工程機械及施工物聯(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，在我國工程機械行業(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“智”造，是我國工程機械企業(yè)重塑行業(yè)競爭力的重要一步，同時也是行業(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)被譽為21世紀(jì)最具影響力的技術(shù)革命，各國在物聯(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)可推動傳統(tǒng)產(chǎn)業(yè)進行高效的轉(zhuǎn)型升級，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。工程機械是我國基礎(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械實現(xiàn)智能化以及行業(yè)實現(xiàn)高質(zhì)量轉(zhuǎn)型升級的必經(jīng)之路。

1物聯(lián)網(wǎng)概念

物聯(lián)網(wǎng)（TheInternetofThings，簡稱IOT）是指通過各種信息傳感器、射頻識別技術(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)，實時采集任何需要監(jiān)控、連接、互動的物體或過程，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，實現(xiàn)物與物、物與人的泛在連接，實現(xiàn)對物品和過程的智能化感知、識別和管理。物聯(lián)網(wǎng)是一個基于互聯(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立尋址的普通物理對象形成互聯(lián)互通的網(wǎng)絡(luò)。

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

2.1工程機械機群管理

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

2.1.1工程機械狀態(tài)監(jiān)測與遠(yuǎn)程故障診斷工程機械狀態(tài)監(jiān)測服務(wù)一般包括以下3種功能：一是能夠?qū)C械設(shè)備進行實時定位、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別技術(shù)（RFID）對工程機械設(shè)備相關(guān)信息進行查詢管理的設(shè)備信息管理系統(tǒng)；三是能夠進行故障代碼分析、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械物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)在國內(nèi)應(yīng)用的最原始場景，旨在對融租租賃用戶進行限制，如果用戶不能及時還款，則利用GPS技術(shù)對設(shè)備功能進行限制（例如限制發(fā)動機啟動、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)同時面向用戶和企業(yè)自身業(yè)務(wù)部門。對于用戶而言，企業(yè)開發(fā)基于工程機械物聯(lián)網(wǎng)的智能手機客戶端，讓用戶通過手機即時了解設(shè)備運行狀態(tài)，接收日報、周報、月報等，可以提升客戶忠誠度，并且能夠提升客戶的管理能力，培養(yǎng)良好用機習(xí)慣。對于企業(yè)自身而言，大數(shù)據(jù)管理支撐服務(wù)優(yōu)勢更為明顯，具體有三點：一是可以幫助企業(yè)積累設(shè)備運行數(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工程機械輔助施工

利用物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)能夠大大提升工程機械的施工能力，以此來彌補由于作業(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)驗以及和測量人員之間的配合，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。同時依靠人員經(jīng)驗通力協(xié)作，也難以高質(zhì)量完成的以上作業(yè)場景。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、推土機、自動平地機、壓實機等工程機械設(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，來實時獲取設(shè)備的位置和姿態(tài)。安裝在駕駛室內(nèi)的控制箱，可以實時展示設(shè)備的3D工作姿態(tài)，并且可以通過LED燈實時展示挖深信息和回填信息，輔助操作手進行高精度。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)在工程機械施工領(lǐng)域最為廣闊的應(yīng)用場景。隨著人工成本的不斷升高以及無線傳感器、邊緣計算等物聯(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)跨界打造的自動運輸系統(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)靈活性等各項指標(biāo)上都經(jīng)受住了考驗，并且自動運輸?shù)奈锪狭考壱彩切袠I(yè)之最。小松FrontRunner是一個綜合性的礦山車隊管理系統(tǒng)，接入此系統(tǒng)的每一臺礦用自卸車都配備車輛控制器、高精度GPS模塊、障礙物偵測系統(tǒng)、無線網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)。車隊管理中心給每一輛礦用自卸車預(yù)先設(shè)置運輸目的地，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。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現(xiàn)復(fù)雜場景的裝載、運輸和卸載。除了礦用自卸車之外，物料運輸作業(yè)中需用到的其他工程機械和輔助車輛也被納入到這個智能管理系統(tǒng)內(nèi)。裝載物料時，配備高精度GPS模塊的挖掘機（或裝載機）同樣會上傳自身位置和狀態(tài)到管理中心，由管理中心計算并引導(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可避免場內(nèi)工作的礦用自卸車、平地機、推土機、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，會馬上減速或停駛，確保安全。礦山作業(yè)場景簡單，規(guī)律性和程序性強，為此成為一些企業(yè)在智能施工領(lǐng)域發(fā)力的首選場景。而對于更加復(fù)雜的建筑施工領(lǐng)域，只有更高等級的智能解決方案才能勝任。小松近2年來大力推進的AI（人工智能）平臺——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多個工地部署了SmartConstruction服務(wù)，它是一套由無人機輔助的自動化施工管理服務(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/三維激光掃描儀施工現(xiàn)場測繪技術(shù)、計算機視覺技術(shù)相結(jié)合，共同組成此AI平臺的基礎(chǔ)，實現(xiàn)智能施工。平臺搭載的GPU、無人機以及智能攝像頭進行通信，對采集到的數(shù)據(jù)進行分析和可視化處理。該平臺初期在操作人員的輔助下運行，對操作人員進行提示和預(yù)警，其終極目標(biāo)是通過不斷進行自我學(xué)習(xí)，訓(xùn)練模型，達(dá)到智能施工的效果。對于施工企業(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，擴大施工范圍，能深入更危險的地方作業(yè)；三是增強施工場地的安全性，減少意外的發(fā)生；四是降低運行成本，延長工程機械使用壽命；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)勢也將逐漸展現(xiàn)出來。

