混凝土机械智能化发展趋势研究

  基于现代混凝土机械的现状，分析了未来智能化发展方向，并以混凝土搅拌站、混凝土搅拌车、混凝土泵车这3个主要的混凝土机械设备为例，论述了智能化发展趋势。

  0引言

  混凝土机械因为具备显著的社会经济效应，已经成为现代化建筑施工的重要装备。如今混凝土施工机械正朝着大排量、超高压、连续泵送、高使用寿命的方向发展，同时随着电子信息技术的进步，混凝土机械变得更加智能化和人性化。这些机器将具备更多的自我意识。它们能够进行自我行为和效率管理，自我健康管理和自我安全防护，同时能够与人沟通，相互协作。混凝土机械变得很智能，它能够感知周围的人与环境，能够自动规划、独立施工。以下将针对混凝土搅拌站、混凝土搅拌车、混凝土泵车这三个主要的混凝土机械设备的智能化发展趋势进行论述。

  1自我行为管理

  1.1臂架末端定位技术

  传统泵车的每节臂架都需要单独进行控制，臂架末端的平稳移动和精准定位难度很大。操作手的劳动强度大，易疲劳。臂架末端定位技术是给定末端位置，机器自动规划每节臂架的姿态。操作手只需要将注意力集中在末端位置的控制上，臂架的姿态由机器自动管理。臂架末端定位技术还包含如下技术细节：①给定末端位置下，臂架姿态可以手动调节，以优化姿态形式;②臂架姿态自适应调节能够有效避开障碍物。

  1.2臂架振动控制技术

  臂架由于受到周期性泵送冲击作用而产生受迫振动，机器能够主动对振动进行有效抑制，避免臂架大幅振荡，影响末端定位和混凝土布料施工，同时避免安全事故的发生。

  1.3臂架平顺控制技术

  臂架多路阀采用电比例阀进行控制，电比例阀线性关系不是很好，其电阻受温度影响较大。同时，臂架采用4连杆机构，油缸直线位移与臂架角位移不具备线性关系。臂架平顺控制技术主要为了解决操作手动作手感与臂架动作线性关系的问题。同时提高臂架启动、停止的平稳性，同时减少动作响应时间和感觉上的迟滞现象，提升操控手感。

  1.4臂架自动收展臂

  泵车在施工开始时，臂架能够自动展开;在施工结束后，又能自动收拢。实现一键式操作，充分减轻操作员劳动强度，提高泵车智能化水平。

  1.5臂架智能规划技术

  臂架智能规划技术融入了当今最先进的技术，包括图像识别、专家系统、轨迹规划、末端定位及其他复杂控制技术。在楼板施工中，机器能够很好的理解当前施工环境，能够自动规划施工轨迹，不需人的干预，完成楼面绝大部分面积的混凝土摊铺。在往深井或者梁柱灌注混凝土时，臂架能够自动提升，不需人为干预，完成混凝土浇灌工作。施工过程变得自动化、傻瓜化，这是机器充分参与到环境中的典型技术。操作人员甚至可以在驾驶室，或者远离现场的地方施工，视频辅助能够帮助操作人员避免高温暴晒和大雨侵袭。

  2自我安全防护

  2.1泵车防倾翻技术

  防倾翻技术是通过各种技术手段避免泵车发生倾翻事故。它通过测量支腿压力、检测臂架姿态，以及臂架动作惯量，根据需要主动限制臂架重心的安全工作区域及臂架动作速度和加速度。

  2.2泵车臂架防碰撞技术

  防碰撞技术是对周围环境的一种感知技术，避免臂架与周围环境发生碰撞事故。可以利用的技术有超声波探测、激光探测、红外探测、图像识别技术以及这些技术的结合。如何以较低的成本，可靠的实现防碰撞是这项技术的难点。

  2.3主动防护技术

  主动防护技术主要对操作手的误动作进行感知、判断，避免操作上的失误。比如臂架展开状态不允许操作支腿;臂架末端软管离地距离近时，不允许大幅度往下动作臂架以免砸到地面等等。

