工程機械機群一體化施工關(guān)鍵技術(shù)研究

(山推工程機械股份有限公司，山東 濟寧 272000)

1 前言

傳統(tǒng)的施工模式存在施工精確度低，對操作手依賴性大，不能實時監(jiān)控過程，容易造成過度施工，反復(fù)施工，夜間施工難度大，效率低等缺陷，大大限制了設(shè)備的生產(chǎn)力，像高爾夫球場、專用的試車跑道、機場跑道路基等需要特殊工藝或設(shè)計要求的，傳統(tǒng)施工技術(shù)已不能滿足。

基于傳統(tǒng)施工的這些不足，機群一體化施工應(yīng)運而生，如圖1 所示。工程機械制造業(yè)是中國制造業(yè)的重要組成部分，目前，稍具規(guī)模的工程機械制造商都提出了一體化施工的理念，將一體化施工方案及機群聯(lián)動控制作為企業(yè)重要的戰(zhàn)略規(guī)劃。

圖1 一體化施工方案示意圖

2 機群一體化施工關(guān)鍵技術(shù)研究

工程機械機群一體化施工是指為完成某一工程施工項目，以工程數(shù)字化為基礎(chǔ)，以實現(xiàn)最優(yōu)工作效率、最佳工作質(zhì)量為目標的同步協(xié)調(diào)、智能調(diào)度各類設(shè)備。施工前，首先把工程數(shù)據(jù)生成三維數(shù)字地形模型，通過GPS 等測量定位，計算實際位置和方向，與設(shè)計值比較，并把校正信息輸出到云端，云端對操作手及設(shè)備進行調(diào)整，讓機器引導(dǎo)人來施工，工地數(shù)字模型呈現(xiàn)如圖2 所示。然后根據(jù)工程現(xiàn)場勘查，確定地形，立地條件等實際情況，安排合理的機械設(shè)備進行施工。一體化施工不再使用一款無人駕駛產(chǎn)品，而是需要工程機械智能施工機群，通過外部施工環(huán)境監(jiān)測，統(tǒng)一的控制平臺，同時完成推土機、壓路機、挖掘機等不同設(shè)備同時施工，互不干擾且相互協(xié)作。一體化施工從作業(yè)形態(tài)上講要求精準高效作業(yè)，從機群控制系統(tǒng)上講要求和諧作業(yè)、有序作業(yè)、高效作業(yè)，這是很大的技術(shù)難關(guān)，需掌握以下關(guān)鍵技術(shù)。

圖2 一體化施工工地數(shù)字模型呈現(xiàn)

2.1 執(zhí)行機構(gòu)運動軌跡控制

要準確找到機械設(shè)備和作業(yè)對象的相互關(guān)系，需要對執(zhí)行機構(gòu)進行運動軌跡控制，而軌跡控制需要實現(xiàn)作業(yè)精準、位置精準及行走精準。

2.1.1 作業(yè)精準

要想實現(xiàn)工程機械設(shè)備作業(yè)精準，需要我們從根本上解決運動執(zhí)行機構(gòu)“三環(huán)控制”即速度環(huán)控制、位置環(huán)控制和加速度環(huán)控制。這對工程機械液壓系統(tǒng)也提出了很高的要求，每個液壓軸將從開環(huán)控制進入伺服閉環(huán)控制且各軸從獨立控制進入多軸統(tǒng)籌解耦控制，即液壓系統(tǒng)采用適合的控制規(guī)律來消除系統(tǒng)中各個控制回路之間的相對耦合關(guān)系，使每一個輸入只對應(yīng)一個輸出，每一個輸出又只受到一個控制，來滿足液壓系統(tǒng)多變量控制。例如，推土機鏟刀的姿態(tài)控制，施工時鏟刀一鏟完成精確施工，不用人工二次修補，這樣可以節(jié)省大量的人力、時間，提高設(shè)備的工作效率。

如圖3 所示，挖掘機底部找平控制，完全可以實現(xiàn)在電子圍欄下自動挖掘，實現(xiàn)該挖的地方保證精確的挖好（底部自動找平挖掘），不該挖的地方一定不挖。實現(xiàn)作業(yè)精準需要工程機械設(shè)備安裝多個獨立的互不干擾的電子控制系統(tǒng)，按6 個自由度（6DOF）的控制模式實現(xiàn)挖掘機鏟斗的軌跡控制和推土機鏟刀的姿態(tài)控制，如圖4、圖5 所示。

