工程机械的智能化趋势与发展对策

微机应用与智能化
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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
徐晓光
喻道远
饶运清
郭
讳
李培根
பைடு நூலகம்
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 一 % 一
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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杜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 h， 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 75.6 km， 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
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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。
护技术
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， 己 成 为 大型工程 项目 施工中 十分重 要的 问题 。 近几年来
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 业化的形成。
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关键词： 工 程 机 械
智能化 趋势 对策
工程机械的智能化趋势 与发展对策
华中科技大学
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 !$ 世纪工程机械的重要发展方向 之一。
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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 一 10 一
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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。 1.3.2 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。 1.3.3 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。 GPS 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 一 11 一