進入21 世紀，網(wǎng)絡信息化、計算機智能化在工業(yè)技術領域得到了長足發(fā)展。在現(xiàn)代化的機械工廠，從材料的輸入，裝卡定位，機床啟停，參數(shù)調(diào)整，切削加工，工件拆卸，到運輸均可實現(xiàn)全數(shù)字化、全自動化，無人值守；一輛普通轎車可以裝備數(shù)十個微計算機控制單元，如發(fā)動機ECU、變速器TCU、自動防抱死（ABS 等）、制動力分配（EBD/CBC 等）、剎車輔助（EBA/BAS/BA 等）、牽引力控制（ASR/TCS/TRC 等）、車身穩(wěn)定控制（ESP/DSC/VSC 等）、定速巡航控制、自動空調(diào)系統(tǒng)、數(shù)據(jù)總線通信控制、路徑導航、遠程定位通信服務系統(tǒng)以及車載影音系統(tǒng)等，這些部件的核心是計算機微控制器，計算機微控制器通過傳感器感知外界動態(tài)信息并接受駕駛員操作指令，通過內(nèi)部核心控制策略進行智能分析判斷，輸出控制指令，準確、及時地控制執(zhí)行元件作出響應，達到理想的控制目的。

計算機技術的高速發(fā)展與快速更新，給各種傳統(tǒng)行業(yè)帶來了深刻的影響，工程機械行業(yè)也不例外。

一、工程機械智能化、信息化的發(fā)展概況

1 國外概況

長期以來，國際市場上工程機械技術產(chǎn)品曾被美國、日本、俄羅斯以及西歐等國家和地區(qū)的國際大型企業(yè)集團所壟斷。下面以卡特彼勒的988H型輪式裝載機（見圖1）和797F 型礦用卡車（見圖2）為例，介紹國外工程機械智能化、信息化的發(fā)展概況。

圖一

1.1 988H 型輪式裝載機

該機擁有：

1）燃油管理系統(tǒng)：用于裝載作業(yè)時，可節(jié)省燃油高達15%，降低每個作業(yè)周期中除挖掘部分以外所有部分的發(fā)動機速度，從而將對生產(chǎn)力的影響降到最低，同時節(jié)省大量燃油；

2）自動怠速降擋功能：如果司機有一段時間沒有主動操作機器，系統(tǒng)將暫時降低發(fā)動機速度以節(jié)省燃油，在發(fā)動機自動降低速度后，只要司機操作擋位開關或方向盤，系統(tǒng)便會自動恢復發(fā)動機速度到之前的設置；

3）發(fā)動機怠速停機功能：在機器處于安全怠速狀態(tài)較長時間后，自動停止發(fā)動機；

4）負載控制系統(tǒng)：可幫助設備擁有者和司機管理車輛有效負載及產(chǎn)生準確的物料運輸記錄，這種高級電子控制系統(tǒng)專為行駛中稱重而設計，準確度可達±1%，可對1 000 輛車以及25 種不同物料進行存儲記錄；

5）自動限位裝置:司機可從舒適的駕駛室輕松設置卸載高度或鏟斗角度，當需要進行裝載作業(yè)時，此功能可增強靈活性，提高生產(chǎn)率；

6）Cat Product Link：該系統(tǒng)可獲取有用信息以保證工作按計劃進行，保持機器正常的工作狀態(tài)，并降低車隊運營成本。

1.2 797F 型礦用卡車

在很多礦山企業(yè)，巨型礦山機械每天工作長達12 h，常常是1 個司機，坐在4 層樓高的駕駛室里，忍受噪聲、浮塵、酷暑和寒冷等惡劣工作環(huán)境的影響，而797F 的遠程遙控操作功能使得操作者只需坐在舒適的辦公室里即可駕駛重達上百噸的這一巨無霸完成各種工作任務，該機擁有：

1）VIMS 3G 監(jiān)控系統(tǒng)：實時提供重要的機器運行狀況及有效負載數(shù)據(jù)，保證其性能始終處于高生產(chǎn)水平，機器上的傳感器使VIMS 系統(tǒng)能夠迅速交換和監(jiān)控所有系統(tǒng)傳來的信息，維修技師可在辦公室、車間或駕駛室內(nèi)迅速下載數(shù)據(jù)，生成報告，數(shù)據(jù)可用于提高定期維護計劃的效率，盡量延長部件使用壽命，改善機器利用率并降低運營成本；

