公路工程中機械設備智能油耗監(jiān)控系統(tǒng)的應用

摘要 公路工程施工技術的不斷提高以及施工設備的更新推動了工程建設的發(fā)展，合理配置施工機械設備對于順利進行施工工作至關重要，也有助于降低施工風險，然而目前工程公司在通用工程機械設備的臺班、效率、油耗等數(shù)據(jù)獲取方面仍存在真實性差、準確性低以及數(shù)據(jù)不及時的問題，影響了管理層對項目管理的決策成本分析?；诖?，該文利用信息化技術和施工現(xiàn)場智能采集設備，將施工現(xiàn)場通用工程機械設備進行網(wǎng)絡化、智能化和可視化改造，從而實現(xiàn)項目現(xiàn)場施工通用工程機械數(shù)據(jù)的準確、真實和及時采集。

關鍵詞 公路工程；油耗監(jiān)控；數(shù)據(jù)采集；硬件結(jié)構(gòu)；軟件設計

中圖分類號 U415 文獻標識碼 A 文章編號 2096-8949（2024）19-0160-03

0 引言

公路工程施工技術水平的持續(xù)提高以及施工設備的更新不斷推動了工程建設的發(fā)展，合理配置施工機械設備對于順利開展施工工作至關重要，同時也有助于降低施工風險。在公路工程中，根據(jù)實際需要合理配置機械設備并考慮不同設備的協(xié)調(diào)施工，可以為工程施工的質(zhì)量和效率奠定基礎。隨著企業(yè)數(shù)字化轉(zhuǎn)型的加速推進，對施工現(xiàn)場原始數(shù)據(jù)的要求越來越高，為確保數(shù)據(jù)的真實、有效、及時和準確，企業(yè)需要應用新一代信息技術來采集和獲取施工現(xiàn)場的原始數(shù)據(jù)。

原始數(shù)據(jù)對于公路施工企業(yè)的信息化和數(shù)字化管理至關重要，目前工程公司在通用工程機械設備的臺班、效率、油耗等獲取的數(shù)據(jù)信息仍存在真實性差、準確性低以及數(shù)據(jù)不及時的問題，這影響了管理層對項目管理的決策成本分析。為解決此問題，貴州省公路工程集團有限公司在貴州省貴陽至平塘高速公路建設項目第GPTJ-2合同段率先進行了通用工程機械油耗智能監(jiān)測及管控系統(tǒng)的試點工作。通過利用信息化技術和施工現(xiàn)場智能采集設備，將施工現(xiàn)場通用工程機械設備進行網(wǎng)絡化、智能化和可視化改造，從而實現(xiàn)項目現(xiàn)場施工通用工程機械數(shù)據(jù)的準確、真實和及時采集。

1 工程背景

貴州省烏當（羊昌）至平塘高速公路是貴州省高速公路網(wǎng)規(guī)劃中的重要組成部分，連接廣西高速公路網(wǎng)規(guī)劃新增的天峨（黔桂界）至北海高速公路，形成了貴陽至北部灣的高標準、大容量、高效的南北縱向運輸通道，同時該項目將完善貴陽市外環(huán)高速布局，對推進貴州省交通強國建設、構(gòu)建西部陸海新通道、完soQgOJ9/u23QeALupnfEcg==善全省高速公路網(wǎng)絡、加快黔中經(jīng)濟區(qū)建設以及支撐區(qū)域工業(yè)化和新型城鎮(zhèn)化進程具有重大意義。貴州省貴陽至平塘高速公路建設項目第GPTJ-2合同段的通用工程機械油耗智能監(jiān)測系統(tǒng)試點完成后，該系統(tǒng)將在貴州省公路工程集團有限公司所有在建項目中推廣運用，全面解決項目現(xiàn)場通用工程機械原始數(shù)據(jù)的準確性、真實性和及時性問題。

2 智能油耗監(jiān)控系統(tǒng)的功能及發(fā)展趨勢

2.1 智能油耗監(jiān)控系統(tǒng)的發(fā)展趨勢

2.1.1 物聯(lián)網(wǎng)技術的應用

物聯(lián)網(wǎng)技術在機械工程領域的應用已經(jīng)得到了廣泛的認可，隨著技術的不斷發(fā)展，其在工程領域?qū)M一步普及和深化。在物聯(lián)網(wǎng)技術的框架下，通用工程機械可以通過數(shù)據(jù)采集設備與信息化系統(tǒng)進行互聯(lián)，從而實現(xiàn)設備與信息化系統(tǒng)之間的信息共享與交流，可以提高通用工程機械的管理水平和工作效率，相關的數(shù)據(jù)和信息可以被及時捕獲、分析和應用。

