物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)在工程機械領(lǐng)域的應(yīng)用分析

1、物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)在工程機械領(lǐng)域的應(yīng)用分析摘要：在客觀闡述物聯(lián)網(wǎng)的概念和特征基礎(chǔ)上，指出了物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)在工程機械行業(yè)的促進(jìn)作用，并介紹了工程機械物聯(lián)網(wǎng)的概念、關(guān)鍵技術(shù)、體系架構(gòu)和應(yīng)用。把物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)滲透到傳統(tǒng)工程機械行業(yè)，使傳統(tǒng)工程機械走進(jìn)了“智能機器”時代，能實現(xiàn)工程機械的智能化識別、定位、跟蹤、遠(yuǎn)程狀態(tài)監(jiān)測與故障診斷和信息管理。關(guān)鍵詞：物聯(lián)網(wǎng)；工程機械；遠(yuǎn)程監(jiān)控；GPS/GPRS物聯(lián)網(wǎng)作為信息產(chǎn)業(yè)的第三次革命性創(chuàng)新，加速了信息化進(jìn)程，推動了傳統(tǒng)產(chǎn)業(yè)的升級并且催生了新興產(chǎn)業(yè)。工程機械產(chǎn)業(yè)是我國基礎(chǔ)設(shè)施建設(shè)的支撐產(chǎn)業(yè)，企業(yè)的國際化進(jìn)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(lǐng)行業(yè)發(fā)展的主旋律，物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)將成為未來實現(xiàn)工程機械智能化、促進(jìn)工程機械產(chǎn)業(yè)升級的核心技術(shù)之一。本文首先闡述了物聯(lián)網(wǎng)的概念、特點，物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)對促進(jìn)工程機械產(chǎn)業(yè)信息化和智能化的作用，其次提出了工程機械物聯(lián)網(wǎng)的體系結(jié)構(gòu)和關(guān)鍵技術(shù)，最后指出了物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)在工程機械領(lǐng)域的應(yīng)用方向。1.物聯(lián)網(wǎng)的概念1995年，比爾·蓋茨在未來之路一書中曾提及有關(guān)物聯(lián)網(wǎng)的描述，但“物聯(lián)網(wǎng)”概念的真正出現(xiàn)是在1999年，由麻省理工學(xué)院Auto-ID中心提出，物聯(lián)網(wǎng)被定義為：把所有物品通過射頻識別等信息傳感設(shè)備與互聯(lián)網(wǎng)連接起來，實現(xiàn)智能化識別和管理。2005年，國際電信聯(lián)盟(ITU)發(fā)布

3、了一份題為The Internetof things的年度報告，正式將“物聯(lián)網(wǎng)”稱為“the Internet of Things”，對物聯(lián)網(wǎng)概念進(jìn)行了擴展，提出了任何時刻、任何地點、任意物體之間互聯(lián)(Any Time、Any Place、Any Things Connection)，無所不在的網(wǎng)絡(luò)(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(lián)網(wǎng)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(lián)網(wǎng)技術(shù)加快推動經(jīng)濟發(fā)展的轉(zhuǎn)變。物聯(lián)網(wǎng)是互聯(lián)網(wǎng)和通信網(wǎng)的網(wǎng)絡(luò)延伸和應(yīng)用

4、拓展，是多學(xué)科技術(shù)、思維、應(yīng)用創(chuàng)新的結(jié)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(shù)隨時隨地對物體進(jìn)行信息采集和獲取;可靠傳送即通過將物體接入信息網(wǎng)絡(luò)，依托各種通信網(wǎng)絡(luò)，隨時隨地進(jìn)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(shù)，對海量的感知數(shù)據(jù)和信息進(jìn)行分析并處理，實現(xiàn)智能化的決策和控制。2.物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)促進(jìn)工程機械產(chǎn)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(dāng)前物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)開始在很多領(lǐng)域開展試點應(yīng)用，包括智能電網(wǎng)、智能交通、遠(yuǎn)程醫(yī)療、智能家居等。雖然在各

