工程机械的智能化趋势与发展对策
2022-06-09
【论文摘要】结合我国工程机械智能化的现状与发展趋势，指出应综合利用机器人技术、数字化技术、网络技术、智能技术与高性能计算机技术等对我国现有的工程机械主导产品进行系统的技术改造和性能提升，采用自主创新与技术引进相结合的方式研制新一代智能化工程机械产品，以f带动我国传统工程机械产品尽快实现跨越式发展，提高我国工程机械产品的竞争力，并促进其产化的形成。
【论文关键词】工程机械智能化趋势对策
随着科技的进步和现代施工项目大型化的要求，新一代工程机械不仅需要实现集成化操作和智能控制，而且需要它们能够组成基于网络的智能化机群协同控制系统，以获得项目施工的高效、低耗，并在尽可能短的时间内完成项目施工任务。工程机械产品的自动化、智能化与集成化正在成为21世纪工程机械的重要发展方向之一。
工程机械智能化的现状与趋势
目前，工程机械的智能化主要体现在三个方面，即工程机械单机集成化操作与智能控制技术，工程机械的智能监控、检测、预报、远程故障诊断与维护技术，以及基于网络的机群集成控制与智能化管理技术等。
单机集成化操作与智能控制技术
工程机械集成化操作与智能控制技术包括：电液控制自动换挡变速器技术、机电液一体化控制技术、负荷传感全功率控制技术和可编程控制与无人操作技术等。
自动换挡系统在工程机械上的应用越来越普遍。它在提高工程机械的使用效益及作业质量，改善使用性能，减轻操作人员的劳动强度等方面显示出优越性。
自动换挡系统可分为液压式和电液式。液压式是将车辆的行驶速度、油门开度等行驶状态参数转换成油压信号，由油压信号控制换挡阀完成自动换挡。而电液式是将行驶速度、油门开度等行驶状况参数转换成电信号后输入电子换挡控制器，由电子换挡控制器控制换挡阀而实现自动换挡。电液式的自动换挡技术具有与工程机械的控制相兼容的优点，是目前工程机械机电液一体化的一个发展方向。
负荷传感全功率控制是一个具有压差反馈的伺服系统，由于泵的输出流量和压力能根据负载的变化做出相应的变化，克服了恒流量和恒压系统中的能量损失，从而提高了系统的工作效率。负荷传感系统具有节能、控制性能好、动静特性好、寿命长和元件规格小等特点。应用计算机控制技术，可以依次确定负荷传感系统中发微机应用与智能化动机与变量泵的匹配特性，并采用负荷传感微机节能控制系统实现全功率控制，达到最佳的经济匹配。
无人驾驶技术也是工程机械的一个发展方向。在特定的施工作业中，如危险矿井区、易塌方区、易燃爆区、辐射或有害健康的作业区、深海作业甚至外界星球等地方作业，就需要带有遥控装置的，采用专用的、高智能的、无人驾驶的工程机械。随着自动控制、机器人以及网络通信技术对工程机械领域的不断渗透，采用定向导航和位置诱导原理，依靠无线/有线通信、自身机械操作和自身监控信息反馈处理系统，通过计算机控制和自行判断，无人操纵的工程机械正在逐步的得到应用。
日本大成建设株式会社很早就研制成功了无人驾驶、能独立工作的履带式铲车，它能连续工作24'，且安全可靠；美国Sierrita矿的Cat992C型轮式装载机，装有可视距离内无线电远距离遥控系统，可在危险地带实施安全作业；澳大利亚也成功地开发了无人驾驶自卸车，实现了在千米以下坑道施工作业的无人化操纵。国外研制出的多种无人操纵工程机械，无疑使当今世界工程机械的发展沿着机电信一体化技术道路又前进了一步。
与此同时，我国也在致力于遥感控制和无人驾驶技术的研究和产品开发，并取得了一些成果。如由国防科技大学研制的第四代无人驾驶汽车，最高时速达到75.6km，创国内最高纪录；国防科技大学与江麓机械厂联合研制了无人驾驶振动压路机、局部自主式挖掘机等。但是，我国工程机械的无人驾驶技术还处于较低的技术水平，要形成产业化尚需付出更大的努力。
智能监控、检测、预报、远程故障诊断与维护技术
电子监控与故障诊断技术主要是指对工程机械进行在线的智能监控、检测、预报、远程故障诊断与维护，实现工程机械的监控与故障诊断数字化、自动化和智能化。国外有关研究内容及其今后的发展方向主要体现在智能化的电子监控系统、多传感器融合技术和故障预测、诊断与维护技术等方面。
