工程机械运行状态的远程监控方法与逻辑判断

毛三华 邓卓鑫 林凤涛 杨世德 邹亮

摘要：在大型施工现场，工程机械的工作区域宽泛，同时工作的设备多，流动性大，给项目工程的管理人员造成很大的困扰。而现有的监控方法多是采用单传感器监控，并不是适合于多种类、多设备的工程，因此需要能行之有效的多传感器远程监控方法和工作状态逻辑判断，减少设备闲置和空耗，加强工程设备的管理，高效率、低成本的完成工程项目。

Abstract： In a large construction site， the working area of construction machinery is wide， there are many equipments working at the same time， and the mobility is large， which causes great trouble to the project management personnel. Most of the existing monitoring methods use single sensor monitoring， which is not suitable for many types of multi-device projects. Therefore， an effective multi-sensor remote monitoring method and working state logic judgment are required to reduce equipment idleness and space consumption and strengthen management of engineering equipment， so as to complete engineering projects with high efficiency and low cost.

关键词：工程机械;工作状态;监控;逻辑判断

Key words： engineering machinery;working condition;monitoring;logic judgment

0  引言

工程机械设备作为工程建设所必需的施工工具，安全、可靠的运行能有效保证工程的进度和质量。然而，工程机械设备处于恶劣的工作环境易导致故障发生，较强的流动性、较广的分布使管理人员难对其管理。因此，这需要引入监控工程机械设备工作状况的系统，可实时掌握设备运行参数，对设备引起的安全生产事故原因追查提供数据支持，保证工程机械设备安全可靠的运行。工程机械的远程监控系统成为制造、租赁、使用单位必不可少的东西。

然而，需要监控的工程车辆的运行状态复杂，人员难以监控。通常需要监控的工程机械设备的状态主要包括有停机、怠速、负荷运转、转场、低油量、异常油耗、高油耗。并且需要适配各种不同的工程机械设备，包括有挖掘机械设备、铲土运输机械设备、起重机械设备、压实机械设备、桩工机械设备、钢筋混凝土机械设备、路面机械设备、凿岩机械设备。可见需要监控的状态非常繁杂，需要监控的工程机械设备种类又非常多。

但是在工程机械远程监控方面，如今市场的监控系统主要面向某一类型的设备，监控种类单一。对于工程机械设备生产商和大型建筑公司来说，单一监控类型的远程监控系统不能满足公司对各类设备管理的需求，因此有必要研发一类可以面向多种类型设备的远程监控系统，监控界面可以根据客户的需求动态订制，从而实现设备制造者和设备使用者对设备进行全方位的管理，提高客户的满意程度，提升公司在行业内的形象。

1  工程机械设备常见状态分析

1.1 停机

停机是指车辆结束作业后，正常的熄火关闭车辆。停机后，发动机熄火，车辆不再运作。工程机械设备停机顺序，先将设备开至合适的停机位，稳定车身姿势，收起机械设备作业臂，将油门旋转至怠速油门，运行5min左右后熄火。

1.2 怠速

怠速是一种常见的工程设备机械状态，施工过程中设备的怠速是不可避免的，怠速指的是发动机空转时的状态，就是工程设备机械在没有作业时，发动机在无负荷的情况下运转。

在日常施工中，很多工程设备怠速时间占设备运行时间的40～50%，怠速时间内发动机烧的油没有创造任何价值，换句俗话说：就是在“烧钱”。如以一台每年工作2000小时的设备为例，如果怠速达到40%，按照怠速1小时消耗燃油约3.7升来计算，这台设备一年就多产生约两万元的油费，怠速时间过长，效率降低成本升高[1]。

长时间的怠速除了会增加油耗量，还会给设备和工程作业都带来一下的影响：

①增加燃油成本，降低作业效率;

②降低设备发动机等部件寿命;

③产生额外的保养费用，比如更换滤芯等;

④增加维护的时间，耽误工程进度;

⑤增加发动机磨损，影响二手机价值;

