工程机械智能化关键技术分析

2021-04-03刘建

建筑与装饰 2021年18期

刘建

江苏徐工工程机械研究院有限公司江苏徐州 221008

引言

随着老龄化加剧和施工复杂性增加，工程机械智能化的需求日趋强烈。通过智能化技术可以减轻作业劳动强度、提高作业质量和效率和保证作业安全，因此国际工程机械先进企业均进行了工程机械智能化技术的研究，比如卡特匹勒的无人矿山系统和数字施工系统、小松的自动运输系统和智能施工系统等。本文首先分析了工程机械智能化背景，明确了智能控制在工程机械上的应用场景；然后分析了工程机械智能化需要解决的关键技术。

1 工程机械智能化背景

工程机械智能化背景主要体现在几个方面：

第一，传统控制方法已不能满足工程机械操控性要求。工程机械机械在作业过程中动作频繁，作业环境复杂多变，工程机械结构日趋复杂，机械液压系统惯性质量大，又包含许多非线性因素，因此需要智能控制技术。

第二，高素质工程机械操作员短缺，影响作业效率和质量。作业效率和质量对操作员素质依赖性很大，而近年来老龄化造成高素质操作员的短缺及人力成本的增加，作业效率和质量降低。因此需要智能工程机械解决，并能减轻劳动强度和操作难度。

第三，建设项目日趋复杂，亟须先进施工工艺和智能工程机械。传统施工工艺已不能满足越来越复杂的建设项目，以及建筑缺陷增加、项目控制困难、成本超出预算等问题，也需要工程机械智能化和自动化解决。

第四，安全和环保要求日趋严格，需要智能化方法解决。工程机械工况复杂、操作要求高，操作人员因认知疲劳而造成事故，传统的被动安全控制不足以应对动态、非结构化环境，需要主动安全技术；此外，需要智能化节能减排方法，才能符合严格的环保要求。

2 工程机械智能化关键技术

2.1 智能控制技术

智能控制是针对被控系统及其控制环境和任务不确定性而提出的，智能控制过程是含有复杂性、不确定性、模糊性且一般不存在已知算法的非传统数学公式化的过程[1]。

2.1.1 面向智慧建造的工程机械任务规划和运动规划技术。智慧建造是以BIM（+GIS）、物联网、云计算、移动互联网、大数据等信息技术为工程信息化建造平台，是信息技术与传统建造技术融合的全新建造方式[2]。智能化工程机械是实现自动化安装的重要装备，是应用于智慧建造施工的基本模式，通过与设计信息（特别是BIM模型）集成，实现几何信息与智能化工程机械施工作业运动方式和轨迹的对接，完成机器人施工作业指令的转译与输出。对于智能化工程机械，需要任务规划和运动规划相关技术才能将设计信息转为其执行信息。因此，需要研究面向智慧建造的工程机械任务规划和运动规划技术。

2.1.2 面向智慧工地的工程机械远程控制技术。智慧工地通过远程高速无线数据传输，实现实时动态的远程报警、远程监控及远程通知，设备监控变成开放的透明的实时动态监控[3]。它借助新一代的物联网、云计算、决策分析优化等信息技术，将人、机、物等各个核心系统结合起来，以一种更加智慧的方式运行。智能化工程机械是智慧工地替代人力，变革传统劳动密集建筑业必不可少的特种设备。通过应用传感器技术、物联网、人工智能、大数据、云计算等信息技术对特种设备的远程控制和监测将可极大提高作业安全和质量[4]。

2.2 人机共融技术

所谓人机共融，就是人与机器能在同一自然空间里工作，能够紧密协调，能够自主提高自己的技能，能够自然交互，同时要保证安全，要让机器人把人的符号化、学习、预见、自我调节以及逻辑推理能力与机器的精准、力量、重复能力、作业时间、环境耐受力结合在一起。实现之后，人与机器人的关系就会改变，成为一种伙伴关系，可以相互理解、相互感知、相互帮助。人机共融，意味着机器人的智能化水平不断提升，而这一点也将是机器人市场加速扩张的重要助推器。

2.2.1 智能驾驶舱综合信息显示技术。随着工程机械智能化和信息化的提高，传统的机械仪表已无法应对数据量的暴增；其次，传统汽车座舱的功能区布局碎片化，信息过载增加了操作人员的认知负担，从而无法实现有效的人机交互。集成了液晶仪表、抬头显示仪、中控屏幕和后座娱乐的多屏融合智能驾驶舱信息承载量级大，加上组合显示的多样化，将带来更为智能化和安全性的交互体验，提高操作人员的态势感知能力，同时也是高级辅助驾驶、自动驾驶和人工智能等新时代技术的关键接口。因此智能驾驶舱也是工程机械重要的发展方向，可以为操作人员带来更多便利和更好地整体视野，从而提高作业安全性。

2.2.2 智能驾驶舱自然人机交互技术。从信息转换的角度看，人机交互系统实际上是实现“用户感知”和“计算机处理空间”之间的信息转换。用户的感知是用户意识和多维信息的集合，所以通常是模糊的和不清晰的，而计算机处理空间则是一个规则的、精确的信息空间，两者的差异性造成两者之间的映射变得十分复杂。而人机自然交互是指构造一个更便捷、更符合人类自然感知（如触觉、视觉、味觉、嗅觉、情感和大脑活动）交流的智能人机交互系统，主要研究非生命机器对于高级生命人类的理解，赋予机器以智能，使机器成为高级的智能工具。

2.3 主动安全技术

安全技术通常可分为被动安全技术和主动安全技术。主动安全技术是指通过预先的防范，避免事故发生的技术；被动安全则是在事故发生过程中及事故发生后，尽量减少损害的方法和措施。实践中，被动安全技术可以有效减轻事故灾害，但主动安全技术则可以避免伤害，防患于未然。

2.3.1 面向工程机械主动安全的多源信息融合技术。施工现场环境复杂、危险源多、人员众多，能够提前防止工程机械事故发生的主动安全技术越来越重要，而安全态势感知是主动安全技术的关键。目前，已将超声波、图像、激光、微波、毫米波等空间测量技术用于安全态势感知，但是每种测量技术都有使用限制，不能满足准确性和全天候性的要求。因此，针对具体的应用场景，对传感器的类型进行优化组合，进行多源信息融合，提高安全态势感知的准确度和环境适应性。

2.3.2 基于人工智能的安全态势感知技术。态势感知是指在大规模系统环境中，对环境因素的获取、理解以及对未来状态的预测。态势感知可以在动态复杂的环境中，对能够引起系统状态发生变化的安全要素进行获取和理解，为决策者显示当前以及未来环境连续变化状态，帮助其准确做出决策。态势感知能力的强弱与作业安全和质量有着直接关系。因此，安全态势感知是主动安全技术的基础，决定着危险是否能有效、及时、正确地识别，以及主动安全功能是否可有效地预防事故发生。

2.3.3 主动安全控制系统开发与测试。主动安全是通过预防危险的发生而达到安全性能要求。主动安全控制根据风险评估的结果，确定主动安全功能的要求和安全性能等级，设计安全控制系统原理，实现安全控制系统，并测试其性能。对主动安全控制系统进行正确地设计，才能保证其发挥预防危险的作用。