工程機械運行狀態(tài)的遠程監(jiān)控方法與邏輯判斷

毛三華 鄧卓鑫 林鳳濤 楊世德 鄒亮

摘要：在大型施工現(xiàn)場，工程機械的工作區(qū)域寬泛，同時工作的設備多，流動性大，給項目工程的管理人員造成很大的困擾。而現(xiàn)有的監(jiān)控方法多是采用單傳感器監(jiān)控，并不是適合于多種類、多設備的工程，因此需要能行之有效的多傳感器遠程監(jiān)控方法和工作狀態(tài)邏輯判斷，減少設備閑置和空耗，加強工程設備的管理，高效率、低成本的完成工程項目。

Abstract： In a large construction site， the working area of construction machinery is wide， there are many equipments working at the same time， and the mobility is large， which causes great trouble to the project management personnel. Most of the existing monitoring methods use single sensor monitoring， which is not suitable for many types of multi-device projects. Therefore， an effective multi-sensor remote monitoring method and working state logic judgment are required to reduce equipment idleness and space consumption and strengthen management of engineering equipment， so as to complete engineering projects with high efficiency and low cost.

關鍵詞：工程機械;工作狀態(tài);監(jiān)控;邏輯判斷

Key words： engineering machinery;working condition;monitoring;logic judgment

0? 引言

工程機械設備作為工程建設所必需的施工工具，安全、可靠的運行能有效保證工程的進度和質量。然而，工程機械設備處于惡劣的工作環(huán)境易導致故障發(fā)生，較強的流動性、較廣的分布使管理人員難對其管理。因此，這需要引入監(jiān)控工程機械設備工作狀況的系統(tǒng)，可實時掌握設備運行參數(shù)，對設備引起的安全生產事故原因追查提供數(shù)據(jù)支持，保證工程機械設備安全可靠的運行。工程機械的遠程監(jiān)控系統(tǒng)成為制造、租賃、使用單位必不可少的東西。

然而，需要監(jiān)控的工程車輛的運行狀態(tài)復雜，人員難以監(jiān)控。通常需要監(jiān)控的工程機械設備的狀態(tài)主要包括有停機、怠速、負荷運轉、轉場、低油量、異常油耗、高油耗。并且需要適配各種不同的工程機械設備，包括有挖掘機械設備、鏟土運輸機械設備、起重機械設備、壓實機械設備、樁工機械設備、鋼筋混凝土機械設備、路面機械設備、鑿巖機械設備。可見需要監(jiān)控的狀態(tài)非常繁雜，需要監(jiān)控的工程機械設備種類又非常多。

但是在工程機械遠程監(jiān)控方面，如今市場的監(jiān)控系統(tǒng)主要面向某一類型的設備，監(jiān)控種類單一。對于工程機械設備生產商和大型建筑公司來說，單一監(jiān)控類型的遠程監(jiān)控系統(tǒng)不能滿足公司對各類設備管理的需求，因此有必要研發(fā)一類可以面向多種類型設備的遠程監(jiān)控系統(tǒng)，監(jiān)控界面可以根據(jù)客戶的需求動態(tài)訂制，從而實現(xiàn)設備制造者和設備使用者對設備進行全方位的管理，提高客戶的滿意程度，提升公司在行業(yè)內的形象。

1? 工程機械設備常見狀態(tài)分析

1.1 停機

停機是指車輛結束作業(yè)后，正常的熄火關閉車輛。停機后，發(fā)動機熄火，車輛不再運作。工程機械設備停機順序，先將設備開至合適的停機位，穩(wěn)定車身姿勢，收起機械設備作業(yè)臂，將油門旋轉至怠速油門，運行5min左右后熄火。

1.2 怠速

怠速是一種常見的工程設備機械狀態(tài)，施工過程中設備的怠速是不可避免的，怠速指的是發(fā)動機空轉時的狀態(tài)，就是工程設備機械在沒有作業(yè)時，發(fā)動機在無負荷的情況下運轉。

在日常施工中，很多工程設備怠速時間占設備運行時間的40～50%，怠速時間內發(fā)動機燒的油沒有創(chuàng)造任何價值，換句俗話說：就是在“燒錢”。如以一臺每年工作2000小時的設備為例，如果怠速達到40%，按照怠速1小時消耗燃油約3.7升來計算，這臺設備一年就多產生約兩萬元的油費，怠速時間過長，效率降低成本升高[1]。

