混凝土攪拌車智能預(yù)警系統(tǒng)及移動(dòng)互聯(lián)應(yīng)用

趙 鑫,張國君,,付新宇,譚 語

(1.中聯(lián)重科股份有限公司,長(zhǎng)沙 410205; 2.國家混凝土機(jī)械工程技術(shù)研究中心,長(zhǎng)沙 410205)

混凝土攪拌運(yùn)輸車(簡(jiǎn)稱“攪拌車”)是指同時(shí)具有攪拌(或攪動(dòng))、載運(yùn)混凝土兩種功能的罐式汽車.攪拌車裝載混凝土后,邊行駛邊攪拌,到工地后將預(yù)拌混凝土卸出.當(dāng)前的攪拌車主要采用機(jī)械-液壓傳動(dòng)的一種混凝土運(yùn)輸車[1].攪拌車作為工程運(yùn)輸車輛,由于其特殊屬性,其行駛安全性、違規(guī)卸料、偷油等現(xiàn)象時(shí)有發(fā)生,給客戶造成運(yùn)營風(fēng)險(xiǎn).

近年來,物聯(lián)網(wǎng)、大數(shù)據(jù)等信息技術(shù)在世界范圍內(nèi)持續(xù)升溫,產(chǎn)業(yè)規(guī)模不斷擴(kuò)大,未來人類社會(huì)將是一個(gè)緊密互動(dòng)、高度智能的社會(huì).對(duì)于攪拌車行業(yè)來說,工況數(shù)據(jù)分析及物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)的應(yīng)用正處于快速發(fā)展的階段[2].本文通過使用GPS終端,采集攪拌車運(yùn)行數(shù)據(jù),通過開發(fā)異常行為預(yù)警系統(tǒng),對(duì)于攪拌車運(yùn)行過程中的異常行為進(jìn)行預(yù)警,并通過手機(jī)APP進(jìn)行信息推送、客戶工況數(shù)據(jù)展示等.本文的智能預(yù)警系統(tǒng)以神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)進(jìn)行參數(shù)辨識(shí)、建模及控制器設(shè)計(jì),神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)的參數(shù)通常是通過對(duì)樣本的訓(xùn)練來獲得[3-4].

手機(jī)APP作為一款簡(jiǎn)單便捷的服務(wù)應(yīng)用,以其便于攜帶和隨時(shí)查看的特性,越來越受到大家的歡迎.本文開發(fā)了基于手機(jī)移動(dòng)應(yīng)用的攪拌車預(yù)警系統(tǒng)和APP移動(dòng)互聯(lián)應(yīng)用,通過數(shù)據(jù)傳輸、預(yù)警計(jì)算和推送將客戶設(shè)備的施工信息在APP端進(jìn)行推送,便于客戶隨時(shí)查看，提升客戶設(shè)備實(shí)時(shí)管理能力.

1 攪拌車主要機(jī)構(gòu)及工作原理

混凝土攪拌車如圖1所示，由汽車底盤和上裝組成,底盤是混凝土攪拌運(yùn)輸車的重要組成部分,提供承載作業(yè)平臺(tái)和工作動(dòng)力.底盤主要由駕駛室、發(fā)動(dòng)機(jī)、傳動(dòng)系、行駛系、轉(zhuǎn)向系和制動(dòng)系等系統(tǒng)組成,上裝由液壓系統(tǒng)、供水系統(tǒng)、攪拌筒、進(jìn)出料裝置、前臺(tái)車架總成、后臺(tái)總成等.攪拌車的工作原理為底盤發(fā)動(dòng)機(jī)取力,液壓泵為源頭,帶動(dòng)液壓馬達(dá)轉(zhuǎn)動(dòng),通過減速機(jī)來控制攪拌筒的正反轉(zhuǎn),其中正轉(zhuǎn)是進(jìn)料和攪拌,反轉(zhuǎn)為卸料.