3.2工程主體監(jiān)測

重大基礎(chǔ)工程設(shè)施的建設(shè)水平體現(xiàn)了這個國家的經(jīng)濟潛力、國家財富和人民生活質(zhì)量。重大基礎(chǔ)工程設(shè)施作為“百年大計”，承擔(dān)著不可替代的民生責(zé)任，同時堪稱“天價”的建設(shè)投入也讓他們受到社會的普遍關(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)計強度和設(shè)計壽命，一旦損毀極易造成巨大的人員傷亡和財產(chǎn)損失，在社會上造成惡劣影響。為了讓這些大型工程主體保持良好的狀態(tài)，工程所屬機構(gòu)必須投入大量的資源去巡檢和維護。以美國為例，據(jù)有統(tǒng)計以來，美國由于關(guān)鍵橋梁或隧道的損毀而產(chǎn)生的修繕費用就已經(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，大大節(jié)省它們的維護開支。

3.2.1荷蘭堤防監(jiān)測系統(tǒng)荷蘭的“堤防監(jiān)測系統(tǒng)”工程已經(jīng)推進了長達(dá)15年之久，這一項目旨在改善堤防監(jiān)測效果，提高堤壩防洪能力。為此，荷蘭政府在全國范圍內(nèi)集結(jié)了很多科研機構(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，最終形成了一個強大的堤防監(jiān)測系統(tǒng)，可以將防洪大堤的狀況實時可視化地展現(xiàn)出來，供工程人員實時查看堤壩狀態(tài)。這個系統(tǒng)的核心是防洪大堤數(shù)據(jù)服務(wù)中心（DDSC），它集中統(tǒng)一地存儲堤壩上的各類傳感器實時上傳的數(shù)據(jù)，并進行處理和分析。除了服務(wù)于堤壩狀態(tài)監(jiān)測之外，傳感器采集的數(shù)據(jù)也可用于檢測影響人體健康的多項與水體有關(guān)的指標(biāo)，比如水生生物變化、水質(zhì)污染程度等，還可用于對河流和沿海水域地質(zhì)災(zāi)害的預(yù)警。

3.2.2韓國第二珍島大橋監(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)動下變得更加智能的大型橋梁，該橋橋體配有113個傳感器節(jié)點，可以測量橋梁上的加速度、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個溫度傳感器、15個拉力傳感器、4個雙軸傾角儀、2個拉線位移傳感器、2個激光位移傳感器、24個光纖布拉格光柵傳感器、20個單軸電容式加速度計、2個雙軸力平衡式加速度計和3個三軸地震加速度檢測儀。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)中心進行整理和分析，用于不間斷地監(jiān)測橋體的狀態(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)

從我國工程機械行業(yè)當(dāng)前取得的成績和面臨的挑戰(zhàn)來看，我國從工程機械大國發(fā)展到工程機械強國，顯然還需要一個漫長的過程。物聯(lián)網(wǎng)作為傳統(tǒng)制造業(yè)走向智能化的高效途徑，在我國工程機械行業(yè)應(yīng)用前景廣闊。同時，利用物聯(lián)網(wǎng)、人工智能等技術(shù)邁向中國“智”造是我國工程機械企業(yè)重塑行業(yè)競爭力的重要一步，同時也是行業(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：中國農(nóng)業(yè)機械化科學(xué)研究院