集群工程机械

机群智能化工程机械监测系统的构建曾伟（天津松下汽车电子开发有限公司，天津300457）摘要本文阐述了工程机械状态监测系统及机群故障诊断中心系统的构建方法，确定了主要监测参数，并提出了硬件系统原理构建及嵌入式程序设计的注意事项。

阐述了嵌入式开发的基本流程与方法。

关键词：工程机械，状态监测，故障信息，嵌入式0 引言现代大规模基础设施建设是由多品种多数量工程施工机械群协同工作的生产过程。

施工企业在追求施工成本的基础上，对设备运行的安全性，可靠性提出了越来越高的要求。

由于工程机械结构的复杂性，施工载荷的不确定性，工作环境的恶劣性，造成工程机械故障的发生率较高。

因此，随着技术进步和大生产的发展要求，国内外工程界，企业界对现代设备的状态监测故障诊断越来越重视。

[1] 移动作业工程机械（主要包括摊铺机、压路机、装载机、搅拌站）通常由动力系统（发动机）、转向系统、传动系统、制动系统、工作装置以及电子监控系统等组成。

这些系统通过机械、电子、液压、液力的部件和元件连接，实现机械的各种功能，并在机械的相关部位通过传感器获得相应的状态参数。

建立智能监测系统就是要实时监测这些与系统相关的状态参数。

以摊铺机为例，现有的摊铺机物料控制器及调平控制器相对独立,之间没有通讯。

只能实现单一动作智能化,对与摊铺机协调动作统一控制及管理有一定的影响。

[2]机群智能化工程机械故障诊断以高等级公路施工工程机械为对象，采用无线电通讯技术、故障诊断技术、计算机技术、传感器技术、智能控制技术等，研究由沥青拌和设备、摊铺机、振动压路机、装载机和自卸汽车等单机所组成机群的智能化故障诊断系统结构、诊断策略、实现方案等关键技术。

最终实现对施工机群的实时状态监测和故障诊断，减少施工机械故障停机，提高施工效率。

1 监测系统的系统结构机群智能化工程机械的施工现场由一个管理中心和若干移动车辆终端组成。

每一个终端带有一个GPS模块用于本机定位，一个监控器用于本机状态监控和一个GSM通信模块用于向管理中心发送状态信息，系统结构如图1－1所示。

管理中心轮流接收各个移动终端的信息，并且在需要发送命令或者紧急状况时和移动终端建立联系。

管理中心还需要采用适当的算法，合理控制各移动终端的位置和状态，以获得系统的最优配置。

各台单机共享机群故障诊断中心同一套诊断专家系统，和不同的数据库，使机群设备的管理和单机操作实现实时监视设备状态，并得到设备的维护处理措施；单机智能故障诊断子系统要实时监视单机的各参数运转状态，异常情况下发出报警指示；同时，还要能接收机群故障诊断中心发出的调度指令。

监测系统作为工程机械的控制核心，在各种复杂工程机械中占据着重要地位。

当然，其价格不菲，进口的监控器售价达到每台几万元人民币。

在这个巨大的市场中，国外的监控器产品几乎占领了国内的全部市场，如芬兰的EPEC、日本的Hitachi、三菱、德国的西门子。

在这些监控器中，核心几乎都是可编程PLC。

PLC算法成熟，性能稳定可靠，因此在监控器中使用非常广泛。

以往的工程机械监控器功能比较简单，所实现的功能只是将面板的按钮转换为系统指令，以及监控系统状态、数据采集等。

这些监控器力求稳定可靠，并且尽可能使控制简单快捷。

但是如今随着社会节奏的加快，人们更加注重提高工作效率，力求使监控器的界面更加人性化，所以现在的监控器不仅强调本地控制功能，还具备各种接口，包括网络、CAN总线、显示接口坑，最先进的还带有无线通信模块，可以将本机状态发送到远程控制中心，在大屏幕上实时显示。

