混凝土機(jī)械智能化發(fā)展趨勢研究

  基于現(xiàn)代混凝土機(jī)械的現(xiàn)狀，分析了未來智能化發(fā)展方向，并以混凝土攪拌站、混凝土攪拌車、混凝土泵車這3個主要的混凝土機(jī)械設(shè)備為例，論述了智能化發(fā)展趨勢。

  0引言

  混凝土機(jī)械因為具備顯著的社會經(jīng)濟(jì)效應(yīng)，已經(jīng)成為現(xiàn)代化建筑施工的重要裝備。如今混凝土施工機(jī)械正朝著大排量、超高壓、連續(xù)泵送、高使用壽命的方向發(fā)展，同時隨著電子信息技術(shù)的進(jìn)步，混凝土機(jī)械變得更加智能化和人性化。這些機(jī)器將具備更多的自我意識。它們能夠進(jìn)行自我行為和效率管理，自我健康管理和自我安全防護(hù)，同時能夠與人溝通，相互協(xié)作。混凝土機(jī)械變得很智能，它能夠感知周圍的人與環(huán)境，能夠自動規(guī)劃、獨立施工。以下將針對混凝土攪拌站、混凝土攪拌車、混凝土泵車這三個主要的混凝土機(jī)械設(shè)備的智能化發(fā)展趨勢進(jìn)行論述。

  1自我行為管理

  1.1臂架末端定位技術(shù)

  傳統(tǒng)泵車的每節(jié)臂架都需要單獨進(jìn)行控制，臂架末端的平穩(wěn)移動和精準(zhǔn)定位難度很大。操作手的勞動強(qiáng)度大，易疲勞。臂架末端定位技術(shù)是給定末端位置，機(jī)器自動規(guī)劃每節(jié)臂架的姿態(tài)。操作手只需要將注意力集中在末端位置的控制上，臂架的姿態(tài)由機(jī)器自動管理。臂架末端定位技術(shù)還包含如下技術(shù)細(xì)節(jié)：①給定末端位置下，臂架姿態(tài)可以手動調(diào)節(jié)，以優(yōu)化姿態(tài)形式;②臂架姿態(tài)自適應(yīng)調(diào)節(jié)能夠有效避開障礙物。

  1.2臂架振動控制技術(shù)

  臂架由于受到周期性泵送沖擊作用而產(chǎn)生受迫振動，機(jī)器能夠主動對振動進(jìn)行有效抑制，避免臂架大幅振蕩，影響末端定位和混凝土布料施工，同時避免安全事故的發(fā)生。

  1.3臂架平順控制技術(shù)

  臂架多路閥采用電比例閥進(jìn)行控制，電比例閥線性關(guān)系不是很好，其電阻受溫度影響較大。同時，臂架采用4連桿機(jī)構(gòu)，油缸直線位移與臂架角位移不具備線性關(guān)系。臂架平順控制技術(shù)主要為了解決操作手動作手感與臂架動作線性關(guān)系的問題。同時提高臂架啟動、停止的平穩(wěn)性，同時減少動作響應(yīng)時間和感覺上的遲滯現(xiàn)象，提升操控手感。

  1.4臂架自動收展臂

  泵車在施工開始時，臂架能夠自動展開;在施工結(jié)束后，又能自動收攏。實現(xiàn)一鍵式操作，充分減輕操作員勞動強(qiáng)度，提高泵車智能化水平。

  1.5臂架智能規(guī)劃技術(shù)

  臂架智能規(guī)劃技術(shù)融入了當(dāng)今最先進(jìn)的技術(shù)，包括圖像識別、專家系統(tǒng)、軌跡規(guī)劃、末端定位及其他復(fù)雜控制技術(shù)。在樓板施工中，機(jī)器能夠很好的理解當(dāng)前施工環(huán)境，能夠自動規(guī)劃施工軌跡，不需人的干預(yù)，完成樓面絕大部分面積的混凝土攤鋪。在往深井或者梁柱灌注混凝土?xí)r，臂架能夠自動提升，不需人為干預(yù)，完成混凝土澆灌工作。施工過程變得自動化、傻瓜化，這是機(jī)器充分參與到環(huán)境中的典型技術(shù)。操作人員甚至可以在駕駛室，或者遠(yuǎn)離現(xiàn)場的地方施工，視頻輔助能夠幫助操作人員避免高溫暴曬和大雨侵襲。