除了信息共享，物聯(lián)網(wǎng)技術還能夠通過數(shù)字化手段實現(xiàn)工程機械設備的遠程監(jiān)控和管理，通過遠程監(jiān)控，操作人員可以實時了解設備的運行狀況、工作情況以及可能存在的問題，從而及時進行調(diào)整和處理。這種遠程監(jiān)控和管理方式不僅提高了設備的運行效率和可靠性，還能夠降低人力和時間成本，不需要人員實時駐守在設備旁邊進行監(jiān)控和管理。

2.1.2 大數(shù)據(jù)分析的應用

大數(shù)據(jù)分析在工程機械領域的應用已經(jīng)成為一項重要的支撐技術，并且后續(xù)將會得到更廣泛地應用。通過大數(shù)據(jù)分析，可以利用海量的設備運行數(shù)據(jù)來發(fā)現(xiàn)規(guī)律和趨勢，為設備的智能化管理和優(yōu)化提供可靠的依據(jù)，此技術不僅可以幫助管理者了解設備的運行狀態(tài)，還可以分析使用率、工作效率、油耗等重要指標，從而為管理層提供成本測算和決策支持。大數(shù)據(jù)分析的應用能夠促進工程機械行業(yè)更加智能化、高效化，從而提升整體運營效率和競爭力，研究大數(shù)據(jù)分析在通用工程機械領域的應用時，可以重點關注以下5個方面：

（1）數(shù)據(jù)收集與存儲：了解如何有效地收集和存儲通用工程機械的運行數(shù)據(jù)，包括傳感器數(shù)據(jù)、日志記錄等。

（2）數(shù)據(jù)清洗與預處理：研究如何清洗和預處理大規(guī)模的機械數(shù)據(jù)，確保數(shù)據(jù)的質(zhì)量和準確性，同時包括去除異常值以及填充缺失值等。

（3）數(shù)據(jù)分析與挖掘：利用數(shù)據(jù)分析和挖掘技術，發(fā)現(xiàn)數(shù)據(jù)中的模式、規(guī)律和趨勢，例如設備故障預測以及性能優(yōu)化等。

（4）智能化管理與優(yōu)化：基于數(shù)據(jù)分析結(jié)果，實現(xiàn)通用工程機械的智能化管理和優(yōu)化，包括定期維護、故障預防、性能提升等方面的應用。

（5）成本測算與決策支持：利用大數(shù)據(jù)分析結(jié)果對設備使用成本進行測算，為管理層提供決策支持，例如設備更新、投資規(guī)劃等。

2.1.3 云計算的應用

云計算技術已經(jīng)成為機械工程的重要技術手段，后續(xù)將會得到更廣泛地應用。通過云計算，可以實現(xiàn)通用工程機械的信息化和虛擬化管理，提高設備的利用率和及時性，云計算還可以通過對實時采集的運行數(shù)據(jù)進行存儲和計算，實現(xiàn)通用工程機械的遠程監(jiān)控和管理，同時還可以及時發(fā)現(xiàn)并解決潛在的問題，提高工程機械的整體效率和安全性。

2.2 智能油耗監(jiān)控系統(tǒng)的功能

根據(jù)依托工程設計的機械設備智能油耗監(jiān)控系統(tǒng)具有多項主要功能，主要包括以下8個方面：

（1）機械設備數(shù)據(jù)的存儲和管理：系統(tǒng)的前端控制器可以存儲現(xiàn)場機械設備的檢測數(shù)據(jù)，并在數(shù)據(jù)庫中管理這些數(shù)據(jù)，包括添加、刪除、修改和打印機械設備檢測數(shù)據(jù)報告等功能。

（2）監(jiān)測機械設備的運行狀態(tài)：前端控制器可以監(jiān)測后端單元的工作狀態(tài)，實時監(jiān)測當前檢測到的柴油發(fā)動機的運行情況。

（3）繪制負載特性曲線和速度特性曲線：系統(tǒng)可以根據(jù)存儲的數(shù)據(jù)繪制機械設備的負載特性曲線和速度特性曲線，為數(shù)據(jù)分析提供視覺支持。

（4）后端單元操作功能：后端單元由STD總線工控單元和微型計算機組成，可以獨立工作，即使前端控制器處于其他工作或關機狀態(tài)，后端單元仍然可以檢測主機的性能，并自動收集和顯示各種物理參數(shù)，如發(fā)動機轉(zhuǎn)速、燃油消耗、油壓、油溫、水溫、扭矩、排氣溫度等。

