物聯網技術在工程機械領域的應用分析

1、物聯網技術在工程機械領域的應用分析摘要：在客觀闡述物聯網的概念和特征基礎上，指出了物聯網技術在工程機械行業(yè)的促進作用，并介紹了工程機械物聯網的概念、關鍵技術、體系架構和應用。把物聯網技術滲透到傳統(tǒng)工程機械行業(yè)，使傳統(tǒng)工程機械走進了“智能機器”時代，能實現工程機械的智能化識別、定位、跟蹤、遠程狀態(tài)監(jiān)測與故障診斷和信息管理。關鍵詞：物聯網；工程機械；遠程監(jiān)控；GPS/GPRS物聯網作為信息產業(yè)的第三次革命性創(chuàng)新，加速了信息化進程，推動了傳統(tǒng)產業(yè)的升級并且催生了新興產業(yè)。工程機械產業(yè)是我國基礎設施建設的支撐產業(yè)，企業(yè)的國際化進程不斷加快，中國也成為世界工程機械企業(yè)競爭的中心。在信息化與工業(yè)化深度融合

2、的潮流中，工程機械智能化成為引領行業(yè)發(fā)展的主旋律，物聯網技術將成為未來實現工程機械智能化、促進工程機械產業(yè)升級的核心技術之一。本文首先闡述了物聯網的概念、特點，物聯網技術對促進工程機械產業(yè)信息化和智能化的作用，其次提出了工程機械物聯網的體系結構和關鍵技術，最后指出了物聯網技術在工程機械領域的應用方向。1.物聯網的概念1995年，比爾·蓋茨在未來之路一書中曾提及有關物聯網的描述，但“物聯網”概念的真正出現是在1999年，由麻省理工學院Auto-ID中心提出，物聯網被定義為：把所有物品通過射頻識別等信息傳感設備與互聯網連接起來，實現智能化識別和管理。2005年，國際電信聯盟(ITU)發(fā)布

3、了一份題為The Internetof things的年度報告，正式將“物聯網”稱為“the Internet of Things”，對物聯網概念進行了擴展，提出了任何時刻、任何地點、任意物體之間互聯(Any Time、Any Place、Any Things Connection)，無所不在的網絡(Ubiquitous networks)和無所不在的計算(Ubiquitous computing)的發(fā)展愿景1。隨后，美國、歐洲、日本、韓國相繼提出了自己的物聯網發(fā)展規(guī)劃。2010年，溫家寶總理在政府工作報告中明確指出，利用物聯網技術加快推動經濟發(fā)展的轉變。物聯網是互聯網和通信網的網絡延伸和應用

4、拓展，是多學科技術、思維、應用創(chuàng)新的結合與升華。其基本特征可簡單概括為全面感知、可靠傳送和智能處理2。全面感知即利用射頻識別、二維碼、傳感器等感知、捕獲、測量技術隨時隨地對物體進行信息采集和獲取;可靠傳送即通過將物體接入信息網絡，依托各種通信網絡，隨時隨地進行可靠的信息交互和共享;智能處理即利用各種智能計算技術，對海量的感知數據和信息進行分析并處理，實現智能化的決策和控制。2.物聯網技術促進工程機械產業(yè)升級工程機械作為裝備制造業(yè)的重要組成部分，各國都非常重視其發(fā)展，對工程機械智能化水平要求越來越高。當前物聯網技術開始在很多領域開展試點應用，包括智能電網、智能交通、遠程醫(yī)療、智能家居等。雖然在各

5、個行業(yè)普及物聯網技術在短期內很難實現，但是工程機械由于在技術運用的成熟度、資本及企業(yè)標準易于統(tǒng)一等方面的優(yōu)勢，使得物聯網技術在工程機械上的應用更具有物聯網的特征與優(yōu)勢，其發(fā)展必將領先于公共物聯網的發(fā)展，并將成為工程機械企業(yè)新的經濟增長點，促進工程機械產業(yè)升級。主機企業(yè)通過建立以自身為核心的物聯網，實現主機企業(yè)與零部件企業(yè)的信息資源共享，然后根據主機企業(yè)營銷服務部門的信息對產業(yè)鏈上游和下游企業(yè)進行資源整合與優(yōu)化配置。企業(yè)可以創(chuàng)造工程機械軟硬件產品分離的開發(fā)模式，軟件產品趨向多元化與平臺化，硬件產品趨向標準化與模塊化。可以優(yōu)化企業(yè)內部開發(fā)人員的資源配置，大大縮短產品的開發(fā)周期，突破傳統(tǒng)產業(yè)的創(chuàng)新瓶