2）生產(chǎn)和有效負載管理：該系統(tǒng)可用于提高卡車/ 裝載工具的效率，提升車隊的生產(chǎn)能力，有助于延長卡車機架、輪胎、輪輞和動力傳動系部件的壽命，同時降低運營和維護成本；

3）外部有效負載指示器：指示操作員何時停止裝載，以達到最佳有效負載，從而避免過載；

4）道路分析控制：通過測量機架的左右和上下顛簸來監(jiān)控運輸路況，以改善維護保養(yǎng)周期時間，延長機架和輪胎的壽命，并提高燃油效率。 從上述兩個案例可以看出，國外的智能化工程機械已具備集成化操作與智能控制、遠程監(jiān)控與智能維護、工程機械智能化管理等功能。

2、國內(nèi)發(fā)展概況

我國智能化工程機械技術的研究工作始于20世紀90 年代初。1991 年，國家啟動“863 計劃”，在自動化領域首席科學家蔣新松的倡導下，在國內(nèi)首先開展了工程機械機器人化技術的研究工作，先后進行了挖掘機機器人化和推土機機器人化，自動導引車（AGV）的技術開發(fā)。一些高等院校、科研機構，如中國科學院、清華大學、吉林大學和天津工程機械研究院等與國內(nèi)多家工程機械生產(chǎn)企業(yè)進行了相關的聯(lián)合研究與開發(fā)。

國內(nèi)工程機械智能化控制系統(tǒng)的發(fā)展主要經(jīng)歷了4 個階段：

1）2000 年以前，控制系統(tǒng)軟硬件全部依賴進口，國內(nèi)主機廠家的設計人員主要以電氣系統(tǒng)設計、元件選型為主，這種狀況嚴重制約了我國工程機械智能化技術的發(fā)展，限制了我國工程機械產(chǎn)品與國外同類產(chǎn)品的競爭實力；

2）2003 年左右，國內(nèi)開始引進國外生產(chǎn)的控制器，設計人員根據(jù)工程機械主機控制策略進行二次開發(fā)，編制控制軟件，此階段，設計人員開始關注控制模型的搭建，但是作為工程機械智能化系統(tǒng)的核心，即控制器，仍然絕大部分依賴于進口，國內(nèi)工程機械在智能化控制領域仍然處于初期階段；

3）2006 年左右，國內(nèi)企業(yè)開始投入大量的人力、資金研發(fā)控制器、人機界面等產(chǎn)品，通過模仿進口產(chǎn)品或全自主研發(fā)的方式，陸續(xù)推出一些產(chǎn)品，但是這些產(chǎn)品在可靠性方面均有待改進；

4）到了最近幾年（2010 年起），國內(nèi)開始運用現(xiàn)代化手段開發(fā)并驗證工程機械控制策略，采用基于模型的開發(fā)模式進行各種工程機械主機控制系統(tǒng)的研究開發(fā)。

如今，我國工程機械行業(yè)已進入高速發(fā)展的通道，而變速器、高壓液壓件和電子控制器等關鍵零部件過于依賴進口，這個限制因素影響了我國整機廠商的戰(zhàn)略擴張，解決關鍵零部件的問題已經(jīng)到了刻不容緩的地步，因此，“十三五”期間是投資工程機械關鍵零部件領域的較好時機。

二、工程機械智能化與信息化的主要方向

工程機械信息化與智能化是指在工程機械中應用信息集成與智能控制技術，使工程機械具有一定的自我感知、自主決策和自動控制的功能，可歸類于工業(yè)智能機器人范疇。隨著科技的進步和現(xiàn)代施工項目大型化的需求，新一代工程機械不僅需要實現(xiàn)集成化操作和智能控制，而且需要將它們組成基于網(wǎng)絡的智能化機群協(xié)同控制系統(tǒng)，以獲得項目施工的高效、低耗，并在盡可能短的時間內(nèi)完成項目施工任務。工程機械產(chǎn)品的信息化與智能化已成為當今世界工程機械的重要發(fā)展方向之一。

