【文章內(nèi)容簡介】 大學(xué) 高工 液壓傳動 學(xué)士 男 53 原工程機械國企 銷售總經(jīng)理 高工 材料工程 大專 男 33 北京大學(xué) 碩士、工程師 圖象處理、系統(tǒng)工程 碩士 女 26 湖南大學(xué) 工程師 自動化 學(xué)士 男 27 湖南大學(xué) 工程師 機械工程 學(xué)士 三、項目的技術(shù)可行性和成熟性分析 項目的技術(shù)創(chuàng)新性論述 項目的基本原理及關(guān)鍵技術(shù)內(nèi)容 （一）項目的基本原理 該系統(tǒng)以嵌入式硬軟件架構(gòu)為核心，應(yīng)用智能控制技術(shù)，對工程機械設(shè)備 /車輛的工作環(huán) 境、工作狀況、動力系統(tǒng)、控制系統(tǒng)等各個方面進(jìn)行全方位的智能監(jiān)測、診斷維護(hù)和實施控制，以優(yōu)化作業(yè)途徑，節(jié)省能源，改善作業(yè)條件和勞動強度，提供情報、通訊等信息服務(wù)，提高設(shè)備的安全性、智能化水平和運營效率。同時通過無線通訊和互聯(lián)網(wǎng)技術(shù)實現(xiàn)現(xiàn)場工程機械設(shè)備 /車輛的遠(yuǎn)程管理 (3G/GPRS/GIS)和調(diào)度控制。 它由前端單元控制系統(tǒng)、機載前端控制系統(tǒng)、遠(yuǎn)程通訊控制系統(tǒng)三大部分構(gòu)成。各部分是聯(lián)系緊密又相對獨立的系統(tǒng)，后面系統(tǒng)均是前面系統(tǒng)的提高和升級。其中，前端單元控制系統(tǒng)的數(shù)據(jù)采集部分可利用現(xiàn)有成熟的傳感及數(shù)據(jù)采集技 術(shù)解決；遠(yuǎn)程通訊控制系統(tǒng)也可通過現(xiàn)有的組網(wǎng)技術(shù)和系統(tǒng)集成來解決，并非本系統(tǒng)難點。在整個大系統(tǒng)中 ,前端單元控制和機載前端控制系統(tǒng)是核心重點。 1．前端單元控制系統(tǒng) 前端控制部分由多個自成一體的獨立單元構(gòu)成，分別對工程機械車況、工況數(shù)據(jù)予以采集、分析，實現(xiàn)相關(guān)功能控制。各單元既可獨立成產(chǎn)品，也可與其他各單元組合成套。其中包含智能安全檢測與控制單元、計算機電液智能控制單元、電子節(jié)能控制單元、智能功率分配與控制單元、發(fā)動機 ECU 系統(tǒng)、以及故障診斷與分析等單元系統(tǒng)。主要完成對工程機械各個功能部件及工況的監(jiān)測、控制 和管理協(xié)調(diào)。 其中，前端控制的數(shù)據(jù)采集部分由各機載傳感器和數(shù)據(jù)采集部分構(gòu)成，通過傳感器接口與各機載傳感器互聯(lián)，如操縱桿位移速度、位置傳感器，臂桿長度、角度傳感器，活動平臺 /轉(zhuǎn)臺位置位移傳感器、各油缸內(nèi)油壓傳感器，閥、泵流量傳感器，閥芯位置傳感器，發(fā)動機轉(zhuǎn)速、功率載荷傳感器，油量、油溫、水量、水溫傳感器，車速、里程、方向位置等傳感器，主要完成車況、工況環(huán)境等全程數(shù)據(jù)采集； 2. 機載前端控制系統(tǒng) 包含機載前端控制主機、人機交互裝置、機載電源和機載視頻裝置等。通過機載工業(yè)總線（ CAN BUS）連接前端各單 元控制系統(tǒng)，實現(xiàn)系統(tǒng)的本地控制和維護(hù)。 3. 遠(yuǎn)程通訊控制系統(tǒng) 實現(xiàn)系統(tǒng)的遠(yuǎn)程控制、維護(hù)和調(diào)度管理。