从20世纪80年代开始，随着微型计算机的普及，国外知名的工程机械厂家开始将微机应用到工程机械上并取得了良好的效果。美国卡特彼勒公司在装载机上装上电子监控系统，可对轮式装载机主要部件出现的故障或潜在问题发出警告和显示，根据故障对机械本身及人员安全的影响程度，发出三种不同警告级别的信号，指示操纵人员采取适当措施。近年来，国外厂商在电子监控系统上加装了故障数据的记录存储和输出接口，维修人员可将故障代码输出，进行分析，确定故障的类型和故障点。相比之下，我国工程机械在这方面的研究与应用还比较落后，电子监控与故障诊断技术正处于初始应用阶段。
传感器是电子监控与故障诊断技术应用的关键部件。随着世界传感器市场渐趋成熟，给工程机械的发展提供了有力支持。多传感器融合技术是在诊断系统中设置多种类型的传感器，用来探测工程机械部件由于磨损、疲劳断裂、弹性或塑性变形而在振动、温度、压力、流量等物理现象上的不同反映。对参加施工作业的工程机械，一般都要求具有很强的工作能力和较低的故障率，因此在作业中要求对多目标进行准确的定位、跟踪和分类识别。多传感器融合技术包括数据融合、信息融合以及数据与信息的融合，它是把从多个信息源得到的数据结合起来，以获得数量更多、质量更高的信息。
我国的传感器技术的发展大大落后于世界领先水平，至今，高可靠性的温度、压力、角度、速度、加速度和力矩等传感器大多只能引进，可以说传感器技术仍将在今后一段时间内制约我们研制具有完全自主知识产权的电子监控与故障诊断系统。
基于网络的机群集成控制与智能化管理技术
在高等级公路路面施工项目中，由于施工机械品种及数量较多，各种机械的运行状态具有一定的随机性，施工项目的最优配置一直是实际施工中未能解决的问题。在需要由多机种、高性能机械联合作业施工的情况下，不仅施工机群的投资巨大，机械设备的使用费用高，而且机群作业的协调工作决定着整个工程的进度、质量和效益。因此，对机群进行优化配置和调度，充分发挥机群协同作业的工作效率，降低施工成本，已成为大型工程项目施工中十分重要的问题。近几年来国内外在这方面做了大量研究，在理论上取得了一些成果，但由于缺乏相应技术手段，所取得的理论研究成果尚未在施工中得到检验，因此积极开展工程化研究尤为重要。当前，基于网络的机群集成控制与智能化管理技术应用在大型工程项目显得十分迫切。该项技术包括：机群优化配置、智能调度、协同控制及数据通信技术等。
【论文关键词】工程机械智能化趋势对策
随着科技的进步和现代施工项目大型化的要求，新一代工程机械不仅需要实现集成化操作和智能控制，而且需要它们能够组成基于网络的智能化机群协同控制系统，以获得项目施工的高效、低耗，并在尽可能短的时间内完成项目施工任务。工程机械产品的自动化、智能化与集成化正在成为21世纪工程机械的重要发展方向之一。
工程机械智能化的现状与趋势
目前，工程机械的智能化主要体现在三个方面，即工程机械单机集成化操作与智能控制技术，工程机械的智能监控、检测、预报、远程故障诊断与维护技术，以及基于网络的机群集成控制与智能化管理技术等。
单机集成化操作与智能控制技术
工程机械集成化操作与智能控制技术包括：电液控制自动换挡变速器技术、机电液一体化控制技术、负荷传感全功率控制技术和可编程控制与无人操作技术等。
自动换挡系统在工程机械上的应用越来越普遍。它在提高工程机械的使用效益及作业质量，改善使用性能，减轻操作人员的劳动强度等方面显示出优越性。
自动换挡系统可分为液压式和电液式。液压式是将车辆的行驶速度、油门开度等行驶状态参数转换成油压信号，由油压信号控制换挡阀完成自动换挡。而电液式是将行驶速度、油门开度等行驶状况参数转换成电信号后输入电子换挡控制器，由电子换挡控制器控制换挡阀而实现自动换挡。电液式的自动换挡技术具有与工程机械的控制相兼容的优点，是目前工程机械机电液一体化的一个发展方向。
负荷传感全功率控制是一个具有压差反馈的伺服系统，由于泵的输出流量和压力能根据负载的变化做出相应的变化，克服了恒流量和恒压系统中的能量损失，从而提高了系统的工作效率。负荷传感系统具有节能、控制性能好、动静特性好、寿命长和元件规格小等特点。应用计算机控制技术，可以依次确定负荷传感系统中发微机应用与智能化动机与变量泵的匹配特性，并采用负荷传感微机节能控制系统实现全功率控制，达到最佳的经济匹配。
