结合物联网技术的施工机械单机核算研究

郭文奇

（中铁九局第七工程有限公司，辽宁沈阳 100044）

0 引言

机械设备支出占企业施工支出的很大一部分，如何控制机械设备成本便成为控制施工成本的一项重要内容。单机核算可以通过设备成本与产值的对比分析，找出利润损失点，为企业制定机械施工成本控制措施提供基础数据支持。但是，采用人工记录数据的单机核算按月计算产值，如果涉及多台设备一起施工或者设备调度频繁等复杂情况，只能统计多台设备总计的产值，无法准确辨别单台设备的产值。而物联网可以实现对数据的实时采集、传输与处理，它与施工机械设备单机核算结合，让单机核算更加的信息化、智能化，弥补单机核算数据采集难度大、人为因素影响高、核算周期难以缩短等缺点。

1 物联网概述

物联网体系架构可分为3 层：感知层、传输层和应用层。

感知层相当于人体的感知器官，由传感器、执行器与控制器及传感网络构成，是联系物理世界与虚拟世界的纽带。传感器是把物理信号转换成数字信号的仪器，下面利用油耗传感器、GPS（Global Positioning System，全球定位系统）、角位移传感器3 种传感器对施工机械数据进行采集。油耗传感器需要精确的油箱体积，通过测量油面高度，计算燃油消耗。由于短时间内油面高度变化不大，很难准确测量。为了提高测量准确性，本文以每天为计量周期测量油耗。GPS 定位系统可以通过定位判定施工机械的位置和行走状态，角位移传感器可以用来测量角位移量和转动状态。

传输层是对采集到的数字信号的进行传输，包括NFC（Near Field Communication，近场通信）、Wi-Fi（Wireless Fidelity，无线上网）等近场通信技术和GPRS（General Packet Radio Service通用分组无线服务技术）等远距离传输技术。

应用层是在终端把传输层传送过来的数字信号转换成数据，并利用终端设备对数据进行整理的分析。把分析计算过程集成到终端软件中，让最终结果和数据一目了然。

2 单机核算

单机核算是通过对比相同周期内的单机产值和单机成本，确定单机盈亏的一种核算方法。

2.1 单机产值核算

人工计量产值的方法由于人力物力有限，一般每月只对单机产值统计一次。如果缩短计量周期会增加产值的计量难度，且随着计量频次的增加，受人为因素的影响增大，结果的准确性依赖于计量者责任心。在多台设备同时施工或者设备调动频繁的施工中，人工计量产值只统计多台设备周期内的总产值，无法准确区分周期内每台设备的产值。

物联网技术的应用，可以随时通过传感器分别记录每台设备的工作状态，计算任意时间段内的产值。施工机械工作状态可分为3 种：待机状态、行走状态、施工状态。只有施工状态是产生产值的，只需要记录施工状态就可以准确统计产值。

以挖掘机为例，通过安装在挖掘机上角位移传感器记录的大臂旋转状态和GPS 定位系统记录的行走状态判断挖掘机的3种工作状态。挖掘机位置不移动，大臂也不转动时，判定为待机状态。挖掘机位置不移动，但大臂转动但时，判定为施工状态。挖掘机位置移动，但大臂不转动时，判定为行走状态。根据挖掘机工作性质，不存在一边转动大臂、一边移动位置的状态。

计算挖掘机施工状态工程量时，计量周期可以任意选取Ln=Anαn。其中，Ln是计量周期内某种施工的工程量，αn计量周期内是某种施工的大臂转动总角位移，An是某种施工单位角位移的工程量。An需要实验得出，实际现场测量一定时间内某种施工的工程量Ln'和相同时间内的总角位移αn'，单位角位移的工程量计算公式为，则挖掘机计量周期内的单机产值计算公式为。其中，Z 是计量周期内的单机产值，Dn是某种施工的工程单价。

此方法在多台施工机械同时进行同种施工时，对辨别每台设备的产值和缩短单机核算的计量周期有明显优势。

2.2 单机成本核算

根据成本组成不同可把设备分为租赁设备和购买的自有设备。设备成本又可分为固定成本和变动成本。

（1）租赁设备的成本包括燃油动力费和租赁费。其中，变动成本为燃油动力费，固定成本为租赁费。

（2）购买的自有设备的变动成本包括：燃油动力费（部分设备使用的电力费、水费）、材料费（各种附属油、棉纱等）、配件费（自行更换的配件保养件等）、年费分摊（年检费、校验费等）、维修费（外厂维修和单位自行维修）、其他直接费（二次运转费、冬季施工及夜间施工增加费等）；固定成本包括：折旧费、保险费、管理费、机组人工基础工资及津贴、设备大修理预提费。