在 GPRS/CDMA/3G 網(wǎng)絡(luò)與監(jiān)控器之間，或監(jiān)控器與各前端單元控制系統(tǒng)之間，通過網(wǎng)絡(luò)中心或客戶服務(wù)中心進(jìn)行遠(yuǎn)程或現(xiàn)場遙控作業(yè)臺來實現(xiàn)對系統(tǒng)的監(jiān)控、診斷和維護(hù)。系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖見上面圖三所示 其基本工作原理是： 工程機械監(jiān)控器實時監(jiān)測工程機械運行和作業(yè)狀態(tài)，以高效智能操控、協(xié)調(diào)其施工作業(yè)，并提供診斷維護(hù)和相關(guān)信息服務(wù)。 當(dāng)工程機械出現(xiàn)有關(guān)安全及故障報警時 (手工報警和自動報警 )，工程機械監(jiān)控器自動接通網(wǎng)絡(luò)服務(wù) 中心信道，將故障信號通過公用網(wǎng)絡(luò)，傳送給網(wǎng)絡(luò)技術(shù)服務(wù)中心和各集團用戶監(jiān)管調(diào)度中心。 計算機收到報警信息后，在 GIS 系統(tǒng)中立即顯示出故障、工程機械位置、同時顯示報警狀態(tài)及工程機械的檔案資料。 在故障報警或遠(yuǎn)程維護(hù)時，計算機網(wǎng)絡(luò)技術(shù)服務(wù)中心的專家通過人機視頻交互裝置，直接與工程機械操作人員或現(xiàn)場相關(guān)人員對話，安撫操作人員和指導(dǎo)應(yīng)急處理或維護(hù)方法。 用圖示如下： （二）本項目系統(tǒng)診斷、監(jiān)控對象及工作流程 本裝置自診斷： 主要診斷相關(guān)電源、 MPU 及子系統(tǒng)和接口等等 車況診斷： 主要有 各傳 感器的連接診斷； 各傳感器初始合理值診斷； 測定指示診斷各長度的實時值、各角度的實時值、各工作半徑的實時值； 測定指示診斷各壓力值； 測定指示診斷各流量值； 測定指示診斷各重量值； 測定指示診斷其他值； 顯示調(diào)整實時時鐘； 各功能模塊對應(yīng)的鍵值。（例如：數(shù)據(jù)采集、參數(shù)設(shè)定、工作狀態(tài)設(shè)定、時鐘調(diào)整等）； C、各傳感器參數(shù)調(diào)整、設(shè)定模塊： 各長度傳感器參數(shù)的最小值、最大值、斜率的調(diào)整、設(shè)定； 各角度傳感器參數(shù)的最小值、最大值、斜率的調(diào)整、設(shè)定； 各壓力傳感器參數(shù)的初始值的調(diào)整、設(shè)定； 各流量傳感器參數(shù)的初始值的調(diào)整、設(shè)定； 其他傳感器參數(shù)調(diào)整設(shè)定； D、日歷時鐘參數(shù)調(diào)整、設(shè)定模塊： 年、月、日的調(diào)整、設(shè)定 分鐘、小時、 12/24 小時選擇的調(diào)整、設(shè)定 E、設(shè)置： 主要針對各測控對象的工作特征，設(shè)置出廠參數(shù)和工作形式 工作狀態(tài)選擇模塊： 車型選擇：（伸縮臂型起重機 /高空車、固定臂型起重機 /高空車、塔吊、挖掘機、裝載機等） 伸縮臂型起重機工作狀態(tài)： 支腿狀態(tài)選擇（全伸、半伸）； 鋼絲繩倍率選擇； 主 /副臂選擇（其中副臂選擇含副臂工作角度選擇）； 伸縮臂伸縮狀態(tài)選擇； 工作范圍限制（吊臂起伸高度、起伸角度、工作半徑的上限和下限）； 固定臂型起重機：工作狀態(tài)選擇類似（上述①、②、④項）； 高空作業(yè)車：工作狀態(tài)選擇類上； 塔吊：類固定臂起重機器； 挖掘機械類：出除各臂桿，回轉(zhuǎn)機構(gòu)外，重點在于非均衡負(fù)載工況處理選擇（考慮自動識別適應(yīng)？）