  2自我安全防護(hù)

  2.1泵車防傾翻技術(shù)

  防傾翻技術(shù)是通過各種技術(shù)手段避免泵車發(fā)生傾翻事故。它通過測量支腿壓力、檢測臂架姿態(tài)，以及臂架動作慣量，根據(jù)需要主動限制臂架重心的安全工作區(qū)域及臂架動作速度和加速度。

  2.2泵車臂架防碰撞技術(shù)

  防碰撞技術(shù)是對周圍環(huán)境的一種感知技術(shù)，避免臂架與周圍環(huán)境發(fā)生碰撞事故?？梢岳玫募夹g(shù)有超聲波探測、激光探測、紅外探測、圖像識別技術(shù)以及這些技術(shù)的結(jié)合。如何以較低的成本，可靠的實現(xiàn)防碰撞是這項技術(shù)的難點。

  2.3主動防護(hù)技術(shù)

  主動防護(hù)技術(shù)主要對操作手的誤動作進(jìn)行感知、判斷，避免操作上的失誤。比如臂架展開狀態(tài)不允許操作支腿;臂架末端軟管離地距離近時，不允許大幅度往下動作臂架以免砸到地面等等。

  2.4財產(chǎn)安全防護(hù)

  對車輛速度進(jìn)行控制，防止超速;對油箱液位進(jìn)行跟蹤監(jiān)測，防止偷油;對車輛進(jìn)行GPS監(jiān)控，防止機(jī)器設(shè)備被盜;采用電控系統(tǒng)互鎖保護(hù)機(jī)制，防止電控系統(tǒng)單個或多個電控單元被拆除等等。

  3自我效率管理

  3.1泵送功率匹配技術(shù)

  根據(jù)操作員單位時間泵送方量的要求，電控系統(tǒng)將依據(jù)泵送負(fù)載情況，選擇合適主油泵排量以及發(fā)動機(jī)轉(zhuǎn)速，實現(xiàn)負(fù)載、泵送排量、發(fā)動機(jī)轉(zhuǎn)速的最佳配比。真正做到干多少活，出多少力，以期達(dá)到節(jié)能的目的。

  3.2油耗管理與評估

  油耗管理包括不同時段、不同工況的油耗數(shù)據(jù)記錄，同時對異常的或者趨勢性的燃油增長給出提醒，并能確定出機(jī)器的經(jīng)濟(jì)運行區(qū)間，為機(jī)器的經(jīng)濟(jì)運行提供數(shù)據(jù)基礎(chǔ)。

  4自我知識管理

  自我知識管理，這里的知識泛指機(jī)器設(shè)備中各電控單元的程序文件、配置信息、故障記錄數(shù)據(jù)、專家知識庫等一切數(shù)據(jù)。這些數(shù)據(jù)存儲在機(jī)器中，幫助機(jī)器完成各種智能化操作。

  4.1知識更新手段

  知識的更新可以通過3G、4G等無線通道進(jìn)行更新，也可以通過本地WIFI、藍(lán)牙或者USB連接進(jìn)行更新。制造商通過智能機(jī)器管控平臺對機(jī)器進(jìn)行批量升級、質(zhì)量數(shù)據(jù)回傳。

  4.2知識主動獲取

  機(jī)器能夠?qū)ξ粗漠惓，F(xiàn)象及時上報制造商進(jìn)行備案，主動提請專家解答。最后解答的結(jié)果回傳到機(jī)器，存入知識庫保存。知識管理涉及一套復(fù)雜的知識框架管理技術(shù)、數(shù)據(jù)挖掘與知識搜索技術(shù)。該技術(shù)的實現(xiàn)是機(jī)器充分智能的基礎(chǔ)。