（5）人機交互操作：系統(tǒng)配備有檢測屏幕、鍵盤和LED顯示器，用戶可以通過人機對話輸入檢測參數(shù)、測試條件、檢測環(huán)境等，并使用功能鍵執(zhí)行各種操作。

（6）報警和保護功能：系統(tǒng)配備有各種聽覺和視覺報警以及LED參數(shù)閃爍，當某些參數(shù)超出限制時，將觸發(fā)報警。在停電期間，系統(tǒng)可以保護當前狀態(tài)和數(shù)據(jù)，并在電源恢復后進行補償運行。

（7）監(jiān)測定時器與報告功能：系統(tǒng)具有監(jiān)測定時器，可以在系統(tǒng)被干擾或故障發(fā)生時自動恢復運行，并具有自診斷與報告功能，以提高系統(tǒng)的穩(wěn)定性和可靠性。

（8）實時日歷和遠程操作：系統(tǒng)配備有實時日歷，可以自動記錄主機檢測的日期，并可以通過LED顯示日期，機械設備的節(jié)流閥和水閘可以進行遠程操作，并通過指示燈顯示操作過程，具有緊急停止和離線操作功能。

3 智能油耗監(jiān)控系統(tǒng)的設計

3.1 機械設備油耗的實時監(jiān)測與應用

機械設備智能燃油消耗監(jiān)測系統(tǒng)的實時監(jiān)控與應用涉及多個關鍵方面。首先，采用流量計法測量燃油消耗，通過在機械設備燃油管道上安裝流量計，將燃油流量產(chǎn)生的流量信號轉(zhuǎn)換為電信號，然后經(jīng)由轉(zhuǎn)換器轉(zhuǎn)換，獲得柴油機的燃油消耗率[1-2]。在機械設備的進油管道和回油管道上分別安裝渦輪流量計，監(jiān)測系統(tǒng)通過獲取渦輪流量計瞬時流量值并進行差分計算來計算燃油的實時體積消耗。其次，利用溫度傳感器測量燃油溫度，同時進行燃油密度的實時校正，從而計算燃油的實時消耗量，同時利用GPS定位模塊獲取機械設備的實時監(jiān)測數(shù)據(jù)。通過監(jiān)測數(shù)據(jù)計算各項指標參數(shù)，如流量和密度等，監(jiān)測系統(tǒng)還可以獲取瞬時燃油消耗和單位時間燃油消耗等數(shù)據(jù)，并顯示在機械設備的計算機屏幕上[3]。部分動態(tài)數(shù)據(jù)可以以柱狀圖的形式呈現(xiàn)，使現(xiàn)場人員更容易閱讀，此外系統(tǒng)還具有與岸基網(wǎng)站交換和傳輸數(shù)據(jù)的功能，使高速公路項目管理人員能夠?qū)崟r監(jiān)測和管理工程項目中所有機械設備的燃油消耗。

3.2 油耗監(jiān)控系統(tǒng)中數(shù)據(jù)采集的設計

機械設備智能油耗監(jiān)控系統(tǒng)的數(shù)據(jù)采集設計包括以下主要組成部分：（1）電子燃油傳感器：將機械設備油量信號轉(zhuǎn)換為連續(xù)變化的模擬電壓信號，用于監(jiān)測油耗情況。（2）電壓放大電路：將傳感器輸出的電壓信號放大到系統(tǒng)可測量的范圍內(nèi)，以便后續(xù)處理。（3）低通濾波電路：通過降低噪聲信號，確保信號質(zhì)量，保證系統(tǒng)準確性和穩(wěn)定性。（4）A/D轉(zhuǎn)換模塊：用于將模擬電壓信號轉(zhuǎn)換為數(shù)字信號，以便單片機進行處理。（5）單片機：負責對數(shù)據(jù)進行檢測、運算和控制，同時實現(xiàn)油耗監(jiān)控系統(tǒng)的功能，此外為確保系統(tǒng)的安全工作，采用光耦隔離器構(gòu)成光耦隔離電路，對里程信號進行隔離轉(zhuǎn)換，以防止干擾和保證電路的穩(wěn)定性和安全性，機械設備油耗監(jiān)控系統(tǒng)數(shù)據(jù)采集框架[4]，如圖1所示。

3.3 油耗監(jiān)控系統(tǒng)的硬件結(jié)構(gòu)