混凝土攪拌車的預(yù)警系統(tǒng)數(shù)據(jù)傳輸原理如圖2

圖1 攪拌車結(jié)構(gòu)和工作原理簡(jiǎn)圖Fig.1 The structure and working principle of truck mixer

所示.控制器采集攪拌車關(guān)鍵工況數(shù)據(jù),通過GPS終端將數(shù)據(jù)傳輸?shù)紾PS平臺(tái),位置信息實(shí)時(shí)反饋,平臺(tái)預(yù)警系統(tǒng)基于采集的數(shù)據(jù)對(duì)車輛運(yùn)行進(jìn)行判斷和預(yù)警,同時(shí)將預(yù)警信息和關(guān)鍵工況信息發(fā)送到手機(jī)APP上,從而實(shí)現(xiàn)從車輛到移動(dòng)端的數(shù)據(jù)傳輸和預(yù)警,保證攪拌車的正常運(yùn)行.

圖2 攪拌車預(yù)警系統(tǒng)工作原理Fig.2 The working principle of truck mixer’s warning system

2 攪拌車預(yù)警系統(tǒng)設(shè)計(jì)及算法研究

攪拌車在實(shí)際的運(yùn)輸過程中,由于缺乏全程監(jiān)控,易出現(xiàn)駕駛員偷燃油、偷混凝土和超速駕駛等情況,這也是攪拌車管理者所面臨的主要問題.為了有效解決以上問題,本文通過GPS采集攪拌車工況數(shù)據(jù)到平臺(tái),通過對(duì)數(shù)據(jù)的分析和算法研究,得出攪拌車的異常行為,并對(duì)異常行為進(jìn)行預(yù)警,通過手機(jī)APP進(jìn)行推送.

報(bào)警系統(tǒng)普遍存在的問題是誤報(bào)和漏報(bào),報(bào)警結(jié)果的輸出受外界環(huán)境影響大,所以預(yù)警系統(tǒng)的設(shè)計(jì)一定要滿足可靠性和準(zhǔn)確性原則,給出合理的報(bào)警工況并觸發(fā)相應(yīng)報(bào)警模塊.

2.1 預(yù)警系統(tǒng)結(jié)構(gòu)

預(yù)警系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖如圖3所示,包括數(shù)據(jù)源、算法判斷和預(yù)警展示3部分:數(shù)據(jù)源是通過GPS采集的攪拌車關(guān)鍵數(shù)據(jù)(車速、攪拌筒正反轉(zhuǎn)、位置和燃油油位信號(hào)等);算法判斷是預(yù)警系統(tǒng)的核心,通過對(duì)數(shù)據(jù)算法研究,得出攪拌車異常行為;預(yù)警展示是預(yù)警系統(tǒng)的輸出,對(duì)于異常行為進(jìn)行預(yù)警報(bào)警.

預(yù)警系統(tǒng)中最復(fù)雜的判斷是偷料行為,本文以偷料行為為例進(jìn)行分析.偷料行為需要考慮的因素有車輛位置信息、車速、攪拌筒正反轉(zhuǎn)、時(shí)間等.

圖3 攪拌車預(yù)警系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖Fig.3 The structure diagram of truck mixer’s warning system

(1) 攪拌筒狀態(tài)分為正轉(zhuǎn)、反轉(zhuǎn)和停止?fàn)顟B(tài),一般情況下,攪拌筒反轉(zhuǎn)判斷攪拌車卸料,所以正反轉(zhuǎn)判斷函數(shù)為

(1)

(2) 攪拌車行駛的車速為v,同一個(gè)地點(diǎn)反轉(zhuǎn)時(shí)間為T,t1為判斷閾值(一般為20s),vw為攪拌筒反轉(zhuǎn)速度,Tw=f′(vw)為根據(jù)攪拌筒反轉(zhuǎn)速度得出的混凝土全部卸出的時(shí)間.根據(jù)以上參數(shù)得出函數(shù):

g(v,T)=0,v≠0

(2)

(3) 攪拌車實(shí)時(shí)位置反饋,生產(chǎn)混凝土的攪拌站位置是固定的,假定為[X0,Y0],假定攪拌車卸料點(diǎn)位置為[Xt,Yt],時(shí)間為tx,所有卸料點(diǎn)的時(shí)間序列集合為[t1,t2,…,tn],攪拌車卸料后需要重新返回?cái)嚢枵狙b料,進(jìn)站的時(shí)間為Tx,所有進(jìn)站的時(shí)間序列集合為[T1,T2,…,Tm],根據(jù)卸料點(diǎn)和進(jìn)站點(diǎn)時(shí)間序列組合為Tmark=[t1,T1,t2,T2,…,tn,Tm].