5、個行業(yè)普及物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)在短期內(nèi)很難實現(xiàn)，但是工程機械由于在技術(shù)運用的成熟度、資本及企業(yè)標(biāo)準(zhǔn)易于統(tǒng)一等方面的優(yōu)勢，使得物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)在工程機械上的應(yīng)用更具有物聯(lián)網(wǎng)的特征與優(yōu)勢，其發(fā)展必將領(lǐng)先于公共物聯(lián)網(wǎng)的發(fā)展，并將成為工程機械企業(yè)新的經(jīng)濟增長點，促進(jìn)工程機械產(chǎn)業(yè)升級。主機企業(yè)通過建立以自身為核心的物聯(lián)網(wǎng)，實現(xiàn)主機企業(yè)與零部件企業(yè)的信息資源共享，然后根據(jù)主機企業(yè)營銷服務(wù)部門的信息對產(chǎn)業(yè)鏈上游和下游企業(yè)進(jìn)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(chǎn)品分離的開發(fā)模式，軟件產(chǎn)品趨向多元化與平臺化，硬件產(chǎn)品趨向標(biāo)準(zhǔn)化與模塊化?？梢詢?yōu)化企業(yè)內(nèi)部開發(fā)人員的資源配置，大大縮短產(chǎn)品的開發(fā)周期，突破傳統(tǒng)產(chǎn)業(yè)的創(chuàng)新瓶

6、頸，推動傳統(tǒng)工程機械企業(yè)產(chǎn)業(yè)升級。國內(nèi)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(lián)網(wǎng)技術(shù)，并將其應(yīng)用到產(chǎn)品生產(chǎn)和售后服務(wù)中，改善了自身的產(chǎn)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(lián)網(wǎng)技術(shù)在工程機械行業(yè)應(yīng)用的初級探索研制出智能化路面施工機群，包括網(wǎng)絡(luò)化的機群成套控制技術(shù)、單機智能化產(chǎn)品技術(shù)、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(lián)網(wǎng)技術(shù)構(gòu)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(wù)系統(tǒng)構(gòu)成，實現(xiàn)了部分設(shè)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(yù)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(shè)備有限公司，專門從事三一主機設(shè)備關(guān)鍵部件研制、核心控制技術(shù)開發(fā)，負(fù)責(zé)三一主機裝備智能化發(fā)展戰(zhàn)略的推進(jìn)與實施。目前，三一重工大部分產(chǎn)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(shè)備的直線或旋轉(zhuǎn)位移、方向、角度和速度等5。實現(xiàn)了對主機的自動識別定位，狀態(tài)監(jiān)測。3.工程機械物聯(lián)網(wǎng)的體系架構(gòu)及關(guān)鍵技術(shù)“工程機械物聯(lián)網(wǎng)”即通過全球定位系統(tǒng)(GPS)、手機通信網(wǎng)和互聯(lián)網(wǎng)，實現(xiàn)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(shù)服務(wù)工程師、代理店與制造廠達(dá)成異地、遠(yuǎn)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(lián)網(wǎng)體系架構(gòu)物聯(lián)網(wǎng)的體系架構(gòu)可分為3個層次:感知層、傳輸層、應(yīng)用層。感知層相當(dāng)于人體的感知器官，由傳感器、執(zhí)行器與控制器及傳感網(wǎng)絡(luò)構(gòu)成，是聯(lián)系物理世界與虛擬世界的紐帶7。傳輸層相當(dāng)于人的神經(jīng)系統(tǒng)，通過各種通信網(wǎng)絡(luò)和互聯(lián)網(wǎng)數(shù)據(jù)傳輸數(shù)據(jù)信息，使其實現(xiàn)數(shù)據(jù)信息的遠(yuǎn)距離傳輸交換和共享。應(yīng)用層相當(dāng)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(lián)網(wǎng)實現(xiàn)其社會價值，帶來經(jīng)濟效益的部分。工程機械物聯(lián)網(wǎng)是物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)在工程機械行業(yè)的創(chuàng)新應(yīng)用，根據(jù)工程機械獨特的行業(yè)特點，其架構(gòu)也具有自己的特色，架構(gòu)如圖1所示。圖1 工程機械物聯(lián)網(wǎng)架構(gòu)工程機械物聯(lián)網(wǎng)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(biāo)簽與讀寫設(shè)備，運動控制器、IO控制器、工業(yè)遙控器等核心驅(qū)動部件和負(fù)責(zé)機械設(shè)備定位和數(shù)據(jù)傳輸?shù)囊苿咏K端，并且需要信息采集、信息融合、短距離傳輸?shù)群诵募夹g(shù)的支撐。傳輸層包括機器之間互聯(lián)用的以太網(wǎng)，WiFi、藍(lán)牙等短距離傳輸技術(shù)，機器與企業(yè)控制中心互聯(lián)采用的GPRS等長距離無線通信技術(shù)，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(biāo)準(zhǔn)化協(xié)議。應(yīng)用層將各種信息數(shù)據(jù)存儲到海量數(shù)據(jù)服務(wù)器，通過高性能軟件處理海量數(shù)據(jù)，實現(xiàn)對數(shù)據(jù)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(xiàn)對分布在全球的所有機械設(shè)備的GPS定位、工礦傳