6、頸，推動傳統(tǒng)工程機械企業(yè)產業(yè)升級。國內的工程機械企業(yè)雖然起步較晚，但也紛紛研究了工程機械物聯網技術，并將其應用到產品生產和售后服務中，改善了自身的產業(yè)模式。例如：天津工程機械研究院提出的路面施工機械智能化和制造信息化3。其對物聯網技術在工程機械行業(yè)應用的初級探索研制出智能化路面施工機群，包括網絡化的機群成套控制技術、單機智能化產品技術、機群智能故障診斷系統(tǒng)、機群實時監(jiān)控系統(tǒng)和機群信息通訊系統(tǒng)等。徐州工程機械集團有限公司利用物聯網技術構建的可視化監(jiān)控平臺由地理信息系統(tǒng)（GIS）、管理信息系統(tǒng)（MIS）、故障診斷系統(tǒng)和維修保養(yǎng)服務系統(tǒng)構成，實現了部分設備的實時定位、跟蹤和歷史軌跡回放，工程機械狀態(tài)

7、信息查詢，故障診斷與預警和故障日志查詢，維修保養(yǎng)提醒和維修保養(yǎng)日志查詢4。三一重工成立了三一智能控制設備有限公司，專門從事三一主機設備關鍵部件研制、核心控制技術開發(fā)，負責三一主機裝備智能化發(fā)展戰(zhàn)略的推進與實施。目前，三一重工大部分產品的主機都安裝了自主研發(fā)的各類傳感器，能監(jiān)測機械設備的直線或旋轉位移、方向、角度和速度等5。實現了對主機的自動識別定位，狀態(tài)監(jiān)測。3.工程機械物聯網的體系架構及關鍵技術“工程機械物聯網”即通過全球定位系統(tǒng)(GPS)、手機通信網和互聯網，實現工程機械智能化識別、定位、跟蹤、監(jiān)控和管理，使工程機械、操作手、技術服務工程師、代理店與制造廠達成異地、遠程、動態(tài)及全天候的“物

8、物相連、人人相連、物人相連”6。3.1 工程機械物聯網體系架構物聯網的體系架構可分為3個層次:感知層、傳輸層、應用層。感知層相當于人體的感知器官，由傳感器、執(zhí)行器與控制器及傳感網絡構成，是聯系物理世界與虛擬世界的紐帶7。傳輸層相當于人的神經系統(tǒng)，通過各種通信網絡和互聯網數據傳輸數據信息，使其實現數據信息的遠距離傳輸交換和共享。應用層相當于人的大腦，綜合感知的信息和存儲的知識做出判斷，是物聯網實現其社會價值，帶來經濟效益的部分。工程機械物聯網是物聯網技術在工程機械行業(yè)的創(chuàng)新應用，根據工程機械獨特的行業(yè)特點，其架構也具有自己的特色，架構如圖1所示。圖1 工程機械物聯網架構工程機械物聯網的感知層包括

9、傾角傳感器、壓力傳感器、液位傳感器等核心傳感器件，RFID標簽與讀寫設備，運動控制器、IO控制器、工業(yè)遙控器等核心驅動部件和負責機械設備定位和數據傳輸的移動終端，并且需要信息采集、信息融合、短距離傳輸等核心技術的支撐。傳輸層包括機器之間互聯用的以太網，WiFi、藍牙等短距離傳輸技術，機器與企業(yè)控制中心互聯采用的GPRS等長距離無線通信技術，企業(yè)與客戶及客戶之間交流的智能移動通信平臺和各種通信模式之間互通的標準化協(xié)議。應用層將各種信息數據存儲到海量數據服務器，通過高性能軟件處理海量數據，實現對數據的分類、存儲、挖掘與管理，為企業(yè)打造企業(yè)控制中心，實現對分布在全球的所有機械設備的GPS定位、工礦傳

