論工程機械技術(shù)未來發(fā)展趨勢

摘 要：智能化工程機械和機群智能化施工是工程機械的未來發(fā)展方向，具有巨大的市場空間與廣泛的行業(yè)需求。文章研究了智能化工程機械的發(fā)展現(xiàn)狀及關(guān)鍵技術(shù)，包括自動化工程機械的定義與分類，工程機械控制器的發(fā)展現(xiàn)狀及發(fā)展趨勢，施工過程的機群智能化控制及基于分布式人工智能的機群施工過程的控制技術(shù)。

關(guān)鍵詞：工程機械；自動化控制；發(fā)展趨勢

一、自動化工程機械的定義和分類

自動化工程機械一般可以分成三類：遙操作工程機械、可編程控制工程機械和智能化工程機械。

遙操作工程機械經(jīng)常被用于危險或人類難以進(jìn)入的作業(yè)環(huán)境，如水下、高溫、高壓、核輻射環(huán)境，由操作者通過遠(yuǎn)程控制完成作業(yè)任務(wù)?？删幊炭刂乒こ虣C械通過改變工程機械的控制程序，完成不同的任務(wù)。

可編程控制工程機械適合在結(jié)構(gòu)化環(huán)境下進(jìn)行工作，一旦外部施工環(huán)境和施工對象發(fā)生變化，則需要重新編寫控制程序。目前絕大多數(shù)自動化工程機械都是可編程的。

智能化工程機械不需要操作人員的參與，通過安裝各種復(fù)雜的傳感器來獲取環(huán)境的信息，具有自我感知、自主決策、自動控制的功能。智能化工程機械是智能機器人的一類，目前還正處于探索階段，預(yù)計在未來將具有廣闊的前景。

二、工程機械的自動化控制系統(tǒng)

1.工程機械控制器的現(xiàn)狀。高可靠性的控制器是自動化控制系統(tǒng)的核心，在各種復(fù)雜工程機械中占據(jù)極其重要的地位。目前工程機械控制器的市場幾乎全部被國外產(chǎn)品所占據(jù)，如德國的力士樂和西門子、芬蘭的EPEC、日本三菱等。

2.工程機械控制器的發(fā)展趨勢。工程機械控制器的一個發(fā)展趨勢是人性化和網(wǎng)絡(luò)化。以往的工程機械控制器功能比較簡單，所實現(xiàn)的功能只是將面板的按鈕轉(zhuǎn)換為系統(tǒng)指令，以及監(jiān)測系統(tǒng)狀態(tài)、數(shù)據(jù)采集等。這些控制器力求穩(wěn)定可靠，并且盡可能使控制簡單快捷。但是如今隨著社會生產(chǎn)節(jié)奏日益加快，人們更加注重提高工作效率以及駕駛員操作的方便性和舒適性，采用大屏幕的液晶顯示使控制器的顯示界面更加人性化。

工程機械控制器不僅強調(diào)本地控制功能，還應(yīng)實現(xiàn)遠(yuǎn)程網(wǎng)絡(luò)通訊功能，具備各種通訊接口，包括網(wǎng)絡(luò)、CAN總線等，通過無線通訊模塊，可以將本機狀態(tài)發(fā)送到遠(yuǎn)程控制中心和其它的工程機械，方便地進(jìn)行交互和工作調(diào)度。一種基于CAN總線的工程機械網(wǎng)絡(luò)化控制系統(tǒng)，下位控制器執(zhí)行電液比例伺服控制、傳感器信號采集、操作控制等基本自動控制功能；上位控制器實現(xiàn)人機操作界面、儀表顯示控制和GPS定位等高級控制功能；輔助控制器完成一些輔助的控制功能，如安全報警、遠(yuǎn)程通訊等。

工程機械控制器的另一個發(fā)展趨勢是支持集群化和智能化?，F(xiàn)在的新型控制器，很多要求實現(xiàn)CAN的功能。

對于一項道路工程建設(shè)，施工現(xiàn)場可能綿延幾十千米，物料的調(diào)度和管理非常復(fù)雜，因此在工程車輛運行的過程中，時刻掌握每輛車的位置及其狀態(tài)，對于生產(chǎn)調(diào)度管理、合理配置資源有著非常重要的意義。所以一些控制器上帶有GPS 模塊和無線通信模塊。GPS 模塊負(fù)責(zé)隨時獲取本機的地理位置，無線通信模塊則可以將GPS 信息和車輛信息定時向管理中心發(fā)送。值得注意的是，GPS模塊已經(jīng)在工程機械上使用的越來越廣泛，不僅用來定位車輛地理位置，甚至高精度的模塊已經(jīng)用來定位挖掘機鏟斗的角度，直接在施工中作為路面基準(zhǔn)。

