智能平地机设计

华南理工大学设计学院，广东广州，510006

摘 要：目的：针对现有工程机械车辆信息化程度不高的现状，探讨工程机械智能化作业的可能。方法：采用文献法、实地访谈等研究方法，对作业场景进行深入研究。结果：以挖掘机、推土机和装载机为代表工程机械车辆基本没有实现信息化，同时工程机械车辆之间的信息交流基本为零，作业流程中缺乏信息管理控制，成为工作效率提高的瓶颈。结论：以平地机概念设计为例，设计一套基于物联网的智能控制平台，即协同作业控制系统，通过信息化智能化控制，实现机械之间的协同作业，有助于提高机械作业的精度和效率。

关键词：智能化；物联网；协同作业；平地机

引言

随着国家发展需要以及“一路一带”带动的投资合作，以铁路、高速公路、机场、港口和核电站等为代表的一大批基础设施建设项目展开，其中2016年中国公路、水路和铁路的基础设施投资将超过2.6万亿元，市场领先优势越发明显。因此对工程车辆的需求很大，尤其是以挖掘机、推土机、平地机和装载机为代表的土方机械。增加科技含量，依靠新的技术提高市场份额，加快产品更新换代速度将促进整个工程车市场的需求，尤其现代电子控制技术的不断发展和普及使得越来越多的工程车专用电控产品应运而生，传统的工程车已难以适应激烈的市场竞争。

1 背景研究

在物联网越来越被人们熟识的背景下，物联网进一步实现人与物、物与物的融合，实现互联化、物联化和智能化的融合，融合了互联网、无线通信、全球定位、自动化、智能学习等技术。车联网作为物联网的重要内容，工程车辆联网是车联网的一个重要分支，对车辆的工程作业、全程调度、维护保养、故障诊断、商业模式、数据服务等方面产生了重要的影响，是工程机械的信息化革命。基于此，有研究利用全球定位系统GPS和地球信息系统GIS，用于车载的农田计算机辅助控制系统，自动将车辆实时工作信息、GPS定位信息、报警信息、统计信息等及时发送到中心，对采集的数据进行处理分析，完成地图显示、管理、土地平整效果分析等一系列操作，绘制最佳的车辆行驶路线，指导作业。结合无人驾驶技术和遥控技术，研究无人驾驶激光平地机，进一步提高土地平整机械的智能化水平。另外，也有研究发现将LCD显示屏、GPS监控终端和基本控制ECU统一管理，理论上能减少30%左右的接线，不仅降低生产成本而且大大提高系统的可靠性。一体机由车载蓄电池统一供电，简化了传统电源电路，可降低系统功耗。

2 调研分析

平地机是一种高速、高效、高精度和多用途的土方工程机械。平地机即可以单独作业也可做辅助其它工程车辆作业。在当今多车辆、高强度和大范围的土方作业场景中，平地机十分具有代表性。

调研对雪地铲雪作业、公路施工、农场平地松土和大型户外场地四种作业场景进行调查。通过调研徐工和中联等平地机发现：

（1）驾驶环境差。传统平地机的操作比较复杂，操作项目繁杂，劳动强度大，而且受到车辆结构限制，视野受到限制，作业环境比较艰苦。

（2）中控功能简单、业务单一。许多系统只有车辆定位、故障报警等基本应用，从车辆获取的信息非常有限，应该开发更多业务。

（3）信息化支持程度低。现有工程车大多搭载外接的中控台行车记录仪获取信息支持，工程车辆主要还是机械化的，本身没有安装额外的传感器。但是独立式的数据采集终端设备模式正在被取代，联网式后台服务系统模式更加具有优势。因为后台服务系统模式能够记录大量的车辆历史数据，对历史数据分析有巨大的应用价值。

（4）车辆互联水平低。

3 平地机设计展开

3.1产品设计

在车联网迅速发展的趋势下，为了迅速的适应市场需要，考虑到现有平地机分为有拖式和自行式两种，前者不适合复杂环境的作业，后者受到车体结构的影响，驾驶体验以及使用效率受到严重制约，且信息化程度基本为零。传统平地机缺乏信息交互设备与技术，不具备与其它工程车辆交互条件。因此，研究重新设计平地机，重新布局铲刀的位置，采取信息化控制作业方式，通车辆传感器监控铲刀的位置来适应不同情况的作业需要，通过地面辅助装置配合，获取作业车辆的位置与作业工地的相关数据，实现工程作业系统的信息化、智能化如图1。

