智能平地機設(shè)計

華南理工大學設(shè)計學院，廣東廣州，510006

摘 要：目的：針對現(xiàn)有工程機械車輛信息化程度不高的現(xiàn)狀，探討工程機械智能化作業(yè)的可能。方法：采用文獻法、實地訪談等研究方法，對作業(yè)場景進行深入研究。結(jié)果：以挖掘機、推土機和裝載機為代表工程機械車輛基本沒有實現(xiàn)信息化，同時工程機械車輛之間的信息交流基本為零，作業(yè)流程中缺乏信息管理控制，成為工作效率提高的瓶頸。結(jié)論：以平地機概念設(shè)計為例，設(shè)計一套基于物聯(lián)網(wǎng)的智能控制平臺，即協(xié)同作業(yè)控制系統(tǒng)，通過信息化智能化控制，實現(xiàn)機械之間的協(xié)同作業(yè)，有助于提高機械作業(yè)的精度和效率。

關(guān)鍵詞：智能化；物聯(lián)網(wǎng)；協(xié)同作業(yè)；平地機

引言

隨著國家發(fā)展需要以及“一路一帶”帶動的投資合作，以鐵路、高速公路、機場、港口和核電站等為代表的一大批基礎(chǔ)設(shè)施建設(shè)項目展開，其中2016年中國公路、水路和鐵路的基礎(chǔ)設(shè)施投資將超過2.6萬億元，市場領(lǐng)先優(yōu)勢越發(fā)明顯。因此對工程車輛的需求很大，尤其是以挖掘機、推土機、平地機和裝載機為代表的土方機械。增加科技含量，依靠新的技術(shù)提高市場份額，加快產(chǎn)品更新?lián)Q代速度將促進整個工程車市場的需求，尤其現(xiàn)代電子控制技術(shù)的不斷發(fā)展和普及使得越來越多的工程車專用電控產(chǎn)品應(yīng)運而生，傳統(tǒng)的工程車已難以適應(yīng)激烈的市場競爭。

1 背景研究

在物聯(lián)網(wǎng)越來越被人們熟識的背景下，物聯(lián)網(wǎng)進一步實現(xiàn)人與物、物與物的融合，實現(xiàn)互聯(lián)化、物聯(lián)化和智能化的融合，融合了互聯(lián)網(wǎng)、無線通信、全球定位、自動化、智能學習等技術(shù)。車聯(lián)網(wǎng)作為物聯(lián)網(wǎng)的重要內(nèi)容，工程車輛聯(lián)網(wǎng)是車聯(lián)網(wǎng)的一個重要分支，對車輛的工程作業(yè)、全程調(diào)度、維護保養(yǎng)、故障診斷、商業(yè)模式、數(shù)據(jù)服務(wù)等方面產(chǎn)生了重要的影響，是工程機械的信息化革命?；诖?，有研究利用全球定位系統(tǒng)GPS和地球信息系統(tǒng)GIS，用于車載的農(nóng)田計算機輔助控制系統(tǒng)，自動將車輛實時工作信息、GPS定位信息、報警信息、統(tǒng)計信息等及時發(fā)送到中心，對采集的數(shù)據(jù)進行處理分析，完成地圖顯示、管理、土地平整效果分析等一系列操作，繪制最佳的車輛行駛路線，指導作業(yè)。結(jié)合無人駕駛技術(shù)和遙控技術(shù)，研究無人駕駛激光平地機，進一步提高土地平整機械的智能化水平。另外，也有研究發(fā)現(xiàn)將LCD顯示屏、GPS監(jiān)控終端和基本控制ECU統(tǒng)一管理，理論上能減少30%左右的接線，不僅降低生產(chǎn)成本而且大大提高系統(tǒng)的可靠性。一體機由車載蓄電池統(tǒng)一供電，簡化了傳統(tǒng)電源電路，可降低系統(tǒng)功耗。

2 調(diào)研分析

平地機是一種高速、高效、高精度和多用途的土方工程機械。平地機即可以單獨作業(yè)也可做輔助其它工程車輛作業(yè)。在當今多車輛、高強度和大范圍的土方作業(yè)場景中，平地機十分具有代表性。

調(diào)研對雪地鏟雪作業(yè)、公路施工、農(nóng)場平地松土和大型戶外場地四種作業(yè)場景進行調(diào)查。通過調(diào)研徐工和中聯(lián)等平地機發(fā)現(xiàn)：