10、輸、鎖機解鎖、遠程診斷8。3.2工程機械物聯網關鍵技術3.2.1精確感知和識別技術工程機械物聯網技術的基礎和前提就是感知和識別技術，包括對主機設備狀態(tài)的監(jiān)測和對設備作業(yè)環(huán)境的了解。機械設備的作業(yè)環(huán)境與設備利用率、使用壽命及設備維護和保養(yǎng)方式息息相關。設備作業(yè)環(huán)境千變萬化，要求感知靈敏、精確。實現高精度和高靈敏度的感知需要針對具體需求開發(fā)的傳感部件和集成豐富信息采集和處理功能的物聯網終端。工程機械物聯網的基礎感知器件可分為:用于實現主機直線或旋轉運動的位移、角度、速度等測量的運動控制類傳感器;用于對主機能源消耗情況和運行情況進行監(jiān)測的工作狀態(tài)監(jiān)測類傳感器;用來對主機身份、位置、環(huán)境溫度進行監(jiān)測的

11、工作環(huán)境類傳感器。例如GPS在壓路機輔助管理系統(tǒng)中的應用、陀螺儀在臂架振動測量中的應用、GPS與陀螺儀在遠程定位系統(tǒng)中的組合應用。3.2.2即插即用的標準化通信協(xié)議機械設備種類繁多，工程機械物聯網的通信網絡組成方式復雜，接入方式多種多樣，沒有統(tǒng)一的通信協(xié)議，造成了這些通信網絡的互相封閉，不能實現大容量工程機械物聯網信息的交互。為了滿足異構網絡的通信要求，必須要有一個統(tǒng)一的并能滿足各種通信方式要求的協(xié)議。機械設備作業(yè)環(huán)境與作業(yè)任務復雜多樣，要求工程機械具有即插即用的部件識別方法，可以在任何時間、地點、環(huán)境實現對部件的準確識別。3.2.3面向服務與研發(fā)的企業(yè)控制中心構建面向研發(fā)的企業(yè)控制中心，是企

12、業(yè)實現大規(guī)模設備監(jiān)管、設備排故與快速服務等功能的前提。構建面向服務的企業(yè)控制中心體系架構，可以形成類似于設備租賃與買賣、故障診斷與預警、健康壽命分析、專家系統(tǒng)等各種相關的第三方增值服務。4.物聯網技術在工程機械中的應用利用GPS、手機通信網GPRS和互聯網等技術，對各種工程機械設備進行智能化識別、定位、監(jiān)控、狀態(tài)監(jiān)測、與信息管理，并通過對采集到的大量數據的挖掘與分析，實現對大量工程機械設備的高效、智能、安全的一體化“監(jiān)、管、控、營”，繼而實現對工程機械設備的全生命周期管理，是物聯網在工程機械中的應用模式。4.1工程機械狀態(tài)監(jiān)測與故障診斷遠程監(jiān)控系統(tǒng)工程機械狀態(tài)監(jiān)測與故障診斷遠程監(jiān)控系統(tǒng)由車載終

13、端、數據傳輸網絡和遠程可視化監(jiān)控平臺3個部分組成。車載終端包括GPS終端、RFID、傳感器數據采集裝置和GPRS終端，主要完成對工程機械的運行參數的實時數據采集，然后把數據傳輸至GPRS終端。數據傳輸網絡由GPRS通信網絡和Internet互聯網組成，是車載終端與遠程可視化監(jiān)控平臺的數據傳輸通道?？梢暬h程監(jiān)控平臺由3部分組成:(1)地理信息系統(tǒng)。通過二維的中國地圖顯示機械設備所處的位置，實現對機械設備的實時定位、跟蹤和歷史軌跡回放。(2)設備信息管理系統(tǒng)。采用射頻識別技術(RFID)實現對工程機械設備相關信息的管理，例如設備型號、生產廠家、駕駛員信息、各種零部件的生產廠家和參數的查詢。(3)

