推土機(jī)智能化控制技術(shù)的現(xiàn)狀與發(fā)展趨勢(shì)

□ 孔彥軍 □ 鄭恩華 □ 季小燕

山推工程機(jī)械股份有限公司 山東濟(jì)寧 272073

1 研究背景

推土機(jī)作為一種工程機(jī)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(fù)雜作業(yè)工況,應(yīng)用十分廣泛[1]。傳統(tǒng)的推土機(jī)自動(dòng)化程度低,工作強(qiáng)度大,效率低,并且對(duì)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(cè)試與傳感技術(shù)的發(fā)展,傳統(tǒng)的推土機(jī)已經(jīng)不能滿足社會(huì)發(fā)展的需要。因此,筆者對(duì)推土機(jī)智能化控制技術(shù)的現(xiàn)狀與發(fā)展趨勢(shì)進(jìn)行研究。

2 推土機(jī)智能化控制技術(shù)現(xiàn)狀

2.1 作業(yè)特點(diǎn)

智能化推土機(jī)通過(guò)采用各種不同的傳感器來(lái)采集外部環(huán)境信息,具有自我感知、自主決策、自動(dòng)控制等功能。智能化推土機(jī)作業(yè)具有三大特點(diǎn):① 程序化作業(yè),通過(guò)對(duì)可編程序控制器自主編程,所有操作均可按預(yù)定程序進(jìn)行,可實(shí)現(xiàn)無(wú)級(jí)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(dá)到節(jié)能減排的目的;③ 智能診斷與報(bào)警,實(shí)時(shí)顯示作業(yè)參數(shù)和作業(yè)狀態(tài),通過(guò)對(duì)技術(shù)狀態(tài)進(jìn)行智能化監(jiān)測(cè),對(duì)可能發(fā)生的故障進(jìn)行排查、預(yù)報(bào),減少人為誤判,具有技術(shù)維護(hù)、檢修等功能,并為及時(shí)解決故障提供保障[3]，操作簡(jiǎn)便，可視化、自動(dòng)化程度高。

推土機(jī)智能化控制技術(shù)主要體現(xiàn)在三個(gè)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(jī)的代表,全液壓推土機(jī)多采用雙泵、雙馬達(dá)兩側(cè)獨(dú)立式控制,通過(guò)調(diào)節(jié)流通電磁閥電流的大小,對(duì)電磁閥的開(kāi)度進(jìn)行智能控制,達(dá)到控制泵和馬達(dá)流量的目的。通過(guò)智能適應(yīng)復(fù)雜路況,實(shí)時(shí)糾偏,使推土機(jī)能夠直線行駛。通過(guò)操作電控手柄,對(duì)整機(jī)進(jìn)行電液聯(lián)合控制,實(shí)現(xiàn)全液壓推土機(jī)行走系統(tǒng)的無(wú)級(jí)變速。根據(jù)推土機(jī)的行駛速度與負(fù)載狀態(tài)智能調(diào)速換擋,使發(fā)動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速與運(yùn)行工況相匹配,實(shí)現(xiàn)節(jié)能、經(jīng)濟(jì)、滑轉(zhuǎn)率控制等模式,提高推土機(jī)的動(dòng)力性及燃油經(jīng)濟(jì)性[4]。

2.3 工作裝置智能控制技術(shù)

全液壓推土機(jī)通過(guò)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(shí)現(xiàn)工作裝置提升油缸、傾斜油缸、調(diào)角油缸等的動(dòng)作,從而實(shí)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(jī)的不同工況，可實(shí)現(xiàn)標(biāo)準(zhǔn)、精細(xì)、快速等工作模式。目前，智能化推土機(jī)還采用無(wú)線電搖控、激光、電子、傳感器、微機(jī)控制等先進(jìn)技術(shù),使工作裝置實(shí)現(xiàn)自動(dòng)找平功能。

2.4 故障診斷技術(shù)

