毛三華 鄧卓鑫 林鳳濤 楊世德 鄒亮

摘要：在大型施工現(xiàn)場(chǎng)，工程機(jī)械的工作區(qū)域?qū)挿?，同時(shí)工作的設(shè)備多，流動(dòng)性大，給項(xiàng)目工程的管理人員造成很大的困擾。而現(xiàn)有的監(jiān)控方法多是采用單傳感器監(jiān)控，并不是適合于多種類、多設(shè)備的工程，因此需要能行之有效的多傳感器遠(yuǎn)程監(jiān)控方法和工作狀態(tài)邏輯判斷，減少設(shè)備閑置和空耗，加強(qiáng)工程設(shè)備的管理，高效率、低成本的完成工程項(xiàng)目。

Abstract： In a large construction site， the working area of construction machinery is wide， there are many equipments working at the same time， and the mobility is large， which causes great trouble to the project management personnel. Most of the existing monitoring methods use single sensor monitoring， which is not suitable for many types of multi-device projects. Therefore， an effective multi-sensor remote monitoring method and working state logic judgment are required to reduce equipment idleness and space consumption and strengthen management of engineering equipment， so as to complete engineering projects with high efficiency and low cost.

關(guān)鍵詞：工程機(jī)械;工作狀態(tài);監(jiān)控;邏輯判斷

Key words： engineering machinery;working condition;monitoring;logic judgment

0? 引言

工程機(jī)械設(shè)備作為工程建設(shè)所必需的施工工具，安全、可靠的運(yùn)行能有效保證工程的進(jìn)度和質(zhì)量。然而，工程機(jī)械設(shè)備處于惡劣的工作環(huán)境易導(dǎo)致故障發(fā)生，較強(qiáng)的流動(dòng)性、較廣的分布使管理人員難對(duì)其管理。因此，這需要引入監(jiān)控工程機(jī)械設(shè)備工作狀況的系統(tǒng)，可實(shí)時(shí)掌握設(shè)備運(yùn)行參數(shù)，對(duì)設(shè)備引起的安全生產(chǎn)事故原因追查提供數(shù)據(jù)支持，保證工程機(jī)械設(shè)備安全可靠的運(yùn)行。工程機(jī)械的遠(yuǎn)程監(jiān)控系統(tǒng)成為制造、租賃、使用單位必不可少的東西。

然而，需要監(jiān)控的工程車輛的運(yùn)行狀態(tài)復(fù)雜，人員難以監(jiān)控。通常需要監(jiān)控的工程機(jī)械設(shè)備的狀態(tài)主要包括有停機(jī)、怠速、負(fù)荷運(yùn)轉(zhuǎn)、轉(zhuǎn)場(chǎng)、低油量、異常油耗、高油耗。并且需要適配各種不同的工程機(jī)械設(shè)備，包括有挖掘機(jī)械設(shè)備、鏟土運(yùn)輸機(jī)械設(shè)備、起重機(jī)械設(shè)備、壓實(shí)機(jī)械設(shè)備、樁工機(jī)械設(shè)備、鋼筋混凝土機(jī)械設(shè)備、路面機(jī)械設(shè)備、鑿巖機(jī)械設(shè)備?？梢娦枰O(jiān)控的狀態(tài)非常繁雜，需要監(jiān)控的工程機(jī)械設(shè)備種類又非常多。

但是在工程機(jī)械遠(yuǎn)程監(jiān)控方面，如今市場(chǎng)的監(jiān)控系統(tǒng)主要面向某一類型的設(shè)備，監(jiān)控種類單一。對(duì)于工程機(jī)械設(shè)備生產(chǎn)商和大型建筑公司來(lái)說，單一監(jiān)控類型的遠(yuǎn)程監(jiān)控系統(tǒng)不能滿足公司對(duì)各類設(shè)備管理的需求，因此有必要研發(fā)一類可以面向多種類型設(shè)備的遠(yuǎn)程監(jiān)控系統(tǒng)，監(jiān)控界面可以根據(jù)客戶的需求動(dòng)態(tài)訂制，從而實(shí)現(xiàn)設(shè)備制造者和設(shè)備使用者對(duì)設(shè)備進(jìn)行全方位的管理，提高客戶的滿意程度，提升公司在行業(yè)內(nèi)的形象。