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  5自我覺察與自我意識

  5.1數(shù)據(jù)采集與數(shù)據(jù)挖掘

  將來每臺混凝土機(jī)械都應(yīng)該能夠?qū)崟r采集工況信息，這些信息包括操作員動作數(shù)據(jù)、機(jī)械工作裝置動作數(shù)據(jù)、液壓系統(tǒng)動作及壓力數(shù)據(jù)、發(fā)動機(jī)運行參數(shù)數(shù)據(jù)，以及施工現(xiàn)場環(huán)境參數(shù)等等。同時機(jī)器能夠分析這些數(shù)據(jù)所存在的聯(lián)系，對數(shù)據(jù)進(jìn)行預(yù)處理、預(yù)分析、預(yù)判斷。并對異常和疑似異常通過無線方式上報到制造商。

  5.2泵車料位實時檢測技術(shù)

  目前攪拌車的放料由操作員手動控制，操作員無從判斷泵車料斗中料位的高低。放料速度往往會控制不當(dāng)。放料速度過快則混凝土?xí)绯?，過慢則使混凝土泵吸空，影響工作效率。對于混凝土泵車，料斗實時檢測技術(shù)將有利于協(xié)調(diào)控制攪拌車的放料速度。同時料斗余料不足時，泵車能自行減小排量，節(jié)能運行。

  5.3攪拌車余量實時檢測技術(shù)

  攪拌車余量檢測技術(shù)能夠用于準(zhǔn)確預(yù)估攪拌車放料時長和剩余容量，方便機(jī)群系統(tǒng)最優(yōu)化管理，以提高每臺攪拌車的運營效率。

  5.4泵車輸送管防堵管技術(shù)

  泵車輸送管堵管探測技術(shù)通過主油缸壓力及運行速度，以及主油泵排量的監(jiān)測、分析出輸送管的管道壓力及堵管情況，并根據(jù)堵管情況，自動實現(xiàn)正泵和反泵，并給出報警提示，必要時自動停機(jī)以避免危險發(fā)生。

  6自我健康管理

  6.1開機(jī)自檢技術(shù)

  開機(jī)自檢是指機(jī)器開始工作前的首次整車檢查。主要包括以下多個方面：①電控系統(tǒng)的參數(shù)配置文件檢查，電控系統(tǒng)需要聯(lián)網(wǎng)通信，確認(rèn)相互是否工作正常;②各儀器、儀表、傳感器件的零點校正，電液元件的線性度根據(jù)環(huán)境溫度進(jìn)行修正等;③油箱、水箱液位的檢測;④泵車工作檔位檢測。開機(jī)自

  檢可以確保機(jī)器啟動后能夠正常、安全的工作。

  6.2實時狀態(tài)監(jiān)測技術(shù)

  狀態(tài)監(jiān)測任務(wù)是為了了解和掌握設(shè)備的運行狀態(tài)，包括采用各種檢測、測量、監(jiān)視、分析和判別方法，結(jié)合系統(tǒng)的歷史和現(xiàn)狀，同時考慮環(huán)境因素，對設(shè)備運行狀態(tài)進(jìn)行評估，判斷其處于正?；蚍钦顟B(tài)，并對狀態(tài)進(jìn)行顯示和記錄，對異常進(jìn)行上報，以便操作人員及時處理，并為設(shè)備的故障分析、性能評估、合理使用和安全工作提供信息和基礎(chǔ)數(shù)據(jù)。

  6.3實時故障診斷技術(shù)