(4) 假設(shè)卸料點(diǎn)的卸料次數(shù)為f(X,Y,nmark),(X,Y)為經(jīng)緯度坐標(biāo),W(X,Y)為同一地點(diǎn)卸料標(biāo)識(shí)函數(shù),nmark為同一個(gè)地點(diǎn)的累計(jì)卸料次數(shù),

f(X,Y,nmark)=nW(X,Y)

(3)

則卸料函數(shù)為

Q=ag(v,T)/f(X,Y,nmark)

(4)

輸入為[w,v,vw,T,x,y,nmark],時(shí)間序列以Tmark的時(shí)間序列為基礎(chǔ),構(gòu)建網(wǎng)絡(luò)辨識(shí)結(jié)構(gòu)如圖4所示.

網(wǎng)絡(luò)算法在n時(shí)刻的輸出為

(5)

網(wǎng)絡(luò)權(quán)向量為w(n)=[w1(n),w2(n),…,wi(n)]T.

圖4 網(wǎng)絡(luò)控制算法結(jié)構(gòu)圖Fig.4 The structure diagram of network

以該攪拌站所有攪拌車一個(gè)月內(nèi)的行駛軌跡為訓(xùn)練樣本,網(wǎng)絡(luò)輸出ym(n)與實(shí)際結(jié)果yout(n)對(duì)比得出代價(jià)函數(shù):

(6)

根據(jù)梯度下降法,調(diào)整權(quán)值函數(shù):

(7)

式中:α為動(dòng)量因子.

3 攪拌車移動(dòng)互聯(lián)應(yīng)用

攪拌車的移動(dòng)互聯(lián)應(yīng)用,可以使客戶通過手機(jī)APP讀取車輛預(yù)警信息,同時(shí)得出車輛信息、設(shè)備定位、關(guān)鍵數(shù)據(jù)顯示、統(tǒng)計(jì)報(bào)表和故障推送等,提升客戶對(duì)于設(shè)備的管理能力,并準(zhǔn)確顯示設(shè)備工況情況.

3.1 數(shù)據(jù)傳輸通道

攪拌車數(shù)據(jù)是通過車載GPS終端進(jìn)行數(shù)據(jù)傳輸,傳輸通道包括:GPS終端、數(shù)據(jù)平臺(tái)和手機(jī)APP.將采集的攪拌車施工數(shù)據(jù)通過GPS終端發(fā)送到數(shù)據(jù)平臺(tái),數(shù)據(jù)平臺(tái)將數(shù)據(jù)解析和算法分析,并對(duì)預(yù)警系統(tǒng)進(jìn)行實(shí)時(shí)判斷,再推送給手機(jī)APP,通過數(shù)據(jù)的采集、傳輸、解析和推送,使攪拌車的工況數(shù)據(jù)實(shí)時(shí)地傳輸?shù)绞謾C(jī)APP上,實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)全通道傳輸,保證數(shù)據(jù)準(zhǔn)確，同時(shí)，將數(shù)據(jù)分析結(jié)果反饋給客戶.數(shù)據(jù)傳輸通道如圖5所示.

圖5 攪拌車數(shù)據(jù)傳輸通道Fig.5 The data transmission channel of truck mixer

3.2 APP預(yù)警系統(tǒng)開發(fā)

數(shù)據(jù)分析和挖掘旨在從采集的數(shù)據(jù)中得出有價(jià)值的知識(shí)和模型,已經(jīng)成為數(shù)據(jù)挖掘領(lǐng)域的一個(gè)新的研究熱點(diǎn)[5].本文通過數(shù)據(jù)平臺(tái)對(duì)攪拌車行為進(jìn)行預(yù)警分析,通過APP展示,實(shí)時(shí)為客戶展示出來.卸料點(diǎn)標(biāo)記及異常行為報(bào)警功能開發(fā)，如圖6所示.