1? 工程機(jī)械設(shè)備常見狀態(tài)分析

1.1 停機(jī)

停機(jī)是指車輛結(jié)束作業(yè)后，正常的熄火關(guān)閉車輛。停機(jī)后，發(fā)動(dòng)機(jī)熄火，車輛不再運(yùn)作。工程機(jī)械設(shè)備停機(jī)順序，先將設(shè)備開至合適的停機(jī)位，穩(wěn)定車身姿勢(shì)，收起機(jī)械設(shè)備作業(yè)臂，將油門旋轉(zhuǎn)至怠速油門，運(yùn)行5min左右后熄火。

1.2 怠速

怠速是一種常見的工程設(shè)備機(jī)械狀態(tài)，施工過程中設(shè)備的怠速是不可避免的，怠速指的是發(fā)動(dòng)機(jī)空轉(zhuǎn)時(shí)的狀態(tài)，就是工程設(shè)備機(jī)械在沒有作業(yè)時(shí)，發(fā)動(dòng)機(jī)在無(wú)負(fù)荷的情況下運(yùn)轉(zhuǎn)。

在日常施工中，很多工程設(shè)備怠速時(shí)間占設(shè)備運(yùn)行時(shí)間的40～50%，怠速時(shí)間內(nèi)發(fā)動(dòng)機(jī)燒的油沒有創(chuàng)造任何價(jià)值，換句俗話說：就是在“燒錢”。如以一臺(tái)每年工作2000小時(shí)的設(shè)備為例，如果怠速達(dá)到40%，按照怠速1小時(shí)消耗燃油約3.7升來(lái)計(jì)算，這臺(tái)設(shè)備一年就多產(chǎn)生約兩萬(wàn)元的油費(fèi)，怠速時(shí)間過長(zhǎng)，效率降低成本升高[1]。

長(zhǎng)時(shí)間的怠速除了會(huì)增加油耗量，還會(huì)給設(shè)備和工程作業(yè)都帶來(lái)一下的影響：

①增加燃油成本，降低作業(yè)效率;

②降低設(shè)備發(fā)動(dòng)機(jī)等部件壽命;

③產(chǎn)生額外的保養(yǎng)費(fèi)用，比如更換濾芯等;

④增加維護(hù)的時(shí)間，耽誤工程進(jìn)度;

⑤增加發(fā)動(dòng)機(jī)磨損，影響二手機(jī)價(jià)值;

⑥燃油不完全燃燒，增加廢氣排放，影響環(huán)境。

因此在工程中需要盡量減少工程設(shè)備處于怠速狀態(tài)的時(shí)間。

1.3 負(fù)荷運(yùn)轉(zhuǎn)

負(fù)荷運(yùn)轉(zhuǎn)是指工程機(jī)械設(shè)備的正常工作狀態(tài)。此時(shí)設(shè)備的發(fā)動(dòng)機(jī)運(yùn)轉(zhuǎn)，工作臂正常運(yùn)作。發(fā)動(dòng)機(jī)消耗燃油，工程作業(yè)正常進(jìn)行，產(chǎn)生經(jīng)濟(jì)效益。

負(fù)荷運(yùn)轉(zhuǎn)是我們需要的工程機(jī)械設(shè)備工作狀態(tài)，要盡可能的確保設(shè)備有足夠的負(fù)荷運(yùn)轉(zhuǎn)時(shí)間，把處于怠速和停機(jī)的工程設(shè)備分配到需要工程作業(yè)的地方，增加經(jīng)濟(jì)效益。

1.4 設(shè)備轉(zhuǎn)場(chǎng)

設(shè)備轉(zhuǎn)場(chǎng)是工程設(shè)備需要轉(zhuǎn)移到目標(biāo)施工地點(diǎn)進(jìn)行作業(yè)，近距離的轉(zhuǎn)場(chǎng)是通過啟動(dòng)工程機(jī)械行駛至目標(biāo)地點(diǎn)，而遠(yuǎn)距離的轉(zhuǎn)場(chǎng)是通過用大型卡車進(jìn)行移動(dòng)。其中近距離轉(zhuǎn)場(chǎng)，工程機(jī)械的發(fā)動(dòng)機(jī)正常啟動(dòng)并會(huì)產(chǎn)生油耗，而遠(yuǎn)距離轉(zhuǎn)場(chǎng)，設(shè)備會(huì)停在卡車內(nèi)，停機(jī)的狀態(tài)進(jìn)行移動(dòng)。而因行駛的路況情況如轉(zhuǎn)向和上下坡，角度傳感器會(huì)監(jiān)測(cè)到數(shù)值變化。