⑥燃油不完全燃烧，增加废气排放，影响环境。

因此在工程中需要尽量减少工程设备处于怠速状态的时间。

1.3 负荷运转

负荷运转是指工程机械设备的正常工作状态。此时设备的发动机运转，工作臂正常运作。发动机消耗燃油，工程作业正常进行，产生经济效益。

负荷运转是我們需要的工程机械设备工作状态，要尽可能的确保设备有足够的负荷运转时间，把处于怠速和停机的工程设备分配到需要工程作业的地方，增加经济效益。

1.4 设备转场

设备转场是工程设备需要转移到目标施工地点进行作业，近距离的转场是通过启动工程机械行驶至目标地点，而远距离的转场是通过用大型卡车进行移动。其中近距离转场，工程机械的发动机正常启动并会产生油耗，而远距离转场，设备会停在卡车内，停机的状态进行移动。而因行驶的路况情况如转向和上下坡，角度传感器会监测到数值变化。

1.5 燃油补充

主要监控设备的加油状态，包括加油的时间、加油地点和加油量自动生成报表，减少人员的干扰。

可见工程机械需要监测的状态繁多并且复杂，而工程项目需要减少设备的闲置和空耗，合理的增加负荷运转时间，并且需要记录下设备的油耗和加油情况，改善设备的调度情况。

2  远程监控信息采集手段及状态判断逻辑

本文工程机械测试车辆使用随车吊如图1。随车吊的工作端为吊臂，吊臂工作为该车的负荷运转。

2.1 信息采集手段

2.1.1 发动机温度情况——温度传感器

发动机在启动后，在发动机冷却系统的作用下发动机的工作温度在90-120摄氏度之间[2]。在发动机关闭后，发动机温度逐渐降低。需要根据当地的季节设定出合适的阈值上、下限。

通过加装在发动机排气管处的温度传感器监测发动机的启停状态，启动工程机械，温度上升，在一定时间后当发动机的温度突破设定阈值，发动机启动;温度传感器温度下降至设定阈值之下，温判断发动机关闭。图2a为起重机安装温度传感器位置，图2b为温度传感器实测数据时间-温度图。

根据测量数据可以设定启停阈值为50摄氏度，在传感器温度超过50摄氏度时，判定发动机启动，传感器温度低于50摄氏度时，判定发动机熄火。

2.1.2 工作端姿态状态——XYZ三轴角度传感器

XYZ三轴角度传感器安装在工程设备的工作臂上，能实时反映工作臂角度变化值，并回传给信息接收终端。工程机械设备工作时，工作臂较大的角度变化。对于一些工作臂的角度会发生较大变化的工程机械设备（如挖掘机），该设备角度变化超过阈值。但是并不能单独依靠角度阈值，判断设备就一定是处于负荷运作中。还需要与其他的传感器共同判断该工程设备的工作状态[3]。图3a为起重机安装角度传感器位置，图3b为角度传感器实测时间-角度。

可以通过设定角度变化量阈值为5°/min，变化量超过5°/min时判定工作臂已在正常工作。

2.1.3 油耗水平——通过扩散硅型压力传感器

发动机的油耗监测是通过在邮箱底部安装扩散硅型压力传感器，检测油箱内燃油的总量。在液体压强的作用下，压力传感器显示相应数值。加油时，压力传感器测量的压力值上升。发动机启动后，会消耗油箱里的燃油，此时压力传感器能检测到压强逐渐降低，并能求出此时的压强变化率，此时的压强变化率可以认为是油量消耗速率。压强变化率设定一个阈值，只有在阈值之内的压强变化率（油量消耗速率）才是正常的发动机消耗燃油速率[4]。同时油量在正常消耗时，只能判断该工程机械设备的发动机已经启动，但是无法通过发动机的启动判断该工程设备的工作状态是怠速还是负荷运作，还需要结合其他的传感器共同判断工作状态。图4a为起重机安装油压传感器位置，图4b为起重机油压传感器实测数据。可以得出每日的油耗约为28.11L，负荷工作时油耗约为2.12L/小时，怠速时油耗约为0.68L/小时，及在6号、12号、19号完成了加油，加油周期为6-7天。

