推土機智能化控制技術(shù)的現(xiàn)狀與發(fā)展趨勢

□ 孔彥軍 □ 鄭恩華 □ 季小燕

山推工程機械股份有限公司 山東濟寧 272073

1 研究背景

推土機作為一種工程機械,可適用于平原、高原、極寒、沙漠、礦山、沼澤、熱帶雨林等多種復雜作業(yè)工況,應(yīng)用十分廣泛[1]。傳統(tǒng)的推土機自動化程度低,工作強度大,效率低,并且對操作人員的技術(shù)要求高[2]。隨著電子技術(shù)、人工智能技術(shù)、測試與傳感技術(shù)的發(fā)展,傳統(tǒng)的推土機已經(jīng)不能滿足社會發(fā)展的需要。因此,筆者對推土機智能化控制技術(shù)的現(xiàn)狀與發(fā)展趨勢進行研究。

2 推土機智能化控制技術(shù)現(xiàn)狀

2.1 作業(yè)特點

智能化推土機通過采用各種不同的傳感器來采集外部環(huán)境信息,具有自我感知、自主決策、自動控制等功能。智能化推土機作業(yè)具有三大特點:① 程序化作業(yè),通過對可編程序控制器自主編程,所有操作均可按預定程序進行,可實現(xiàn)無級變速、直線行駛等功能;② 智能化作業(yè),能根據(jù)作業(yè)環(huán)境選擇最佳的作業(yè)速度與工作模式,操作便捷,達到節(jié)能減排的目的;③ 智能診斷與報警,實時顯示作業(yè)參數(shù)和作業(yè)狀態(tài),通過對技術(shù)狀態(tài)進行智能化監(jiān)測,對可能發(fā)生的故障進行排查、預報,減少人為誤判,具有技術(shù)維護、檢修等功能,并為及時解決故障提供保障[3]，操作簡便，可視化、自動化程度高。

推土機智能化控制技術(shù)主要體現(xiàn)在三個方面:行走系統(tǒng)智能控制技術(shù)、工作裝置智能控制技術(shù)、故障診斷技術(shù)。

2.2 行走系統(tǒng)智能控制技術(shù)

作為智能化推土機的代表,全液壓推土機多采用雙泵、雙馬達兩側(cè)獨立式控制,通過調(diào)節(jié)流通電磁閥電流的大小,對電磁閥的開度進行智能控制,達到控制泵和馬達流量的目的。通過智能適應(yīng)復雜路況,實時糾偏,使推土機能夠直線行駛。通過操作電控手柄,對整機進行電液聯(lián)合控制,實現(xiàn)全液壓推土機行走系統(tǒng)的無級變速。根據(jù)推土機的行駛速度與負載狀態(tài)智能調(diào)速換擋,使發(fā)動機轉(zhuǎn)速與運行工況相匹配,實現(xiàn)節(jié)能、經(jīng)濟、滑轉(zhuǎn)率控制等模式,提高推土機的動力性及燃油經(jīng)濟性[4]。

2.3 工作裝置智能控制技術(shù)

全液壓推土機通過控制相應(yīng)電磁閥的電流,調(diào)整工作裝置電磁閥的流量,實現(xiàn)工作裝置提升油缸、傾斜油缸、調(diào)角油缸等的動作,從而實現(xiàn)工作裝置提升、下降、傾斜、調(diào)角等功能。采用可編程序控制器，根據(jù)推土機的不同工況，可實現(xiàn)標準、精細、快速等工作模式。目前，智能化推土機還采用無線電搖控、激光、電子、傳感器、微機控制等先進技術(shù),使工作裝置實現(xiàn)自動找平功能。

2.4 故障診斷技術(shù)

智能化推土機的故障診斷包括檢查和發(fā)現(xiàn)異常、診斷故障狀態(tài)和部位、分析故障類型三個基本環(huán)節(jié),涵蓋檢測技術(shù)、信號處理技術(shù)、識別技術(shù)、預測技術(shù)等四項基本技術(shù)[5]。

