工程機(jī)械及施工物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)應(yīng)用

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摘要：物聯(lián)網(wǎng)作為傳統(tǒng)制造業(yè)走向智能化的高效途徑，在我國(guó)工程機(jī)械行業(yè)應(yīng)用前景廣闊。利用物聯(lián)網(wǎng)、人工智能等技術(shù)邁向中國(guó)“智”造，是我國(guó)工程機(jī)械企業(yè)重塑行業(yè)競(jìng)爭(zhēng)力的重要一步，同時(shí)也是行業(yè)行穩(wěn)致遠(yuǎn)、高質(zhì)量發(fā)展的必經(jīng)之路。

關(guān)鍵詞：物聯(lián)網(wǎng)；人工智能；智能化

當(dāng)前，物聯(lián)網(wǎng)被譽(yù)為21世紀(jì)最具影響力的技術(shù)革命，各國(guó)在物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)領(lǐng)域投入的資源也大為可觀。物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)可推動(dòng)傳統(tǒng)產(chǎn)業(yè)進(jìn)行高效的轉(zhuǎn)型升級(jí)，在高度適配物聯(lián)網(wǎng)生態(tài)的5G技術(shù)日趨成熟后，物聯(lián)網(wǎng)在工業(yè)領(lǐng)域的應(yīng)用將迎來爆發(fā)式增長(zhǎng)。工程機(jī)械是我國(guó)基礎(chǔ)建設(shè)的核心支撐產(chǎn)業(yè)，在“兩化融合”的背景下，智能化成為引領(lǐng)工程機(jī)械行業(yè)發(fā)展的主旋律，而物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)也將成為未來工程機(jī)械實(shí)現(xiàn)智能化以及行業(yè)實(shí)現(xiàn)高質(zhì)量轉(zhuǎn)型升級(jí)的必經(jīng)之路。

1物聯(lián)網(wǎng)概念

物聯(lián)網(wǎng)（TheInternetofThings，簡(jiǎn)稱IOT）是指通過各種信息傳感器、射頻識(shí)別技術(shù)、全球定位系統(tǒng)、紅外感應(yīng)器、激光掃描器等各種裝置與技術(shù)，實(shí)時(shí)采集任何需要監(jiān)控、連接、互動(dòng)的物體或過程，采集其聲、光、熱、電、力學(xué)、化學(xué)、生物、位置等各種需要的信息，通過各類可能的網(wǎng)絡(luò)接入，實(shí)現(xiàn)物與物、物與人的泛在連接，實(shí)現(xiàn)對(duì)物品和過程的智能化感知、識(shí)別和管理。物聯(lián)網(wǎng)是一個(gè)基于互聯(lián)網(wǎng)、傳統(tǒng)電信網(wǎng)等的信息承載體，它是讓所有能夠被獨(dú)立尋址的普通物理對(duì)象形成互聯(lián)互通的網(wǎng)絡(luò)。

2物聯(lián)網(wǎng)在工程機(jī)械領(lǐng)域的應(yīng)用

2.1工程機(jī)械機(jī)群管理

利用GPS、手機(jī)蜂窩網(wǎng)絡(luò)和互聯(lián)網(wǎng)等技術(shù)，對(duì)工程機(jī)械設(shè)備進(jìn)行地理位置定位、運(yùn)行狀態(tài)監(jiān)測(cè)、設(shè)備信息管理和雙向通訊，并對(duì)采集到的數(shù)據(jù)進(jìn)行深度的挖掘與分析，實(shí)現(xiàn)對(duì)工程機(jī)械設(shè)備機(jī)群的監(jiān)控和管理，進(jìn)而實(shí)現(xiàn)工程機(jī)械的全生命周期管理，是目前物聯(lián)網(wǎng)在工程機(jī)械領(lǐng)域典型的應(yīng)用場(chǎng)景。同時(shí)也是當(dāng)前工程機(jī)械制造商、商和大型租賃商應(yīng)用最廣泛的模式。目前行業(yè)企業(yè)所搭建的機(jī)群管理系統(tǒng)通常包括以下功能和服務(wù)：

