系统两部分组成。其中，前者为户外施工提供了全方位的安全保障，确保了人机配合作业的安全性和高效性；后者可及时发现并警示施工人员疲劳作业、注意力不集中等不良工作状态，有效降低事故发生率，提高工地施工的安全性。

一、安全风险

1、影响施工安全的自然环境因素

户外施工易受雨雪天气干扰，造成施工环境能见度降低、地基承载力下降等影响；根据铁路柱形预制构件安装施工设计，部分施工路段存在坡度，路况不理想，降低机械化安装设备整体走行的平稳性；施工现场交叉作业多，多台施工作业机械设备同时作业产生的噪声也会影响施工人员对实时工况的正确判断。

2、影响施工安全的施工作业人员因素

铁路柱形预制构件机械化安装设备运行过程中，机械结构运动范围较大，施工人员在驾驶室内进行柱形预制构件安装作业时，存在较大视线盲区，容易致使安全事故和机械碰撞；由于施工作业时间较长、作业环境复杂等因素，施工人员驾驶设备运行时易出现疲劳作业等异常生理指征，以及接打电话、走神等不规范的施工行为，增加了施工安全风险。

二、安全防护系统

针对上述自然环境、施工作业人员可能带来的安全风险，研究对应的安全防护系统：

1、机械化安装设备多场景施工现场实时监测预警系统

该系统基于激光雷达检测算法以及视觉检测算法，实时精确感知铁路柱形预制构件机械化安装设备施工环境周围的动态信息（如施工设备作业半径内有无人员进入），实时定位并及时预警异常信息，实现对移动式设备多场景施工安全的监控与预警。系统硬件部分主要包括激光雷达、摄像头、处理模块、4G模块、蜂鸣器、声光报警器等部件。

其中，TIM361激光雷达传感器安装在机械化安装设备侧面，摄像头安装在设备后面，安装方向正对探测方向，可调整不同上下角度探测以适应不同高度的施工车体和作业环境，该区域均为驾驶人员的视线盲区，用于监测设备周围的障碍物及人体。

处理模块基于工程施工监控的AI算法，开发适用于复杂工况的工装边缘计算监控模块，使其能够准确识别施工现场的各种复杂情况。

同时，采用蜂鸣器、LED等实现声光报警，施工环境中出现异常情况时，不同的安全距离鸣叫、闪烁的频率不同，为户外施工提供了全方位的安全保障，确保了人机配合作业的安全性和高效性。

2、施工人员异常行为及状态的智能监测预警系统

该系统基于视觉识别技术、人脸检测与追踪技术、3D脸部建模技术、非侵入式心率监测技术，针对施工人员异常工作状态进行高效识别，同时通过指令优化、多线程优化、实时算法调度等方式，提升系统响应速度[1]，及时预警施工人员异常驾驶、疲劳驾驶、脸部遮挡等异常状态、行为，减少因施工人员不良作业状态引发的安全隐患。

系统硬件部分主要包括板载SOC、红外摄像头、毫米波雷达、IMU模块、4G模块等部件。

本系统涉及三种核心算法：

（1）人脸关键点检测算法：采用人脸特征点评估法，检测人脸68个关键点及其所在位置信息，基于Dlib神经网络框架进行推理，检测施工人员面部动态特征。

（2）人体姿态检测算法：采用热力图检测法，通过大量的已标注数据集进行训练，并将热力图中响应值较大的区域视为人体关键点，检测施工人员危险行为。

（3）基于毫米波的心跳检测算法[2]：基于采用毫米波雷达，通过处理雷达回波信号，检测施工人员呼吸频率和心跳频率，判定施工人员疲劳状态。

本系统基于硬件设备组成和三大核心算法，对施工人员异常行为及状态进行实时监测及预警。其中：

（1）摄像头采集到的图像信息送入soc中，同时加载人脸检测、姿态检测、人脸关键点检测等模型，通过推理框架对图像进行推理，得到预测结果，再通过后处理对预测结果处理，基于规则的逻辑对驾驶员异常行为状态进行判定，从而发出告警；

（2）毫米波雷达采集的数据在soc上通过时域滤波、数据跟踪等算法进行处理，通过与数据库中人体正常的心跳和呼吸频率进行对比，筛选出异常状态，进而发出告警信息；

（3）通过IMU和GPS信号数据进行融合，对车辆的运行状态和车身姿态进行判断，监测车辆设备的震动和速度等是否符合正常水平。

上述所有异常状态的告警信息都将通过显示屏和扬声器发出，用于及时对驾驶员进行提醒。同时这样信息会通过4G网络上传到服务器上，用于人员状态监测和管理。

三、结果分析

通过机械化安装设备多场景施工现场实时监测预警系统、施工人员异常行为及状态的智能监测预警系统的协同作业，可及时发现并警示铁路柱形预制构件机械化安装设备是施工过程中，施工人员疲劳作业、注意力不集中等不良工作状态，提高施工人员在复杂环境下的安全性[3]，为作业现场提供了全面的实时监测和预警保护，确保了人机配合作业的高效协调和安全稳定，实现了铁路柱形预制构件安装从传统吊装安装到机械化、精准化、高效化安全安装的过渡，为铁路柱形预制构件机械化安全安装提供了技术指南，产生了显著的技术、经济、社会效益，具有广阔的推广和应用前景。

【参考文献】

[1]徐光光，张晶晶，刘姗姗，等.基于面部多特征融合的驾驶员疲劳驾驶监测系统[J].时代汽车，2024，（22）：186-188.

[2]刘洋.基于多传感器的车辆环境感知技术研究[D].长春理工大学，2020.DOI：10.26977/d.cnki.gccgc.2020.000904.

[3]罗根太.市政工程道路排水管道施工技术的应用探析[J].居业，2024，（05）：65-67.