長時間的怠速除了會增加油耗量，還會給設備和工程作業(yè)都帶來一下的影響：

①增加燃油成本，降低作業(yè)效率;

②降低設備發(fā)動機等部件壽命;

③產生額外的保養(yǎng)費用，比如更換濾芯等;

④增加維護的時間，耽誤工程進度;

⑤增加發(fā)動機磨損，影響二手機價值;

⑥燃油不完全燃燒，增加廢氣排放，影響環(huán)境。

因此在工程中需要盡量減少工程設備處于怠速狀態(tài)的時間。

1.3 負荷運轉

負荷運轉是指工程機械設備的正常工作狀態(tài)。此時設備的發(fā)動機運轉，工作臂正常運作。發(fā)動機消耗燃油，工程作業(yè)正常進行，產生經濟效益。

負荷運轉是我們需要的工程機械設備工作狀態(tài)，要盡可能的確保設備有足夠的負荷運轉時間，把處于怠速和停機的工程設備分配到需要工程作業(yè)的地方，增加經濟效益。

1.4 設備轉場

設備轉場是工程設備需要轉移到目標施工地點進行作業(yè)，近距離的轉場是通過啟動工程機械行駛至目標地點，而遠距離的轉場是通過用大型卡車進行移動。其中近距離轉場，工程機械的發(fā)動機正常啟動并會產生油耗，而遠距離轉場，設備會停在卡車內，停機的狀態(tài)進行移動。而因行駛的路況情況如轉向和上下坡，角度傳感器會監(jiān)測到數(shù)值變化。

1.5 燃油補充

主要監(jiān)控設備的加油狀態(tài)，包括加油的時間、加油地點和加油量自動生成報表，減少人員的干擾。

可見工程機械需要監(jiān)測的狀態(tài)繁多并且復雜，而工程項目需要減少設備的閑置和空耗，合理的增加負荷運轉時間，并且需要記錄下設備的油耗和加油情況，改善設備的調度情況。

2? 遠程監(jiān)控信息采集手段及狀態(tài)判斷邏輯

本文工程機械測試車輛使用隨車吊如圖1。隨車吊的工作端為吊臂，吊臂工作為該車的負荷運轉。

2.1 信息采集手段

2.1.1 發(fā)動機溫度情況——溫度傳感器

發(fā)動機在啟動后，在發(fā)動機冷卻系統(tǒng)的作用下發(fā)動機的工作溫度在90-120攝氏度之間[2]。在發(fā)動機關閉后，發(fā)動機溫度逐漸降低。需要根據(jù)當?shù)氐募竟?jié)設定出合適的閾值上、下限。

通過加裝在發(fā)動機排氣管處的溫度傳感器監(jiān)測發(fā)動機的啟停狀態(tài)，啟動工程機械，溫度上升，在一定時間后當發(fā)動機的溫度突破設定閾值，發(fā)動機啟動;溫度傳感器溫度下降至設定閾值之下，溫判斷發(fā)動機關閉。圖2a為起重機安裝溫度傳感器位置，圖2b為溫度傳感器實測數(shù)據(jù)時間-溫度圖。

根據(jù)測量數(shù)據(jù)可以設定啟停閾值為50攝氏度，在傳感器溫度超過50攝氏度時，判定發(fā)動機啟動，傳感器溫度低于50攝氏度時，判定發(fā)動機熄火。

2.1.2 工作端姿態(tài)狀態(tài)——XYZ三軸角度傳感器

XYZ三軸角度傳感器安裝在工程設備的工作臂上，能實時反映工作臂角度變化值，并回傳給信息接收終端。工程機械設備工作時，工作臂較大的角度變化。對于一些工作臂的角度會發(fā)生較大變化的工程機械設備（如挖掘機），該設備角度變化超過閾值。但是并不能單獨依靠角度閾值，判斷設備就一定是處于負荷運作中。還需要與其他的傳感器共同判斷該工程設備的工作狀態(tài)[3]。圖3a為起重機安裝角度傳感器位置，圖3b為角度傳感器實測時間-角度。