2.1.4 位置信息——GPS定位

在工程机械设备中安装GPS定位，通过卫星定位出该工程机械设备的位置，并能在后台控制端显示出该工程机械设备所处的位置。显示工程机械设备的GPS位置信息能加快工作循环。在很少的监测下，操作员能知道下一步如何施工，减少很多不必要的工作环境，加快工作循环，节约时间，加快工期[5]。同时能减少重复工作，控制室能在第一时间查看到工程机械设备的工作位置信息，并可据此直接更改不合理的调度，减少重复工作，加快工期。图5a为起重机安装GPS传感器及控制端位置，图5b为GPS传感器实测轨迹图。

2.2 信息逻辑判断

2.2.1 工程机械设备停机判断

①温度传感器监测发动机温度小于设定阈值，判断出该设备的发动机未启动。

②油压传感器监测油箱压强未发生变化，判断出该设备未消耗燃油。

③角度传感器监测工作臂的角度变化量小于设定阈值，判断出该设备的工作臂未工作。

通过以上三点发动机未启动，没有消耗燃油，并且工作臂未工作，共同判断出该工程机械设备处于停机状态。

2.2.2 工程机械设备怠速判断

①温度传感器监测发动机温度大于设定阈值，判断出该设备的发动机已启动。

②油压传感器监测油箱压强变化率小于设定漏油偷油阈值并且已经有压强变化，判断出该设备正常消耗燃油。

③角度传感器监测工作臂的角度变化量小于设定阈值，判断出该设备的工作臂未工作。

通过以上三点发动机已启动，并有正常消耗燃油，但是工作臂没有处于工作状态共同判断出该工程机械设备处于怠速状态[6]。

2.2.3 工程机械设备负荷运转判断

①温度传感器监测发动机温度大于设定阈值，判断出该设备的发动机已启动。

②油压传感器监测油箱压强变化率小于设定漏油偷油阈值并且压强变化率大于怠速阈值，判断出该设备正常消耗燃油。

③角度传感器监测工作臂的角度变化量已大于设定阈值，判断出该设备的工作臂正处于工作状态。

通过以上三点发动机已启动，并正常消耗燃油，并且工作臂也已處于工作状态，共同判断出该工程机械设备处于负荷运转状态[7]。

2.2.4 工程机械设备转场判断

①温度传感器监测发动机温度小于设定阈值，判断出该设备的发动机未启动。

②油压传感器监测油箱压强未发生变化，判断出该设备未消耗燃油。

③角度传感器监测工作臂的角度变化量偶尔会大于设定阈值，无法判断出该设备的工作臂是否在工作。

④GPS传感器超出设定工作区域，并处于移动状态，判断出该设备正在移动。

通过以上四点发动机未启动，没有消耗燃油，并且工作臂可能因转弯产生角度变化，GPS传感器定位出一直处于移动状态，共同判断出该工程机械设备处于停机转场状态。

2.2.5 工程机械异常油耗判断（偷油、漏油）

①温度传感器监测发动机温度小于设定阈值，判断出该设备的发动机未启动。

②油压传感器监测油箱压强发生变化，判断出该设备正在消耗燃油。

通过以上两点发动机并未启动，却产生了油耗，判断为该工程机械设备处于异常油耗状态，会自动向控制端发出警报，其产生原因可能为漏油或偷油[8]。

2.2.6 工程机械设备低油量判断

油压传感器监测油箱压强低于设定阈值，判断出该设备处于低油量。

通过传感器监测出油压低于阈值，判断出该设备油量过低，需要及时补充燃油，并会自动向控制端发出警报。

2.2.7 工程机械设备燃油补充判断

①温度传感器监测发动机温度小于设定阈值，判断出该设备的发动机未启动。

②压力传感器监测油箱压强持续增大，判断出正在为该设备补充燃油。

通过以上两点发动机未启动，并且油箱燃油增加，判断为该工程机械设备正在停机加油。

2.2.8 工程设备高油耗状态判断

①温度传感器监测发动机温度大于设定阈值，判断出该设备的发动机已启动。

②油压传感器监测油箱压强持续降低，并且压强降低速率超过设定的该工程机械设备的最大油耗速率（一般为平均油耗速率的125%），判断出该设备油箱油耗率较高。