智能油耗監(jiān)控系統(tǒng)的硬件結(jié)構(gòu)主要包括輸入模擬信號、脈沖信號或電平信號的信號調(diào)理、采樣以及數(shù)碼顯示，最后以標準的BCD碼送入電腦，系統(tǒng)中的聲光報警通過振蕩電路驅(qū)動喇叭和發(fā)光二極管，實現(xiàn)聲光效應。測控儀是系統(tǒng)的關鍵部件，包括驅(qū)動模塊和測試模塊，驅(qū)動模塊采用電動機驅(qū)動光電傳感器，并可調(diào)整轉(zhuǎn)速；測試模塊則采用雙AT89C52微處理器，根據(jù)光電傳感器輸出的電脈沖信號進行測控。核心電路是信號調(diào)理及采集電路，將光電傳感器的信號轉(zhuǎn)換為微處理器可接受的電平信號，以實現(xiàn)對光電傳感器參數(shù)的測試工作，系統(tǒng)通訊采用RS-232通信接口，用戶界面采用人機會話。

3.4 油耗監(jiān)控系統(tǒng)的軟件設計

機械設備智能燃油消耗監(jiān)測系統(tǒng)的軟件設計涉及多個方面，包括測量與控制、預控機器監(jiān)控軟件的開發(fā)、系統(tǒng)管理、監(jiān)控管理以及瀏覽打印等功能模塊。在系統(tǒng)軟件開發(fā)中，測量與控制部分采用AT89C52作為核心，以KeilC51軟件作為開發(fā)平臺，預控機器軟件開發(fā)采用VB。監(jiān)控軟件必須具備數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換、數(shù)據(jù)通信、設備控制、人機交互和報警等基本功能，以及數(shù)據(jù)存儲、分析和打印等輔助數(shù)據(jù)管理功能。預控機器的功能模塊基于通信程序、數(shù)據(jù)庫和數(shù)據(jù)表，主要任務包括通信端口初始化、設備通信的建立和驗證、數(shù)據(jù)傳輸與接收、數(shù)據(jù)處理和顯示。該系統(tǒng)采用分布式管理和分散控制，使用計算機語言進行編程，如匯編語言、C語言和數(shù)據(jù)庫語言等等，充分利用每種語言的優(yōu)勢。后端機器采用STD總線，系統(tǒng)程序采用匯編語言來實現(xiàn)，充分利用計算機的資源共享，并開發(fā)與CPU/MEM兼容的實時操作系統(tǒng)，軟件設計采用模塊化編程方法，易于修改和擴展，將控制程序和主機校準電源、燃油消耗校正軟件和現(xiàn)場采集管理程序設計為菜單選擇和屏幕提示模式，方便用戶操作[5]。

4 結(jié)語

該文探討了公路工程施工技術水平的持續(xù)提高以及施工設備更新對工程建設的推動作用，強調(diào)了合理配置施工機械設備的重要性，并指出了合理配置施工機械設備對降低施工風險和提高施工效率的積極影響，特別是在公路工程領域，合理配置機械設備并考慮不同種類設備的協(xié)調(diào)施工，對于確保工程施工的質(zhì)量和效率至關重要。

隨著企業(yè)數(shù)字化轉(zhuǎn)型的加速推進，對施工現(xiàn)場原始數(shù)據(jù)的要求越來越高，確保施工現(xiàn)場數(shù)據(jù)的真實、有效、及時和準確對于公路施工企業(yè)的信息化和數(shù)字化管理至關重要，目前存在著通用工程機械設備數(shù)據(jù)獲取方面的問題，包括真實性差、準確性低以及數(shù)據(jù)時效性等問題。這些問題影響了管理層對項目管理的決策成本分析。為解決這些問題，該研究介紹了貴州省公路工程集團有限公司在貴州省貴陽至平塘高速公路建設項目第GPTJ-2合同段的通用工程機械油耗智能監(jiān)測及管控系統(tǒng)的試點工作，通過信息化技術和施工現(xiàn)場智能采集設備，該公司實現(xiàn)了準確、真實以及快速獲取項目現(xiàn)場施工通用工程機械數(shù)據(jù)的目的，為公路工程相關領域的研究提供一定的理論和實踐意義。

參考文獻

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[5]王昕，王堅，趙榮泳，等.油耗監(jiān)控系統(tǒng)中的多通道數(shù)據(jù)采集電路設計[J].信息技術，2012（4）：59-61+64.

收稿日期：2024-03-28

作者簡介：王代勇（1974—），男，本科，高級工程師，從事公路工程施工設備物資管理方面的工作。