机群智能化工程机械体系结构和关键技术

机群智能化工程机械体系结构和关键技术

作者：李忠彦

来源：《科学与财富》2013年第07期

摘要：机群智能化施工是工程机械未来发展的主导方向，具有着巨大的市场空间和广泛的行业需求。本文从机群智能化定义和分类入手，研究了机群智能化技术现状，着重探讨了机群智能化的关键技术，旨在为同行日后工作提供相关参考。

关键词：机群智能化；机械设计；工程机械；遥控

上个世纪末期至今，以计算机技术、微电子技术、智能控制技术为代表的自动化技术得到了飞速的发展。各种新技术、新工艺、新设备不断推出，并广泛的应用在机械工程领域，使得工程机械产品的性能、效率和自动化程度都得到了大幅度提升。机群智能化便是在这种时代背景下产生的一种机械产品，是现代化工程领域应用最为广泛的一种，为此我们在目前有必要对其结构和关键技术进行分析和归纳。

一、机群智能化概述

所谓的机群智能化主要指的是工程机械为了完成某一具体工程的施工，以实现最佳资源配置、最优工作效率和最好工作质量为目的的智能化工程机械组合，其工作是以同步施工为主，通过对各种智能化机械的状态、位置和可靠性进行研究的环节。

1、机群定义

所谓的机群主要指的是为了完成某一特定工程项目，采用不同的机种、机械类型、机械数量的设备构成的一个机械化群体。在工程项目中，涉及到机群的每一个单元设备都被称之为单机。在工作中针对不同的施工需要、施工数量和施工需求，所选择的机群也不尽相同。

2、分类

机群智能化按照其操作系统一般可以分为遥操作工程机械、可编程工程机械以及智能化工程机械三种。

2.1、遥操作工程机械主要指的是那些经常处于高危、工作环境复杂的机械，在这些机械由于受到环境因素的影响其中存在着极大的风险，为此采用远程操控进行作业对于提高工程安全有着重要意义。

2.2、可编程工程机械主要指的是通过改变工程机械控制程序来完成不同任务的工程机械，是一种适用于结构环境复杂、施工对象多变的工程机械。

2.3、智能化工程机械主要指的是在工程施工中无需要工作人员直接参与工作，通过安装各种复杂传感器以及微型处理器来获取信息，从而制定出相关应对策略的一种自动化施工机械，这种施工机械是一种自我感知、自我辨别、自我决策和自我控制的工作。

二、机群智能化技术现状

机群智能化工程机械是我国近几年来才提出的一个概念，其在国外也不多见。这一结构体系的出现是与计算机技术、网络技术的基础上形成的，是随着工程机械单机智能化技术的成熟而发展的一个系统模式。由于工程机械在过去都被人们普遍的认为是特种机器人，它通常工作在非结构环境下且工作环境复杂、危险性大的区域，这就造成了其智能化程度控制的困难。经过多年的研究分析，截至目前，世界上只有美国、加拿大、英国、德国等发达国家有这种机群智能化技术，这对于提高工程施工速度、施工效率和施工安全有着重要意义。

我国智能化工程机械技术的研究工作始于20世纪90年代初，1991年开展工程机械机器人化技术的研究工作，先后进行了挖掘机机器人化和推土机机器人化的技术开发。其后，在863智能机器人主题的支持下，清华大学智能技术国家重点实验室等一些科研单位与徐工集团合作开展了工程机械机器人关键技术和产品化的多项研究，己取得了初步进展。

三、机群智能化技术关键技术以及发展趋势

结合我国行业特点，建议选择工业基础较好、市场占有率较高、具有行业带动作用的道路施工工程机械（包括装载机、混凝土拌和站、自卸车、摊铺机、压路机和汽车起重机等），开展在线机群智能化同步施工工程机械的研究开发和示范。该技术涉及多种大型智能施工设备研制、机群工作特性研究，并需与施工单位密切合作，积极开展机群化施工工艺研究，探索信息化环境下新的施工理念和施工方法。

1、机群的优化与调度

机群系统主要由单机动态监控系统与机群中心控制系统组成。机群中心控制系统包括资源配置、动态调度、故障诊断与咨询、机群数据库等机群系统管理模块，机群环境地图和工程数据、机群资源数据及工作参数、网络及输入输出接口等人机交互模块。该技术可根据施工工艺及工序，正确确定机群组成，保证机群功能完整性和工序连续性；确定机群各单机性能指标；确定机群各机种的优化配置方案，保证路面施工的最高效率；确定机群各机种数量的合理匹配关系，以保证路面质量、作业效率和施工成本的最佳组合，获得最高的综合经济效益。

2、机群智能化中单机的共性关键技术

共性关键技术主要是机群网络与接口、GPS卫星定位系统、单机动态监控系统、智能故障诊断技术、工程机械工作装置及其作业质量控制技术等机群对各智能化单机的共性要求。提出

故障的对策，进而建立整个作业工程机械机群的远程集中式的实时故障检测和状态监控系统，为优化调度作业、最大限度地提高施工的安全性和施工效率，最终实现机群联合作业的自动化、无人化奠定基础。工程机械工作装置及其作业质量控制技术主要研究机群单机作业质量的相关因素、机群单机作业质量与施工要求适应性、工作装置与作业对象的相互作用过程及机理、作业质量评价体系及其检测与控制等。

3、施工机群中的单机关键技术

机群技术中的装载机、沥青混凝土搅拌站、自卸车、沥青混凝土摊铺机、压路机、汽车起重机等单机，应当是具备了更高智能化层次的机器人化工程机械。除了拥有上述共性关键技术外，还应根据各自机种特点建立良好的工作性能基础，才能保证机群的工作可靠性和协调性。如智能化摊铺机应能自动行驶、转向和找平，具备3D定位技术；智能化压路机能够实现振动频率、振幅优化和控制，压实度在线检测；智能化装载机、自卸车、汽车起重机应能自动换挡，实现作业集成控制等。

三、结论

机群技术是一种全新的工程机械设计理念和建筑施工理念，可以大大提高作业质量和效率，降低作业成本，是现代工程机械制造和现代化施工技术的发展方向。根据国内工程机械行业现状及市场需求，可首先研究由混凝土拌和站、自卸车、摊铺机、压路机和装载机等智能化工程机械组成的道路施工机。

参考文献

[1]魏洪兴，王田苗，陈殿生.智能化工程机械及其关键技术研究[J].工程机械.2004（05）

[2]刘学勇，杨承先，李焕良，张琦.基于CORBA技术的机群智能化工程机械监控系统模型[J].建设机械技术与管理.2006（03）