智能化推土機故障診斷系統(tǒng)具有以下功能:① 工作狀態(tài)監(jiān)控,可為推土機操作員提供必要的技術(shù)數(shù)據(jù),便于操作人員正確操作和及時發(fā)現(xiàn)故障;② 數(shù)據(jù)管理,可將發(fā)生故障前后的一些重要數(shù)據(jù)記錄下來,為故障判斷及進一步深入研究提供依據(jù);③ 故障診斷及報警,可提醒操作人員系統(tǒng)出現(xiàn)故障,并在發(fā)生重大故障時降低對操作人員及推土機的傷害;④ 通信,可運用控制器局域網(wǎng)絡(luò)(CAN)總線技術(shù)和CANopen協(xié)議實現(xiàn)可編程序控制器與顯示器之間的信息交換,通過智能顯示器顯示界面建立良好的人機交互,完成對推土機主要參數(shù)、運行狀態(tài)、故障代碼的顯示，以及參數(shù)的設(shè)定和修改[6]。

故障診斷系統(tǒng)根據(jù)推理出來的故障診斷情況,按照一定代碼以報警燈或提示語言形式進行報警。可編程序控制器將診斷后的故障代碼以一定的數(shù)據(jù)格式發(fā)送給顯示器,顯示器根據(jù)既定的協(xié)議規(guī)則完成相應(yīng)的數(shù)據(jù)解析，并進行相應(yīng)的故障顯示,最終實現(xiàn)報警?？删幊绦蚩刂破鬟€具有一定的自學能力,能自動保存新的故障代碼,并可對歷史故障進行查詢。當面臨危及人身和設(shè)備安全的重大事故發(fā)生時,除了進行聲光報警外,可編程序控制器還會自動執(zhí)行相應(yīng)的保護程序,從而大大提高系統(tǒng)的可靠性和安全性[5-7]。故障診斷程序流程如圖1所示。

▲圖1 故障診斷程序流程

3 推土機智能化控制技術(shù)發(fā)展趨勢

隨著電子信息技術(shù)的發(fā)展,推土機智能化控制技術(shù)發(fā)展也越來越快,新一代智能化推土機不僅可以實現(xiàn)集成化操作和智能控制,而且還能夠組成基于網(wǎng)絡(luò)的機群協(xié)同控制系統(tǒng)[8-10],集自動化、數(shù)字化、集成化于一體。推土機智能化控制技術(shù)發(fā)展趨勢主要體現(xiàn)在數(shù)字化機械施工、工作裝置智能引導與自動控制、互聯(lián)網(wǎng)大數(shù)據(jù)共享、機群智能化控制管理等方面。

3.1 數(shù)字化機械施工

新一代智能化推土機的數(shù)字化施工系統(tǒng)將配置光學攝像頭、全球定位系統(tǒng)、360°激光掃描儀,配合無人機進行地理信息采集。以無人機為載體,在目標地域高空,利用激光技術(shù)和全球定位系統(tǒng)，以地面基站為基準點,進行施工前期的地域測繪,從而在施工之前就能準確計算出土石方量,確定施工工期。無人機可精準捕捉動態(tài)作業(yè)中每一個動作、每一個角度的復雜數(shù)據(jù),以及每一時刻的地理和環(huán)境三維信息,再利用未來智能化推土機的可編程序控制器進行大量數(shù)據(jù)處理和控制分析,輸出精確的作業(yè)指令,進行自主作業(yè)路徑規(guī)劃、自主學習、自動作業(yè)，實現(xiàn)數(shù)字化機械施工。

