牽引車主動(dòng)防碰撞預(yù)警及駕駛員疲勞檢測(cè)系統(tǒng)的設(shè)計(jì)與應(yīng)用

唐偉 鐘沛 袁彬彬 袁源

摘要：本文介紹了南航創(chuàng)新開發(fā)的牽引車主動(dòng)防碰撞管理系統(tǒng)及駕駛?cè)藛T疲勞檢測(cè)系統(tǒng)。牽引車主動(dòng)防碰撞預(yù)警管理系統(tǒng)針對(duì)牽引車外形和安全運(yùn)行需求，融合了全景拼接、遠(yuǎn)距超聲波測(cè)距、視覺和毫米波雷達(dá)傳感器等關(guān)鍵技術(shù)，實(shí)現(xiàn)牽引車防碰撞智能預(yù)警及駕駛員駕駛提醒，有效降低事故發(fā)生率，提高安全性。

關(guān)鍵詞：飛機(jī)牽引車；主動(dòng)防碰撞；預(yù)警；疲勞檢測(cè)

Keywords：aircraft tow tractor； active anti-collision； early warning； fatigue detection

0引言

隨著我國新一代智慧民航產(chǎn)業(yè)的不斷發(fā)展，機(jī)場(chǎng)地面資源的需求也隨之快速增長。飛機(jī)牽引車是機(jī)坪工作與飛機(jī)配合最為緊密的特種工作車輛，機(jī)坪內(nèi)飛機(jī)在地面的轉(zhuǎn)移、維修和調(diào)試都需要借助飛機(jī)牽引車的拖動(dòng)。按照牽引方式的不同，飛機(jī)牽引車可分為有桿式牽引車和抱輪式牽引車，如圖1所示。飛機(jī)牽引車為機(jī)務(wù)運(yùn)行管理提供有力的保障，是機(jī)場(chǎng)地面保障的主體力量。飛行任務(wù)的不斷增加使得機(jī)場(chǎng)環(huán)境內(nèi)的交通復(fù)雜度與移動(dòng)目標(biāo)的管理難度不斷提高，飛機(jī)牽引車運(yùn)行管理的安全性和可靠性對(duì)民航業(yè)提出了重要挑戰(zhàn)。

中國南方航空股份有限公司是國內(nèi)運(yùn)輸航班最多、航線網(wǎng)絡(luò)最密集、年客運(yùn)量亞洲最大的航空公司。截至2020年12月，南航工程技術(shù)分公司現(xiàn)有牽引車116輛，其中有桿牽引車99輛，抱輪牽引車17輛。隨著航班數(shù)量的不斷增加，機(jī)務(wù)人員的飛機(jī)牽引工作越來越繁復(fù)，工作壓力不斷增加。特別是2020年全球新冠疫情以來，飛機(jī)停場(chǎng)/封存明顯增多，牽引飛機(jī)成為機(jī)務(wù)日常工作，這使得牽引車也成為與飛機(jī)刮碰和人員傷亡安全隱患概率最高的特種車輛。因此，如何對(duì)特種車輛進(jìn)行高效的監(jiān)管，是提升航司機(jī)務(wù)管理能力的關(guān)鍵問題之一。

針對(duì)這一問題，南航創(chuàng)新地開發(fā)了牽引車主動(dòng)防碰撞管理系統(tǒng)及駕駛?cè)藛T疲勞檢測(cè)系統(tǒng)，分別針對(duì)牽引車及牽引車駕駛?cè)藛T進(jìn)行了管理，有效降低了事故發(fā)生率，提高了安全性，相關(guān)成果獲得第二屆南航創(chuàng)新挑戰(zhàn)賽二等獎(jiǎng)，為拓展公司機(jī)務(wù)信息化管理水平、提高智能化和數(shù)字化管理能力提供助力。本文對(duì)牽引車主動(dòng)防碰撞管理系統(tǒng)及駕駛?cè)藛T疲勞檢測(cè)系統(tǒng)的功能和采用的關(guān)鍵技術(shù)進(jìn)行介紹，并對(duì)未來發(fā)展進(jìn)行展望。

1牽引車主動(dòng)防碰撞管理系統(tǒng)

在國內(nèi)，車輛防碰撞系統(tǒng)目前主要應(yīng)用于汽車和商用車，主要是歸因于政策驅(qū)動(dòng)和安全要求的驅(qū)動(dòng)。在家用汽車領(lǐng)域，主動(dòng)防碰撞管理系統(tǒng)通過結(jié)合L2級(jí)自動(dòng)駕駛輔助系統(tǒng)已經(jīng)逐步在多種車輛使用場(chǎng)景開展了技術(shù)推廣，在大型工程車輛（如環(huán)衛(wèi)車）、建筑工程用車和礦山車輛等特種車輛也在應(yīng)用并對(duì)使用場(chǎng)景作了優(yōu)化。