工程機械的智能化：工程機械利用工程機械集成信息，應用計算機微控制器，通過傳感器感知外界動態(tài)信息并接受司機操作指令，通過內(nèi)部核心控制策略進行智能分析判斷，輸出控制指令，準確、及時地控制執(zhí)行元件作出響應，達到理想的控制目的。相關智能控制包括:發(fā)動機智能控制、傳動系統(tǒng)控制、調(diào)平系統(tǒng)控制、整機熱管理系統(tǒng)控制、計量系統(tǒng)控制、空調(diào)管理系統(tǒng)控制、車載影音娛樂系統(tǒng)控制以及各種工程機械專業(yè)核心控制。

工程機械的信息集成：工程機械的信息包括售前信息與售后信息。售前信息是指產(chǎn)品銷售之前，其自身所有的相關信息，是產(chǎn)品品質(zhì)的先天因素；售后信息是指產(chǎn)品銷售之后，在各種外界條件（如使用、運輸、存儲、保養(yǎng)與維修等）下的相關信息，是產(chǎn)品品質(zhì)的后天決定因素。如果工程機械的售前信息與售后信息得到有效集成并方便讀取，對于機器的使用、管理、故障診斷與維修維護、壽命預估、二手轉(zhuǎn)售評估、按揭銷售風險管控、租賃管理等將變得更加方便、快捷、準確，可保證相關各方利益。

1 發(fā)動機智能控制

工程機械發(fā)動機通常采用柴油機，其智能電控系統(tǒng)由發(fā)動機微控制器、高速電磁閥和各種傳感器等組成。柴油機智能電控系統(tǒng)通過控制最佳的燃油噴射時間、噴油壓力和噴油量等，有效地調(diào)整發(fā)動機動力輸出與負載、環(huán)境因素匹配，在滿足發(fā)動機動力要求的基礎上，提高燃料的利用率，確保發(fā)動機排出的廢氣符合環(huán)境控制法規(guī)要求。其基本工作原理是微控制器（ECU）根據(jù)發(fā)動機曲軸轉(zhuǎn)速和油門踏板信號，以及水溫、進氣溫度、進氣壓力和進氣量等輸入信號，按照預置的控制策略確定出最佳噴油量與噴油正時。系統(tǒng)一般還配置CAN 總線與整機控制系統(tǒng)進行數(shù)據(jù)交換，實現(xiàn)整機的智能化協(xié)調(diào)控制。

2 牽引/變速控制

行駛是工程機械的主要功能之一，不同的工程機械行駛系統(tǒng)動力傳動路線差異較大，有發(fā)動機與變速器直接連接的，也有發(fā)動機與變矩器連接后再連接變速器的，還有發(fā)動機與液壓泵直接連接的。對于不同機種，牽引/變速控制是根據(jù)駕駛操作意圖，控制機器行駛速度與擋位切換，使發(fā)動機運行與行駛系統(tǒng)工況相匹配，達到行駛平順與節(jié)約燃料的目的。

3 調(diào)平控制系統(tǒng)

調(diào)平是多種工程機械共同的功能需求，但不同工程機械對于調(diào)平系統(tǒng)的功能要求各具特點。攤鋪機要求作業(yè)中熨平板的高度與道路設計標高線保持一致不變，使最終完成的攤鋪路面平整，因此調(diào)平系統(tǒng)需要調(diào)整浮動熨平板的牽引鉸點，消除整機隨路基起伏引起的高程波動，使熨平板在攤鋪過程中始終保持在理想高度附近。 平地機和推土機的調(diào)平是在作業(yè)過程中自動控制鏟刀高度液壓缸，使刮鏟面保持一定高度，減輕駕駛?cè)藛T的勞動強度并提高作業(yè)效率。路面銑刨機、路面再生機和橋梁運輸車等也都需要不同的調(diào)平系統(tǒng)。