10、輸、鎖機解鎖、遠(yuǎn)程診斷8。3.2工程機械物聯(lián)網(wǎng)關(guān)鍵技術(shù)精確感知和識別技術(shù)工程機械物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)的基礎(chǔ)和前提就是感知和識別技術(shù)，包括對主機設(shè)備狀態(tài)的監(jiān)測和對設(shè)備作業(yè)環(huán)境的了解。機械設(shè)備的作業(yè)環(huán)境與設(shè)備利用率、使用壽命及設(shè)備維護和保養(yǎng)方式息息相關(guān)。設(shè)備作業(yè)環(huán)境千變?nèi)f化，要求感知靈敏、精確。實現(xiàn)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(lián)網(wǎng)終端。工程機械物聯(lián)網(wǎng)的基礎(chǔ)感知器件可分為:用于實現(xiàn)主機直線或旋轉(zhuǎn)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(jìn)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(jìn)行監(jiān)測的工作環(huán)境類

11、傳感器。例如GPS在壓路機輔助管理系統(tǒng)中的應(yīng)用、陀螺儀在臂架振動測量中的應(yīng)用、GPS與陀螺儀在遠(yuǎn)程定位系統(tǒng)中的組合應(yīng)用。3.2.2即插即用的標(biāo)準(zhǔn)化通信協(xié)議機械設(shè)備種類繁多，工程機械物聯(lián)網(wǎng)的通信網(wǎng)絡(luò)組成方式復(fù)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(wǎng)絡(luò)的互相封閉，不能實現(xiàn)大容量工程機械物聯(lián)網(wǎng)信息的交互。為了滿足異構(gòu)網(wǎng)絡(luò)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(shè)備作業(yè)環(huán)境與作業(yè)任務(wù)復(fù)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(xiàn)對部件的準(zhǔn)確識別。3.2.3面向服務(wù)與研發(fā)的企業(yè)控制中心構(gòu)建面向研發(fā)的企業(yè)控制中心，是企業(yè)實現(xiàn)大規(guī)

12、模設(shè)備監(jiān)管、設(shè)備排故與快速服務(wù)等功能的前提。構(gòu)建面向服務(wù)的企業(yè)控制中心體系架構(gòu)，可以形成類似于設(shè)備租賃與買賣、故障診斷與預(yù)警、健康壽命分析、專家系統(tǒng)等各種相關(guān)的第三方增值服務(wù)。4.物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)在工程機械中的應(yīng)用利用GPS、手機通信網(wǎng)GPRS和互聯(lián)網(wǎng)等技術(shù)，對各種工程機械設(shè)備進(jìn)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(shù)據(jù)的挖掘與分析，實現(xiàn)對大量工程機械設(shè)備的高效、智能、安全的一體化“監(jiān)、管、控、營”，繼而實現(xiàn)對工程機械設(shè)備的全生命周期管理，是物聯(lián)網(wǎng)在工程機械中的應(yīng)用模式。4.1工程機械狀態(tài)監(jiān)測與故障診斷遠(yuǎn)程監(jiān)控系統(tǒng)工程機械狀態(tài)監(jiān)測與故障診斷遠(yuǎn)程監(jiān)控系統(tǒng)由車載終端、數(shù)據(jù)傳

13、輸網(wǎng)絡(luò)和遠(yuǎn)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(shù)據(jù)采集裝置和GPRS終端，主要完成對工程機械的運行參數(shù)的實時數(shù)據(jù)采集，然后把數(shù)據(jù)傳輸至GPRS終端。數(shù)據(jù)傳輸網(wǎng)絡(luò)由GPRS通信網(wǎng)絡(luò)和Internet互聯(lián)網(wǎng)組成，是車載終端與遠(yuǎn)程可視化監(jiān)控平臺的數(shù)據(jù)傳輸通道?？梢暬h(yuǎn)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(shè)備所處的位置，實現(xiàn)對機械設(shè)備的實時定位、跟蹤和歷史軌跡回放。(2)設(shè)備信息管理系統(tǒng)。采用射頻識別技術(shù)(RFID)實現(xiàn)對工程機械設(shè)備相關(guān)信息的管理，例如設(shè)備型號、生產(chǎn)廠家、駕駛員信息、各種零部件的生產(chǎn)廠家和參數(shù)的查詢。(3)故障診斷和

