工程機械及施工物聯網技術應用

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摘要：物聯網作為傳統制造業走向智能化的高效途徑，在我國工程機械行業應用前景廣闊。利用物聯網、人工智能等技術邁向中國“智”造，是我國工程機械企業重塑行業競爭力的重要一步，同時也是行業行穩致遠、高質量發展的必經之路。

關鍵詞：物聯網；人工智能；智能化

當前，物聯網被譽為21世紀最具影響力的技術革命，各國在物聯網技術領域投入的資源也大為可觀。物聯網技術可推動傳統產業進行高效的轉型升級，在高度適配物聯網生態的5G技術日趨成熟后，物聯網在工業領域的應用將迎來爆發式增長。工程機械是我國基礎建設的核心支撐產業，在“兩化融合”的背景下，智能化成為引領工程機械行業發展的主旋律，而物聯網技術也將成為未來工程機械實現智能化以及行業實現高質量轉型升級的必經之路。

1物聯網概念

物聯網（TheInternetofThings，簡稱IOT）是指通過各種信息傳感器、射頻識別技術、全球定位系統、紅外感應器、激光掃描器等各種裝置與技術，實時采集任何需要監控、連接、互動的物體或過程，采集其聲、光、熱、電、力學、化學、生物、位置等各種需要的信息，通過各類可能的網絡接入，實現物與物、物與人的泛在連接，實現對物品和過程的智能化感知、識別和管理。物聯網是一個基于互聯網、傳統電信網等的信息承載體，它是讓所有能夠被獨立尋址的普通物理對象形成互聯互通的網絡。

2物聯網在工程機械領域的應用

2.1工程機械機群管理

利用GPS、手機蜂窩網絡和互聯網等技術，對工程機械設備進行地理位置定位、運行狀態監測、設備信息管理和雙向通訊，并對采集到的數據進行深度的挖掘與分析，實現對工程機械設備機群的監控和管理，進而實現工程機械的全生命周期管理，是目前物聯網在工程機械領域典型的應用場景。同時也是當前工程機械制造商、商和大型租賃商應用最廣泛的模式。目前行業企業所搭建的機群管理系統通常包括以下功能和服務：

2.1.1工程機械狀態監測與遠程故障診斷工程機械狀態監測服務一般包括以下3種功能：一是能夠對機械設備進行實時定位、跟蹤、歷史軌跡回放以及電子圍欄設置等基于地理位置的信息系統；二是能夠采用射頻識別技術（RFID）對工程機械設備相關信息進行查詢管理的設備信息管理系統；三是能夠進行故障代碼分析、遠程故障處理、遠程呼叫、定位導航的遠程故障診斷系統。

2.1.2融資租賃車輛智能終端融資租賃管理是工程機械物聯網技術在國內應用的最原始場景，旨在對融租租賃用戶進行限制，如果用戶不能及時還款，則利用GPS技術對設備功能進行限制（例如限制發動機啟動、限制行走等），以求保全資產。

2.1.3基于大數據的決策支撐服務基于大數據的管理支撐服務同時面向用戶和企業自身業務部門。對于用戶而言，企業開發基于工程機械物聯網的智能手機客戶端，讓用戶通過手機即時了解設備運行狀態，接收日報、周報、月報等，可以提升客戶忠誠度，并且能夠提升客戶的管理能力，培養良好用機習慣。對于企業自身而言，大數據管理支撐服務優勢更為明顯，具體有三點：一是可以幫助企業積累設備運行數據、故障數據，提高產品質量；二是積累宏觀數據和周期性數據，幫助企業做營銷決策；三是利用故障數據和區域性設備使用情況數據，幫助企業做售后服務的輔助決策。