圖3 挖掘機底部找平控制

圖4 推土機鏟刀的6DOF控制

圖5 挖掘機鏟斗的6DOF控制

2.1.2 行走精準

工程機械行走系統(tǒng)將逐漸從開環(huán)控制進入到閉環(huán)控制、再到伺服控制。要讓工程機械實現(xiàn)各種功能的精確控制，提高作業(yè)效率，工程機械設(shè)備行走時必須要解決巡航速度的問題，如果工程機械設(shè)備工作時不能恒速行走，作業(yè)精準將很難實現(xiàn)，所以精準作業(yè)的前提一定是設(shè)備行走的恒速，這就對變速箱提出了很高的要求。

目前，可不斷變速的機械式無級變速箱（CVT）已經(jīng)在汽車行業(yè)上得到了應(yīng)用和推廣，而無限變速式機械無級變速箱（IVT）國外發(fā)展非?？欤瑖鴥?nèi)目前還是空白，圖6 所示為國外簡易的IVT 變速箱，因此應(yīng)加快工程機械傳統(tǒng)變速箱向CVT 及IVT 變速箱切換，以實現(xiàn)工程機械定速巡航。

圖6 簡易IVT變速箱

2.1.3 位置精準

工程機械執(zhí)行結(jié)構(gòu)位置的精確定位需要高精度的定位系統(tǒng)，目前我國的北斗定位系統(tǒng)完全可以達到目標精確定位，但是GPS 定位系統(tǒng)是有限定位，這就需要5G 技術(shù)，5G 最主要的特點是實時性，可以滿足行走機械執(zhí)行機構(gòu)的實時控制，同樣，數(shù)據(jù)傳輸安全性高，可以實現(xiàn)“云—地”同步控制，也可以實現(xiàn)“云—霧”端控制，如圖7 所示，在5G環(huán)境下也可以方便實現(xiàn)“數(shù)字孿生”（其中包括3D 定位、運動解耦運算、主要參數(shù)的輸入與輸出等）。

圖7 “云—霧”端控制原理圖

2.2 機群信息智能化云平臺

國外企業(yè)像卡特彼勒、小松，國內(nèi)企業(yè)如三一、徐工都有自己的智能化平臺，這些平臺只能實現(xiàn)本企業(yè)產(chǎn)品的信息智能化、設(shè)備運行狀況掌控，實現(xiàn)同一企業(yè)產(chǎn)品一體化施工和集群控制，但是針對同一工地上不同廠家的設(shè)備，因企業(yè)間市場競爭還無法實現(xiàn)一體化施工。設(shè)備精準定位在上述文章中已經(jīng)提出解決方案，但是如何把這些數(shù)據(jù)共享到同一個網(wǎng)絡(luò)里，這就需要建立新的網(wǎng)絡(luò)云平臺，這個云平臺可以控制各種設(shè)備，把各種需要的數(shù)據(jù)都放在平臺上，如圖8 所示，區(qū)域控制器是需要各工程機械制造商開發(fā)，而云平臺必須是由第三方來開發(fā)，這是機群一體化施工最需攻克的技術(shù)難點。

圖8 機群信息智能化云平臺

2.3 機群健康管理控制平臺

機群一體化施工控制系統(tǒng)就像人體各個器官在大腦控制下完成各項行為動作一樣，人體健康狀況分為健康、亞健康及病態(tài)三種，同樣一體化施工系統(tǒng)的健康管理也可以分為三種。

例如，液壓系統(tǒng)是否“健康”主要跟油有關(guān)，機群液壓系統(tǒng)也需要檢驗液壓油的主要參數(shù)。目前微型傳感器及軟件工程的高速發(fā)展，完全可以做到油液健康監(jiān)測。但是這里存在一個監(jiān)測標準的問題，監(jiān)測出油液污染了，機群是否需要立即停止工作，所以在監(jiān)測結(jié)果顯示中除了健康（綠燈）、病態(tài)（紅燈），還應(yīng)該存在一個亞健康（黃燈），黃燈控制需要專家數(shù)據(jù)庫給出在監(jiān)測出液壓系統(tǒng)黃燈多少小時后需要進行液壓系統(tǒng)保養(yǎng)維護。

因此，需要建立一個機群一體施工健康管理平臺，實時監(jiān)測系統(tǒng)中各種機群的“健康”狀況，這對提高機群作業(yè)效率很有必要。

3 總結(jié)

將來工程機械施工平臺將是一個開放的平臺，機群一體化施工將會是工程機械發(fā)展的主流，所需要的技術(shù)除了執(zhí)行機構(gòu)運動軌跡控制、機群信息智能化管理以及機群健康管理以外，還需要紅外勘測技術(shù)、激光技術(shù)、智能視頻影像技術(shù)等，這是一個復(fù)雜而龐大的技術(shù)體系。一體化施工技術(shù)成熟以后將會在新能源的背景下開展工程機械一體化施工，逐步實現(xiàn)“中國制造2025”規(guī)劃。