調(diào)平系統(tǒng)通常由傳感器（高程、角位移傳感器）、控制器、人機界面和執(zhí)行元件（比例、開關電磁閥）組成。調(diào)平系統(tǒng)可以獨立組成系統(tǒng)，也可以與整機控制系統(tǒng)進行協(xié)調(diào)控制。徠卡公司的3D GPS 平地機控制系統(tǒng)，由定位基站接收GPS 衛(wèi)星的時間和位置信息，平地機接收基站與GPS 衛(wèi)星信號并綜合坡度傳感器信號，計算出平地機鏟刀準確方位，同時調(diào)取系統(tǒng)計算機內(nèi)置的工程設計數(shù)據(jù)，由鏟刀控制器將鏟刀控制在理想位置，駕駛員完全無需操作鏟刀，可顯著提高平地效果與作業(yè)效率。

4 挖掘機智能控制系統(tǒng)

機電一體化是液壓挖掘機的主要發(fā)展方向之一，其最終目的是機器人化，實現(xiàn)挖掘機全自動運轉(zhuǎn)。作為工程機械主導產(chǎn)品之一的液壓挖掘機，在近幾十年的研究和發(fā)展中，已逐漸完善，其工作裝置、主要結(jié)構件和液壓系統(tǒng)已基本定型。人們對液壓挖掘機的研究，逐步向機電液控制方向轉(zhuǎn)移，控制方式不斷變革，使挖掘機由簡單的杠桿操縱發(fā)展到液壓操縱、氣壓操縱、電氣操縱、液壓伺服操縱、無線電遙控、電液比例操縱和計算機直接控制。目前，對挖掘機機電一體化的研究，主要集中在液壓挖掘機的控制系統(tǒng)上。 液壓挖掘機電氣控制系統(tǒng)主要是對發(fā)動機、液壓泵、多路換向閥和執(zhí)行元件（液壓缸、液壓馬達）的溫度、壓力、速度及一些開關量進行檢測并將有關檢測數(shù)據(jù)輸入到挖掘機的控制器，控制器綜合各種測量值、設定值和操作信號，發(fā)出相關控制信息，對發(fā)動機、液壓泵、液壓控制閥和整機進行控制，主要包括以下幾項關鍵技術：

1）油門自學習功能：根據(jù)設置的轉(zhuǎn)速，控制系統(tǒng)自動標定對應轉(zhuǎn)速的油門位置并進行記錄；

2）旋鈕檔位識別：實現(xiàn)油門檔位的自動識別，并根據(jù)動力模式等條件判定油門電機執(zhí)行擋位；

3）自動怠速：當系統(tǒng)開啟自動怠速功能，且工作壓力開關和行走壓力開關均斷開一定時間后，發(fā)動機進入自動怠速（1 350 r/min）；自動怠速退出條件是工作壓力開關和行走壓力開關閉合，則回到設定轉(zhuǎn)速或進入機械怠速；當油門旋鈕對應的檔位速度低于自動怠速速度時，以油門旋鈕設定速度為準；

4）自動暖機：開啟自動暖機功能后，若啟動系統(tǒng)時檢測到水溫低于10 ℃，系統(tǒng)執(zhí)行自動暖機功能，將發(fā)動機速度調(diào)到自動怠速擋，暖機退出條件為時間累計10 min 或者水溫高于30 ℃，顯示器提示自動暖機信息；

5）過熱保護：當發(fā)動機冷卻水溫T≥105 ℃時，控制器自動控制系統(tǒng)下降一個擋位以保護發(fā)動機；當發(fā)動機冷卻水溫T≤95 ℃時，過熱保護功能自動取消；發(fā)動機過熱保護和返回正常功能控制確認時間均為2 min；

6）發(fā)動機恒功率控制：H 模式，即重負荷挖掘模式，發(fā)動機油門處于最大供油位置，發(fā)動機以全功率投入工作；S 模式，即標準作業(yè)模式，液壓泵輸入功率的總和約為發(fā)動機最大功率的90%；L 模式，即普通作業(yè)模式，液壓泵輸入功率的總和約為發(fā)動機最大功率的80%；

7）發(fā)動機與液壓系統(tǒng)匹配控制：根據(jù)具體工況，在主要考慮動力性時，發(fā)動機恒功率輸出，通過控制泵的排量使得發(fā)動機的轉(zhuǎn)速和負荷率始終保持不變；在主要考慮經(jīng)濟性時，發(fā)動機變功率輸出，使發(fā)動機始終以最適宜的輸出功率運轉(zhuǎn)，同時根據(jù)外負荷變化控制泵排量的變化，使發(fā)動機按燃料經(jīng)濟性最好的理想負荷運轉(zhuǎn)。通過上述兩種控制方式的組合，使發(fā)動機在整個轉(zhuǎn)速范圍內(nèi)都能適應負荷變化，保持最佳功率利用率，最佳的動力性和經(jīng)濟性，液壓系統(tǒng)具有較高的傳動效率，整個負荷驅(qū)動系統(tǒng)具有自適應能力且具有最高的綜合性能指標。

