物联网技术在工程机械领域的应用分析

物联网技术在工程机械领域的应用分析摘要：在客观阐述物联网的概念和特征基础上，指出了物联网技术在工程机械行业的促进作用，并介绍了工程机械物联网的概念、关键技术、体系架构和应用。把物联网技术渗透到传统工程机械行业，使传统工程机械走进了“智能机器”时代，能实现工程机械的智能化识别、定位、跟踪、远程状态监测与故障诊断和信息管理。关键词：物联网；工程机械；远程监控；GPS/GPRS物联网作为信息产业的第三次革命性创新，加速了信息化进程，推动了传统产业的升级并且催生了新兴产业。工程机械产业是我国基础设施建设的支撑产业，企业的国际化进程不断加快，中国也成为世界工程机械企业竞争的中心。在信息化与工业化深度融合的潮流中，工程机械智能化成为引领行业发展的主旋律，物联网技术将成为未来实现工程机械智能化、促进工程机械产业升级的核心技术之一。本文首先阐述了物联网的概念、特点，物联网技术对促进工程机械产业信息化和智能化的作用，其次提出了工程机械物联网的体系结构和关键技术，最后指出了物联网技术在工程机械领域的应用方向。1.物联网的概念1995年，比尔·盖茨在《未来之路》一书中曾提及有关物联网的描述，但“物联网”概念的真正出现是在1999年，由麻省理工学院Auto-ID中心提出，物联网被定义为：把所有物品通过射频识别等信息传感设备与互联网连接起来，实现智能化识别和管理。2005年，国际电信联盟(ITU)发布了一份题为《TheInternetofthings》的年度报告，正式将“物联网”称为“theInternetofThings”，对物联网概念进行了扩展，提出了任何时刻、任何地点、任意物体之间互联(AnyTime、AnyPlace、AnyThingsConnection)，无所不在的网络(Ubiquitousnetworks)和无所不在的计算(Ubiquitouscomputing)的发展愿景[1]。随后，美国、欧洲、日本、韩国相继提出了自己的物联网发展规划。2010年，温家宝总理在《政府工作报告》中明确指出，利用物联网技术加快推动经济发展的转变。物联网是互联网和通信网的网络延伸和应用拓展，是多学科技术、思维、应用创新的结合与升华。其基本特征可简单概括为全面感知、可靠传送和智能处理[2]。全面感知即利用射频识别、二维码、传感器等感知、捕获、测量技术随时随地对物体进行信息采集和获取;可靠传送即通过将物体接入信息网络，依托各种通信网络，随时随地进行可靠的信息交互和共享;智能处理即利用各种智能计算技术，对海量的感知数据和信息进行分析并处理，实现智能化的决策和控制。2.物联网技术促进工程机械产业升级工程机械作为装备制造业的重要组成部分，各国都非常重视其发展，对工程机械智能化水平要求越来越高。当前物联网技术开始在很多领域开展试点应用，包括智能电网、智能交通、远程医疗、智能家居等。虽然在各个行业普及物联网技术在短期内很难实现，但是工程机械由于在技术运用的成熟度、资本及企业标准易于统一等方面的优势，使得物联网技术在工程机械上的应用更具有物联网的特征与优势，其发展必将领先于公共物联网的发展，并将成为工程机械企业新的经济增长点，促进工程机械产业升级。主机企业通过建立以自身为核心的物联网，实现主机企业与零部件企业的信息资源共享，然后根据主机企业营销服务部门的信息对产业链上游和下游企业进行资源整合与优化配置。企业可以创造工程机械软硬件产品分离的开发模式，软件产品趋向多元化与平台化，硬件产品趋向标准化与模块化。可以优化企业内部开发人员的资源配置，大大缩短产品的开发周期，突破传统产业的创新瓶颈，推动传统工程机械企业产业升级。国内的工程机械企业虽然起步较晚，但也纷纷研究了工程机械物联网技术，并将其应用到产品生产和售后服务中，改善了自身的产业模式。例如：天津工程机械研究院提出的路面施工机械智能化和制造信息化[3]。其对物联网技术在工程机械行业应用的初级探索研制出智能化路面施工机群，包括网络化的机群成套控制技术、单机智能化产品技术、机群智能故障诊断系统、机群实时监控系统和机群信息通讯系统等。