另外，现在的新型监控器，还要求实现GIS的功能。

对于一项道路工程建设，施工现场可能绵延几十千米，物料的调度和管理非常复杂，因此在工程车辆运行的过程中，时刻掌握每辆车的位置与状态，对于生产调度管理、合理配置资源有着重要意义。

所以一些监控系统具有GPS模块和GSM模块。

GPS模块负责随时获取本机的地理位置，GSM 模块则可以将GPS信息和车辆状态信息定时向管理中心发送。

图1－1 工程机械监控系统结构图结合移动作业机群的施工管理和机械设备的操作、维护特点，在施工现场的统一管理与单机操作、控制、维修、调整分散作业之间，构造集中监视、诊断分析与分散监视、操作相结合的机群设备状态监测与故障诊断系统。

它的系统构成如图1－2所示。

图2-2 基于GSM/GPRS机群集中故障诊断分布系统构成图1－2 机群集中故障诊断分布系统图2 监测系统的监测参数单机智能故障诊断子系统所用传感器和非传感器（人的感知）的方法获取以下两方面的信息，提供给诊断专家系统。

（1）利用移动作业机械设备的控制用监测信号，工程机械电子监控系统针对诸如发动机、液压系统进行监控，这些用于控制的参数能反映系统一部分工作状况，同时可以增加各系统中易于测取的、表征机器异常情况的特征参数，如温度、压力、转速等，组成自动状态监测信号。

（2）某些重要故障征兆用经验来判断，充分利用现场操作者的感官感知到的故障征兆，作为设备状态分析、故障诊断的另一部分状态信息。

[3]自动故障信息是系统通过CAN总线获取传感器检测到的不在正常数值范围内参数数值。

当系统监测到不正常数值后，系统会自动显示故障或报警。

这里简要列举一些通常情况下系统可以自动监测的参量，基本适用于拌和机、摊铺机、压路机、装载机、自卸车等各种机型。

自动监测的参量为制动气压低，紧急制动信号，行走制动信号，润滑油液位低，液压油温高，冷却水温高，驱动桥油压报警，液压油油污染度报警，发动机空气滤清器报警，发动机预热指示，发动机缸盖温度高，转向指示，减速器（变速箱）过热，高速/低速指示，紧急制动开关。

有些故障是无法通过监测系统自动监测出的，需要操作者根据感观发现或判断出故障，通过人机交互手动输入到监测系统中，称为手动输入故障信息。

手动输入的故障信息复杂多样，在确定手动故障信息时要依据经验及长时间积累的记录数据，按照不同类型、不同型号的设备常出现的故障进行分类整理。

由于手动故障信息是供用户查看并选择拾取的，加之信息复杂多样，因此在制作手动故障信息列表时要考虑到方便操作者选取。

建议将列表归纳成为“故障部位”“故障征兆”“征兆取值”等多级菜单形式。

3 监测系统的硬件体系结构根据前面介绍的工程机械监测系统的基本功能，系统需具备如下硬件功能模块：1．实现与GSM/GPRS模块串行通讯的RS-232接口；2．现工程机械状态参数传感器信号变换的I/O接口；3．实现与工程机械单机控制器数据传输的CAN总线；4．实现应用软件、数据上载/下传的USB端口；5．实现人机共栖故障征兆录入、操作者接收故障诊断系统指令信息的小键盘、显示器及其接口；根据上述各个功能模块我们构建出完整的硬件体系，如图3－1所示。

图3－1 单机底层智能监测系统硬件结构4 监测系统的程序设计工程机械的状态监测系统作为小型电子装置的，系统资源相对有限，产品需要根据系统硬件的变化和增减不断进行修改。