1.5 燃油補(bǔ)充

主要監(jiān)控設(shè)備的加油狀態(tài)，包括加油的時(shí)間、加油地點(diǎn)和加油量自動(dòng)生成報(bào)表，減少人員的干擾。

可見工程機(jī)械需要監(jiān)測(cè)的狀態(tài)繁多并且復(fù)雜，而工程項(xiàng)目需要減少設(shè)備的閑置和空耗，合理的增加負(fù)荷運(yùn)轉(zhuǎn)時(shí)間，并且需要記錄下設(shè)備的油耗和加油情況，改善設(shè)備的調(diào)度情況。

2? 遠(yuǎn)程監(jiān)控信息采集手段及狀態(tài)判斷邏輯

本文工程機(jī)械測(cè)試車輛使用隨車吊如圖1。隨車吊的工作端為吊臂，吊臂工作為該車的負(fù)荷運(yùn)轉(zhuǎn)。

2.1 信息采集手段

2.1.1 發(fā)動(dòng)機(jī)溫度情況——溫度傳感器

發(fā)動(dòng)機(jī)在啟動(dòng)后，在發(fā)動(dòng)機(jī)冷卻系統(tǒng)的作用下發(fā)動(dòng)機(jī)的工作溫度在90-120攝氏度之間[2]。在發(fā)動(dòng)機(jī)關(guān)閉后，發(fā)動(dòng)機(jī)溫度逐漸降低。需要根據(jù)當(dāng)?shù)氐募竟?jié)設(shè)定出合適的閾值上、下限。

通過加裝在發(fā)動(dòng)機(jī)排氣管處的溫度傳感器監(jiān)測(cè)發(fā)動(dòng)機(jī)的啟停狀態(tài)，啟動(dòng)工程機(jī)械，溫度上升，在一定時(shí)間后當(dāng)發(fā)動(dòng)機(jī)的溫度突破設(shè)定閾值，發(fā)動(dòng)機(jī)啟動(dòng);溫度傳感器溫度下降至設(shè)定閾值之下，溫判斷發(fā)動(dòng)機(jī)關(guān)閉。圖2a為起重機(jī)安裝溫度傳感器位置，圖2b為溫度傳感器實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)時(shí)間-溫度圖。

根據(jù)測(cè)量數(shù)據(jù)可以設(shè)定啟停閾值為50攝氏度，在傳感器溫度超過50攝氏度時(shí)，判定發(fā)動(dòng)機(jī)啟動(dòng)，傳感器溫度低于50攝氏度時(shí)，判定發(fā)動(dòng)機(jī)熄火。

2.1.2 工作端姿態(tài)狀態(tài)——XYZ三軸角度傳感器

XYZ三軸角度傳感器安裝在工程設(shè)備的工作臂上，能實(shí)時(shí)反映工作臂角度變化值，并回傳給信息接收終端。工程機(jī)械設(shè)備工作時(shí)，工作臂較大的角度變化。對(duì)于一些工作臂的角度會(huì)發(fā)生較大變化的工程機(jī)械設(shè)備（如挖掘機(jī)），該設(shè)備角度變化超過閾值。但是并不能單獨(dú)依靠角度閾值，判斷設(shè)備就一定是處于負(fù)荷運(yùn)作中。還需要與其他的傳感器共同判斷該工程設(shè)備的工作狀態(tài)[3]。圖3a為起重機(jī)安裝角度傳感器位置，圖3b為角度傳感器實(shí)測(cè)時(shí)間-角度。