圖6 攪拌車APP預(yù)警系統(tǒng)展示Fig.6 The demonstration of the system on APP

3.3 數(shù)據(jù)分析APP開發(fā)應(yīng)用

基于GPS數(shù)據(jù)傳輸和定位功能,根據(jù)客戶端需求,對(duì)于設(shè)備的位置信息、軌跡回放、施工的數(shù)據(jù)非常關(guān)注,對(duì)于擁有多臺(tái)車輛的客戶,多臺(tái)設(shè)備施工工況的實(shí)時(shí)分析和展示可以讓客戶了解多臺(tái)設(shè)備的施工情況，提升客戶對(duì)于車輛的管理水平.本文開發(fā)的APP系統(tǒng)從客戶的實(shí)際需求出發(fā)，開發(fā)了設(shè)備關(guān)鍵數(shù)據(jù)日、周、月施工數(shù)據(jù)統(tǒng)計(jì)(見圖7(a))和關(guān)鍵數(shù)據(jù)排名(見圖(7b))等功能，完成了客戶需求數(shù)據(jù)的APP功能展示，提升了攪拌車產(chǎn)品的智能化應(yīng)用水平.

圖7 攪拌車APP關(guān)鍵工況展示Fig.7 The key working data demonstration on APP

4 試驗(yàn)驗(yàn)證

為驗(yàn)證攪拌車預(yù)警系統(tǒng)準(zhǔn)確性和APP應(yīng)用情況,本文對(duì)某型號(hào)攪拌車進(jìn)行試驗(yàn)驗(yàn)證,如圖8所示.通過現(xiàn)場(chǎng)跟蹤車輛施工數(shù)據(jù),驗(yàn)證油耗測(cè)試準(zhǔn)確性,以及異常地點(diǎn)卸料和超速預(yù)警系統(tǒng)的準(zhǔn)確性.

圖8 測(cè)試攪拌車Fig.8 The test truck mixer

偷油行為報(bào)警依托于控制算法計(jì)算燃油消耗的準(zhǔn)確性,本次測(cè)試實(shí)際計(jì)算油耗與實(shí)際消耗油對(duì)比的準(zhǔn)確性分析.攪拌車加滿油箱燃油,通過一段時(shí)間的工況考核,再次加滿燃油,記錄加油數(shù)量與算法計(jì)算的燃油數(shù)量,對(duì)比結(jié)論如圖9所示.

圖9 燃油消耗準(zhǔn)確率Fig.9 The accuracy of oil consumption

經(jīng)過4臺(tái)攪拌車的跟車測(cè)試,對(duì)于燃油計(jì)算的準(zhǔn)確性進(jìn)行對(duì)比分析,油耗測(cè)試準(zhǔn)確率>95%.根據(jù)油位變化與燃油計(jì)算消耗的對(duì)比,判斷油耗異常行為,通過報(bào)警系統(tǒng),避免偷燃油的行為發(fā)生.

異常地點(diǎn)卸料和超速報(bào)警測(cè)試,經(jīng)過APP推送展示,超速閾值設(shè)定為60 km/h,攪拌車對(duì)超速行為進(jìn)行實(shí)時(shí)預(yù)警并進(jìn)行推送,對(duì)正常卸料點(diǎn)進(jìn)行標(biāo)記和識(shí)別,如圖9所示.

經(jīng)過測(cè)試，驗(yàn)證了攪拌車異常行為預(yù)警系統(tǒng)控制算法的準(zhǔn)確性和可靠性,對(duì)異常卸料點(diǎn)、超速、偷燃油行為進(jìn)行準(zhǔn)確預(yù)警,并通過手機(jī)APP進(jìn)行推送.

圖10 攪拌車異常卸料及超速預(yù)警APP展示Fig.10 The abnormal behavior demonstration on APP

5 結(jié)語

本文通過對(duì)攪拌車預(yù)警系統(tǒng)的開發(fā)和移動(dòng)互聯(lián)APP的應(yīng)用,提出了異常行為預(yù)警系統(tǒng)判斷算法.對(duì)于客戶運(yùn)營過程中關(guān)心的超速、偷燃油、偷料的行為實(shí)時(shí)預(yù)警,保證了客戶車輛正常運(yùn)營.并通過數(shù)據(jù)傳輸、解析和推送,將關(guān)鍵數(shù)據(jù)顯示在手機(jī)APP上.經(jīng)過客戶實(shí)際測(cè)試,證明了預(yù)警系統(tǒng)的準(zhǔn)確性和可靠性,手機(jī)APP的開發(fā)使客戶更加便捷地了解設(shè)備的施工和預(yù)警工況,提升了客戶對(duì)于車輛管理的效率,提升了攪拌車的移動(dòng)互聯(lián)應(yīng)用水平.

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