无人驾驶技术也是工程机械的一个发展方向。在特定的施工作业中，如危险矿井区、易塌方区、易燃爆区、辐射或有害健康的作业区、深海作业甚至外界星球等地方作业，就需要带有遥控装置的，采用专用的、高智能的、无人驾驶的工程机械。随着自动控制、机器人以及网络通信技术对工程机械领域的不断渗透，采用定向导航和位置诱导原理，依靠无线/有线通信、自身机械操作和自身监控信息反馈处理系统，通过计算机控制和自行判断，无人操纵的工程机械正在逐步的得到应用。
日本大成建设株式会社很早就研制成功了无人驾驶、能独立工作的履带式铲车，它能连续工作24'，且安全可靠；美国Sierrita矿的Cat992C型轮式装载机，装有可视距离内无线电远距离遥控系统，可在危险地带实施安全作业；澳大利亚也成功地开发了无人驾驶自卸车，实现了在千米以下坑道施工作业的无人化操纵。国外研制出的多种无人操纵工程机械，无疑使当今世界工程机械的发展沿着机电信一体化技术道路又前进了一步。
与此同时，我国也在致力于遥感控制和无人驾驶技术的研究和产品开发，并取得了一些成果。如由国防科技大学研制的第四代无人驾驶汽车，最高时速达到75.6km，创国内最高纪录；国防科技大学与江麓机械厂联合研制了无人驾驶振动压路机、局部自主式挖掘机等。但是，我国工程机械的无人驾驶技术还处于较低的技术水平，要形成产业化尚需付出更大的努力。
智能监控、检测、预报、远程故障诊断与维护技术
电子监控与故障诊断技术主要是指对工程机械进行在线的智能监控、检测、预报、远程故障诊断与维护，实现工程机械的监控与故障诊断数字化、自动化和智能化。国外有关研究内容及其今后的发展方向主要体现在智能化的电子监控系统、多传感器融合技术和故障预测、诊断与维护技术等方面。
从20世纪80年代开始，随着微型计算机的普及，国外知名的工程机械厂家开始将微机应用到工程机械上并取得了良好的效果。美国卡特彼勒公司在装载机上装上电子监控系统，可对轮式装载机主要部件出现的故障或潜在问题发出警告和显示，根据故障对机械本身及人员安全的影响程度，发出三种不同警告级别的信号，指示操纵人员采取适当措施。近年来，国外厂商在电子监控系统上加装了故障数据的记录存储和输出接口，维修人员可将故障代码输出，进行分析，确定故障的类型和故障点。相比之下，我国工程机械在这方面的研究与应用还比较落后，电子监控与故障诊断技术正处于初始应用阶段。
传感器是电子监控与故障诊断技术应用的关键部件。随着世界传感器市场渐趋成熟，给工程机械的发展提供了有力支持。多传感器融合技术是在诊断系统中设置多种类型的传感器，用来探测工程机械部件由于磨损、疲劳断裂、弹性或塑性变形而在振动、温度、压力、流量等物理现象上的不同反映。对参加施工作业的工程机械，一般都要求具有很强的工作能力和较低的故障率，因此在作业中要求对多目标进行准确的定位、跟踪和分类识别。多传感器融合技术包括数据融合、信息融合以及数据与信息的融合，它是把从多个信息源得到的数据结合起来，以获得数量更多、质量更高的信息。
我国的传感器技术的发展大大落后于世界领先水平，至今，高可靠性的温度、压力、角度、速度、加速度和力矩等传感器大多只能引进，可以说传感器技术仍将在今后一段时间内制约我们研制具有完全自主知识产权的电子监控与故障诊断系统。
基于网络的机群集成控制与智能化管理技术
在高等级公路路面施工项目中，由于施工机械品种及数量较多，各种机械的运行状态具有一定的随机性，施工项目的最优配置一直是实际施工中未能解决的问题。在需要由多机种、高性能机械联合作业施工的情况下，不仅施工机群的投资巨大，机械设备的使用费用高，而且机群作业的协调工作决定着整个工程的进度、质量和效益。因此，对机群进行优化配置和调度，充分发挥机群协同作业的工作效率，降低施工成本，已成为大型工程项目施工中十分重要的问题。近几年来国内外在这方面做了大量研究，在理论上取得了一些成果，但由于缺乏相应技术手段，所取得的理论研究成果尚未在施工中得到检验，因此积极开展工程化研究尤为重要。当前，基于网络的机群集成控制与智能化管理技术应用在大型工程项目显得十分迫切。该项技术包括：机群优化配置、智能调度、协同控制及数据通信技术等。