工程机械的智能化趋势与发展对策

　　【论文摘要】结合我国工程机械智能化的现状与发展趋势，指出应综合利用机器人技术、数字化技术、网络技术、智能技术与高性能计算机技术等对我国现有的工程机械主导产品进行系统的技术改造和性能提升，采用自主创新与技术引进相结合的方式研制新一代智能化工程机械产品，以f带动我国传统工程机械产品尽快实现跨越式发展，提高我国工程机械产品的竞争力，并促进其产化的形成。

　　【论文关键词】工程机械智能化趋势对策

　　随着科技的进步和现代施工项目大型化的要求，新一代工程机械不仅需要实现集成化操作和智能控制，而且需要它们能够组成基于网络的智能化机群协同控制系统，以获得项目施工的高效、低耗，并在尽可能短的时间内完成项目施工任务。工程机械产品的自动化、智能化与集成化正在成为21世纪工程机械的重要发展方向之一。

　　工程机械智能化的现状与趋势

　　目前，工程机械的智能化主要体现在三个方面，即工程机械单机集成化操作与智能控制技术，工程机械的智能监控、检测、预报、远程故障诊断与维护技术，以及基于网络的机群集成控制与智能化管理技术等。

　　单机集成化操作与智能控制技术

　　工程机械集成化操作与智能控制技术包括：电液控制自动换挡变速器技术、机电液一体化控制技术、负荷传感全功率控制技术和可编程控制与无人操作技术等。

　　自动换挡系统在工程机械上的应用越来越普遍。它在提高工程机械的使用效益及作业质量，改善使用性能，减轻操作人员的劳动强度等方面显示出优越性。

　　自动换挡系统可分为液压式和电液式。液压式是将车辆的行驶速度、油门开度等行驶状态参数转换成油压信号，由油压信号控制换挡阀完成自动换挡。而电液式是将行驶速度、油门开度等行驶状况参数转换成电信号后输入电子换挡控制器，由电子换挡控制器控制换挡阀而实现自动换挡。电液式的自动换挡技术具有与工程机械的控制相兼容的优点，是目前工程机械机电液一体化的一个发展方向。

　　负荷传感全功率控制是一个具有压差反馈的伺服系统，由于泵的输出流量和压力能根据负载的变化做出相应的变化，克服了恒流量和恒压系统中的能量损失，从而提高了系统的工作效率。负荷传感系统具有节能、控制性能好、动静特性好、寿命长和元件规格小等特点。应用计算机控制技术，可以依次确定负荷传感系统中发微机应用与智能化动机与变量泵的匹配特性，并采用负荷传感微机节能控制系统实现全功率控制，达到最佳的经济匹配。

　　无人驾驶技术也是工程机械的一个发展方向。在特定的施工作业中，如危险矿井区、易塌方区、易燃爆区、辐射或有害健康的作业区、深海作业甚至外界星球等地方作业，就需要带有遥控装置的，采用专用的、高智能的、无人驾驶的工程机械。随着自动控制、机器人以及网络通信技术对工程机械领域的不断渗透，采用定向导航和位置诱导原理，依靠无线/有线通信、自身机械操作和自身监控信息反馈处理系统，通过计算机控制和自行判断，无人操纵的工程机械正在逐步的得到应用。

　　日本大成建设株式会社很早就研制成功了无人驾驶、能独立工作的履带式铲车，它能连续工作24'，且安全可靠；美国Sierrita矿的Cat992C型轮式装载机，装有可视距离内无线电远距离遥控系统，可在危险地带实施安全作业；澳大利亚也成功地开发了无人驾驶自卸车，实现了在千米以下坑道施工作业的无人化操纵。国外研制出的多种无人操纵工程机械，无疑使当今世界工程机械的发展沿着机电信一体化技术道路又前进了一步。

　　与此同时，我国也在致力于遥感控制和无人驾驶技术的研究和产品开发，并取得了一些成果。如由国防科技大学研制的第四代无人驾驶汽车，最高时速达到75.6km，创国内最高纪录；国防科技大学与江麓机械厂联合研制了无人驾驶振动压路机、局部自主式挖掘机等。但是，我国工程机械的无人驾驶技术还处于较低的技术水平，要形成产业化尚需付出更大的努力。

　　智能监控、检测、预报、远程故障诊断与维护技术

　　电子监控与故障诊断技术主要是指对工程机械进行在线的智能监控、检测、预报、远程故障诊断与维护，实现工程机械的监控与故障诊断数字化、自动化和智能化。国外有关研究内容及其今后的发展方向主要体现在智能化的电子监控系统、多传感器融合技术和故障预测、诊断与维护技术等方面。