智能化推土機(jī)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(gè)基本環(huán)節(jié),涵蓋檢測(cè)技術(shù)、信號(hào)處理技術(shù)、識(shí)別技術(shù)、預(yù)測(cè)技術(shù)等四項(xiàng)基本技術(shù)[5]。

智能化推土機(jī)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(jī)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(shí)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(lái),為故障判斷及進(jìn)一步深入研究提供依據(jù);③ 故障診斷及報(bào)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(shí)降低對(duì)操作人員及推土機(jī)的傷害;④ 通信,可運(yùn)用控制器局域網(wǎng)絡(luò)(CAN)總線技術(shù)和CANopen協(xié)議實(shí)現(xiàn)可編程序控制器與顯示器之間的信息交換,通過(guò)智能顯示器顯示界面建立良好的人機(jī)交互,完成對(duì)推土機(jī)主要參數(shù)、運(yùn)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(lái)的故障診斷情況,按照一定代碼以報(bào)警燈或提示語(yǔ)言形式進(jìn)行報(bào)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(jìn)行相應(yīng)的故障顯示,最終實(shí)現(xiàn)報(bào)警。可編程序控制器還具有一定的自學(xué)能力,能自動(dòng)保存新的故障代碼,并可對(duì)歷史故障進(jìn)行查詢。當(dāng)面臨危及人身和設(shè)備安全的重大事故發(fā)生時(shí),除了進(jìn)行聲光報(bào)警外,可編程序控制器還會(huì)自動(dòng)執(zhí)行相應(yīng)的保護(hù)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(jī)智能化控制技術(shù)發(fā)展趨勢(shì)

隨著電子信息技術(shù)的發(fā)展,推土機(jī)智能化控制技術(shù)發(fā)展也越來(lái)越快,新一代智能化推土機(jī)不僅可以實(shí)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(jī)群協(xié)同控制系統(tǒng)[8-10],集自動(dòng)化、數(shù)字化、集成化于一體。推土機(jī)智能化控制技術(shù)發(fā)展趨勢(shì)主要體現(xiàn)在數(shù)字化機(jī)械施工、工作裝置智能引導(dǎo)與自動(dòng)控制、互聯(lián)網(wǎng)大數(shù)據(jù)共享、機(jī)群智能化控制管理等方面。

3.1 數(shù)字化機(jī)械施工

新一代智能化推土機(jī)的數(shù)字化施工系統(tǒng)將配置光學(xué)攝像頭、全球定位系統(tǒng)、360°激光掃描儀,配合無(wú)人機(jī)進(jìn)行地理信息采集。以無(wú)人機(jī)為載體,在目標(biāo)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(zhǔn)點(diǎn),進(jìn)行施工前期的地域測(cè)繪,從而在施工之前就能準(zhǔn)確計(jì)算出土石方量,確定施工工期。無(wú)人機(jī)可精準(zhǔn)捕捉動(dòng)態(tài)作業(yè)中每一個(gè)動(dòng)作、每一個(gè)角度的復(fù)雜數(shù)據(jù),以及每一時(shí)刻的地理和環(huán)境三維信息,再利用未來(lái)智能化推土機(jī)的可編程序控制器進(jìn)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(jìn)行自主作業(yè)路徑規(guī)劃、自主學(xué)習(xí)、自動(dòng)作業(yè)，實(shí)現(xiàn)數(shù)字化機(jī)械施工。