（3）总成本为变动成本与固定成本之和，G=Y+Q。其中，G 是计量周期内的总成本，Y 是计量周期内的变动成本，Q 是计量周期内的固定成本。

燃油动力费管理是单机成本核算中的重点内容，不仅管理难度大，而且统计容易出差错。把燃油动力费核算与物联网技术结合，通过油耗传感器采集计量周期内的燃油消耗量，再乘以燃油单价就可以准确计算出计量周期内的燃油动力费。相比于人工记录油耗，物联网技术可以直接把燃油消耗数据传送到计算机终端，并在终端对燃油消耗进行分析，判断是否消耗异常。

人工记录数据的油耗分析是通过记录单台设备一段时间内的总燃油消耗量除以总开机时间，得出单位时间平均油耗量。但是施工机械有多种不同工作状态，油耗也是不同的。一般情况下的油耗顺序为：施工状态油耗＞行走状态油耗＞待机状态油耗。根据总工作时间求得的平均油耗，会因为施工内容的不同产生较大的误差，很难判断出数据是否异常。例如发现挖掘机某天油耗异常增高，可能是由于当天施工时间增长，待机时间缩短导致，不能准确判断油耗是否异常。

结合物联网技术，可以准确统计出处在3 种不同工作状态的时间，计算3 种工作状态的油耗。因为油耗传感器灵敏度低，精度不高，3 种工作状态又反复交叉。每种状态时间短，直接记录每种状态油耗误差大，所以不直接计量某种工作状态的油耗，而是通过计量工作状态的时间，再根据每天采集的油耗总量计算每种工作状态的油耗。

连续测量n 天油耗和时间数据，第n 天的待机状态总时间为tan，行走状态总时间为tbn，施工状态总时间为tcn，油耗量为yn。因为施工机械在相同工作状态时，燃油消耗速度基本相同，所以可设待机状态燃油消耗速度为xa，行走状态燃油消耗速度为xb，施工状态燃油消耗速度为xc。在第n 天可得如下方程：

从第1 天到第n 天，所有yn组成了一个n 个等式，3 个未知量的超定方程组。

将上述方程组向量化得到数学模型：TX=Y。其中，

此方法需要保证前四组数据的油耗是正常的，才可以正确拟合回归方程。每次获得数据可以更新回归方程，数据越多，回归方程准确性越高。

上述模型只可检测出由于油箱漏油、燃油丢失等原因造成的油耗的突然变化导致的油耗异常。由于设备老化、燃油质量不佳等原因导致到长期性油耗异常，此模型无法检测。

2.3 单机核算对机械施工的动态优化作用

单机核算的主要作用是确定每台设备的盈亏情况。通过对比分析盈亏值，找到机械施工和成本管理的薄弱环节，并验证改正措施的有效性，最终达到减少利润流失，提升管理水平的目的。

某计量周期内单机核算的盈亏值R 可以表达为R=Z-G。式中三者的计量周期相同。如果R＞0，则计量周期内是盈利的；如果R＜0，则计量周期内是亏损的；如果R=0，则计量周期内是不亏不盈的。

将核算实际的盈亏值与目标盈亏值比较，如果实际的盈亏值达到预期目标，则保持现在有的设备管理内容；如果实际的盈亏值没有达到预期，则可从单机产值和单机成本两方面分析原因并提出改正措施。最后再通过单机核算对改正措施进行验证，改正后的实际盈亏值达到预期目标，那么改正措施合理。

从上诉论述可以看出，单机核算的结果可以对机械施工进行一种动态的优化。单机核算的计量周期越短，机械施工的动态优化频率就越高，对优机械施工管理就越有利。人工记录数据的单机核算由于计量周期较长，计量周期内施工种类多，很难准确确定是哪天、哪种施工导致的亏损，无法正确地提出改正措施，减弱了单机核算的动态优化作用。而结合物联网技术，可以把单机核算的周期缩短到按天计量而又不失准确性。

3 结论

把物联网技术与单机核算结合，可以提高核算的信息化与智能化，在不增加人力的前提下，缩短核算周期。在计算多台设备进行同种施工的单机产值时，结合物联网技术可以清晰确认每台设备的产值。在对燃油消耗成本异常的分析中，结合物联网技术准确测出设备处在不同工作状态的时间，通过最小二乘法计算出每种状态油耗，可以避免由于工作状态改变导致的油耗异常。结合物联网技术可以提高单机核算对机械施工进行动态优化的频率，增强动态优化的作用。