可以通過設(shè)定角度變化量閾值為5°/min，變化量超過5°/min時(shí)判定工作臂已在正常工作。

2.1.3 油耗水平——通過擴(kuò)散硅型壓力傳感器

發(fā)動(dòng)機(jī)的油耗監(jiān)測(cè)是通過在郵箱底部安裝擴(kuò)散硅型壓力傳感器，檢測(cè)油箱內(nèi)燃油的總量。在液體壓強(qiáng)的作用下，壓力傳感器顯示相應(yīng)數(shù)值。加油時(shí)，壓力傳感器測(cè)量的壓力值上升。發(fā)動(dòng)機(jī)啟動(dòng)后，會(huì)消耗油箱里的燃油，此時(shí)壓力傳感器能檢測(cè)到壓強(qiáng)逐漸降低，并能求出此時(shí)的壓強(qiáng)變化率，此時(shí)的壓強(qiáng)變化率可以認(rèn)為是油量消耗速率。壓強(qiáng)變化率設(shè)定一個(gè)閾值，只有在閾值之內(nèi)的壓強(qiáng)變化率（油量消耗速率）才是正常的發(fā)動(dòng)機(jī)消耗燃油速率[4]。同時(shí)油量在正常消耗時(shí)，只能判斷該工程機(jī)械設(shè)備的發(fā)動(dòng)機(jī)已經(jīng)啟動(dòng)，但是無(wú)法通過發(fā)動(dòng)機(jī)的啟動(dòng)判斷該工程設(shè)備的工作狀態(tài)是怠速還是負(fù)荷運(yùn)作，還需要結(jié)合其他的傳感器共同判斷工作狀態(tài)。圖4a為起重機(jī)安裝油壓傳感器位置，圖4b為起重機(jī)油壓傳感器實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)。可以得出每日的油耗約為28.11L，負(fù)荷工作時(shí)油耗約為2.12L/小時(shí)，怠速時(shí)油耗約為0.68L/小時(shí)，及在6號(hào)、12號(hào)、19號(hào)完成了加油，加油周期為6-7天。

2.1.4 位置信息——GPS定位

在工程機(jī)械設(shè)備中安裝GPS定位，通過衛(wèi)星定位出該工程機(jī)械設(shè)備的位置，并能在后臺(tái)控制端顯示出該工程機(jī)械設(shè)備所處的位置。顯示工程機(jī)械設(shè)備的GPS位置信息能加快工作循環(huán)。在很少的監(jiān)測(cè)下，操作員能知道下一步如何施工，減少很多不必要的工作環(huán)境，加快工作循環(huán)，節(jié)約時(shí)間，加快工期[5]。同時(shí)能減少重復(fù)工作，控制室能在第一時(shí)間查看到工程機(jī)械設(shè)備的工作位置信息，并可據(jù)此直接更改不合理的調(diào)度，減少重復(fù)工作，加快工期。圖5a為起重機(jī)安裝GPS傳感器及控制端位置，圖5b為GPS傳感器實(shí)測(cè)軌跡圖。

2.2 信息邏輯判斷

2.2.1 工程機(jī)械設(shè)備停機(jī)判斷

①溫度傳感器監(jiān)測(cè)發(fā)動(dòng)機(jī)溫度小于設(shè)定閾值，判斷出該設(shè)備的發(fā)動(dòng)機(jī)未啟動(dòng)。

②油壓傳感器監(jiān)測(cè)油箱壓強(qiáng)未發(fā)生變化，判斷出該設(shè)備未消耗燃油。

③角度傳感器監(jiān)測(cè)工作臂的角度變化量小于設(shè)定閾值，判斷出該設(shè)備的工作臂未工作。

通過以上三點(diǎn)發(fā)動(dòng)機(jī)未啟動(dòng)，沒有消耗燃油，并且工作臂未工作，共同判斷出該工程機(jī)械設(shè)備處于停機(jī)狀態(tài)。

2.2.2 工程機(jī)械設(shè)備怠速判斷

①溫度傳感器監(jiān)測(cè)發(fā)動(dòng)機(jī)溫度大于設(shè)定閾值，判斷出該設(shè)備的發(fā)動(dòng)機(jī)已啟動(dòng)。

②油壓傳感器監(jiān)測(cè)油箱壓強(qiáng)變化率小于設(shè)定漏油偷油閾值并且已經(jīng)有壓強(qiáng)變化，判斷出該設(shè)備正常消耗燃油。

③角度傳感器監(jiān)測(cè)工作臂的角度變化量小于設(shè)定閾值，判斷出該設(shè)備的工作臂未工作。

通過以上三點(diǎn)發(fā)動(dòng)機(jī)已啟動(dòng)，并有正常消耗燃油，但是工作臂沒有處于工作狀態(tài)共同判斷出該工程機(jī)械設(shè)備處于怠速狀態(tài)[6]。