14、維護保養(yǎng)系統(tǒng)。通過硬件和軟件的相互補充,設(shè)計人機交互系統(tǒng)，與數(shù)據(jù)庫相連并進(jìn)行數(shù)據(jù)分析,實現(xiàn)對機械設(shè)備運行狀態(tài)信息的查詢、故障診斷與預(yù)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(shè)備的監(jiān)測數(shù)據(jù)，包括操作類、檢測類、控制類等設(shè)備的相關(guān)信息。系統(tǒng)結(jié)構(gòu)如圖2所示。圖2 狀態(tài)監(jiān)測與故障診斷遠(yuǎn)程監(jiān)控系統(tǒng)結(jié)構(gòu)當(dāng)遠(yuǎn)程診斷無法排除故障時，客戶服務(wù)中心通過GPS、手機定位找到離故障設(shè)備最近的服務(wù)車和服務(wù)人員，并通過地圖導(dǎo)航指引一線服務(wù)工程師迅速趕往客戶工地，為客戶排除設(shè)備故障贏得時間。4.2融資租賃車輛智能終端目前國內(nèi)工程機械市場，按揭貸款已經(jīng)成為工程機械銷售的普遍

15、模式。但同時也給經(jīng)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(gòu)成潛在威脅。為了適應(yīng)銀行的需求，如果用戶不能及時還款，則應(yīng)用GPS技術(shù)實現(xiàn)機器鎖車、不能啟動等強迫性功能。4.3智能手機服務(wù)平臺充分利用移動通信設(shè)備的優(yōu)勢，開發(fā)工程機械物聯(lián)網(wǎng)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)?？蛻舴?wù)中心可以通過電話短信等糾正客戶的不規(guī)范操作，預(yù)防故障的發(fā)生，為已發(fā)生故障的機械設(shè)備提供及時的維修服務(wù)?？蛻粢部梢酝ㄟ^電話、互聯(lián)網(wǎng)等方式接入客戶服務(wù)中心，客戶服務(wù)中心服務(wù)工程師通過安裝在工程機械上的智能終端傳回的設(shè)備實時工作參數(shù)，如油溫、轉(zhuǎn)速、油壓、起重臂幅、伸縮控制閥狀態(tài)、油

16、缸伸縮狀態(tài)、回轉(zhuǎn)泵狀態(tài)等，對客戶設(shè)備進(jìn)行遠(yuǎn)程診斷，指導(dǎo)客戶排除設(shè)備故障9。4.4大數(shù)據(jù)挖掘與應(yīng)用工程機械物聯(lián)網(wǎng)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(shù)據(jù)、主機工作狀態(tài)數(shù)據(jù)、工作環(huán)境數(shù)據(jù)、主機故障分析數(shù)據(jù)、主機身份信息和工作類型數(shù)據(jù)等。如果對這些海量數(shù)據(jù)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(chǎn)者提高產(chǎn)品質(zhì)量。企業(yè)可以根據(jù)各種各樣的故障分析數(shù)據(jù)，分析產(chǎn)品有哪些薄弱的環(huán)節(jié)，幫助研發(fā)部門或質(zhì)量管控部門提升產(chǎn)品品質(zhì)。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(chǎn)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)做售后服務(wù)的輔

17、助決策。通過設(shè)備的使用情況來分析當(dāng)前區(qū)域哪些機種較多，使用情況如何，是不是需要增設(shè)服務(wù)網(wǎng)點，經(jīng)常出現(xiàn)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(jié)論中國工程機械智能化處于初期階段，工程機械物聯(lián)網(wǎng)的應(yīng)用范圍還很小。物聯(lián)網(wǎng)作為制造業(yè)實現(xiàn)信息化的有效途徑，在中國工程機械領(lǐng)域具有非常廣闊的應(yīng)用前景。遠(yuǎn)程監(jiān)控、檢測和診斷是工程機械走向全面服務(wù)型制造的最重要一步。這種“物物相聯(lián)”所帶來的便捷服務(wù)，就是工程機械領(lǐng)域必須努力實現(xiàn)的。參考文獻(xiàn)1孫其博，劉杰，黎羴，等.物聯(lián)網(wǎng):概念、架構(gòu)與關(guān)鍵技術(shù)研究綜述J,北京郵電大學(xué)學(xué)報，2010，33(3):2-92鄂旭，王志良，楊玉強物聯(lián)網(wǎng)關(guān)鍵技術(shù)及應(yīng)用M北京:清華大學(xué)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(gòu)研究J.中國工程機械學(xué)報,2005,3(2):245-249.4李學(xué)忠.工程機械