　　从20世纪80年代开始，随着微型计算机的普及，国外知名的工程机械厂家开始将微机应用到工程机械上并取得了良好的效果。美国卡特彼勒公司在装载机上装上电子监控系统，可对轮式装载机主要部件出现的故障或潜在问题发出警告和显示，根据故障对机械本身及人员安全的影响程度，发出三种不同警告级别的信号，指示操纵人员采取适当措施。近年来，国外厂商在电子监控系统上加装了故障数据的记录存储和输出接口，维修人员可将故障代码输出，进行分析，确定故障的类型和故障点。相比之下，我国工程机械在这方面的研究与应用还比较落后，电子监控与故障诊断技术正处于初始应用阶段。

　　传感器是电子监控与故障诊断技术应用的关键部件。随着世界传感器市场渐趋成熟，给工程机械的发展提供了有力支持。多传感器融合技术是在诊断系统中设置多种类型的传感器，用来探测工程机械部件由于磨损、疲劳断裂、弹性或塑性变形而在振动、温度、压力、流量等物理现象上的不同反映。对参加施工作业的工程机械，一般都要求具有很强的工作能力和较低的故障率，因此在作业中要求对多目标进行准确的定位、跟踪和分类识别。多传感器融合技术包括数据融合、信息融合以及数据与信息的融合，它是把从多个信息源得到的数据结合起来，以获得数量更多、质量更高的信息。

　　我国的传感器技术的发展大大落后于世界领先水平，至今，高可靠性的温度、压力、角度、速度、加速度和力矩等传感器大多只能引进，可以说传感器技术仍将在今后一段时间内制约我们研制具有完全自主知识产权的电子监控与故障诊断系统。

　　基于网络的机群集成控制与智能化管理技术

　　在高等级公路路面施工项目中，由于施工机械品种及数量较多，各种机械的运行状态具有一定的随机性，施工项目的最优配置一直是实际施工中未能解决的问题。在需要由多机种、高性能机械联合作业施工的情况下，不仅施工机群的投资巨大，机械设备的使用费用高，而且机群作业的协调工作决定着整个工程的进度、质量和效益。因此，对机群进行优化配置和调度，充分发挥机群协同作业的工作效率，降低施工成本，已成为大型工程项目施工中十分重要的问题。近几年来国内外在这方面做了大量研究，在理论上取得了一些成果，但由于缺乏相应技术手段，所取得的理论研究成果尚未在施工中得到检验，因此积极开展工程化研究尤为重要。当前，基于网络的机群集成控制与智能化管理技术应用在大型工程项目显得十分迫切。该项技术包括：机群优化配置、智能调度、协同控制及数据通信技术等。

　　虚拟现实与机群控制技术

　　人们综合利用机器人技术、数字化技术、网络技术和智能技术，使大型工程的分解更加规范化，人员和设备的配置与调度更加合理化，施工方法更加简洁和有效。如今，人们利用高性能计算机仿真技术来虚拟工程施工的全过程，再依据其仿真结果进一步优化施工方案，为工程具体的施工做好全面的安排。

　　机群控制技术指的是机群的最优配置或最佳组合，即以机械化作业机群系统为对象，运用统计学、运筹学、模拟仿真等方法，经分析、判断，建立系统目标函数，进而采用最优化的方法求得系统的最佳结果，使系统中各种机械与设备之间在作业施工中相互协调，在施工方法上相互配合，从而获得技术先进、经济合理、运行可靠、工作效率高的机群控制系统。

　　虚拟现实与机群控制技术是对工程施工进行分析与控制的两种手段。虚拟现实技术是对实际施工过程的一种动态仿真，为机群的多种组合寻找最佳配置；机群控制技术是对多种施工机械(车辆）所组成的施工群体进行优化调度和实时监控，确保整个施工安全、高效的完成。计算机仿真技术是虚拟现实的重要手段之一。随着全球定位系统（GPS)和地理信息系统（GIS)的发展，对地理位置、工程施工的虚拟现实技术显得越来越重要。

　　对于机群控制技术而言，国际上的研究目前尚处于初始阶段，主要包括：①根据具体的工程及条件，初步选择机群优化配置方案；②机群优化配置分析，即机群的合理选择、优化选择及选择实施条件；③确定机群优化配置方法，如折算费用法、动态规划法和过程仿真法；④根据优化配置的算法，用编程语言以程序的形式实现机群控制。

　　在多种施工机械（车辆）联合作业的情况下，机群控制技术通过无线网把各施工机械（车辆）作业状况传送到中央控制中心，当由于各种因素引起作业差别并导致工程延迟时，中央控制中心会立即对各施工机械（车辆）的作业状况进行分析处理，并将新的作业指令传送到各施工机械(车辆）。