2.2.3 工程機(jī)械設(shè)備負(fù)荷運(yùn)轉(zhuǎn)判斷

①溫度傳感器監(jiān)測(cè)發(fā)動(dòng)機(jī)溫度大于設(shè)定閾值，判斷出該設(shè)備的發(fā)動(dòng)機(jī)已啟動(dòng)。

②油壓傳感器監(jiān)測(cè)油箱壓強(qiáng)變化率小于設(shè)定漏油偷油閾值并且壓強(qiáng)變化率大于怠速閾值，判斷出該設(shè)備正常消耗燃油。

③角度傳感器監(jiān)測(cè)工作臂的角度變化量已大于設(shè)定閾值，判斷出該設(shè)備的工作臂正處于工作狀態(tài)。

通過以上三點(diǎn)發(fā)動(dòng)機(jī)已啟動(dòng)，并正常消耗燃油，并且工作臂也已處于工作狀態(tài)，共同判斷出該工程機(jī)械設(shè)備處于負(fù)荷運(yùn)轉(zhuǎn)狀態(tài)[7]。

2.2.4 工程機(jī)械設(shè)備轉(zhuǎn)場(chǎng)判斷

①溫度傳感器監(jiān)測(cè)發(fā)動(dòng)機(jī)溫度小于設(shè)定閾值，判斷出該設(shè)備的發(fā)動(dòng)機(jī)未啟動(dòng)。

②油壓傳感器監(jiān)測(cè)油箱壓強(qiáng)未發(fā)生變化，判斷出該設(shè)備未消耗燃油。

③角度傳感器監(jiān)測(cè)工作臂的角度變化量偶爾會(huì)大于設(shè)定閾值，無(wú)法判斷出該設(shè)備的工作臂是否在工作。

④GPS傳感器超出設(shè)定工作區(qū)域，并處于移動(dòng)狀態(tài)，判斷出該設(shè)備正在移動(dòng)。

通過以上四點(diǎn)發(fā)動(dòng)機(jī)未啟動(dòng)，沒有消耗燃油，并且工作臂可能因轉(zhuǎn)彎產(chǎn)生角度變化，GPS傳感器定位出一直處于移動(dòng)狀態(tài)，共同判斷出該工程機(jī)械設(shè)備處于停機(jī)轉(zhuǎn)場(chǎng)狀態(tài)。

2.2.5 工程機(jī)械異常油耗判斷（偷油、漏油）

①溫度傳感器監(jiān)測(cè)發(fā)動(dòng)機(jī)溫度小于設(shè)定閾值，判斷出該設(shè)備的發(fā)動(dòng)機(jī)未啟動(dòng)。

②油壓傳感器監(jiān)測(cè)油箱壓強(qiáng)發(fā)生變化，判斷出該設(shè)備正在消耗燃油。

通過以上兩點(diǎn)發(fā)動(dòng)機(jī)并未啟動(dòng)，卻產(chǎn)生了油耗，判斷為該工程機(jī)械設(shè)備處于異常油耗狀態(tài)，會(huì)自動(dòng)向控制端發(fā)出警報(bào)，其產(chǎn)生原因可能為漏油或偷油[8]。

2.2.6 工程機(jī)械設(shè)備低油量判斷

油壓傳感器監(jiān)測(cè)油箱壓強(qiáng)低于設(shè)定閾值，判斷出該設(shè)備處于低油量。

通過傳感器監(jiān)測(cè)出油壓低于閾值，判斷出該設(shè)備油量過低，需要及時(shí)補(bǔ)充燃油，并會(huì)自動(dòng)向控制端發(fā)出警報(bào)。

2.2.7 工程機(jī)械設(shè)備燃油補(bǔ)充判斷

①溫度傳感器監(jiān)測(cè)發(fā)動(dòng)機(jī)溫度小于設(shè)定閾值，判斷出該設(shè)備的發(fā)動(dòng)機(jī)未啟動(dòng)。

