工程機械智能化關(guān)鍵技術(shù)分析

劉建

江蘇徐工工程機械研究院有限公司 江蘇 徐州 221008

引言

隨著老齡化加劇和施工復(fù)雜性增加，工程機械智能化的需求日趨強烈。通過智能化技術(shù)可以減輕作業(yè)勞動強度、提高作業(yè)質(zhì)量和效率和保證作業(yè)安全，因此國際工程機械先進企業(yè)均進行了工程機械智能化技術(shù)的研究，比如卡特匹勒的無人礦山系統(tǒng)和數(shù)字施工系統(tǒng)、小松的自動運輸系統(tǒng)和智能施工系統(tǒng)等。本文首先分析了工程機械智能化背景，明確了智能控制在工程機械上的應(yīng)用場景；然后分析了工程機械智能化需要解決的關(guān)鍵技術(shù)。

1 工程機械智能化背景

工程機械智能化背景主要體現(xiàn)在幾個方面：

第一，傳統(tǒng)控制方法已不能滿足工程機械操控性要求。工程機械機械在作業(yè)過程中動作頻繁，作業(yè)環(huán)境復(fù)雜多變，工程機械結(jié)構(gòu)日趨復(fù)雜，機械液壓系統(tǒng)慣性質(zhì)量大，又包含許多非線性因素，因此需要智能控制技術(shù)。

第二，高素質(zhì)工程機械操作員短缺，影響作業(yè)效率和質(zhì)量。作業(yè)效率和質(zhì)量對操作員素質(zhì)依賴性很大，而近年來老齡化造成高素質(zhì)操作員的短缺及人力成本的增加，作業(yè)效率和質(zhì)量降低。因此需要智能工程機械解決，并能減輕勞動強度和操作難度。

第三，建設(shè)項目日趨復(fù)雜，亟須先進施工工藝和智能工程機械。傳統(tǒng)施工工藝已不能滿足越來越復(fù)雜的建設(shè)項目，以及建筑缺陷增加、項目控制困難、成本超出預(yù)算等問題，也需要工程機械智能化和自動化解決。

第四，安全和環(huán)保要求日趨嚴格，需要智能化方法解決。工程機械工況復(fù)雜、操作要求高，操作人員因認知疲勞而造成事故，傳統(tǒng)的被動安全控制不足以應(yīng)對動態(tài)、非結(jié)構(gòu)化環(huán)境，需要主動安全技術(shù)；此外，需要智能化節(jié)能減排方法，才能符合嚴格的環(huán)保要求。

2 工程機械智能化關(guān)鍵技術(shù)

2.1 智能控制技術(shù)

智能控制是針對被控系統(tǒng)及其控制環(huán)境和任務(wù)不確定性而提出的，智能控制過程是含有復(fù)雜性、不確定性、模糊性且一般不存在已知算法的非傳統(tǒng)數(shù)學(xué)公式化的過程[1]。

2.1.1 面向智慧建造的工程機械任務(wù)規(guī)劃和運動規(guī)劃技術(shù)。智慧建造是以BIM（+GIS）、物聯(lián)網(wǎng)、云計算、移動互聯(lián)網(wǎng)、大數(shù)據(jù)等信息技術(shù)為工程信息化建造平臺，是信息技術(shù)與傳統(tǒng)建造技術(shù)融合的全新建造方式[2]。智能化工程機械是實現(xiàn)自動化安裝的重要裝備，是應(yīng)用于智慧建造施工的基本模式，通過與設(shè)計信息（特別是BIM模型）集成，實現(xiàn)幾何信息與智能化工程機械施工作業(yè)運動方式和軌跡的對接，完成機器人施工作業(yè)指令的轉(zhuǎn)譯與輸出。對于智能化工程機械，需要任務(wù)規(guī)劃和運動規(guī)劃相關(guān)技術(shù)才能將設(shè)計信息轉(zhuǎn)為其執(zhí)行信息。因此，需要研究面向智慧建造的工程機械任務(wù)規(guī)劃和運動規(guī)劃技術(shù)。

2.1.2 面向智慧工地的工程機械遠程控制技術(shù)。智慧工地通過遠程高速無線數(shù)據(jù)傳輸，實現(xiàn)實時動態(tài)的遠程報警、遠程監(jiān)控及遠程通知，設(shè)備監(jiān)控變成開放的透明的實時動態(tài)監(jiān)控[3]。它借助新一代的物聯(lián)網(wǎng)、云計算、決策分析優(yōu)化等信息技術(shù)，將人、機、物等各個核心系統(tǒng)結(jié)合起來，以一種更加智慧的方式運行。智能化工程機械是智慧工地替代人力，變革傳統(tǒng)勞動密集建筑業(yè)必不可少的特種設(shè)備。通過應(yīng)用傳感器技術(shù)、物聯(lián)網(wǎng)、人工智能、大數(shù)據(jù)、云計算等信息技術(shù)對特種設(shè)備的遠程控制和監(jiān)測將可極大提高作業(yè)安全和質(zhì)量[4]。

2.2 人機共融技術(shù)