14、故障診斷和維護保養(yǎng)系統(tǒng)。通過硬件和軟件的相互補充,設計人機交互系統(tǒng)，與數據庫相連并進行數據分析,實現對機械設備運行狀態(tài)信息的查詢、故障診斷與預警、故障日志查詢、維護保養(yǎng)提醒、維護保養(yǎng)日志查詢和健康壽命分析，并且可以實時顯示所想要的某臺設備的監(jiān)測數據，包括操作類、檢測類、控制類等設備的相關信息。系統(tǒng)結構如圖2所示。圖2 狀態(tài)監(jiān)測與故障診斷遠程監(jiān)控系統(tǒng)結構當遠程診斷無法排除故障時，客戶服務中心通過GPS、手機定位找到離故障設備最近的服務車和服務人員，并通過地圖導航指引一線服務工程師迅速趕往客戶工地，為客戶排除設備故障贏得時間。4.2融資租賃車輛智能終端目前國內工程機械市場，按揭貸款已經成為工程機械

15、銷售的普遍模式。但同時也給經銷商帶來了資金回收不便，個別用戶騙車逃跑事件時有發(fā)生，對銀行資金安全構成潛在威脅。為了適應銀行的需求，如果用戶不能及時還款，則應用GPS技術實現機器鎖車、不能啟動等強迫性功能。4.3智能手機服務平臺充分利用移動通信設備的優(yōu)勢，開發(fā)工程機械物聯網的智能手機客戶端，讓用戶通過手機就可了解到機器的狀態(tài)。客戶服務中心可以通過電話短信等糾正客戶的不規(guī)范操作，預防故障的發(fā)生，為已發(fā)生故障的機械設備提供及時的維修服務?？蛻粢部梢酝ㄟ^電話、互聯網等方式接入客戶服務中心，客戶服務中心服務工程師通過安裝在工程機械上的智能終端傳回的設備實時工作參數，如油溫、轉速、油壓、起重臂幅、伸縮控制

16、閥狀態(tài)、油缸伸縮狀態(tài)、回轉泵狀態(tài)等，對客戶設備進行遠程診斷，指導客戶排除設備故障9。4.4大數據挖掘與應用工程機械物聯網每時每刻都在采集和處理大量的信息，有工程機械主機運動控制數據、主機工作狀態(tài)數據、工作環(huán)境數據、主機故障分析數據、主機身份信息和工作類型數據等。如果對這些海量數據加以挖掘和充分利用，對企業(yè)的發(fā)展會有很大的幫助。第一，幫助生產者提高產品質量。企業(yè)可以根據各種各樣的故障分析數據，分析產品有哪些薄弱的環(huán)節(jié)，幫助研發(fā)部門或質量管控部門提升產品品質。第二，幫助企業(yè)做營銷決策。通過采集到的大量工程機械位置分布信息，幫助企業(yè)了解各類產品高頻使用地區(qū)，然后加強此地的營銷投入。第三，幫助企業(yè)做售

17、后服務的輔助決策。通過設備的使用情況來分析當前區(qū)域哪些機種較多，使用情況如何，是不是需要增設服務網點，經常出現故障的零部件是什么，是否需要在這個地方增加備件庫存等10。5.結論中國工程機械智能化處于初期階段，工程機械物聯網的應用范圍還很小。物聯網作為制造業(yè)實現信息化的有效途徑，在中國工程機械領域具有非常廣闊的應用前景。遠程監(jiān)控、檢測和診斷是工程機械走向全面服務型制造的最重要一步。這種“物物相聯”所帶來的便捷服務，就是工程機械領域必須努力實現的。參考文獻1孫其博，劉杰，黎羴，等.物聯網:概念、架構與關鍵技術研究綜述J,北京郵電大學學報，2010，33(3):2-92鄂旭，王志良，楊玉強物聯網關鍵技術及應用M北京:清華大學出版社，2013:33李亞平,劉清平,鄂卓茂.工程機械行業(yè)信息化架構研究J.中國工程機械學報,2005,3(2):245-249.4李學忠.工程機械