工程机械及施工物联网技术应用

摘要：物联网作为传统制造业走向智能化的高效途径，在我国工程机械行业应用前景广阔。利用物联网、人工智能等技术迈向中国“智”造，是我国工程机械企业重塑行业竞争力的重要一步，同时也是行业行稳致远、高质量发展的必经之路。

关键词：物联网；人工智能；智能化

当前，物联网被誉为21世纪最具影响力的技术革命，各国在物联网技术领域投入的资源也大为可观。物联网技术可推动传统产业进行高效的转型升级，在高度适配物联网生态的5G技术日趋成熟后，物联网在工业领域的应用将迎来爆发式增长。工程机械是我国基础建设的核心支撑产业，在“两化融合”的背景下，智能化成为引领工程机械行业发展的主旋律，而物联网技术也将成为未来工程机械实现智能化以及行业实现高质量转型升级的必经之路。

1物联网概念

物联网（TheInternetofThings，简称IOT）是指通过各种信息传感器、射频识别技术、全球定位系统、红外感应器、激光扫描器等各种装置与技术，实时采集任何需要监控、连接、互动的物体或过程，采集其声、光、热、电、力学、化学、生物、位置等各种需要的信息，通过各类可能的网络接入，实现物与物、物与人的泛在连接，实现对物品和过程的智能化感知、识别和管理。物联网是一个基于互联网、传统电信网等的信息承载体，它是让所有能够被独立寻址的普通物理对象形成互联互通的网络。

2物联网在工程机械领域的应用

2.1工程机械机群管理

利用GPS、手机蜂窝网络和互联网等技术，对工程机械设备进行地理位置定位、运行状态监测、设备信息管理和双向通讯，并对采集到的数据进行深度的挖掘与分析，实现对工程机械设备机群的监控和管理，进而实现工程机械的全生命周期管理，是目前物联网在工程机械领域典型的应用场景。同时也是当前工程机械制造商、商和大型租赁商应用最广泛的模式。目前行业企业所搭建的机群管理系统通常包括以下功能和服务：

2.1.1工程机械状态监测与远程故障诊断工程机械状态监测服务一般包括以下3种功能：一是能够对机械设备进行实时定位、跟踪、历史轨迹回放以及电子围栏设置等基于地理位置的信息系统；二是能够采用射频识别技术（RFID）对工程机械设备相关信息进行查询管理的设备信息管理系统；三是能够进行故障代码分析、远程故障处理、远程呼叫、定位导航的远程故障诊断系统。

2.1.2融资租赁车辆智能终端融资租赁管理是工程机械物联网技术在国内应用的最原始场景，旨在对融租租赁用户进行限制，如果用户不能及时还款，则利用GPS技术对设备功能进行限制（例如限制发动机启动、限制行走等），以求保全资产。

2.1.3基于大数据的决策支撑服务基于大数据的管理支撑服务同时面向用户和企业自身业务部门。对于用户而言，企业开发基于工程机械物联网的智能手机客户端，让用户通过手机即时了解设备运行状态，接收日报、周报、月报等，可以提升客户忠诚度，并且能够提升客户的管理能力，培养良好用机习惯。对于企业自身而言，大数据管理支撑服务优势更为明显，具体有三点：一是可以帮助企业积累设备运行数据、故障数据，提高产品质量；二是积累宏观数据和周期性数据，帮助企业做营销决策；三是利用故障数据和区域性设备使用情况数据，帮助企业做售后服务的辅助决策。

2.2工程机械辅助施工

利用物联网技术能够大大提升工程机械的施工能力，以此来弥补由于作业环境差或操作人员能力不足所造成的无法达到预期作业效果的情况。目前，国内一些精挖工程、边坡精修工程主要依赖操作手自己的经验以及和测量人员之间的配合，施工质量无法保障。此种情况下，精确高程平整、高精度边坡施工需要大量人员协作完成，综合效率低下，施工质量难以保证。同时依靠人员经验通力协作，也难以高质量完成的以上作业场景。而在引入物联网技术后，则变得格外轻松。本文以Trimble（天宝）面向挖掘机械推出的GCS900型智能引导系统为例说明。GCS900是一套技术领先的坡度控制系统，可以广泛应用于挖掘机、推土机、自动平地机、压实机等工程机械设备。通过基站定位和安装在设备上的GPS接收模块组成的双重定位技术，以及安装在设备上的各种传感器，来实时获取设备的位置和姿态。安装在驾驶室内的控制箱，可以实时展示设备的3D工作姿态，并且可以通过LED灯实时展示挖深信息和回填信息，辅助操作手进行高精度。即使在视力不及的盲区(例如在水下)，操作手也能借助该系统精确完成作业任务。