3.2设计说明

上述平地机方案摆脱了传统平地机的结构形式，结合了有拖式和自行式两种方式的布局优点，即前者的高精度作业特点和后者适应复杂地形的能力。作业部分包括前部推刀与后部铲刀，前部推刀对起伏程度较大的地面进行粗加工，实现推土的功能为后部铲刀创造条件，后部铲刀则对地面实现高精度作业，比如铲雪作业时，前刀可以推开表层雪，然后利用后刀精心精铲，即可以防止地面被刮擦又可以清理干净地面。

该方案平地机创新点之一是建立全仿真数字平地和作业，实现自动化作业甚至远程操控作业。而辅助实现该功能的设备是地面定位器、地面信息控制器和车辆中央信息处理器如图3，以获得工地海拔和地形起伏等信息、车辆的相对位置、作业目标和车辆协同信息等。获得相关信息后，经过车辆信息处理器处理判断后，对作业进度、路径和动作做出及时响应，指引平地机对高于标准面的土方进行推铲或者对低于标准面的地形进行回填如图4。

4 智能作业系统设计

智能作业系统是平地机智能化作业的集中体现，是车联网及物联网的应用实现。工程车辆联网是车联网的特殊应用，工程车辆联网系统结构也可分为三层：感知层、网络层和应用层。由各种传感器识别采集数据，设计主要运用三维地图实时重建，即全自动摄影测量与三维建模技术，感知作业场景的实时动态，用以支持应用层的实现。

根据工程物联网系统结构指导设计智能作业系统，实现一个将车辆远程监控、车辆实时信息管理、车辆历史数据分析、用户权限管理等相关功能集一体的，基于 GPS 全球卫星定位、GPRS 实时数据交互、依托互联网异地同步实时管理的车联网大型工程车辆智能管理系统。该系统包括：系统中心、工程车辆、辅助终端。系统中心完成系统的定义、逻辑、转换、管理，包括了数据中心、监控中心和调度中心等关键模块。工程车辆是车辆作业数据上传与执行任务指令的双向媒介，也是作业目标达成的信息處理中心，更是协同作业系统的基础单元。辅助终端是采集和传输数据到系统中心，支持系统中心对作业进程的管控与安排。

与此同时，借助物联网实质拥有的感知、计算和通信能力的微型智能传感器及以其为节点形成的传感网，建立作业目标的数字模拟仿真系统，即数字工地，它是以空间信息为基础的工地信息系统体系，是建立在工地数字化基础上能够完成工地所有信息的精准适时采集、网络化传输、规范化集成、可视化展现、自动化操作和智能化服务的数字化智慧体。

智能作业系统研究工程作业车辆显示监视控制与车辆协同作业一体机，通过运用网络编程、数据库、地理信息系统等技术以及相关设计方案，搭建了工程车辆联网系统及软件平合，实现了系统的监控中心、系统以及业务展示平合，具有实时定位、数据查询、数据存储、远程监控、车辆跟踪、工程进度管理等功能，实现了多种系统网络数据业务。设计对象分为车辆管理、作业控制、协同管理和信息服务四個模块。

4.1车辆管理

车辆管理部分是物联网在汽车行业的体现，也是车辆网的主要内容之一，其本质是智能终端在车辆领域的应用。信息化的车辆信息管理有利于改善车辆的人机交互与用户体验，提高了对车辆的管理水平与效率，同时对车辆的设计改善提供参考。

车辆管理的目标是传统工程机械仪表的信息化展示如图5，主要内容包括三大类：行驶速度、里程、油量等车辆指标类数据；驾驶模式、空气循环、室内温度等驾驶室环境控制类信息；屏幕亮度、背景和字体等车载终端管理类信息。车辆部分设备控制既可以通过终端屏幕操作实现，也可通过操作车辆控制部件实现，比如车灯，这部分信息双向绑定。