2.1.1工程機(jī)械狀態(tài)監(jiān)測(cè)與遠(yuǎn)程故障診斷工程機(jī)械狀態(tài)監(jiān)測(cè)服務(wù)一般包括以下3種功能：一是能夠?qū)C(jī)械設(shè)備進(jìn)行實(shí)時(shí)定位、跟蹤、歷史軌跡回放以及電子圍欄設(shè)置等基于地理位置的信息系統(tǒng)；二是能夠采用射頻識(shí)別技術(shù)（RFID）對(duì)工程機(jī)械設(shè)備相關(guān)信息進(jìn)行查詢管理的設(shè)備信息管理系統(tǒng)；三是能夠進(jìn)行故障代碼分析、遠(yuǎn)程故障處理、遠(yuǎn)程呼叫、定位導(dǎo)航的遠(yuǎn)程故障診斷系統(tǒng)。

2.1.2融資租賃車輛智能終端融資租賃管理是工程機(jī)械物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)在國(guó)內(nèi)應(yīng)用的最原始場(chǎng)景，旨在對(duì)融租租賃用戶進(jìn)行限制，如果用戶不能及時(shí)還款，則利用GPS技術(shù)對(duì)設(shè)備功能進(jìn)行限制（例如限制發(fā)動(dòng)機(jī)啟動(dòng)、限制行走等），以求保全資產(chǎn)。

2.1.3基于大數(shù)據(jù)的決策支撐服務(wù)基于大數(shù)據(jù)的管理支撐服務(wù)同時(shí)面向用戶和企業(yè)自身業(yè)務(wù)部門。對(duì)于用戶而言，企業(yè)開發(fā)基于工程機(jī)械物聯(lián)網(wǎng)的智能手機(jī)客戶端，讓用戶通過手機(jī)即時(shí)了解設(shè)備運(yùn)行狀態(tài)，接收日?qǐng)?bào)、周報(bào)、月報(bào)等，可以提升客戶忠誠(chéng)度，并且能夠提升客戶的管理能力，培養(yǎng)良好用機(jī)習(xí)慣。對(duì)于企業(yè)自身而言，大數(shù)據(jù)管理支撐服務(wù)優(yōu)勢(shì)更為明顯，具體有三點(diǎn)：一是可以幫助企業(yè)積累設(shè)備運(yùn)行數(shù)據(jù)、故障數(shù)據(jù)，提高產(chǎn)品質(zhì)量；二是積累宏觀數(shù)據(jù)和周期性數(shù)據(jù)，幫助企業(yè)做營(yíng)銷決策；三是利用故障數(shù)據(jù)和區(qū)域性設(shè)備使用情況數(shù)據(jù)，幫助企業(yè)做售后服務(wù)的輔助決策。

2.2工程機(jī)械輔助施工

利用物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)能夠大大提升工程機(jī)械的施工能力，以此來彌補(bǔ)由于作業(yè)環(huán)境差或操作人員能力不足所造成的無法達(dá)到預(yù)期作業(yè)效果的情況。目前，國(guó)內(nèi)一些精挖工程、邊坡精修工程主要依賴操作手自己的經(jīng)驗(yàn)以及和測(cè)量人員之間的配合，施工質(zhì)量無法保障。此種情況下，精確高程平整、高精度邊坡施工需要大量人員協(xié)作完成，綜合效率低下，施工質(zhì)量難以保證。同時(shí)依靠人員經(jīng)驗(yàn)通力協(xié)作，也難以高質(zhì)量完成的以上作業(yè)場(chǎng)景。而在引入物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)后，則變得格外輕松。本文以Trimble（天寶）面向挖掘機(jī)械推出的GCS900型智能引導(dǎo)系統(tǒng)為例說明。GCS900是一套技術(shù)領(lǐng)先的坡度控制系統(tǒng)，可以廣泛應(yīng)用于挖掘機(jī)、推土機(jī)、自動(dòng)平地機(jī)、壓實(shí)機(jī)等工程機(jī)械設(shè)備。通過基站定位和安裝在設(shè)備上的GPS接收模塊組成的雙重定位技術(shù)，以及安裝在設(shè)備上的各種傳感器，來實(shí)時(shí)獲取設(shè)備的位置和姿態(tài)。安裝在駕駛室內(nèi)的控制箱，可以實(shí)時(shí)展示設(shè)備的3D工作姿態(tài)，并且可以通過LED燈實(shí)時(shí)展示挖深信息和回填信息，輔助操作手進(jìn)行高精度。即使在視力不及的盲區(qū)(例如在水下)，操作手也能借助該系統(tǒng)精確完成作業(yè)任務(wù)。