徐州工程机械集团有限公司利用物联网技术构建的可视化监控平台由地理信息系统（GIS）、管理信息系统（MIS）、故障诊断系统和维修保养服务系统构成，实现了部分设备的实时定位、跟踪和历史轨迹回放，工程机械状态信息查询，故障诊断与预警和故障日志查询，维修保养提醒和维修保养日志查询[4]。三一重工成立了三一智能控制设备有限公司，专门从事三一主机设备关键部件研制、核心控制技术开发，负责三一主机装备智能化发展战略的推进与实施。目前，三一重工大部分产品的主机都安装了自主研发的各类传感器，能监测机械设备的直线或旋转位移、方向、角度和速度等[5]。实现了对主机的自动识别定位，状态监测。3.工程机械物联网的体系架构及关键技术“工程机械物联网”即通过全球定位系统(GPS)、手机通信网和互联网，实现工程机械智能化识别、定位、跟踪、监控和管理，使工程机械、操作手、技术服务工程师、代理店与制造厂达成异地、远程、动态及全天候的“物物相连、人人相连、物人相连”[6]。3.1工程机械物联网体系架构物联网的体系架构可分为3个层次:感知层、传输层、应用层。感知层相当于人体的感知器官，由传感器、执行器与控制器及传感网络构成，是联系物理世界与虚拟世界的纽带[7]。传输层相当于人的神经系统，通过各种通信网络和互联网数据传输数据信息，使其实现数据信息的远距离传输交换和共享。应用层相当于人的大脑，综合感知的信息和存储的知识做出判断，是物联网实现其社会价值，带来经济效益的部分。工程机械物联网是物联网技术在工程机械行业的创新应用，根据工程机械独特的行业特点，其架构也具有自己的特色，架构如图1所示。应用层：深入的智能海量数据存储技术、海量数据挖掘技术、海量数据知识管理技术知识共享平台企业控制中心协同制造系统全生命周期管理传输层：广泛的互联传输即插即用标准化的通信协议、M2M无线接入技术、海量数据传输技术互联网专用网GSM/CDMAGPS移动通信网感知层：透彻的感知、精准的驱动信息集采技术、低速与中高速短距离传输技术、多信息融合技术核心传感器智能移动终端控制、驱动、执行部件RFID标签与读写设备图1工程机械物联网架构工程机械物联网的感知层包括倾角传感器、压力传感器、液位传感器等核心传感器件，RFID标签与读写设备，运动控制器、IO控制器、工业遥控器等核心驱动部件和负责机械设备定位和数据传输的移动终端，并且需要信息采集、信息融合、短距离传输等核心技术的支撑。传输层包括机器之间互联用的以太网，WiFi、蓝牙等短距离传输技术，机器与企业控制中心互联采用的GPRS等长距离无线通信技术，企业与客户及客户之间交流的智能移动通信平台和各种通信模式之间互通的标准化协议。应用层将各种信息数据存储到海量数据服务器，通过高性能软件处理海量数据，实现对数据的分类、存储、挖掘与管理，为企业打造企业控制中心，实现对分布在全球的所有机械设备的GPS定位、工矿传输、锁机解锁、远程诊断[8]。3.2工程机械物联网关键技术3.2.1精确感知和识别技术工程机械物联网技术的基础和前提就是感知和识别技术，包括对主机设备状态的监测和对设备作业环境的了解。机械设备的作业环境与设备利用率、使用寿命及设备维护和保养方式息息相关。设备作业环境千变万化，要求感知灵敏、精确。实现高精度和高灵敏度的感知需要针对具体需求开发的传感部件和集成丰富信息采集和处理功能的物联网终端。工程机械物联网的基础感知器件可分为:用于实现主机直线或旋转运动的位移、角度、速度等测量的运动控制类传感器;用于对主机能源消耗情况和运行情况进行监测的工作状态监测类传感器;用来对主机身份、位置、环境温度进行监测的工作环境类传感器。例如GPS在压路机辅助管理系统中的应用、陀螺仪在臂架振动测量中的应用、GPS与陀螺仪在远程定位系统中的组合应用。3.2.2即插即用的标准化通信协议机械设备种类繁多，工程机械物联网的通信网络组成方式复杂，接入方式多种多样，没有统一的通信协议，造成了这些通信网络的互相封闭，不能实现大容量工程机械物联网信息的交互。