（1）駕駛環(huán)境差。傳統(tǒng)平地機的操作比較復雜，操作項目繁雜，勞動強度大，而且受到車輛結(jié)構(gòu)限制，視野受到限制，作業(yè)環(huán)境比較艱苦。

（2）中控功能簡單、業(yè)務(wù)單一。許多系統(tǒng)只有車輛定位、故障報警等基本應(yīng)用，從車輛獲取的信息非常有限，應(yīng)該開發(fā)更多業(yè)務(wù)。

（3）信息化支持程度低?，F(xiàn)有工程車大多搭載外接的中控臺行車記錄儀獲取信息支持，工程車輛主要還是機械化的，本身沒有安裝額外的傳感器。但是獨立式的數(shù)據(jù)采集終端設(shè)備模式正在被取代，聯(lián)網(wǎng)式后臺服務(wù)系統(tǒng)模式更加具有優(yōu)勢。因為后臺服務(wù)系統(tǒng)模式能夠記錄大量的車輛歷史數(shù)據(jù)，對歷史數(shù)據(jù)分析有巨大的應(yīng)用價值。

（4）車輛互聯(lián)水平低。

3 平地機設(shè)計展開

3.1產(chǎn)品設(shè)計

在車聯(lián)網(wǎng)迅速發(fā)展的趨勢下，為了迅速的適應(yīng)市場需要，考慮到現(xiàn)有平地機分為有拖式和自行式兩種，前者不適合復雜環(huán)境的作業(yè)，后者受到車體結(jié)構(gòu)的影響，駕駛體驗以及使用效率受到嚴重制約，且信息化程度基本為零。傳統(tǒng)平地機缺乏信息交互設(shè)備與技術(shù)，不具備與其它工程車輛交互條件。因此，研究重新設(shè)計平地機，重新布局鏟刀的位置，采取信息化控制作業(yè)方式，通車輛傳感器監(jiān)控鏟刀的位置來適應(yīng)不同情況的作業(yè)需要，通過地面輔助裝置配合，獲取作業(yè)車輛的位置與作業(yè)工地的相關(guān)數(shù)據(jù)，實現(xiàn)工程作業(yè)系統(tǒng)的信息化、智能化如圖1。

3.2設(shè)計說明

上述平地機方案擺脫了傳統(tǒng)平地機的結(jié)構(gòu)形式，結(jié)合了有拖式和自行式兩種方式的布局優(yōu)點，即前者的高精度作業(yè)特點和后者適應(yīng)復雜地形的能力。作業(yè)部分包括前部推刀與后部鏟刀，前部推刀對起伏程度較大的地面進行粗加工，實現(xiàn)推土的功能為后部鏟刀創(chuàng)造條件，后部鏟刀則對地面實現(xiàn)高精度作業(yè)，比如鏟雪作業(yè)時，前刀可以推開表層雪，然后利用后刀精心精鏟，即可以防止地面被刮擦又可以清理干凈地面。

該方案平地機創(chuàng)新點之一是建立全仿真數(shù)字平地和作業(yè)，實現(xiàn)自動化作業(yè)甚至遠程操控作業(yè)。而輔助實現(xiàn)該功能的設(shè)備是地面定位器、地面信息控制器和車輛中央信息處理器如圖3，以獲得工地海拔和地形起伏等信息、車輛的相對位置、作業(yè)目標和車輛協(xié)同信息等。獲得相關(guān)信息后，經(jīng)過車輛信息處理器處理判斷后，對作業(yè)進度、路徑和動作做出及時響應(yīng)，指引平地機對高于標準面的土方進行推鏟或者對低于標準面的地形進行回填如圖4。

4 智能作業(yè)系統(tǒng)設(shè)計

智能作業(yè)系統(tǒng)是平地機智能化作業(yè)的集中體現(xiàn)，是車聯(lián)網(wǎng)及物聯(lián)網(wǎng)的應(yīng)用實現(xiàn)。工程車輛聯(lián)網(wǎng)是車聯(lián)網(wǎng)的特殊應(yīng)用，工程車輛聯(lián)網(wǎng)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)也可分為三層：感知層、網(wǎng)絡(luò)層和應(yīng)用層。由各種傳感器識別采集數(shù)據(jù)，設(shè)計主要運用三維地圖實時重建，即全自動攝影測量與三維建模技術(shù)，感知作業(yè)場景的實時動態(tài)，用以支持應(yīng)用層的實現(xiàn)。