2.2工程機械輔助施工

利用物聯網技術能夠大大提升工程機械的施工能力，以此來彌補由于作業環境差或操作人員能力不足所造成的無法達到預期作業效果的情況。目前，國內一些精挖工程、邊坡精修工程主要依賴操作手自己的經驗以及和測量人員之間的配合，施工質量無法保障。此種情況下，精確高程平整、高精度邊坡施工需要大量人員協作完成，綜合效率低下，施工質量難以保證。同時依靠人員經驗通力協作，也難以高質量完成的以上作業場景。而在引入物聯網技術后，則變得格外輕松。本文以Trimble（天寶）面向挖掘機械推出的GCS900型智能引導系統為例說明。GCS900是一套技術領先的坡度控制系統，可以廣泛應用于挖掘機、推土機、自動平地機、壓實機等工程機械設備。通過基站定位和安裝在設備上的GPS接收模塊組成的雙重定位技術，以及安裝在設備上的各種傳感器，來實時獲取設備的位置和姿態。安裝在駕駛室內的控制箱，可以實時展示設備的3D工作姿態，并且可以通過LED燈實時展示挖深信息和回填信息，輔助操作手進行高精度。即使在視力不及的盲區(例如在水下)，操作手也能借助該系統精確完成作業任務。

3物聯網在施工領域的應用

3.1施工智能化

智能施工是當前物聯網在工程機械施工領域最為廣闊的應用場景。隨著人工成本的不斷升高以及無線傳感器、邊緣計算等物聯網技術的不斷成熟和普及，智能施工在工程建設領域，尤其是礦山的應用也愈發普遍。小松聯合一些科技企業跨界打造的自動運輸系統(AHS)-FrontRunner，已經成為全球眾多大型礦山的首選智能運輸系統。該系統無論是在安全性、生產力、環境耐受性以及系統靈活性等各項指標上都經受住了考驗，并且自動運輸的物料量級也是行業之最。小松FrontRunner是一個綜合性的礦山車隊管理系統，接入此系統的每一臺礦用自卸車都配備車輛控制器、高精度GPS模塊、障礙物偵測系統、無線網絡系統。車隊管理中心給每一輛礦用自卸車預先設置運輸目的地，車輛接收到無線指令后，以合適的速度按照預定路線行進。礦用自卸車由高精度GPS模塊、控制中心無線指令和其他引導裝置，來確定其在該礦山內的準確位置坐標以及周邊設備與物料情況，這樣一來，礦用自卸車便能夠在無人操作下實現復雜場景的裝載、運輸和卸載。除了礦用自卸車之外，物料運輸作業中需用到的其他工程機械和輔助車輛也被納入到這個智能管理系統內。裝載物料時，配備高精度GPS模塊的挖掘機（或裝載機）同樣會上傳自身位置和狀態到管理中心，由管理中心計算并引導礦用自卸車至正確的裝載位置。裝載完成后，礦用自卸車將按照指定路線行駛到卸載位置，保證準確卸載。在安全方面，FrontRunner可避免場內工作的礦用自卸車、平地機、推土機、服務車輛和其他設備之間互相碰撞。此外，如果障礙物偵測系統發現車輛行駛路線上有其他并未納入該系統管理下的行人或車輛，會馬上減速或停駛，確保安全。礦山作業場景簡單，規律性和程序性強，為此成為一些企業在智能施工領域發力的首選場景。而對于更加復雜的建筑施工領域，只有更高等級的智能解決方案才能勝任。小松近2年來大力推進的AI（人工智能）平臺——SmartConstruction，便是面向建筑施工領域的智能解決方案。在日本本土，小松已經在4000多個工地部署了SmartConstruction服務，它是一套由無人機輔助的自動化施工管理服務，旨在緩解日本技術工人嚴重短缺的情況。SmartConstruction將小松的設備智能控制技術與無人機/三維激光掃描儀施工現場測繪技術、計算機視覺技術相結合，共同組成此AI平臺的基礎，實現智能施工。平臺搭載的GPU、無人機以及智能攝像頭進行通信，對采集到的數據進行分析和可視化處理。該平臺初期在操作人員的輔助下運行，對操作人員進行提示和預警，其終極目標是通過不斷進行自我學習，訓練模型，達到智能施工的效果。對于施工企業來說，智能化施工有很多好處：一是降低施工人員人工成本支出；二是提升施工效率，擴大施工范圍，能深入更危險的地方作業；三是增強施工場地的安全性，減少意外的發生；四是降低運行成本，延長工程機械使用壽命；五是節省燃油和減少排放污染。隨著物聯網、人工智能技術的日趨成熟，智能化施工的門檻也將大大降低，其應用場景數量和可靠性也將大大提升，其在成本控制及效率提升上的優勢也將逐漸展現出來。