　　通信系统是中央控制系统的主要组成之一。根据施工规模的大小不同，相应的通信系统可能采用无线通信或者无线与有线相结合的通信方式。由于各工程机械的施工位置和时序的不同，它们工作状态的随意性比较大，因此它们与中央控制中心之间的通信一般采用全数字式无线通信方式。+.3.2智能管理系统大型工程项目具有投资大、工程复杂、作业点多、涉及面广和建设周期长等特点，在项目开工前必须做施工组织设计，把工、料、机等多种资源以及整个工程的施工进度计划安排好。在工程的实施过程中，经常会遇到一些不可预见的突发事件，直接影响工程的正常进行，因此需要对工程建设项目实施动态管理，对施工机械（车辆)进行调度，重新配置各种资源，实现工、料、机的优化组合和最佳协同工作方式，以达到灵活运用施工资源、提高施工效率、降低施工成本的目的。这就需要建立一个与之相适应并且具有扩展功能的施工机械（车辆）智能化管理系统。

　　全球定位系统

　　全球定位系统（GPS)最初是美国国防部为军事目的而研制的导航定位授时系统。随着时代的发展，GPS逐渐地转化为军民两用，这种高科技越来越多地应用在工程测量、地质勘探、陆海空交通工具的定位与导航上。国外GPS在民用方面的应用正在不断拓展，呈快速发展之势。

　　在工程施工中的主要作用是用于显示各工程机械的工作位置，向中央控制系统发送各车辆的位置信息、地理信息，以便于中央控制系统对工程进行智能管理，它是机群控制体系得以实现的技术支持之一。具体来说，它主要完成以下工作：

　　①施工工地地况信息的高精度测量；

　　②施工工地多台工程机械的位置、作业速度微机应用与智能化和时间等信息的采集；③根据需要，在屏幕上实时地显示所需测量数据；④记录目标的原始测量信息，经事后处理得到精确的目标数据；⑤对多目标采集的信息和数据具有事后回放、显示记录的功能。通过GPS可以实时地对施工机群实行定位和地貌测量。

　　我国的一些大型工程，也相继采用了GPS技术，如三峡工程、广惠高速公路工程、万家寨引黄工程和丰顺莲花山隧道工程等。

　　发展对策

　　现代的工程机械行业应综合利用机器人技术、数字化技术、网络技术、智能技术与高性能计算机技术等对我国现有的工程机械主导产品进行系统的技术改造和性能提升，并结合我国国情，采用自主创新与技术引进相结合的方式研制新一代智能化工程机械主导产品，带动我国传统工程机械产品在尽可能短时期内实现跨越式发展，提高我国工程机械产品的国际市场竞争力，并促进其产业化的形成。

　　综合应用计算机、微电子、自动控制及多传感器融合技术，研究开发工程机械集成化操作与智能控制系统。主要解决电子控制中央润滑系统、自动称重系统、声光报警装置、基于全自动的电液控制变速器的自动变速系统、可编程控制与无人操作技术等。这一技术是工程机械智能化的核心关键单元技术，因此必须首先加以解决。

　　研究开发工程机械故障诊断技术与系统。通过分布在工程机械各关键零部件上的传感器收集工程机械的工况，如发动机油温、油压、水温、进气压力、变矩器油温、变速器油压、制动系统压力、液压系统油温、液压系统回油背压、燃油油量等运行参数，并能按照故障类型，分别给出不同等级的声、光报警，用以监视机械的工作情况，对于出现严重故障而司机又没有采取措施的情况，控制系统可自动停机，以保证安全。

　　应用微电子、人工智能、计算机网络通信等技术，研究开发工程机械远程监控与智能维护技术与系统。通过收集分析工程机械的各种故障，研究产品故障模式、原因、机理和预防对策，研究各种易发生故障的工程机械典型零部件的故障机理与诊断方法，包括动力系统（如发动机）、液压系统（如工作泵损坏、窜油，液压缸损坏，分配阀漏油等）、传动系统（如变矩器涡轮组、变速器超越离合器、驱动桥半轴断裂、螺旋锥齿轮、齿轮齿圈等）以及电器元件、轴承件、散热器、气制动阀和制动加力器等，在建立关键零部件的故障模式库与数据库的基础上，最终建立工程机械故障诊断数据库，实现机械的远程操纵与维护。

　　研究与开发工程机械机群控制及智能化管理系统。施工调度员通过该系统可在车载中央控制中心随时了解各施工车辆的作业状况，根据需要对整个机群的各种机械（车辆）再次进行优化匹配，实时调度，优化机械（车辆）的作业方式和运行线路，安排施工机械（车辆）的维修保养以及远程故障诊断和维护。该系统应包括现场施工作业数据采集与处理、机群优化配置、机群优化调度与协同控制、机群网络通信和机群智能管理等子系统。

　　面向机群控制的新一代智能原型样机研制。该样机除了具有一般工程机械的功能外，还应具有以下的配置：机载智能化电子监控、故障诊断与远程维护装置、面向机群控制的移动接收/发射装置，以实现机器的远距离控制、智能集成控制和自动维护保养功能。

　　【参考文献】

　　黄宗益，李兴华.工程机械技术发展展望.