推土机智能化控制技术的现状与发展趋势

□ 孔彦军 □ 郑恩华 □ 季小燕

山推工程机械股份有限公司 山东济宁 272073

1 研究背景

推土机作为一种工程机械,可适用于平原、高原、极寒、沙漠、矿山、沼泽、热带雨林等多种复杂作业工况,应用十分广泛[1]。传统的推土机自动化程度低,工作强度大,效率低,并且对操作人员的技术要求高[2]。随着电子技术、人工智能技术、测试与传感技术的发展,传统的推土机已经不能满足社会发展的需要。因此,笔者对推土机智能化控制技术的现状与发展趋势进行研究。

2 推土机智能化控制技术现状

2.1 作业特点

智能化推土机通过采用各种不同的传感器来采集外部环境信息,具有自我感知、自主决策、自动控制等功能。智能化推土机作业具有三大特点:① 程序化作业,通过对可编程序控制器自主编程,所有操作均可按预定程序进行,可实现无级变速、直线行驶等功能;② 智能化作业,能根据作业环境选择最佳的作业速度与工作模式,操作便捷,达到节能减排的目的;③ 智能诊断与报警,实时显示作业参数和作业状态,通过对技术状态进行智能化监测,对可能发生的故障进行排查、预报,减少人为误判,具有技术维护、检修等功能,并为及时解决故障提供保障[3]，操作简便，可视化、自动化程度高。

推土机智能化控制技术主要体现在三个方面:行走系统智能控制技术、工作装置智能控制技术、故障诊断技术。

2.2 行走系统智能控制技术

作为智能化推土机的代表,全液压推土机多采用双泵、双马达两侧独立式控制,通过调节流通电磁阀电流的大小,对电磁阀的开度进行智能控制,达到控制泵和马达流量的目的。通过智能适应复杂路况,实时纠偏,使推土机能够直线行驶。通过操作电控手柄,对整机进行电液联合控制,实现全液压推土机行走系统的无级变速。根据推土机的行驶速度与负载状态智能调速换挡,使发动机转速与运行工况相匹配,实现节能、经济、滑转率控制等模式,提高推土机的动力性及燃油经济性[4]。

2.3 工作装置智能控制技术

全液压推土机通过控制相应电磁阀的电流,调整工作装置电磁阀的流量,实现工作装置提升油缸、倾斜油缸、调角油缸等的动作,从而实现工作装置提升、下降、倾斜、调角等功能。采用可编程序控制器，根据推土机的不同工况，可实现标准、精细、快速等工作模式。目前，智能化推土机还采用无线电摇控、激光、电子、传感器、微机控制等先进技术,使工作装置实现自动找平功能。

2.4 故障诊断技术

智能化推土机的故障诊断包括检查和发现异常、诊断故障状态和部位、分析故障类型三个基本环节,涵盖检测技术、信号处理技术、识别技术、预测技术等四项基本技术[5]。

智能化推土机故障诊断系统具有以下功能:① 工作状态监控,可为推土机操作员提供必要的技术数据,便于操作人员正确操作和及时发现故障;② 数据管理,可将发生故障前后的一些重要数据记录下来,为故障判断及进一步深入研究提供依据;③ 故障诊断及报警,可提醒操作人员系统出现故障,并在发生重大故障时降低对操作人员及推土机的伤害;④ 通信,可运用控制器局域网络(CAN)总线技术和CANopen协议实现可编程序控制器与显示器之间的信息交换,通过智能显示器显示界面建立良好的人机交互,完成对推土机主要参数、运行状态、故障代码的显示，以及参数的设定和修改[6]。

故障诊断系统根据推理出来的故障诊断情况,按照一定代码以报警灯或提示语言形式进行报警。可编程序控制器将诊断后的故障代码以一定的数据格式发送给显示器,显示器根据既定的协议规则完成相应的数据解析，并进行相应的故障显示,最终实现报警。可编程序控制器还具有一定的自学能力,能自动保存新的故障代码,并可对历史故障进行查询。当面临危及人身和设备安全的重大事故发生时,除了进行声光报警外,可编程序控制器还会自动执行相应的保护程序,从而大大提高系统的可靠性和安全性[5-7]。故障诊断程序流程如图1所示。