對(duì)于航空特種車輛中使用最多、場(chǎng)景最復(fù)雜的牽引車，目前國內(nèi)還沒有進(jìn)行防碰撞管理系統(tǒng)的研究和應(yīng)用。但是，飛機(jī)牽引車由于其形狀特殊，車輛盲區(qū)大，存在較大的安全隱患。駕駛員即使在清醒的情況下也很難看到人或者機(jī)場(chǎng)內(nèi)的設(shè)施，容易發(fā)生安全事故，從而對(duì)運(yùn)行造成嚴(yán)重的影響。

針對(duì)這一問題，南航創(chuàng)新地開發(fā)了牽引車主動(dòng)防碰撞管理系統(tǒng)。該系統(tǒng)包括遠(yuǎn)距防撞系統(tǒng)和中遠(yuǎn)距防撞系統(tǒng)。下面對(duì)系統(tǒng)及采用的關(guān)鍵技術(shù)進(jìn)行介紹。

1.1牽引車近身防撞系統(tǒng)

飛機(jī)牽引車外形特殊，車輛尺寸長、重量大，剎車制動(dòng)距離較長，比民用車輛有更多的視角盲區(qū)。因此，采用360全景與超聲波融合防撞預(yù)警技術(shù)相結(jié)合進(jìn)行車輛近身防撞系統(tǒng)設(shè)計(jì)。

360全景拼接融合技術(shù)是一種利用實(shí)景圖像組成全景空間的技術(shù)，它將多幅圖像拼接成一幅大尺度圖像或360度全景圖，實(shí)現(xiàn)對(duì)牽引車目標(biāo)周圍環(huán)境的全局觀察。針對(duì)飛機(jī)牽引車的車型情況，進(jìn)行了車輛四周360度環(huán)境視頻信息的探測(cè)與采集，并且基于全景圖像構(gòu)建了3D無畸變技術(shù)，最終完成了飛機(jī)牽引車近處360度無盲區(qū)的全景視頻實(shí)時(shí)觀察，從而實(shí)現(xiàn)了360度無盲區(qū)近距離的安全防撞預(yù)警。需要說明的是，360度全景拼接融合系統(tǒng)的計(jì)算是在嵌入式平臺(tái)上完成的。這就要求嵌入式平臺(tái)要有足夠的計(jì)算能力承載3D環(huán)境建模和自由觀測(cè)視點(diǎn)的實(shí)現(xiàn)、多路高清數(shù)字?jǐn)z像頭的接入、快速的圖像數(shù)據(jù)解碼和核心處理器、專用圖像處理器間的高速數(shù)據(jù)搬移。

針對(duì)牽引車前后、側(cè)向近距離的防護(hù)部分，采用多超聲波傳感器融合進(jìn)行盲區(qū)區(qū)域覆蓋。系統(tǒng)采用了0.3～5米距離范圍和0.8～8米距離范圍的超聲波測(cè)距，通過消除各超聲波的發(fā)波和回波干擾，進(jìn)行雷達(dá)信號(hào)發(fā)波、收波的控制，進(jìn)行信號(hào)的解算，最終得到準(zhǔn)確的障礙物距離。系統(tǒng)采用工業(yè)級(jí)處理器以滿足算法的運(yùn)算需求，并且適應(yīng)牽引車的電磁工作環(huán)境。

1.2 牽引車中遠(yuǎn)距防撞系統(tǒng)

飛機(jī)牽引車的中遠(yuǎn)距防撞系統(tǒng)采用視覺檢測(cè)與毫米波雷達(dá)融合防撞預(yù)警技術(shù)相結(jié)合進(jìn)行開發(fā)。在視覺遠(yuǎn)距離目標(biāo)檢測(cè)方面選用深度學(xué)習(xí)算法進(jìn)行機(jī)場(chǎng)多目標(biāo)的檢測(cè)與識(shí)別。首先基于牽引車的目標(biāo)樣本進(jìn)行識(shí)別網(wǎng)絡(luò)模型的訓(xùn)練，然后將訓(xùn)練得到的網(wǎng)絡(luò)模型和參數(shù)集用于圖像目標(biāo)的檢測(cè)。為了達(dá)成目標(biāo)的實(shí)時(shí)檢測(cè)與預(yù)警，系統(tǒng)在視頻序列中實(shí)現(xiàn)了對(duì)特定目標(biāo)跟蹤，在視頻序列中的每幅圖像中能夠快速、準(zhǔn)確、高效地找到感興趣的目標(biāo)運(yùn)動(dòng)位置。