所謂人機共融，就是人與機器能在同一自然空間里工作，能夠緊密協(xié)調(diào)，能夠自主提高自己的技能，能夠自然交互，同時要保證安全，要讓機器人把人的符號化、學(xué)習(xí)、預(yù)見、自我調(diào)節(jié)以及邏輯推理能力與機器的精準、力量、重復(fù)能力、作業(yè)時間、環(huán)境耐受力結(jié)合在一起。實現(xiàn)之后，人與機器人的關(guān)系就會改變，成為一種伙伴關(guān)系，可以相互理解、相互感知、相互幫助。人機共融，意味著機器人的智能化水平不斷提升，而這一點也將是機器人市場加速擴張的重要助推器。

2.2.1 智能駕駛艙綜合信息顯示技術(shù)。隨著工程機械智能化和信息化的提高，傳統(tǒng)的機械儀表已無法應(yīng)對數(shù)據(jù)量的暴增；其次，傳統(tǒng)汽車座艙的功能區(qū)布局碎片化，信息過載增加了操作人員的認知負擔，從而無法實現(xiàn)有效的人機交互。集成了液晶儀表、抬頭顯示儀、中控屏幕和后座娛樂的多屏融合智能駕駛艙信息承載量級大，加上組合顯示的多樣化，將帶來更為智能化和安全性的交互體驗，提高操作人員的態(tài)勢感知能力，同時也是高級輔助駕駛、自動駕駛和人工智能等新時代技術(shù)的關(guān)鍵接口。因此智能駕駛艙也是工程機械重要的發(fā)展方向，可以為操作人員帶來更多便利和更好地整體視野，從而提高作業(yè)安全性。

2.2.2 智能駕駛艙自然人機交互技術(shù)。從信息轉(zhuǎn)換的角度看，人機交互系統(tǒng)實際上是實現(xiàn)“用戶感知”和“計算機處理空間”之間的信息轉(zhuǎn)換。用戶的感知是用戶意識和多維信息的集合，所以通常是模糊的和不清晰的，而計算機處理空間則是一個規(guī)則的、精確的信息空間，兩者的差異性造成兩者之間的映射變得十分復(fù)雜。而人機自然交互是指構(gòu)造一個更便捷、更符合人類自然感知（如觸覺、視覺、味覺、嗅覺、情感和大腦活動）交流的智能人機交互系統(tǒng)，主要研究非生命機器對于高級生命人類的理解，賦予機器以智能，使機器成為高級的智能工具。

2.3 主動安全技術(shù)

安全技術(shù)通?？煞譃楸粍影踩夹g(shù)和主動安全技術(shù)。主動安全技術(shù)是指通過預(yù)先的防范，避免事故發(fā)生的技術(shù)；被動安全則是在事故發(fā)生過程中及事故發(fā)生后，盡量減少損害的方法和措施。實踐中，被動安全技術(shù)可以有效減輕事故災(zāi)害，但主動安全技術(shù)則可以避免傷害，防患于未然。

2.3.1 面向工程機械主動安全的多源信息融合技術(shù)。施工現(xiàn)場環(huán)境復(fù)雜、危險源多、人員眾多，能夠提前防止工程機械事故發(fā)生的主動安全技術(shù)越來越重要，而安全態(tài)勢感知是主動安全技術(shù)的關(guān)鍵。目前，已將超聲波、圖像、激光、微波、毫米波等空間測量技術(shù)用于安全態(tài)勢感知，但是每種測量技術(shù)都有使用限制，不能滿足準確性和全天候性的要求。因此，針對具體的應(yīng)用場景，對傳感器的類型進行優(yōu)化組合，進行多源信息融合，提高安全態(tài)勢感知的準確度和環(huán)境適應(yīng)性。

2.3.2 基于人工智能的安全態(tài)勢感知技術(shù)。態(tài)勢感知是指在大規(guī)模系統(tǒng)環(huán)境中，對環(huán)境因素的獲取、理解以及對未來狀態(tài)的預(yù)測。態(tài)勢感知可以在動態(tài)復(fù)雜的環(huán)境中，對能夠引起系統(tǒng)狀態(tài)發(fā)生變化的安全要素進行獲取和理解，為決策者顯示當前以及未來環(huán)境連續(xù)變化狀態(tài)，幫助其準確做出決策。態(tài)勢感知能力的強弱與作業(yè)安全和質(zhì)量有著直接關(guān)系。因此，安全態(tài)勢感知是主動安全技術(shù)的基礎(chǔ)，決定著危險是否能有效、及時、正確地識別，以及主動安全功能是否可有效地預(yù)防事故發(fā)生。

2.3.3 主動安全控制系統(tǒng)開發(fā)與測試。主動安全是通過預(yù)防危險的發(fā)生而達到安全性能要求。主動安全控制根據(jù)風(fēng)險評估的結(jié)果，確定主動安全功能的要求和安全性能等級，設(shè)計安全控制系統(tǒng)原理，實現(xiàn)安全控制系統(tǒng)，并測試其性能。對主動安全控制系統(tǒng)進行正確地設(shè)計，才能保證其發(fā)揮預(yù)防危險的作用。

3 結(jié)束語

本文首先分析了工程機械智能化背景，從作業(yè)復(fù)雜性、人員短缺、工程復(fù)雜和安全環(huán)保四個方面明確了智能控制在工程機械上的應(yīng)用場景；然后分析了工程機械智能化需要解決的關(guān)鍵技術(shù)主要為智能控制技術(shù)、人機共融技術(shù)和主動安全技術(shù)，并闡明了其研究內(nèi)容，為工程機械智能化研究方向提供了參考。