； 裝載機械：類挖掘機 其他工程機械 F、通訊： 主要分為工作數(shù)據(jù)采集、處理結(jié)果回傳存儲；遙控設(shè)定；無線聯(lián)機遠(yuǎn)程操控等 數(shù)據(jù)自動采集模塊： 數(shù)據(jù)自動采集是以上位機機作為上位機， MPU 作下位機，將各傳感器實時值按一定采 集頻率將數(shù)據(jù)實時的采集到 MPU 下位機；然后通過數(shù)據(jù)自動傳送模塊采集到的實時數(shù)據(jù)自動傳送到上位機，以便進(jìn)行進(jìn)一步處理。 數(shù)據(jù)自動傳送模塊（包含上載和下載）： 數(shù)據(jù)傳送模塊包含兩個部分： MPU 下位機中將數(shù)據(jù)采集模塊所采集的數(shù)據(jù)按一定順序存儲，并按照所選擇的采集頻率通過 RS232/485 通訊口 /CAN接口 /無線接口進(jìn)行上傳。 上位機通過 RS232/485 通訊口 /CAN 接口 /無線接口按照一定的通訊協(xié)議將 MPU 下位機所傳送的數(shù)據(jù)加以接收，并按一定格式加以保存，以便進(jìn)行數(shù)據(jù)處理。 上位機通過 RS23/4852通訊口 /CAN 接口 /無線接口按照一定的通訊協(xié)議將上位機處理好的數(shù)據(jù)下載到 MPU 下位機中加以存儲。 遙控設(shè)定和無線聯(lián)機遠(yuǎn)程操控 G、 在線幫助： 主要指操作幫助和說明文檔、以及故障診斷說明和技術(shù)支持（考慮網(wǎng)絡(luò)聯(lián)機）幫助 H、 工作模型計算處理： 依據(jù)傳感器實時值和工況計算相關(guān)函數(shù)值，融入智能進(jìn)行處理控制和指示、或遠(yuǎn)端傳送以整體協(xié)調(diào)工作。 （三）項目的關(guān)鍵技術(shù)內(nèi)容 項目技術(shù)路線 本項目 的研制及實施過程，走的是一條在借鑒國外技術(shù)基礎(chǔ)上，結(jié)合中國工程機械市場特點獨立開發(fā)的技術(shù)路線，也是產(chǎn)、學(xué)、研合作開發(fā)模式在企業(yè)的應(yīng)用。 借鑒國外相關(guān)技術(shù) 自 20 世紀(jì) 80 年代始，國際上在機械工程領(lǐng)域出現(xiàn)了對健康監(jiān)控及智能應(yīng)用的研究，這是一項人工智能、控制理論與控制工程、運籌學(xué)等學(xué)科相互交叉的新興前沿技術(shù)，在國外，歐美發(fā)達(dá)國家由于其本身技術(shù)的先進(jìn)性，早已開展健康監(jiān)控和智能控制技術(shù)在工程機械中的應(yīng)用研究。而國內(nèi)對智能控制在機械工程設(shè)備中應(yīng)用的研究還比較少，在實際運用中更是幾近空白，受此啟發(fā)，在實際工作中，我們 意識到對該方面技術(shù)的開發(fā)及在實踐中的應(yīng)用將會是一個良好的發(fā)展方向，于是借鑒了國外研制思路，進(jìn)行人工智能、控制理論與控制工程、運籌學(xué)等學(xué)科在 智能控制及健康監(jiān)控技術(shù)方面的應(yīng)用研究。 