为了满足异构网络的通信要求，必须要有一个统一的并能满足各种通信方式要求的协议。机械设备作业环境与作业任务复杂多样，要求工程机械具有即插即用的部件识别方法，可以在任何时间、地点、环境实现对部件的准确识别。3.2.3面向服务与研发的企业控制中心构建面向研发的企业控制中心，是企业实现大规模设备监管、设备排故与快速服务等功能的前提。构建面向服务的企业控制中心体系架构，可以形成类似于设备租赁与买卖、故障诊断与预警、健康寿命分析、专家系统等各种相关的第三方增值服务。4.物联网技术在工程机械中的应用利用GPS、手机通信网GPRS和互联网等技术，对各种工程机械设备进行智能化识别、定位、监控、状态监测、与信息管理，并通过对采集到的大量数据的挖掘与分析，实现对大量工程机械设备的高效、智能、安全的一体化“监、管、控、营”，继而实现对工程机械设备的全生命周期管理，是物联网在工程机械中的应用模式。4.1工程机械状态监测与故障诊断远程监控系统工程机械状态监测与故障诊断远程监控系统由车载终端、数据传输网络和远程可视化监控平台3个部分组成。车载终端包括GPS终端、RFID、传感器数据采集装置和GPRS终端，主要完成对工程机械的运行参数的实时数据采集，然后把数据传输至GPRS终端。数据传输网络由GPRS通信网络和Internet互联网组成，是车载终端与远程可视化监控平台的数据传输通道。可视化远程监控平台由3部分组成:(1)地理信息系统。通过二维的中国地图显示机械设备所处的位置，实现对机械设备的实时定位、跟踪和历史轨迹回放。(2)设备信息管理系统。采用射频识别技术(RFID)实现对工程机械设备相关信息的管理，例如设备型号、生产厂家、驾驶员信息、各种零部件的生产厂家和参数的查询。(3)故障诊断和维护保养系统。通过硬件和软件的相互补充,设计人机交互系统，与数据库相连并进行数据分析,实现对机械设备运行状态信息的查询、故障诊断与预警、故障日志查询、维护保养提醒、维护保养日志查询和健康寿命分析，并且可以实时显示所想要的某台设备的监测数据，包括操作类、检测类、控制类等设备的相关信息。系统结构如图2所示。车辆位置运行速度运行方向时间信息设备型号驾驶员信息零部件厂家零部件参数振动信号转速信号油压信号流量信号温度信号GPS终端RFID数据采集装置GPRS终端GPRS网络Internet网络远程可视化监控平台地理信息系统设备信息管理系统故障诊断和维护保养系统图2状态监测与故障诊断远程监控系统结构当远程诊断无法排除故障时，客户服务中心通过GPS、手机定位找到离故障设备最近的服务车和服务人员，并通过地图导航指引一线服务工程师迅速赶往客户工地，为客户排除设备故障赢得时间。4.2融资租赁车辆智能终端目前国内工程机械市场，按揭贷款已经成为工程机械销售的普遍模式。但同时也给经销商带来了资金回收不便，个别用户骗车逃跑事件时有发生，对银行资金安全构成潜在威胁。为了适应银行的需求，如果用户不能及时还款，则应用GPS技术实现机器锁车、不能启动等强迫性功能。4.3智能手机服务平台充分利用移动通信设备的优势，开发工程机械物联网的智能手机客户端，让用户通过手机就可了解到机器的状态。客户服务中心可以通过电话短信等纠正客户的不规范操作，预防故障的发生，为已发生故障的机械设备提供及时的维修服务。客户也可以通过电话、互联网等方式接入客户服务中心，客户服务中心服务工程师通过安装在工程机械上的智能终端传回的设备实时工作参数，如油温、转速、油压、起重臂幅、伸缩控制阀状态、油缸伸缩状态、回转泵状态等，对客户设备进行远程诊断，指导客户排除设备故障[9]。4.4大数据挖掘与应用工程机械物联网每时每刻都在采集和处理大量的信息，有工程机械主机运动控制数据、主机工作状态数据、工作环境数据、主机故障分析数据、主机身份信息和工作类型数据等。如果对这些海量数据加以挖掘和充分利用，对企业的发展会有很大的帮助。第一，帮