3.2工程主體監測

重大基礎工程設施的建設水平體現了這個國家的經濟潛力、國家財富和人民生活質量。重大基礎工程設施作為“百年大計”，承擔著不可替代的民生責任，同時堪稱“天價”的建設投入也讓他們受到社會的普遍關注。因此，大壩、橋梁等重大民生基礎設施主體必須確保達到設計強度和設計壽命，一旦損毀極易造成巨大的人員傷亡和財產損失，在社會上造成惡劣影響。為了讓這些大型工程主體保持良好的狀態，工程所屬機構必須投入大量的資源去巡檢和維護。以美國為例，據有統計以來，美國由于關鍵橋梁或隧道的損毀而產生的修繕費用就已經超過100億美元。如今有了大數據和物聯網技術的幫助，可以在提高大型基礎工程設施安全性的同時，大大節省它們的維護開支。

3.2.1荷蘭堤防監測系統荷蘭的“堤防監測系統”工程已經推進了長達15年之久，這一項目旨在改善堤防監測效果，提高堤壩防洪能力。為此，荷蘭政府在全國范圍內集結了很多科研機構和組織，共同努力將物聯網技術和大數據技術相結合，最終形成了一個強大的堤防監測系統，可以將防洪大堤的狀況實時可視化地展現出來，供工程人員實時查看堤壩狀態。這個系統的核心是防洪大堤數據服務中心（DDSC），它集中統一地存儲堤壩上的各類傳感器實時上傳的數據，并進行處理和分析。除了服務于堤壩狀態監測之外，傳感器采集的數據也可用于檢測影響人體健康的多項與水體有關的指標，比如水生生物變化、水質污染程度等，還可用于對河流和沿海水域地質災害的預警。

3.2.2韓國第二珍島大橋監控系統珍島大橋是連接珍島和朝鮮半島西南端的雙斜拉橋，橫跨鳴梁海峽。為了分擔珍島大橋的交通壓力，第二珍島大橋于2006年建成。第二珍島大橋是一座三跨鋼箱梁斜拉橋，主跨344m，側跨70m。第二珍島大橋是一座典型的在物聯網技術的驅動下變得更加智能的大型橋梁，該橋橋體配有113個傳感器節點，可以測量橋梁上的加速度、溫度、濕度、光線和風力等數據。第二珍島大橋橋體布有15個溫度傳感器、15個拉力傳感器、4個雙軸傾角儀、2個拉線位移傳感器、2個激光位移傳感器、24個光纖布拉格光柵傳感器、20個單軸電容式加速度計、2個雙軸力平衡式加速度計和3個三軸地震加速度檢測儀。這些傳感器每天源源不斷地收集大量數據，這些數據由數據中心進行整理和分析，用于不間斷地監測橋體的狀態。比較超前的是，該橋監控系統絕大多數進行數據通訊的零部件采用無線傳輸技術，傳感器布置和數據收集極為方便。這座大橋也成為應用物聯網技術將基礎工程設施變得更加智能的典型案例。

4總結

從我國工程機械行業當前取得的成績和面臨的挑戰來看，我國從工程機械大國發展到工程機械強國，顯然還需要一個漫長的過程。物聯網作為傳統制造業走向智能化的高效途徑，在我國工程機械行業應用前景廣闊。同時，利用物聯網、人工智能等技術邁向中國“智”造是我國工程機械企業重塑行業競爭力的重要一步，同時也是行業行穩致遠、高質量發展的必經之路。

作者：王若瓊 單位：中國農業機械化科學研究院