5 基于產(chǎn)品全生命周期的工程機械數(shù)據(jù)集成管理

了解掌握工程機械產(chǎn)品的基本狀態(tài)，進行故障診斷、產(chǎn)品壽命預估等，必須全面掌握產(chǎn)品的各種信息數(shù)據(jù)，才能做出準確的判斷?；诋a(chǎn)品全生命周期的工程機械數(shù)據(jù)主要分為2 個階段進行采集:

1）產(chǎn)品設計制造階段，采集設計信息、制造信息、配套件信息和調(diào)試試驗信息，這些信息是產(chǎn)品品質(zhì)的先天因素；

2）產(chǎn)品使用維護階段，主要采集驗收試驗信息、運行狀態(tài)信息、保養(yǎng)維護信息和產(chǎn)品維修信息等

現(xiàn)代工程機械產(chǎn)品通常是機電液儀多系統(tǒng)集合的復雜產(chǎn)品，選用的零配件成百上千，涉及不同材料、不同形態(tài)以及不同供應商，產(chǎn)品的準確描述需要大量的各種設計數(shù)據(jù)、加工數(shù)據(jù)、調(diào)整參數(shù)和使用工況數(shù)據(jù)等。工程機械產(chǎn)品面對的施工工況常有高溫酷暑、風霜雨雪、振動沖擊和潮濕、粉塵等，十分嚴苛，大批量工程機械產(chǎn)品數(shù)千小時的使用，將形成海量的產(chǎn)品運行狀態(tài)數(shù)據(jù)、環(huán)境數(shù)據(jù)和保養(yǎng)維修數(shù)據(jù)。將這些工程機械產(chǎn)品設計制造、使用維護的全生命周期數(shù)據(jù)進行集成管理，可全面提升和支持產(chǎn)品售后服務，支持基于配置的設備維護計劃和維修備件管理，支持視情維護，支持基于歷史數(shù)據(jù)、專家系統(tǒng)和故障信息的遠程故障診斷和設備監(jiān)控，同時支持基于歷史運行維護數(shù)據(jù)的數(shù)據(jù)挖掘、統(tǒng)計分析，為產(chǎn)品的設計優(yōu)化、制造工藝以及質(zhì)量控制提供實用可行的改進途徑與方法。

6 工程機械遠程監(jiān)控與服務系統(tǒng)

隨著現(xiàn)代計算機、網(wǎng)絡技術和GPS/GIS 地理信息技術的快速發(fā)展，遠程監(jiān)控與服務技術已應用于許多行業(yè)，如公交、出租車、物流、農(nóng)業(yè)機械以及軍事領域等。

在工程機械行業(yè)，利用GPS/GIS、GSM/GPRS、Internet 和數(shù)據(jù)庫等技術，工程機械遠程監(jiān)控服務系統(tǒng)可以實時監(jiān)測工程機械所處位置，監(jiān)測產(chǎn)品實時運行狀態(tài)，發(fā)現(xiàn)產(chǎn)品可能的極限工作狀態(tài)，及時準確地針對各種參數(shù)做出不同等級的報警，直至直接參與控制、防止危險發(fā)生。監(jiān)控服務平臺可以提供大量產(chǎn)品相關服務，包括定位/歷史軌跡、作業(yè)歷史記錄、故障診斷、呼叫/信息查詢服務、服務人員調(diào)度、按揭銷售管理、車輛殘值評估和銷售趨勢評估等，為工程機械生產(chǎn)廠商、經(jīng)銷/租賃商以及最終用戶，提供不同的個性化服務，從而增強生產(chǎn)企業(yè)的競爭能力，提高用戶的企業(yè)管理水平與生產(chǎn)效率，實現(xiàn)工程機械相關方合作多贏的良性伙伴關系。