根據(jù)工程物聯(lián)網(wǎng)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)指導設(shè)計智能作業(yè)系統(tǒng)，實現(xiàn)一個將車輛遠程監(jiān)控、車輛實時信息管理、車輛歷史數(shù)據(jù)分析、用戶權(quán)限管理等相關(guān)功能集一體的，基于 GPS 全球衛(wèi)星定位、GPRS 實時數(shù)據(jù)交互、依托互聯(lián)網(wǎng)異地同步實時管理的車聯(lián)網(wǎng)大型工程車輛智能管理系統(tǒng)。該系統(tǒng)包括：系統(tǒng)中心、工程車輛、輔助終端。系統(tǒng)中心完成系統(tǒng)的定義、邏輯、轉(zhuǎn)換、管理，包括了數(shù)據(jù)中心、監(jiān)控中心和調(diào)度中心等關(guān)鍵模塊。工程車輛是車輛作業(yè)數(shù)據(jù)上傳與執(zhí)行任務(wù)指令的雙向媒介，也是作業(yè)目標達成的信息處理中心，更是協(xié)同作業(yè)系統(tǒng)的基礎(chǔ)單元。輔助終端是采集和傳輸數(shù)據(jù)到系統(tǒng)中心，支持系統(tǒng)中心對作業(yè)進程的管控與安排。

與此同時，借助物聯(lián)網(wǎng)實質(zhì)擁有的感知、計算和通信能力的微型智能傳感器及以其為節(jié)點形成的傳感網(wǎng)，建立作業(yè)目標的數(shù)字模擬仿真系統(tǒng)，即數(shù)字工地，它是以空間信息為基礎(chǔ)的工地信息系統(tǒng)體系，是建立在工地數(shù)字化基礎(chǔ)上能夠完成工地所有信息的精準適時采集、網(wǎng)絡(luò)化傳輸、規(guī)范化集成、可視化展現(xiàn)、自動化操作和智能化服務(wù)的數(shù)字化智慧體。

智能作業(yè)系統(tǒng)研究工程作業(yè)車輛顯示監(jiān)視控制與車輛協(xié)同作業(yè)一體機，通過運用網(wǎng)絡(luò)編程、數(shù)據(jù)庫、地理信息系統(tǒng)等技術(shù)以及相關(guān)設(shè)計方案，搭建了工程車輛聯(lián)網(wǎng)系統(tǒng)及軟件平合，實現(xiàn)了系統(tǒng)的監(jiān)控中心、系統(tǒng)以及業(yè)務(wù)展示平合，具有實時定位、數(shù)據(jù)查詢、數(shù)據(jù)存儲、遠程監(jiān)控、車輛跟蹤、工程進度管理等功能，實現(xiàn)了多種系統(tǒng)網(wǎng)絡(luò)數(shù)據(jù)業(yè)務(wù)。設(shè)計對象分為車輛管理、作業(yè)控制、協(xié)同管理和信息服務(wù)四個模塊。

4.1車輛管理

車輛管理部分是物聯(lián)網(wǎng)在汽車行業(yè)的體現(xiàn)，也是車輛網(wǎng)的主要內(nèi)容之一，其本質(zhì)是智能終端在車輛領(lǐng)域的應(yīng)用。信息化的車輛信息管理有利于改善車輛的人機交互與用戶體驗，提高了對車輛的管理水平與效率，同時對車輛的設(shè)計改善提供參考。

車輛管理的目標是傳統(tǒng)工程機械儀表的信息化展示如圖5，主要內(nèi)容包括三大類：行駛速度、里程、油量等車輛指標類數(shù)據(jù)；駕駛模式、空氣循環(huán)、室內(nèi)溫度等駕駛室環(huán)境控制類信息；屏幕亮度、背景和字體等車載終端管理類信息。車輛部分設(shè)備控制既可以通過終端屏幕操作實現(xiàn)，也可通過操作車輛控制部件實現(xiàn)，比如車燈，這部分信息雙向綁定。

4.2作業(yè)控制

作業(yè)控制是平地機實現(xiàn)智能化自動化作業(yè)的實現(xiàn)與保障，也是物聯(lián)網(wǎng)用于工業(yè)生產(chǎn)的具體嘗試。通過傳感器獲取車輛機械作業(yè)部件的數(shù)據(jù)是作業(yè)控制的關(guān)鍵，作業(yè)部件的實時監(jiān)控可以實現(xiàn)作業(yè)動作的精準化，可以詳細了解工程車當前工作狀態(tài)，也可進行軌跡查詢，可以幫助工程作業(yè)的經(jīng)驗積累與數(shù)據(jù)化管理，可以降低用戶的勞動強度以及操作失誤。