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

3.2 工作裝置智能引導(dǎo)與自動(dòng)控制

基于全球定位系統(tǒng)的新一代智能化推土機(jī)三維控制系統(tǒng)可以實(shí)現(xiàn)推土機(jī)工作裝置的智能引導(dǎo)與自動(dòng)控制,主要由計(jì)算機(jī)、整車(chē)可編程序控制器、顯示器、固定全球定位系統(tǒng)基準(zhǔn)站和移動(dòng)全球定位系統(tǒng)接收器等組成。通過(guò)閃存盤(pán)將施工場(chǎng)地?cái)?shù)據(jù)傳輸至可編程序控制器進(jìn)行坐標(biāo)變換,在顯示器上顯示推土機(jī)鏟刀位置和相關(guān)數(shù)據(jù),同時(shí)整車(chē)可編程序控制器發(fā)出對(duì)鏟刀的控制信號(hào),利用移動(dòng)全球定位系統(tǒng)接收器確定推土機(jī)當(dāng)前位置和鏟刀坐標(biāo)位置,并與預(yù)先輸入在整車(chē)可編程序控制器內(nèi)的數(shù)字地形模型進(jìn)行對(duì)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(jī)進(jìn)行推土作業(yè)時(shí),可以克服激光、木樁、線繩等的限制,降低測(cè)量和工程造價(jià),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(fù)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(gè)方面:① 信息共享,可在辦公室和施工現(xiàn)場(chǎng)之間進(jìn)行實(shí)時(shí)文件互傳,確保施工信息最新,提高施工效率,避免返工;② 遠(yuǎn)程支持,辦公室人員可以遠(yuǎn)程控制施工現(xiàn)場(chǎng)操作屏幕,進(jìn)行遠(yuǎn)程培訓(xùn)和技術(shù)支持,減少因操作不當(dāng)或機(jī)器發(fā)生故障等原因而導(dǎo)致的停工，節(jié)約施工時(shí)間;③ 定位跟蹤,遠(yuǎn)程監(jiān)控跟蹤施工進(jìn)程,監(jiān)控設(shè)備使用狀況,進(jìn)而改善日常施工,最大化施工效率。

隨著推土機(jī)智能化水平的提高,故障診斷及解決問(wèn)題及時(shí)性與準(zhǔn)確性的要求也越來(lái)越高,互聯(lián)網(wǎng)大數(shù)據(jù)共享可實(shí)現(xiàn)實(shí)時(shí)過(guò)程控制,提高工效和工程質(zhì)量,降低工程施工成本。

3.4 機(jī)群智能化控制管理

機(jī)群智能化控制管理的目的是使系統(tǒng)中各機(jī)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(jī)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(gè)方面。通過(guò)對(duì)程序進(jìn)行智能控制,可以盡量減小工人不當(dāng)操作所產(chǎn)生的不利影響,使智能化控制系統(tǒng)下機(jī)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(jì)算機(jī)獲得,具有較高的科學(xué)性。

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

基于云端的機(jī)群智能化控制管理可以基于多地、多機(jī)數(shù)據(jù)在云端形成一個(gè)不斷壯大的數(shù)據(jù)共享平臺(tái),通過(guò)平臺(tái)再進(jìn)行有效的大數(shù)據(jù)分析、處理,針對(duì)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(wú)人機(jī)為載體,通過(guò)云端控制中心和機(jī)器自身深度神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)學(xué)習(xí),實(shí)時(shí)、同步積累所有機(jī)器的運(yùn)行數(shù)據(jù)、地理環(huán)境信息,將測(cè)繪輸出的矢量等高線云圖輸入云端服務(wù)器,控制數(shù)臺(tái)設(shè)備,以實(shí)現(xiàn)施工作業(yè)的整體最高效。

4 結(jié)束語(yǔ)

未來(lái),推土機(jī)的智能化控制技術(shù)發(fā)展將主要以解決用戶問(wèn)題為主,人機(jī)一體、智能制造是新一代智能化推土機(jī)的技術(shù)發(fā)展趨勢(shì)。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(jī)行業(yè)的數(shù)字化轉(zhuǎn)型,將實(shí)現(xiàn)人、機(jī)、物、信息、組織之間的無(wú)縫集成與合作,使推土機(jī)作業(yè)模式向自動(dòng)化、智能化、無(wú)人化發(fā)展,最終進(jìn)入一個(gè)全新的推土機(jī)智能化時(shí)代。