在融合國外技術(shù)和中國市場特點基礎(chǔ)上進(jìn)行獨立開發(fā) 智能控制與健康監(jiān)控技術(shù)是一項新興技術(shù)，而工程機械模型復(fù)雜度、難度高，非人工智能難以解決，國外對相關(guān)方面的核心技術(shù)控制很嚴(yán)，因此，要研制開發(fā)出我們自己獨立的產(chǎn)品，只有依靠自己的力量進(jìn)行科研開發(fā)。我們成立公司并組建了自己的科研開發(fā)團隊，進(jìn)行該項產(chǎn)品的探索開發(fā)，經(jīng)過一年多的實踐摸索（組 建公司前有近 5 年的摸索?。?，我們成功開發(fā)出了該項目的初級產(chǎn)品，對高級技術(shù)及系列產(chǎn)品的研制也在進(jìn)行過程中，并且已經(jīng)找到了一套科學(xué)的實現(xiàn)方法。 采用產(chǎn)學(xué)研的發(fā)展模式，進(jìn)行技術(shù)升級 對項目今后的開發(fā)實施采取與院校、企業(yè)合作（已簽定相關(guān)合作協(xié)議），走產(chǎn)學(xué)研取多贏的通道。逐步探索新技術(shù)在該領(lǐng)域的運用，開發(fā)出新的系列產(chǎn)品，作到研究、產(chǎn)出、發(fā)展一體化，并在實踐中快速壯大。 技術(shù)內(nèi)容 該系統(tǒng)的研制，以工程機械健康監(jiān)控為起點，將電液成套和系統(tǒng)集成的機、電、液和網(wǎng)絡(luò)一體化技術(shù)應(yīng)用于起重、挖掘、裝載等大型工程機械中， 實現(xiàn)智能控制，同時，在國內(nèi)首次將無線通訊和互聯(lián)網(wǎng)絡(luò)等成熟而低成本平臺的遠(yuǎn)程通訊、調(diào)測技術(shù)應(yīng)用于機載控制系統(tǒng)中，實現(xiàn)對現(xiàn)場施工機械的遠(yuǎn)程實時健康監(jiān)控與調(diào)度，該系統(tǒng)涉及的關(guān)鍵技術(shù)有： 電液控制與成套、集成技術(shù) 電液控制技術(shù)本來已是一項國外較成熟技術(shù)，本項目將電液控制技術(shù)與相關(guān)技術(shù)作系統(tǒng)集成，從而合理地集成了系統(tǒng)的控制與管理功能，實現(xiàn)了整個系統(tǒng)的一體化，并能根據(jù)用戶對象的不同需求組合不同的成套產(chǎn)品。 模糊數(shù)學(xué) 本項目根據(jù)工程機械設(shè)備工作狀況的負(fù)載非均衡和液動性等特點和操作過程的智能化要求，創(chuàng)新性地將模糊數(shù) 學(xué)應(yīng)用到控制系統(tǒng)的模型設(shè)計中，將參數(shù)估計并入模糊處理，使結(jié)果更加精確，更符合實際工作情況變化的需要。參見下面一數(shù)學(xué)模型建立、參數(shù)評估方法 人工智能技術(shù) 本項目開創(chuàng)性地將人工智能技術(shù)運用到對控制系統(tǒng)模型和邊界條件的處理過程中，使得所建立的數(shù)學(xué)模型能大大提高系統(tǒng)的穩(wěn)定性、精確度和靈活性。 工程機械施工中，工作狀態(tài)、尤其是工作負(fù)載變換不斷，而液壓系統(tǒng)是一個即時動態(tài)非穩(wěn)定模型，只有熟練的掌握和深入了解工作細(xì)節(jié)，結(jié)合相關(guān)理論和專家意見，才能有效達(dá)到優(yōu)化控制效果。 無線視頻通訊及遙控遙測技術(shù) 國內(nèi)同類產(chǎn)品大多 只能實現(xiàn)有線視頻通訊，本項目產(chǎn)品成功地將無線視頻通訊技術(shù)應(yīng)用于本控制系統(tǒng)中，并結(jié)合遙控遙測技術(shù)實現(xiàn)系統(tǒng)的遠(yuǎn)程故障診斷、安全檢測及遠(yuǎn)程控制。 