作業(yè)控制的功能是工程車輛（平地機）作業(yè)部件的信息化顯示與控制，主要內(nèi)容包括：平地機整車的位置、高度、傾斜狀態(tài)等車輛車體信息；鏟刀的高度和旋轉(zhuǎn)角度等作業(yè)部件狀態(tài)信息；作業(yè)目標與規(guī)劃信息、作業(yè)實時動態(tài)等作業(yè)信息。設(shè)計將這部分數(shù)據(jù)的信息化控制分為兩個子模塊：信息控制模塊和作業(yè)狀態(tài)模塊。

4.2.1信息控制模塊

作業(yè)控制中的信息控制是對車身姿態(tài)的實時跟蹤與控制以及對鏟刀作業(yè)姿態(tài)數(shù)據(jù)的實時采集，通過車身姿態(tài)數(shù)據(jù)與鏟刀姿態(tài)數(shù)據(jù)的上傳、轉(zhuǎn)化、計算和數(shù)據(jù)重建，結(jié)合作業(yè)目標的三維重建數(shù)據(jù)，在經(jīng)過系統(tǒng)中心的計算后反饋給車輛車載系統(tǒng)用以支持作業(yè)部件姿態(tài)的實時調(diào)整如圖6。

4.2.2作業(yè)狀態(tài)模塊

作業(yè)狀態(tài)可以顯示當前作業(yè)目標和所分配的任務(wù)規(guī)劃與安排。它是在輔助終端對作業(yè)對象數(shù)字化重建后，根據(jù)任務(wù)要求和進度設(shè)計的，然后實時反饋給工程車輛車載終端。工程車輛根據(jù)需要將任務(wù)細分，分階段有目標指定作業(yè)計劃，繪制最佳的車輛行駛路線，指導作業(yè)。最后，車輛根據(jù)行駛路線開始作業(yè)，車載終端通過傳感器實時監(jiān)控作業(yè)目標狀態(tài)，通過對比作業(yè)場地前后狀態(tài)，獲取當前作業(yè)的進度與軌跡如圖7。

4.3協(xié)同管理

協(xié)同管理是復雜工程智能化作業(yè)達成的必然，也是其發(fā)展的高級版本。當前的工程作業(yè)場景都是高強度大范圍的，需要多車輛多類別工程車輛集中作業(yè)，如此車輛間的協(xié)同配合和管理便有著巨大而迫切的需求。協(xié)同作業(yè)信息包括各種車輛的位置、車輛作業(yè)狀態(tài)、進入與退出時機、作業(yè)目標進度和作業(yè)配合區(qū)的規(guī)劃與設(shè)置等等。在仿真數(shù)字系統(tǒng)平臺中，將車輛實時定位、故障車輛報警等信息集成在系統(tǒng)平臺的電子地圖上，實現(xiàn)數(shù)據(jù)圖形化，使用戶更加直觀地獲知相關(guān)信息如圖8。

4.4信息服務(wù)

信息服務(wù)是提高車輛駕駛體驗的主要方式，是用戶放松娛樂的入口，也是獲取幫助信息的渠道。信息服務(wù)包括地圖導航、語音電話、音樂和互聯(lián)網(wǎng)等，尤其用戶可以在車載終端上使用互聯(lián)網(wǎng)，相當于一個大屏的智能終端，語音聲控實現(xiàn)的人機對話為信息服務(wù)提供新的交互方式與更好的使用體驗。

5結(jié)語

借助工程車輛聯(lián)網(wǎng)實現(xiàn)工程車智能化作業(yè)，設(shè)計智能作業(yè)系統(tǒng)，實現(xiàn)車輛信息采集、遠程控制等功能，實現(xiàn)車輛的信息互聯(lián)和工程信息化作業(yè)，旨在提高工程車輛的安全性和智能化程度，為工程車輛維護、管理提供便利，為工程實時作業(yè)信息化提供支持。智能作業(yè)系統(tǒng)的成功應(yīng)用提升了企業(yè)的創(chuàng)造力和竟爭力，推動了工程機械的發(fā)展，為物聯(lián)網(wǎng)提供了重要的應(yīng)用實例，具有重要的研究意義和應(yīng)用價值。

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作者簡介：

王萍紅/男/1992年生/江西人/碩士/研究方向為產(chǎn)品創(chuàng)新理論與應(yīng)用