通过以上两点发动机已启动，并且油箱正消耗燃油，并且比正常消耗速率更大，判断为该工程机械设备处于高油耗状态，并会自动向控制端发出警报[9]。

在使用了温度、油压、角度和GPS传感器后，工程机械设备的工作状态和异常工作状态都可以进行有效的判断，表1为各工作状态逻辑判断汇总，图6为各工作状态逻辑判断流程图汇总。

3  各类工程机械监控分类分析

如表2 各工程机械可监控状态所示，各类机械监控点布置如下：

3.1 挖掘机械

包括单斗挖掘机、多斗挖掘机（又可分为轮斗式挖掘机和链斗式挖掘机）、滚动挖掘机、铣切挖掘机、隧洞掘进机等。

3.2 铲土运输机械

包括推土机、铲运机、装载机（又可分为轮胎式装载机和履带式装载机、平地机、运输车、平板车和自卸汽车等[10]。

3.3 起重机械

包括塔式起重机、自行式起重机、桅杆起重机、抓斗起重机等。

3.4 压实机械

包括轮胎压路机、光面轮压路机、单足式压路机、振动压路机、夯实机、捣固机等。

3.5 桩工机械

包括钻孔机、柴油打桩机、振动打桩机、破碎锤等。

3.6 钢筋混凝土机械

包括混凝土搅拌机、混凝土搅拌站、混凝土搅拌楼、混凝土输送泵、混凝土搅拌输送车、混凝土喷射机、混凝土振动器、钢筋加工机械等。

主要監控点：发动机上安装的温度传感器和油箱底部的油压传感器，挖掘臂安装角度传感器;辅助监控点：通过安装在操作室的GPS传感器监测该挖掘机械设备的位置信息。

4  结语

通过使用多种类型的传感器，提出了一种工程机械不同工作状态逻辑判断的监控方法。此方法能有效的监控各种不同的工程机械工作状态，并给出了相应的判断逻辑。同时分析了常见种类的工程机械车辆在使用该监控方法时能够监测的工作状态，研究表明该方法可以适用于大多数的常见工程机械设备，尤其是具有伸出的工作臂的设备。

参考文献：

[1]胡建中，等.工程机械机群远程故障诊断系统研究.制造业自动化，2005（12）：22-25，39.

[2]王雷，王明燕，李军，汪秀山.工程机械发动机冷却系统匹配分析[J].工程机械，2015，46（6）：19-23，7.

[3]许艾明，赵柱，陈琨，等.非确定工作状态下机械系统可靠性分析[J].机械设计与制造，2012（1）：100-102.

[4]Martin-del-Campo， S （Martin-del-Campo， S.）1，2;Sandin， F （Sandin， F.）1.Online feature learning for condition monitoring of rotating machinery[J].Engineering Applications of Artificial Intelligence.2017：187-196.

[5]CHEN Xia;DONG Zeng-shou;HE Qiu-sheng.Terminal Design of Wireless Data Transmission Based on ARM9[J].Light Industry Machinery.2012，30（2）：68-70，73.

[6]梁兰娇.浅谈工程机械油耗定额的制定[J].北方交通，2008（7）：160-162.

[7]李兴，张礼崇，郜祥，等.机械设备状态监测及诊断技术[J]. 技术与市场，2012（01）：49-50.

[8]杨晓强，张梅军，苏卫忠.机械设备状态监测系统[J].振动.测试与诊断，1999（03）：29-32.

[9]张利群，朱利民，钟秉林.几个机械状态监测特征量的特性研究[J].振动与冲击，2001，20（1）：20-21.

[10]徐敏，等.设备故障诊断手册—机械设备状态监测和故障诊断[M].西安交通大学出版社，1998.