4.2作业控制

作业控制是平地机实现智能化自动化作业的实现与保障，也是物联网用于工业生产的具体尝试。通过传感器获取车辆机械作业部件的数据是作业控制的关键，作业部件的实时监控可以实现作业动作的精准化，可以详细了解工程车当前工作状态，也可进行轨迹查询，可以帮助工程作业的经验积累与数据化管理，可以降低用户的劳动强度以及操作失误。

作业控制的功能是工程车辆（平地机）作业部件的信息化显示与控制，主要内容包括：平地机整车的位置、高度、倾斜状态等车辆车体信息；铲刀的高度和旋转角度等作业部件状态信息；作业目标与规划信息、作业实时动态等作业信息。设计将这部分数据的信息化控制分为两个子模块：信息控制模块和作业状态模块。

4.2.1信息控制模块

作业控制中的信息控制是对车身姿态的实时跟踪与控制以及对铲刀作业姿态数据的实时采集，通过车身姿态数据与铲刀姿态数据的上传、转化、计算和数据重建，结合作业目标的三维重建数据，在经过系统中心的计算后反馈给车辆车载系统用以支持作业部件姿态的实时调整如图6。

4.2.2作业状态模块

作业状态可以显示当前作业目标和所分配的任务规划与安排。它是在辅助终端对作业对象数字化重建后，根据任务要求和进度设计的，然后实时反馈给工程车辆车载终端。工程车辆根据需要将任务细分，分阶段有目标指定作业计划，绘制最佳的车辆行驶路线，指导作业。最后，车辆根据行驶路线开始作业，车载终端通过传感器实时监控作业目标状态，通过对比作业场地前后状态，获取当前作业的进度与轨迹如图7。

4.3协同管理

协同管理是复杂工程智能化作业达成的必然，也是其发展的高级版本。当前的工程作业场景都是高强度大范围的，需要多车辆多类别工程车辆集中作业，如此车辆间的协同配合和管理便有着巨大而迫切的需求。协同作业信息包括各种车辆的位置、车辆作业状态、进入与退出时机、作业目标进度和作业配合区的规划与设置等等。在仿真数字系统平台中，将车辆实时定位、故障车辆报警等信息集成在系统平台的电子地图上，实现数据图形化，使用户更加直观地获知相关信息如图8。

4.4信息服务

信息服务是提高车辆驾驶体验的主要方式，是用户放松娱乐的入口，也是获取帮助信息的渠道。信息服务包括地图导航、语音电话、音乐和互联网等，尤其用户可以在车载终端上使用互联网，相当于一个大屏的智能终端，语音声控实现的人机对话为信息服务提供新的交互方式与更好的使用体验。

5结语

借助工程车辆联网实现工程车智能化作业，设计智能作业系统，实现车辆信息采集、远程控制等功能，实现车辆的信息互联和工程信息化作业，旨在提高工程车辆的安全性和智能化程度，为工程车辆维护、管理提供便利，为工程实时作业信息化提供支持。智能作业系统的成功应用提升了企业的创造力和竟争力，推动了工程机械的发展，为物联网提供了重要的应用实例，具有重要的研究意义和应用价值。

参考文献：

[1]庚晋，梁洺佳.在经济危机下工程机械行业面临的机遇和挑战[J].装备机械，2009（03）：12-16.

[2]陈文聪.车联网前端系统研制[D].浙江大学，2012.

[3]艾建军，杨英芸，高韶坤.我国农田激光平地机的研究进展及发展趋势[J]. 东北农业大学学报，2013（11）：155-160.

[4]朱静静.工程车显示监视控制一体机的设计与实现[D].南京理工大学，2013.

[5]郭振.基于车联网的车辆信息采集系统的设计与研究[D].长安大学，2015.

[6]杨瑞.工程车辆联网系统及软件平台设计[D].浙江大学，2012.

[7]陈其霞.工程车辆车联网智能管理平台综合技术研究和实现[D].天津城市建设学院，2012.

[8]吴立新，汪云甲，丁恩杰，等.三论数字矿山——借力物联网保障矿山安全与智能采矿[J].煤炭学报，2012（03）：357-365.

[9]张立成.面向车联网的车载智能终端研究与实现[D].长安大学，2012.

作者简介：

王萍红/男/1992年生/江西人/硕士/研究方向为产品创新理论与应用