3物聯(lián)網(wǎng)在施工領(lǐng)域的應(yīng)用

3.1施工智能化

智能施工是當(dāng)前物聯(lián)網(wǎng)在工程機(jī)械施工領(lǐng)域最為廣闊的應(yīng)用場(chǎng)景。隨著人工成本的不斷升高以及無線傳感器、邊緣計(jì)算等物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)的不斷成熟和普及，智能施工在工程建設(shè)領(lǐng)域，尤其是礦山的應(yīng)用也愈發(fā)普遍。小松聯(lián)合一些科技企業(yè)跨界打造的自動(dòng)運(yùn)輸系統(tǒng)(AHS)-FrontRunner，已經(jīng)成為全球眾多大型礦山的首選智能運(yùn)輸系統(tǒng)。該系統(tǒng)無論是在安全性、生產(chǎn)力、環(huán)境耐受性以及系統(tǒng)靈活性等各項(xiàng)指標(biāo)上都經(jīng)受住了考驗(yàn)，并且自動(dòng)運(yùn)輸?shù)奈锪狭考?jí)也是行業(yè)之最。小松FrontRunner是一個(gè)綜合性的礦山車隊(duì)管理系統(tǒng)，接入此系統(tǒng)的每一臺(tái)礦用自卸車都配備車輛控制器、高精度GPS模塊、障礙物偵測(cè)系統(tǒng)、無線網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)。車隊(duì)管理中心給每一輛礦用自卸車預(yù)先設(shè)置運(yùn)輸目的地，車輛接收到無線指令后，以合適的速度按照預(yù)定路線行進(jìn)。礦用自卸車由高精度GPS模塊、控制中心無線指令和其他引導(dǎo)裝置，來確定其在該礦山內(nèi)的準(zhǔn)確位置坐標(biāo)以及周邊設(shè)備與物料情況，這樣一來，礦用自卸車便能夠在無人操作下實(shí)現(xiàn)復(fù)雜場(chǎng)景的裝載、運(yùn)輸和卸載。除了礦用自卸車之外，物料運(yùn)輸作業(yè)中需用到的其他工程機(jī)械和輔助車輛也被納入到這個(gè)智能管理系統(tǒng)內(nèi)。裝載物料時(shí)，配備高精度GPS模塊的挖掘機(jī)（或裝載機(jī)）同樣會(huì)上傳自身位置和狀態(tài)到管理中心，由管理中心計(jì)算并引導(dǎo)礦用自卸車至正確的裝載位置。裝載完成后，礦用自卸車將按照指定路線行駛到卸載位置，保證準(zhǔn)確卸載。在安全方面，F(xiàn)rontRunner可避免場(chǎng)內(nèi)工作的礦用自卸車、平地機(jī)、推土機(jī)、服務(wù)車輛和其他設(shè)備之間互相碰撞。此外，如果障礙物偵測(cè)系統(tǒng)發(fā)現(xiàn)車輛行駛路線上有其他并未納入該系統(tǒng)管理下的行人或車輛，會(huì)馬上減速或停駛，確保安全。礦山作業(yè)場(chǎng)景簡(jiǎn)單，規(guī)律性和程序性強(qiáng)，為此成為一些企業(yè)在智能施工領(lǐng)域發(fā)力的首選場(chǎng)景。而對(duì)于更加復(fù)雜的建筑施工領(lǐng)域，只有更高等級(jí)的智能解決方案才能勝任。小松近2年來大力推進(jìn)的AI（人工智能）平臺(tái)——SmartConstruction，便是面向建筑施工領(lǐng)域的智能解決方案。在日本本土，小松已經(jīng)在4000多個(gè)工地部署了SmartConstruction服務(wù)，它是一套由無人機(jī)輔助的自動(dòng)化施工管理服務(wù)，旨在緩解日本技術(shù)工人嚴(yán)重短缺的情況。SmartConstruction將小松的設(shè)備智能控制技術(shù)與無人機(jī)/三維激光掃描儀施工現(xiàn)場(chǎng)測(cè)繪技術(shù)、計(jì)算機(jī)視覺技術(shù)相結(jié)合，共同組成此AI平臺(tái)的基礎(chǔ)，實(shí)現(xiàn)智能施工。平臺(tái)搭載的GPU、無人機(jī)以及智能攝像頭進(jìn)行通信，對(duì)采集到的數(shù)據(jù)進(jìn)行分析和可視化處理。該平臺(tái)初期在操作人員的輔助下運(yùn)行，對(duì)操作人員進(jìn)行提示和預(yù)警，其終極目標(biāo)是通過不斷進(jìn)行自我學(xué)習(xí)，訓(xùn)練模型，達(dá)到智能施工的效果。對(duì)于施工企業(yè)來說，智能化施工有很多好處：一是降低施工人員人工成本支出；二是提升施工效率，擴(kuò)大施工范圍，能深入更危險(xiǎn)的地方作業(yè)；三是增強(qiáng)施工場(chǎng)地的安全性，減少意外的發(fā)生；四是降低運(yùn)行成本，延長(zhǎng)工程機(jī)械使用壽命；五是節(jié)省燃油和減少排放污染。隨著物聯(lián)網(wǎng)、人工智能技術(shù)的日趨成熟，智能化施工的門檻也將大大降低，其應(yīng)用場(chǎng)景數(shù)量和可靠性也將大大提升，其在成本控制及效率提升上的優(yōu)勢(shì)也將逐漸展現(xiàn)出來。