  故障診斷的任務(wù)是根據(jù)狀態(tài)監(jiān)測所獲得的信息，結(jié)合已知的結(jié)構(gòu)特性和參數(shù)以及環(huán)境條件，結(jié)合設(shè)備的運行歷史，借助專家系統(tǒng)知識，對設(shè)備可能發(fā)生的或者已經(jīng)發(fā)生的故障進(jìn)行預(yù)報、分析、判斷，確定故障的性質(zhì)、類別、程度、原因、部位，指出故障發(fā)生和發(fā)展的趨勢及其后果，提出控制故障繼續(xù)發(fā)展和消除故障的調(diào)整、維修、治理的對策和措施。

  7理解、溝通與合作

  7.1理解與溝通

  現(xiàn)代化的機(jī)器應(yīng)該是善解人意的，比如普茨邁斯特的Followme技術(shù)，三一重工的末端定位與牽引技術(shù)，讓機(jī)器更加人性化。將來，輕量化的遙控裝置，以及更加自由的體感技術(shù)都將應(yīng)用到智能機(jī)器上來。它能很好的理解操作人員的意圖，安全而有效的執(zhí)行指令。

  智能機(jī)器將通過RF射頻技術(shù)、藍(lán)牙、Zigbee、Wifi等多種無線通道與人溝通與交流，讓操作人員實時掌握整機(jī)動態(tài)。

  7.2RF近距離通信與協(xié)作能力

  混凝土泵車總是與混凝土攪拌車配合進(jìn)行作業(yè)。通過RF技術(shù)，泵車能夠?qū)⒘隙坊炷亮衔恍畔⑼ㄖ獢嚢柢嚕瑪嚢柢噷⒛軌蜃詣诱{(diào)節(jié)放料速度，實現(xiàn)高效率的協(xié)同作業(yè)。

  8智能平臺

  智能平臺是一個機(jī)群綜合管理平臺，便于制造商、客戶更好的跟蹤、管理、調(diào)度自己的機(jī)器。

  8.1攪拌車綜合調(diào)度及監(jiān)控

  攪拌車總是往返攪拌站與施工現(xiàn)場之間，常常會因為攪拌車的不合理安排，致使施工現(xiàn)場常常因缺料而久等，或者攪拌車帶料過多而返回，效率很低、成本很高。攪拌車綜合調(diào)度系統(tǒng)能夠?qū)嚢柢囘M(jìn)行合理安排?；贕IS和實時路況信息的路線智能調(diào)度技術(shù)，能夠有效解決混凝土配送路況不可控的情況，同時通過現(xiàn)場施工進(jìn)度的預(yù)測，有效調(diào)整攪拌車配送量。

  8.2售后服務(wù)自動化

  通過故障預(yù)警及遠(yuǎn)程監(jiān)控技術(shù)的實施，使得服務(wù)更加主動化。一旦機(jī)器出現(xiàn)或者即將出現(xiàn)故障，智能平臺將自動進(jìn)行服務(wù)派單。通過遠(yuǎn)程技術(shù)支持或者現(xiàn)場服務(wù)，幫助客戶解決問題，減少客戶因為故障停機(jī)而帶來的損失。

  8.3用戶盈利能力分析

  通過對大量回傳的機(jī)器數(shù)據(jù)的分析和處理，能夠為用戶評估機(jī)器的使用壽命、歷史油耗、歷史服務(wù)費用，為用戶進(jìn)行盈利分析與評價。

  8.4開放的平臺標(biāo)準(zhǔn)

  智能機(jī)器與智能平臺將具備開放的數(shù)據(jù)接口標(biāo)準(zhǔn)。任何采用該標(biāo)準(zhǔn)的機(jī)器都將能夠納入到智能平臺中來。機(jī)器與機(jī)器之間，機(jī)器與平臺之間將互聯(lián)互通。

  9展望

  未來20年，將會有很多關(guān)鍵性的技術(shù)得到突破。這些技術(shù)包括互聯(lián)網(wǎng)技術(shù)、復(fù)合材料技術(shù)、機(jī)器人技術(shù)、故障診斷技術(shù)等等。這些技術(shù)將無疑會推動整個混凝土機(jī)械行業(yè)向著更加智能、更加人性化的方向發(fā)展。