三、施工過程的機群智能化控制

1.國內(nèi)外機群智能化作業(yè)的研究現(xiàn)狀

在公路路面施工作業(yè)過程中，需要裝載機、攪拌設(shè)備、自卸汽車、攤鋪機、壓路機等多種類型的工程機械協(xié)調(diào)作業(yè)。為了提高施工效率，提高施工作業(yè)質(zhì)量，需要采用信息技術(shù)、通信技術(shù)和智能控制技術(shù)，

實現(xiàn)工程機械與施工環(huán)境的協(xié)調(diào)、工程機械與施工任務(wù)的統(tǒng)一，達(dá)到縮短施工周期、有效利用施工資源的目的。

目前國外先進(jìn)的工程機械公司已在新型的裝載機、平地機、挖掘機、攤鋪機、壓路機上安裝了遠(yuǎn)程無線通訊系統(tǒng)、GPS定位系統(tǒng)和車載計算機裝置，將機械的工作參數(shù)、工作進(jìn)程等一系列信息通過無線通訊系統(tǒng)進(jìn)行監(jiān)控和管理。

2.智能化工程機械機群施工過程控制技術(shù)

路面施工是一種大型化、機械化、復(fù)雜化的生產(chǎn)和流水作業(yè)的過程，要根據(jù)施工狀態(tài)與生產(chǎn)目標(biāo)對資源進(jìn)行實時任務(wù)分配，達(dá)到機群資源的最優(yōu)配置、最優(yōu)的工作效率和最佳的工程質(zhì)量。根據(jù)施工機群分布性、多目標(biāo)和動態(tài)性的特點，以往的集中控制無法滿足施工控制要求，需要研究新的網(wǎng)絡(luò)化、分布式智能控制技術(shù)，準(zhǔn)確地反映施工機群的靜態(tài)結(jié)構(gòu)和動態(tài)運行過程。

目前DAI技術(shù)已經(jīng)被廣泛應(yīng)用于商業(yè)、制造業(yè)、交通運輸和建筑等行業(yè)。在工程機械應(yīng)用中，研究了一種基于智能體的自動垃圾處理協(xié)作系統(tǒng)，其目標(biāo)是實現(xiàn)多個設(shè)備之間的協(xié)作方法；提出了一種多智能體工程預(yù)算方法，用于控制工程機械的施工管理過程。

在工程機械機群施工過程中采用分布式人工智能技術(shù)是一種有效的解決方案。多智能體控制技術(shù)應(yīng)用于工程機械機群智能化的核心在于：每個主體的智能或推理功能都很簡單，但當(dāng)協(xié)調(diào)工作時，能夠完成十分復(fù)雜的任務(wù)。多智能體技術(shù)在工程機械機群施工過程的應(yīng)

用主要有以下幾個方面：

（1）基于多智能體控制的施工體系研究。多智能體控制體系結(jié)構(gòu)是多智能單元之間的信息關(guān)系和控制關(guān)系以及問題求解的分布模式。體系結(jié)構(gòu)是研究智能控制問題的基礎(chǔ)。任務(wù)的分解與分配、信息集成與通訊、沖突和消解方法都基于多智能體控制體系結(jié)構(gòu)，體系結(jié)構(gòu)對整個施工過程控制的研究具有重要的意義。

（2）人機共棲的智能主體研究。機群施工作業(yè)過程中人的參與和指導(dǎo)是十分重要的，可以充分發(fā)揮人的指揮與機器智能解決問題的能力。人機執(zhí)行各自擅長的任務(wù)，從而實現(xiàn)人機的最佳協(xié)同合作。

（3）信息流集成模型的研究。機群施工過程控制中智能控制單元的相互協(xié)調(diào)通過信息流和物料流聯(lián)系起來。由于每一智能控制單元施工目的不同，其信息流有很大的區(qū)別，只有建立完善的信息流才能實現(xiàn)智能控制的目的。

（4）多智能主體協(xié)同決策系統(tǒng)的研究。協(xié)同決策是考慮多個主體參與的決策過程，由于各智能控制體的功能、方案和對象往往存在矛盾沖突，因此沖突識別和消解是協(xié)同設(shè)計所有多智能主體系統(tǒng)的關(guān)鍵問題。

四、結(jié)論

未來十年，我國基礎(chǔ)設(shè)施建設(shè)將處于前所未有的高速發(fā)展階段。據(jù)初步測算，在“十五”期間國內(nèi)工程機械的需求可達(dá)760 億元左右。因此，利用機器人技術(shù)、數(shù)字化技術(shù)、網(wǎng)絡(luò)技術(shù)、智能技術(shù)與高性能計算技術(shù)對傳統(tǒng)機械產(chǎn)業(yè)進(jìn)行改造提升，發(fā)展智能化工程機械，是一個具有行業(yè)帶動性的、在國家經(jīng)濟(jì)建設(shè)中具有全局性的重大問題。