可以通過設定角度變化量閾值為5°/min，變化量超過5°/min時判定工作臂已在正常工作。

2.1.3 油耗水平——通過擴散硅型壓力傳感器

發(fā)動機的油耗監(jiān)測是通過在郵箱底部安裝擴散硅型壓力傳感器，檢測油箱內燃油的總量。在液體壓強的作用下，壓力傳感器顯示相應數(shù)值。加油時，壓力傳感器測量的壓力值上升。發(fā)動機啟動后，會消耗油箱里的燃油，此時壓力傳感器能檢測到壓強逐漸降低，并能求出此時的壓強變化率，此時的壓強變化率可以認為是油量消耗速率。壓強變化率設定一個閾值，只有在閾值之內的壓強變化率（油量消耗速率）才是正常的發(fā)動機消耗燃油速率[4]。同時油量在正常消耗時，只能判斷該工程機械設備的發(fā)動機已經啟動，但是無法通過發(fā)動機的啟動判斷該工程設備的工作狀態(tài)是怠速還是負荷運作，還需要結合其他的傳感器共同判斷工作狀態(tài)。圖4a為起重機安裝油壓傳感器位置，圖4b為起重機油壓傳感器實測數(shù)據(jù)?？梢缘贸雒咳盏挠秃募s為28.11L，負荷工作時油耗約為2.12L/小時，怠速時油耗約為0.68L/小時，及在6號、12號、19號完成了加油，加油周期為6-7天。

2.1.4 位置信息——GPS定位

在工程機械設備中安裝GPS定位，通過衛(wèi)星定位出該工程機械設備的位置，并能在后臺控制端顯示出該工程機械設備所處的位置。顯示工程機械設備的GPS位置信息能加快工作循環(huán)。在很少的監(jiān)測下，操作員能知道下一步如何施工，減少很多不必要的工作環(huán)境，加快工作循環(huán)，節(jié)約時間，加快工期[5]。同時能減少重復工作，控制室能在第一時間查看到工程機械設備的工作位置信息，并可據(jù)此直接更改不合理的調度，減少重復工作，加快工期。圖5a為起重機安裝GPS傳感器及控制端位置，圖5b為GPS傳感器實測軌跡圖。

2.2 信息邏輯判斷

2.2.1 工程機械設備停機判斷

①溫度傳感器監(jiān)測發(fā)動機溫度小于設定閾值，判斷出該設備的發(fā)動機未啟動。

②油壓傳感器監(jiān)測油箱壓強未發(fā)生變化，判斷出該設備未消耗燃油。

③角度傳感器監(jiān)測工作臂的角度變化量小于設定閾值，判斷出該設備的工作臂未工作。

通過以上三點發(fā)動機未啟動，沒有消耗燃油，并且工作臂未工作，共同判斷出該工程機械設備處于停機狀態(tài)。

2.2.2 工程機械設備怠速判斷

①溫度傳感器監(jiān)測發(fā)動機溫度大于設定閾值，判斷出該設備的發(fā)動機已啟動。

②油壓傳感器監(jiān)測油箱壓強變化率小于設定漏油偷油閾值并且已經有壓強變化，判斷出該設備正常消耗燃油。

③角度傳感器監(jiān)測工作臂的角度變化量小于設定閾值，判斷出該設備的工作臂未工作。

通過以上三點發(fā)動機已啟動，并有正常消耗燃油，但是工作臂沒有處于工作狀態(tài)共同判斷出該工程機械設備處于怠速狀態(tài)[6]。

2.2.3 工程機械設備負荷運轉判斷

①溫度傳感器監(jiān)測發(fā)動機溫度大于設定閾值，判斷出該設備的發(fā)動機已啟動。

②油壓傳感器監(jiān)測油箱壓強變化率小于設定漏油偷油閾值并且壓強變化率大于怠速閾值，判斷出該設備正常消耗燃油。

③角度傳感器監(jiān)測工作臂的角度變化量已大于設定閾值，判斷出該設備的工作臂正處于工作狀態(tài)。

通過以上三點發(fā)動機已啟動，并正常消耗燃油，并且工作臂也已處于工作狀態(tài)，共同判斷出該工程機械設備處于負荷運轉狀態(tài)[7]。

2.2.4 工程機械設備轉場判斷

①溫度傳感器監(jiān)測發(fā)動機溫度小于設定閾值，判斷出該設備的發(fā)動機未啟動。

②油壓傳感器監(jiān)測油箱壓強未發(fā)生變化，判斷出該設備未消耗燃油。

③角度傳感器監(jiān)測工作臂的角度變化量偶爾會大于設定閾值，無法判斷出該設備的工作臂是否在工作。

④GPS傳感器超出設定工作區(qū)域，并處于移動狀態(tài)，判斷出該設備正在移動。

通過以上四點發(fā)動機未啟動，沒有消耗燃油，并且工作臂可能因轉彎產生角度變化，GPS傳感器定位出一直處于移動狀態(tài)，共同判斷出該工程機械設備處于停機轉場狀態(tài)。