3.2工程主體監(jiān)測(cè)

重大基礎(chǔ)工程設(shè)施的建設(shè)水平體現(xiàn)了這個(gè)國(guó)家的經(jīng)濟(jì)潛力、國(guó)家財(cái)富和人民生活質(zhì)量。重大基礎(chǔ)工程設(shè)施作為“百年大計(jì)”，承擔(dān)著不可替代的民生責(zé)任，同時(shí)堪稱“天價(jià)”的建設(shè)投入也讓他們受到社會(huì)的普遍關(guān)注。因此，大壩、橋梁等重大民生基礎(chǔ)設(shè)施主體必須確保達(dá)到設(shè)計(jì)強(qiáng)度和設(shè)計(jì)壽命，一旦損毀極易造成巨大的人員傷亡和財(cái)產(chǎn)損失，在社會(huì)上造成惡劣影響。為了讓這些大型工程主體保持良好的狀態(tài)，工程所屬機(jī)構(gòu)必須投入大量的資源去巡檢和維護(hù)。以美國(guó)為例，據(jù)有統(tǒng)計(jì)以來，美國(guó)由于關(guān)鍵橋梁或隧道的損毀而產(chǎn)生的修繕費(fèi)用就已經(jīng)超過100億美元。如今有了大數(shù)據(jù)和物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)的幫助，可以在提高大型基礎(chǔ)工程設(shè)施安全性的同時(shí)，大大節(jié)省它們的維護(hù)開支。