在當(dāng)前的ＧＳＭ網(wǎng)絡(luò)上，可以實現(xiàn)的最大傳輸速度是９．６ｋｂｉｔ／ｓ。ＧＰＲＳ是按ＧＳＭ標(biāo)準(zhǔn)定義的封包交換協(xié)議。理論上， GPRS/CDMA 帶寬為 144384Kbps，目前投入商業(yè)應(yīng)用實測值為 4060Kpbs，若作為流暢視頻（ 2530F/S），非 3G 達(dá)到商業(yè)應(yīng)用。而本系統(tǒng)僅作為監(jiān)測，流暢 /實時性要求一般，在應(yīng)用圖象窄帶壓縮技術(shù)前提下，可有效解決容量與速度的問題，達(dá)到遠(yuǎn)程 監(jiān)管維護(hù)之目的。 本項目應(yīng)用于遠(yuǎn)程傳輸監(jiān)管的主要參數(shù)： 圖像標(biāo)準(zhǔn)： 358 ⅹ 288 幀 容 量： 310k/幀 實 時 性（ 510 幀 /秒）： 3050k/秒 地理信息系統(tǒng)和互聯(lián)網(wǎng)技術(shù) 地理信息系統(tǒng)（ GIS）是近年來興起的一門新興技術(shù)，她能夠直觀有效的利用和表達(dá)地理信息數(shù)據(jù)，滿足信息綜合管理和數(shù)據(jù)服務(wù)可視化需要，在交通、遙控遙測領(lǐng)域具有廣泛應(yīng)用前景。本系統(tǒng)正是利用該技術(shù)應(yīng)用的典型代表。而互聯(lián)網(wǎng)在企業(yè)的深入應(yīng)用更是如火如荼。 本項目將這項較成熟而 低成本的技術(shù)應(yīng)用于對工程機械設(shè)備的遠(yuǎn)程管理系統(tǒng)中，是網(wǎng)絡(luò)技術(shù)在新的領(lǐng)域的拓展，為傳統(tǒng)產(chǎn)業(yè)實現(xiàn)高科技化樹立了一個典范。 產(chǎn)品結(jié)構(gòu) 本項目集成微電腦、電子電氣、電液控制、無線通訊、計算機網(wǎng)絡(luò)和軟件技術(shù)等，形成以該系統(tǒng)產(chǎn)品為基礎(chǔ)，集傳感部件產(chǎn)品，電液控制相關(guān)部件產(chǎn)品，無線通訊相關(guān)部件和產(chǎn)品，計算機管理和控制軟件等系列產(chǎn)品，并形成成套解決方案。 技術(shù)、對應(yīng)產(chǎn)品和完成功能之間的關(guān)系圖如下： 圖四 技術(shù)與產(chǎn)品結(jié)構(gòu)圖 上圖中間為產(chǎn)品，左邊為相應(yīng)的支撐技術(shù)，右邊為產(chǎn)品所實現(xiàn)的工程車輛的高附 加值功能。箭頭表示產(chǎn)品和技術(shù)的依賴關(guān)系。 灰色背景部分為公司自主研發(fā)和納入研發(fā)戰(zhàn)略的產(chǎn)品和技術(shù)，而傳感器、無線通訊等產(chǎn)品和技術(shù)則采用外購和外包方式。 基本算法原理 本項目根據(jù)工程機械設(shè)備工作狀況的負(fù)載非均衡和液動性等特點和操作過程的智能化要求，創(chuàng)新性地將模糊數(shù)學(xué)應(yīng)用到控制系統(tǒng)的模型設(shè)計中，將參數(shù)估計并入模糊處理，使結(jié)果更加精確，更符合實際工作情況變化的需要。同時將人工智能技術(shù)運用到對控制系統(tǒng)模型和邊界條件的處理過程中，使得所建立的數(shù)學(xué)模型能大大提高系統(tǒng)的穩(wěn)定性、精確度和靈活性。 基于工程機械汽車起 重機的相關(guān)模型： 下面模型是根據(jù)工程機械類系列汽車起重機