在毫米波雷達(dá)目標(biāo)探測(cè)方面，系統(tǒng)接收到雷達(dá)數(shù)據(jù)后，對(duì)雷達(dá)數(shù)據(jù)目標(biāo)數(shù)據(jù)進(jìn)行去干擾預(yù)處理。為了保證雷達(dá)對(duì)多個(gè)目標(biāo)的有效檢測(cè)與跟蹤，首先需要對(duì)毫米波雷達(dá)進(jìn)行雜波屏蔽與目標(biāo)初選，然后對(duì)雷達(dá)進(jìn)行目標(biāo)跟蹤處理。由于毫米波雷達(dá)與上述視覺檢測(cè)是獨(dú)立的，因此需要對(duì)二者進(jìn)行融合，以實(shí)現(xiàn)傳感器的空間配準(zhǔn)和時(shí)間同步。

2駕駛?cè)藛T疲勞檢測(cè)系統(tǒng)

駕駛?cè)藛T疲勞檢測(cè)系統(tǒng)的基本原理是利用人體平衡性。平衡能力是一切靜態(tài)與動(dòng)態(tài)活動(dòng)的基礎(chǔ)能力，指身體所處的一種姿態(tài)以及在運(yùn)動(dòng)或受到外力作用時(shí)能自動(dòng)調(diào)整并維持姿勢(shì)的一種能力，如單腳站立，用前腳掌支撐地面站立、半蹲等，屬于靜態(tài)的平衡能力；而走步、用前腳掌走、曲線或障礙跑、在較窄的平衡板上行走、原地轉(zhuǎn)圈后停下來等，則屬于動(dòng)態(tài)的平衡活動(dòng)。

南航駕駛?cè)藛T疲勞檢測(cè)系統(tǒng)通過建立平衡能力指標(biāo)體系，將人體疲勞程度與各項(xiàng)平衡指標(biāo)進(jìn)行關(guān)聯(lián)，建立人體快速疲勞評(píng)估標(biāo)準(zhǔn)及體系，要求駕駛?cè)藛T在上崗前，在疲勞檢測(cè)平臺(tái)上做出相應(yīng)的姿勢(shì)，在姿勢(shì)調(diào)節(jié)的過程中，人們通常會(huì)根據(jù)視覺系統(tǒng)、本體覺系統(tǒng)和前庭系統(tǒng)所反饋的信息來維持身體的平衡。若出現(xiàn)疲勞狀態(tài)和體力損耗，人體的平衡狀態(tài)會(huì)發(fā)生變化。

因此，通過疲勞快速檢測(cè)系統(tǒng)可以對(duì)牽引車駕駛員進(jìn)行作業(yè)前疲勞檢測(cè)并分級(jí)，從而大幅降低因駕駛員疲勞因素造成的誤操作及后續(xù)造成重大損失的風(fēng)險(xiǎn)。此外，駕駛?cè)藛T疲勞檢測(cè)系統(tǒng)和牽引車駕駛?cè)藛T工卡一一對(duì)應(yīng)，形成人員大數(shù)據(jù)庫，為大數(shù)據(jù)分析提供數(shù)據(jù)支撐，并可支持指紋識(shí)別和人臉識(shí)別等功能，具有高效便捷的優(yōu)點(diǎn)。

3展望

盡管南航開發(fā)的飛機(jī)牽引車主動(dòng)防碰撞管理系統(tǒng)及駕駛?cè)藛T疲勞檢測(cè)系統(tǒng)在改善飛機(jī)牽引車的安全管理方面取得了一定效果，但系統(tǒng)仍有改進(jìn)空間。未來的飛機(jī)牽引車安全管理系統(tǒng)將進(jìn)一步利用信息和智能技術(shù)，將各類雷達(dá)（如激光雷達(dá)、毫米波雷達(dá)、超聲波雷達(dá)）和視覺檢測(cè)相結(jié)合，進(jìn)一步提升系統(tǒng)性能。此外，目前的疲勞檢測(cè)系統(tǒng)是在駕駛員作業(yè)前進(jìn)行檢測(cè)的，后續(xù)可以考慮在駕駛過程中對(duì)駕駛員進(jìn)行實(shí)時(shí)疲勞檢測(cè)，發(fā)現(xiàn)駕駛員疲勞時(shí)便可立即采取措施，以進(jìn)一步降低事故發(fā)生率，提升特種車管理的信息化和智能化水平。

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