②壓力傳感器監(jiān)測(cè)油箱壓強(qiáng)持續(xù)增大，判斷出正在為該設(shè)備補(bǔ)充燃油。

通過以上兩點(diǎn)發(fā)動(dòng)機(jī)未啟動(dòng)，并且油箱燃油增加，判斷為該工程機(jī)械設(shè)備正在停機(jī)加油。

2.2.8 工程設(shè)備高油耗狀態(tài)判斷

①溫度傳感器監(jiān)測(cè)發(fā)動(dòng)機(jī)溫度大于設(shè)定閾值，判斷出該設(shè)備的發(fā)動(dòng)機(jī)已啟動(dòng)。

②油壓傳感器監(jiān)測(cè)油箱壓強(qiáng)持續(xù)降低，并且壓強(qiáng)降低速率超過設(shè)定的該工程機(jī)械設(shè)備的最大油耗速率（一般為平均油耗速率的125%），判斷出該設(shè)備油箱油耗率較高。

通過以上兩點(diǎn)發(fā)動(dòng)機(jī)已啟動(dòng)，并且油箱正消耗燃油，并且比正常消耗速率更大，判斷為該工程機(jī)械設(shè)備處于高油耗狀態(tài)，并會(huì)自動(dòng)向控制端發(fā)出警報(bào)[9]。

在使用了溫度、油壓、角度和GPS傳感器后，工程機(jī)械設(shè)備的工作狀態(tài)和異常工作狀態(tài)都可以進(jìn)行有效的判斷，表1為各工作狀態(tài)邏輯判斷匯總，圖6為各工作狀態(tài)邏輯判斷流程圖匯總。

3? 各類工程機(jī)械監(jiān)控分類分析

如表2 各工程機(jī)械可監(jiān)控狀態(tài)所示，各類機(jī)械監(jiān)控點(diǎn)布置如下：

3.1 挖掘機(jī)械

包括單斗挖掘機(jī)、多斗挖掘機(jī)（又可分為輪斗式挖掘機(jī)和鏈斗式挖掘機(jī)）、滾動(dòng)挖掘機(jī)、銑切挖掘機(jī)、隧洞掘進(jìn)機(jī)等。

3.2 鏟土運(yùn)輸機(jī)械

包括推土機(jī)、鏟運(yùn)機(jī)、裝載機(jī)（又可分為輪胎式裝載機(jī)和履帶式裝載機(jī)、平地機(jī)、運(yùn)輸車、平板車和自卸汽車等[10]。

3.3 起重機(jī)械

包括塔式起重機(jī)、自行式起重機(jī)、桅桿起重機(jī)、抓斗起重機(jī)等。

3.4 壓實(shí)機(jī)械

包括輪胎壓路機(jī)、光面輪壓路機(jī)、單足式壓路機(jī)、振動(dòng)壓路機(jī)、夯實(shí)機(jī)、搗固機(jī)等。

3.5 樁工機(jī)械

包括鉆孔機(jī)、柴油打樁機(jī)、振動(dòng)打樁機(jī)、破碎錘等。

3.6 鋼筋混凝土機(jī)械

包括混凝土攪拌機(jī)、混凝土攪拌站、混凝土攪拌樓、混凝土輸送泵、混凝土攪拌輸送車、混凝土噴射機(jī)、混凝土振動(dòng)器、鋼筋加工機(jī)械等。

主要監(jiān)控點(diǎn)：發(fā)動(dòng)機(jī)上安裝的溫度傳感器和油箱底部的油壓傳感器，挖掘臂安裝角度傳感器;輔助監(jiān)控點(diǎn)：通過安裝在操作室的GPS傳感器監(jiān)測(cè)該挖掘機(jī)械設(shè)備的位置信息。

4? 結(jié)語(yǔ)

通過使用多種類型的傳感器，提出了一種工程機(jī)械不同工作狀態(tài)邏輯判斷的監(jiān)控方法。此方法能有效的監(jiān)控各種不同的工程機(jī)械工作狀態(tài)，并給出了相應(yīng)的判斷邏輯。同時(shí)分析了常見種類的工程機(jī)械車輛在使用該監(jiān)控方法時(shí)能夠監(jiān)測(cè)的工作狀態(tài)，研究表明該方法可以適用于大多數(shù)的常見工程機(jī)械設(shè)備，尤其是具有伸出的工作臂的設(shè)備。

參考文獻(xiàn)：

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