3.2.1荷蘭堤防監(jiān)測(cè)系統(tǒng)荷蘭的“堤防監(jiān)測(cè)系統(tǒng)”工程已經(jīng)推進(jìn)了長(zhǎng)達(dá)15年之久，這一項(xiàng)目旨在改善堤防監(jiān)測(cè)效果，提高堤壩防洪能力。為此，荷蘭政府在全國(guó)范圍內(nèi)集結(jié)了很多科研機(jī)構(gòu)和組織，共同努力將物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)和大數(shù)據(jù)技術(shù)相結(jié)合，最終形成了一個(gè)強(qiáng)大的堤防監(jiān)測(cè)系統(tǒng)，可以將防洪大堤的狀況實(shí)時(shí)可視化地展現(xiàn)出來，供工程人員實(shí)時(shí)查看堤壩狀態(tài)。這個(gè)系統(tǒng)的核心是防洪大堤數(shù)據(jù)服務(wù)中心（DDSC），它集中統(tǒng)一地存儲(chǔ)堤壩上的各類傳感器實(shí)時(shí)上傳的數(shù)據(jù)，并進(jìn)行處理和分析。除了服務(wù)于堤壩狀態(tài)監(jiān)測(cè)之外，傳感器采集的數(shù)據(jù)也可用于檢測(cè)影響人體健康的多項(xiàng)與水體有關(guān)的指標(biāo)，比如水生生物變化、水質(zhì)污染程度等，還可用于對(duì)河流和沿海水域地質(zhì)災(zāi)害的預(yù)警。

3.2.2韓國(guó)第二珍島大橋監(jiān)控系統(tǒng)珍島大橋是連接珍島和朝鮮半島西南端的雙斜拉橋，橫跨鳴梁海峽。為了分擔(dān)珍島大橋的交通壓力，第二珍島大橋于2006年建成。第二珍島大橋是一座三跨鋼箱梁斜拉橋，主跨344m，側(cè)跨70m。第二珍島大橋是一座典型的在物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)的驅(qū)動(dòng)下變得更加智能的大型橋梁，該橋橋體配有113個(gè)傳感器節(jié)點(diǎn)，可以測(cè)量橋梁上的加速度、溫度、濕度、光線和風(fēng)力等數(shù)據(jù)。第二珍島大橋橋體布有15個(gè)溫度傳感器、15個(gè)拉力傳感器、4個(gè)雙軸傾角儀、2個(gè)拉線位移傳感器、2個(gè)激光位移傳感器、24個(gè)光纖布拉格光柵傳感器、20個(gè)單軸電容式加速度計(jì)、2個(gè)雙軸力平衡式加速度計(jì)和3個(gè)三軸地震加速度檢測(cè)儀。這些傳感器每天源源不斷地收集大量數(shù)據(jù)，這些數(shù)據(jù)由數(shù)據(jù)中心進(jìn)行整理和分析，用于不間斷地監(jiān)測(cè)橋體的狀態(tài)。比較超前的是，該橋監(jiān)控系統(tǒng)絕大多數(shù)進(jìn)行數(shù)據(jù)通訊的零部件采用無線傳輸技術(shù)，傳感器布置和數(shù)據(jù)收集極為方便。這座大橋也成為應(yīng)用物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)將基礎(chǔ)工程設(shè)施變得更加智能的典型案例。

4總結(jié)

從我國(guó)工程機(jī)械行業(yè)當(dāng)前取得的成績(jī)和面臨的挑戰(zhàn)來看，我國(guó)從工程機(jī)械大國(guó)發(fā)展到工程機(jī)械強(qiáng)國(guó)，顯然還需要一個(gè)漫長(zhǎng)的過程。物聯(lián)網(wǎng)作為傳統(tǒng)制造業(yè)走向智能化的高效途徑，在我國(guó)工程機(jī)械行業(yè)應(yīng)用前景廣闊。同時(shí)，利用物聯(lián)網(wǎng)、人工智能等技術(shù)邁向中國(guó)“智”造是我國(guó)工程機(jī)械企業(yè)重塑行業(yè)競(jìng)爭(zhēng)力的重要一步，同時(shí)也是行業(yè)行穩(wěn)致遠(yuǎn)、高質(zhì)量發(fā)展的必經(jīng)之路。

作者：王若瓊 單位：中國(guó)農(nóng)業(yè)機(jī)械化科學(xué)研究院