基于这些特点，选择系统内核小，专用性强，系统精简，高实时性的嵌入式系统是可行的。

嵌入式系统的开发通常采用“宿主机/目标机”方式，如图4－1所示。

首先，利用宿主机上丰富的资源机良好的开发环境开发和仿真调试目标机上的软件。

然后，通过串行口或网络将交叉编译生成的目标代码传输到目标机上，并用交叉调试器在监控程序或实时内核（操作系统）的支持下进行实时分析和调度。

最后，目标机在特定的环境下运行。

图4－1“宿主机/目标机”开发方式在嵌入式开发中，要注意软硬件协同设计，软件可移植性，代码优化的效率等问题。

传统的系统设计方法中，硬件和软件分别为两个独立部分，由硬件工程师和软件工程师按照拟定的设计流程分别完成。

这种方法只能改善硬件/ 软件各自的性能，而有限的设计空间不可能对系统做成较好的性能综合优化。

而且由于软件、硬件分别开发，使得各自部分的修改和缺陷很容易导致系统集成出现错误。

为避免上述问题，一种新的开发方法应运而生——软硬件协同设计方法，如图4－2所示。

每一个应用系统，都存在一个适合于该系统的硬件、软件功能的最佳组合，如何从应用系统需求出发，依据一定的指导原则和分配算法对硬件/ 软件功能进行分析及合理的划分，从而使系统的整体性能、运行时间、能量耗损、存储能量达到最佳状态，已成为硬件/ 软件协同设计的重要研究内容之一。

Array图4－2软硬件协同设计方法大部分嵌入式开发人员选用的软件开发模式是先在PC机上编写软件，再进行软件的移植工作。

因此在PC机上编写软件时，就要考虑软件的可移植性，应注意以下几点。

1）选用具有较高移植性的编程语言（如C语言）；2）尽量少调用操作系统函数；3）注意屏蔽不同硬件平台带来的字节顺序、字节对齐等问题。

嵌入式系统对应用软件的质量要求更高，因而在嵌入式开发中尤其须注意对代码进行优化，尽可能地提高代码的效率，减少代码的大小。

虽然现代C和C++编译器都提供了一定程度的代码优化，但大部分由编译器执行的优化技术仅涉及执行速度和代码大小的平衡，不可能使程序既快又小，因而必须在编写嵌入式软件时采取必要的措施：1）提高代码效率。

在程序中经常会使用switch-case语句，每一个由机器语言实现的测试和跳转仅仅是为了决定下一步要做什么，就浪费了处理器时间。

为了提高速度，可以把具体的情况按照它们发生的相对频率排序。

即把最可能发生的情况放在第一，最不可能发生的情况放在最后，这样会减少平均的代码执行时间。

全局变量。

使用全局变量比向函数传递参数更加有效率，这样做去除了函数调用前参数入栈和函数完成后参数出栈的需要。

当然，使用全局变量会对程序有一些负作用。

2）减小代码尺寸。

嵌入式系统编程应避免使用标准库例程，因为很多大的库例程设法处理所有可能的情况，所以占用了庞大的内存空间，因而应尽可能地减少使用标准库例程。

3）避免内存泄漏。

用户内存空间（堆）为RAM中全局数据和任务堆栈空间都分配后的剩余空间，为了使程序能有足够的内存运行，必须在申请的内存不用后及时地将其释放，以确保再次申请时能有空间。

如果程序中存在内存泄漏（即申请内存后没有及时释放）的情况，程序最终会因为没有足够的内存空间而无法运行。

5 结论“十五”期间，国家863计划先进制造与自动化技术领域，机器人技术主题把智能化工程机械列为重点课题之一。

论文阐述了工程机械状态监测系统及机群故障诊断中心系统的构建方法，确定了主要监测参数，并提出了硬件系统原理构建及嵌入式程序设计的注意事项。

对增加工程机械产品的技术含量，提高工程机械产业的国际竞争力有一定的参考价值。

参考文献[1] 钟秉林，黄仁，机械故障诊断学，机械工业出版社，1997[2] 王田苗，王越超，智能化工程机械发展战略研究，工程机械，2002，33（12），1-2[3] 牛占文，机群智能化工程机械故障诊断方法研究，2003。