3物联网在施工领域的应用

3.1施工智能化

智能施工是当前物联网在工程机械施工领域最为广阔的应用场景。随着人工成本的不断升高以及无线传感器、边缘计算等物联网技术的不断成熟和普及，智能施工在工程建设领域，尤其是矿山的应用也愈发普遍。小松联合一些科技企业跨界打造的自动运输系统(AHS)-FrontRunner，已经成为全球众多大型矿山的首选智能运输系统。该系统无论是在安全性、生产力、环境耐受性以及系统灵活性等各项指标上都经受住了考验，并且自动运输的物料量级也是行业之最。小松FrontRunner是一个综合性的矿山车队管理系统，接入此系统的每一台矿用自卸车都配备车辆控制器、高精度GPS模块、障碍物侦测系统、无线网络系统。车队管理中心给每一辆矿用自卸车预先设置运输目的地，车辆接收到无线指令后，以合适的速度按照预定路线行进。矿用自卸车由高精度GPS模块、控制中心无线指令和其他引导装置，来确定其在该矿山内的准确位置坐标以及周边设备与物料情况，这样一来，矿用自卸车便能够在无人操作下实现复杂场景的装载、运输和卸载。除了矿用自卸车之外，物料运输作业中需用到的其他工程机械和辅助车辆也被纳入到这个智能管理系统内。装载物料时，配备高精度GPS模块的挖掘机（或装载机）同样会上传自身位置和状态到管理中心，由管理中心计算并引导矿用自卸车至正确的装载位置。装载完成后，矿用自卸车将按照指定路线行驶到卸载位置，保证准确卸载。在安全方面，FrontRunner可避免场内工作的矿用自卸车、平地机、推土机、服务车辆和其他设备之间互相碰撞。此外，如果障碍物侦测系统发现车辆行驶路线上有其他并未纳入该系统管理下的行人或车辆，会马上减速或停驶，确保安全。矿山作业场景简单，规律性和程序性强，为此成为一些企业在智能施工领域发力的首选场景。而对于更加复杂的建筑施工领域，只有更高等级的智能解决方案才能胜任。小松近2年来大力推进的AI（人工智能）平台——SmartConstruction，便是面向建筑施工领域的智能解决方案。在日本本土，小松已经在4000多个工地部署了SmartConstruction服务，它是一套由无人机辅助的自动化施工管理服务，旨在缓解日本技术工人严重短缺的情况。SmartConstruction将小松的设备智能控制技术与无人机/三维激光扫描仪施工现场测绘技术、计算机视觉技术相结合，共同组成此AI平台的基础，实现智能施工。平台搭载的GPU、无人机以及智能摄像头进行通信，对采集到的数据进行分析和可视化处理。该平台初期在操作人员的辅助下运行，对操作人员进行提示和预警，其终极目标是通过不断进行自我学习，训练模型，达到智能施工的效果。对于施工企业来说，智能化施工有很多好处：一是降低施工人员人工成本支出；二是提升施工效率，扩大施工范围，能深入更危险的地方作业；三是增强施工场地的安全性，减少意外的发生；四是降低运行成本，延长工程机械使用寿命；五是节省燃油和减少排放污染。随着物联网、人工智能技术的日趋成熟，智能化施工的门槛也将大大降低，其应用场景数量和可靠性也将大大提升，其在成本控制及效率提升上的优势也将逐渐展现出来。

3.2工程主体监测

重大基础工程设施的建设水平体现了这个国家的经济潜力、国家财富和人民生活质量。重大基础工程设施作为“百年大计”，承担着不可替代的民生责任，同时堪称“天价”的建设投入也让他们受到社会的普遍关注。因此，大坝、桥梁等重大民生基础设施主体必须确保达到设计强度和设计寿命，一旦损毁极易造成巨大的人员伤亡和财产损失，在社会上造成恶劣影响。为了让这些大型工程主体保持良好的状态，工程所属机构必须投入大量的资源去巡检和维护。以美国为例，据有统计以来，美国由于关键桥梁或隧道的损毁而产生的修缮费用就已经超过100亿美元。如今有了大数据和物联网技术的帮助，可以在提高大型基础工程设施安全性的同时，大大节省它们的维护开支。

3.2.1荷兰堤防监测系统荷兰的“堤防监测系统”工程已经推进了长达15年之久，这一项目旨在改善堤防监测效果，提高堤坝防洪能力。为此，荷兰政府在全国范围内集结了很多科研机构和组织，共同努力将物联网技术和大数据技术相结合，最终形成了一个强大的堤防监测系统，可以将防洪大堤的状况实时可视化地展现出来，供工程人员实时查看堤坝状态。这个系统的核心是防洪大堤数据服务中心（DDSC），它集中统一地存储堤坝上的各类传感器实时上传的数据，并进行处理和分析。除了服务于堤坝状态监测之外，传感器采集的数据也可用于检测影响人体健康的多项与水体有关的指标，比如水生生物变化、水质污染程度等，还可用于对河流和沿海水域地质灾害的预警。

3.2.2韩国第二珍岛大桥监控系统珍岛大桥是连接珍岛和朝鲜半岛西南端的双斜拉桥，横跨鸣梁海峡。为了分担珍岛大桥的交通压力，第二珍岛大桥于2006年建成。第二珍岛大桥是一座三跨钢箱梁斜拉桥，主跨344m，侧跨70m。第二珍岛大桥是一座典型的在物联网技术的驱动下变得更加智能的大型桥梁，该桥桥体配有113个传感器节点，可以测量桥梁上的加速度、温度、湿度、光线和风力等数据。第二珍岛大桥桥体布有15个温度传感器、15个拉力传感器、4个双轴倾角仪、2个拉线位移传感器、2个激光位移传感器、24个光纤布拉格光栅传感器、20个单轴电容式加速度计、2个双轴力平衡式加速度计和3个三轴地震加速度检测仪。这些传感器每天源源不断地收集大量数据，这些数据由数据中心进行整理和分析，用于不间断地监测桥体的状态。比较超前的是，该桥监控系统绝大多数进行数据通讯的零部件采用无线传输技术，传感器布置和数据收集极为方便。这座大桥也成为应用物联网技术将基础工程设施变得更加智能的典型案例。

4总结

从我国工程机械行业当前取得的成绩和面临的挑战来看，我国从工程机械大国发展到工程机械强国，显然还需要一个漫长的过程。物联网作为传统制造业走向智能化的高效途径，在我国工程机械行业应用前景广阔。同时，利用物联网、人工智能等技术迈向中国“智”造是我国工程机械企业重塑行业竞争力的重要一步，同时也是行业行稳致远、高质量发展的必经之路。

作者：王若琼 单位：中国农业机械化科学研究院