▲图1 故障诊断程序流程

3 推土机智能化控制技术发展趋势

随着电子信息技术的发展,推土机智能化控制技术发展也越来越快,新一代智能化推土机不仅可以实现集成化操作和智能控制,而且还能够组成基于网络的机群协同控制系统[8-10],集自动化、数字化、集成化于一体。推土机智能化控制技术发展趋势主要体现在数字化机械施工、工作装置智能引导与自动控制、互联网大数据共享、机群智能化控制管理等方面。

3.1 数字化机械施工

新一代智能化推土机的数字化施工系统将配置光学摄像头、全球定位系统、360°激光扫描仪,配合无人机进行地理信息采集。以无人机为载体,在目标地域高空,利用激光技术和全球定位系统，以地面基站为基准点,进行施工前期的地域测绘,从而在施工之前就能准确计算出土石方量,确定施工工期。无人机可精准捕捉动态作业中每一个动作、每一个角度的复杂数据,以及每一时刻的地理和环境三维信息,再利用未来智能化推土机的可编程序控制器进行大量数据处理和控制分析,输出精确的作业指令,进行自主作业路径规划、自主学习、自动作业，实现数字化机械施工。

数字化机械施工可以提高工程质量,降低施工成本,包括施工测量成本、燃油消耗、施工机械成本、材料损耗等。

3.2 工作装置智能引导与自动控制

基于全球定位系统的新一代智能化推土机三维控制系统可以实现推土机工作装置的智能引导与自动控制,主要由计算机、整车可编程序控制器、显示器、固定全球定位系统基准站和移动全球定位系统接收器等组成。通过闪存盘将施工场地数据传输至可编程序控制器进行坐标变换,在显示器上显示推土机铲刀位置和相关数据,同时整车可编程序控制器发出对铲刀的控制信号,利用移动全球定位系统接收器确定推土机当前位置和铲刀坐标位置,并与预先输入在整车可编程序控制器内的数字地形模型进行对比。采用基于全球定位系统的三维控制系统，新一代智能化推土机进行推土作业时,可以克服激光、木桩、线绳等的限制,降低测量和工程造价,能够广泛应用于公路、铁路、堤坝等大型土方工程建设,尤其适用于立体交叉高速公路的复杂曲面形状路面推土施工。

3.3 互联网大数据共享

互联网大数据共享主要包括三个方面:① 信息共享,可在办公室和施工现场之间进行实时文件互传,确保施工信息最新,提高施工效率,避免返工;② 远程支持,办公室人员可以远程控制施工现场操作屏幕,进行远程培训和技术支持,减少因操作不当或机器发生故障等原因而导致的停工，节约施工时间;③ 定位跟踪,远程监控跟踪施工进程,监控设备使用状况,进而改善日常施工,最大化施工效率。

随着推土机智能化水平的提高,故障诊断及解决问题及时性与准确性的要求也越来越高,互联网大数据共享可实现实时过程控制,提高工效和工程质量,降低工程施工成本。

3.4 机群智能化控制管理

机群智能化控制管理的目的是使系统中各机械部件与整体设备之间的工作更加协调,在施工协作方面更加灵活。

机群智能化控制管理主要体现在资源配置优化和物料使用优化两个方面。通过对程序进行智能控制,可以尽量减小工人不当操作所产生的不利影响,使智能化控制系统下机械设备的工作结果最优。在智能化控制系统下,物料配给和使用周期都由计算机获得,具有较高的科学性。

对于多种工程机械同时作业的情况,机群智能化控制通过无线网或较精密的线路结构,将机械相关作业信息传送至中央控制中心进行智能化处理分析,然后再分配至各施工单元体进行执行。

基于云端的机群智能化控制管理可以基于多地、多机数据在云端形成一个不断壮大的数据共享平台,通过平台再进行有效的大数据分析、处理,针对不同地理环境和作业需求提供更完善的总体解决方案。例如,以无人机为载体,通过云端控制中心和机器自身深度神经网络学习,实时、同步积累所有机器的运行数据、地理环境信息,将测绘输出的矢量等高线云图输入云端服务器,控制数台设备,以实现施工作业的整体最高效。

4 结束语

未来,推土机的智能化控制技术发展将主要以解决用户问题为主,人机一体、智能制造是新一代智能化推土机的技术发展趋势。利用智能化设备,依托互联技术和数据共享,引领推土机行业的数字化转型,将实现人、机、物、信息、组织之间的无缝集成与合作,使推土机作业模式向自动化、智能化、无人化发展,最终进入一个全新的推土机智能化时代。