2.2.5 工程機械異常油耗判斷（偷油、漏油）

①溫度傳感器監(jiān)測發(fā)動機溫度小于設定閾值，判斷出該設備的發(fā)動機未啟動。

②油壓傳感器監(jiān)測油箱壓強發(fā)生變化，判斷出該設備正在消耗燃油。

通過以上兩點發(fā)動機并未啟動，卻產生了油耗，判斷為該工程機械設備處于異常油耗狀態(tài)，會自動向控制端發(fā)出警報，其產生原因可能為漏油或偷油[8]。

2.2.6 工程機械設備低油量判斷

油壓傳感器監(jiān)測油箱壓強低于設定閾值，判斷出該設備處于低油量。

通過傳感器監(jiān)測出油壓低于閾值，判斷出該設備油量過低，需要及時補充燃油，并會自動向控制端發(fā)出警報。

2.2.7 工程機械設備燃油補充判斷

①溫度傳感器監(jiān)測發(fā)動機溫度小于設定閾值，判斷出該設備的發(fā)動機未啟動。

②壓力傳感器監(jiān)測油箱壓強持續(xù)增大，判斷出正在為該設備補充燃油。

通過以上兩點發(fā)動機未啟動，并且油箱燃油增加，判斷為該工程機械設備正在停機加油。

2.2.8 工程設備高油耗狀態(tài)判斷

①溫度傳感器監(jiān)測發(fā)動機溫度大于設定閾值，判斷出該設備的發(fā)動機已啟動。

②油壓傳感器監(jiān)測油箱壓強持續(xù)降低，并且壓強降低速率超過設定的該工程機械設備的最大油耗速率（一般為平均油耗速率的125%），判斷出該設備油箱油耗率較高。

通過以上兩點發(fā)動機已啟動，并且油箱正消耗燃油，并且比正常消耗速率更大，判斷為該工程機械設備處于高油耗狀態(tài)，并會自動向控制端發(fā)出警報[9]。

在使用了溫度、油壓、角度和GPS傳感器后，工程機械設備的工作狀態(tài)和異常工作狀態(tài)都可以進行有效的判斷，表1為各工作狀態(tài)邏輯判斷匯總，圖6為各工作狀態(tài)邏輯判斷流程圖匯總。

3? 各類工程機械監(jiān)控分類分析

如表2 各工程機械可監(jiān)控狀態(tài)所示，各類機械監(jiān)控點布置如下：

3.1 挖掘機械

包括單斗挖掘機、多斗挖掘機（又可分為輪斗式挖掘機和鏈斗式挖掘機）、滾動挖掘機、銑切挖掘機、隧洞掘進機等。

3.2 鏟土運輸機械

包括推土機、鏟運機、裝載機（又可分為輪胎式裝載機和履帶式裝載機、平地機、運輸車、平板車和自卸汽車等[10]。

3.3 起重機械

包括塔式起重機、自行式起重機、桅桿起重機、抓斗起重機等。

3.4 壓實機械

包括輪胎壓路機、光面輪壓路機、單足式壓路機、振動壓路機、夯實機、搗固機等。

3.5 樁工機械

包括鉆孔機、柴油打樁機、振動打樁機、破碎錘等。

3.6 鋼筋混凝土機械

包括混凝土攪拌機、混凝土攪拌站、混凝土攪拌樓、混凝土輸送泵、混凝土攪拌輸送車、混凝土噴射機、混凝土振動器、鋼筋加工機械等。

主要監(jiān)控點：發(fā)動機上安裝的溫度傳感器和油箱底部的油壓傳感器，挖掘臂安裝角度傳感器;輔助監(jiān)控點：通過安裝在操作室的GPS傳感器監(jiān)測該挖掘機械設備的位置信息。

4? 結語

通過使用多種類型的傳感器，提出了一種工程機械不同工作狀態(tài)邏輯判斷的監(jiān)控方法。此方法能有效的監(jiān)控各種不同的工程機械工作狀態(tài)，并給出了相應的判斷邏輯。同時分析了常見種類的工程機械車輛在使用該監(jiān)控方法時能夠監(jiān)測的工作狀態(tài)，研究表明該方法可以適用于大多數(shù)的常見工程機械設備，尤其是具有伸出的工作臂的設備。

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