數(shù)字化機械施工可以提高工程質(zhì)量,降低施工成本,包括施工測量成本、燃油消耗、施工機械成本、材料損耗等。

3.2 工作裝置智能引導與自動控制

基于全球定位系統(tǒng)的新一代智能化推土機三維控制系統(tǒng)可以實現(xiàn)推土機工作裝置的智能引導與自動控制,主要由計算機、整車可編程序控制器、顯示器、固定全球定位系統(tǒng)基準站和移動全球定位系統(tǒng)接收器等組成。通過閃存盤將施工場地數(shù)據(jù)傳輸至可編程序控制器進行坐標變換,在顯示器上顯示推土機鏟刀位置和相關(guān)數(shù)據(jù),同時整車可編程序控制器發(fā)出對鏟刀的控制信號,利用移動全球定位系統(tǒng)接收器確定推土機當前位置和鏟刀坐標位置,并與預先輸入在整車可編程序控制器內(nèi)的數(shù)字地形模型進行對比。采用基于全球定位系統(tǒng)的三維控制系統(tǒng)，新一代智能化推土機進行推土作業(yè)時,可以克服激光、木樁、線繩等的限制,降低測量和工程造價,能夠廣泛應(yīng)用于公路、鐵路、堤壩等大型土方工程建設(shè),尤其適用于立體交叉高速公路的復雜曲面形狀路面推土施工。

3.3 互聯(lián)網(wǎng)大數(shù)據(jù)共享

互聯(lián)網(wǎng)大數(shù)據(jù)共享主要包括三個方面:① 信息共享,可在辦公室和施工現(xiàn)場之間進行實時文件互傳,確保施工信息最新,提高施工效率,避免返工;② 遠程支持,辦公室人員可以遠程控制施工現(xiàn)場操作屏幕,進行遠程培訓和技術(shù)支持,減少因操作不當或機器發(fā)生故障等原因而導致的停工，節(jié)約施工時間;③ 定位跟蹤,遠程監(jiān)控跟蹤施工進程,監(jiān)控設(shè)備使用狀況,進而改善日常施工,最大化施工效率。

隨著推土機智能化水平的提高,故障診斷及解決問題及時性與準確性的要求也越來越高,互聯(lián)網(wǎng)大數(shù)據(jù)共享可實現(xiàn)實時過程控制,提高工效和工程質(zhì)量,降低工程施工成本。

3.4 機群智能化控制管理

機群智能化控制管理的目的是使系統(tǒng)中各機械部件與整體設(shè)備之間的工作更加協(xié)調(diào),在施工協(xié)作方面更加靈活。

機群智能化控制管理主要體現(xiàn)在資源配置優(yōu)化和物料使用優(yōu)化兩個方面。通過對程序進行智能控制,可以盡量減小工人不當操作所產(chǎn)生的不利影響,使智能化控制系統(tǒng)下機械設(shè)備的工作結(jié)果最優(yōu)。在智能化控制系統(tǒng)下,物料配給和使用周期都由計算機獲得,具有較高的科學性。

對于多種工程機械同時作業(yè)的情況,機群智能化控制通過無線網(wǎng)或較精密的線路結(jié)構(gòu),將機械相關(guān)作業(yè)信息傳送至中央控制中心進行智能化處理分析,然后再分配至各施工單元體進行執(zhí)行。

基于云端的機群智能化控制管理可以基于多地、多機數(shù)據(jù)在云端形成一個不斷壯大的數(shù)據(jù)共享平臺,通過平臺再進行有效的大數(shù)據(jù)分析、處理,針對不同地理環(huán)境和作業(yè)需求提供更完善的總體解決方案。例如,以無人機為載體,通過云端控制中心和機器自身深度神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)學習,實時、同步積累所有機器的運行數(shù)據(jù)、地理環(huán)境信息,將測繪輸出的矢量等高線云圖輸入云端服務(wù)器,控制數(shù)臺設(shè)備,以實現(xiàn)施工作業(yè)的整體最高效。

4 結(jié)束語

未來,推土機的智能化控制技術(shù)發(fā)展將主要以解決用戶問題為主,人機一體、智能制造是新一代智能化推土機的技術(shù)發(fā)展趨勢。利用智能化設(shè)備,依托互聯(lián)技術(shù)和數(shù)據(jù)共享,引領(lǐng)推土機行業(yè)的數(shù)字化轉(zhuǎn)型,將實現(xiàn)人、機、物、信息、組織之間的無縫集成與合作,使推土機作業(yè)模式向自動化、智能化、無人化發(fā)展,最終進入一個全新的推土機智能化時代。