  2.4财产安全防护

  对车辆速度进行控制，防止超速;对油箱液位进行跟踪监测，防止偷油;对车辆进行GPS监控，防止机器设备被盗;采用电控系统互锁保护机制，防止电控系统单个或多个电控单元被拆除等等。

  3自我效率管理

  3.1泵送功率匹配技术

  根据操作员单位时间泵送方量的要求，电控系统将依据泵送负载情况，选择合适主油泵排量以及发动机转速，实现负载、泵送排量、发动机转速的最佳配比。真正做到干多少活，出多少力，以期达到节能的目的。

  3.2油耗管理与评估

  油耗管理包括不同时段、不同工况的油耗数据记录，同时对异常的或者趋势性的燃油增长给出提醒，并能确定出机器的经济运行区间，为机器的经济运行提供数据基础。

  4自我知识管理

  自我知识管理，这里的知识泛指机器设备中各电控单元的程序文件、配置信息、故障记录数据、专家知识库等一切数据。这些数据存储在机器中，帮助机器完成各种智能化操作。

  4.1知识更新手段

  知识的更新可以通过3G、4G等无线通道进行更新，也可以通过本地WIFI、蓝牙或者USB连接进行更新。制造商通过智能机器管控平台对机器进行批量升级、质量数据回传。

  4.2知识主动获取

  机器能够对未知的异常现象及时上报制造商进行备案，主动提请专家解答。最后解答的结果回传到机器，存入知识库保存。知识管理涉及一套复杂的知识框架管理技术、数据挖掘与知识搜索技术。该技术的实现是机器充分智能的基础。

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  5自我觉察与自我意识

  5.1数据采集与数据挖掘

  将来每台混凝土机械都应该能够实时采集工况信息，这些信息包括操作员动作数据、机械工作装置动作数据、液压系统动作及压力数据、发动机运行参数数据，以及施工现场环境参数等等。同时机器能够分析这些数据所存在的联系，对数据进行预处理、预分析、预判断。并对异常和疑似异常通过无线方式上报到制造商。

  5.2泵车料位实时检测技术

  目前搅拌车的放料由操作员手动控制，操作员无从判断泵车料斗中料位的高低。放料速度往往会控制不当。放料速度过快则混凝土会溢出，过慢则使混凝土泵吸空，影响工作效率。对于混凝土泵车，料斗实时检测技术将有利于协调控制搅拌车的放料速度。同时料斗余料不足时，泵车能自行减小排量，节能运行。

  5.3搅拌车余量实时检测技术

  搅拌车余量检测技术能够用于准确预估搅拌车放料时长和剩余容量，方便机群系统最优化管理，以提高每台搅拌车的运营效率。

  5.4泵车输送管防堵管技术

  泵车输送管堵管探测技术通过主油缸压力及运行速度，以及主油泵排量的监测、分析出输送管的管道压力及堵管情况，并根据堵管情况，自动实现正泵和反泵，并给出报警提示，必要时自动停机以避免危险发生。

  6自我健康管理

  6.1开机自检技术

  开机自检是指机器开始工作前的首次整车检查。主要包括以下多个方面：①电控系统的参数配置文件检查，电控系统需要联网通信，确认相互是否工作正常;②各仪器、仪表、传感器件的零点校正，电液元件的线性度根据环境温度进行修正等;③油箱、水箱液位的检测;④泵车工作档位检测。开机自

  检可以确保机器启动后能够正常、安全的工作。

  6.2实时状态监测技术

  状态监测任务是为了了解和掌握设备的运行状态，包括采用各种检测、测量、监视、分析和判别方法，结合系统的历史和现状，同时考虑环境因素，对设备运行状态进行评估，判断其处于正常或非正常状态，并对状态进行显示和记录，对异常进行上报，以便操作人员及时处理，并为设备的故障分析、性能评估、合理使用和安全工作提供信息和基础数据。

  6.3实时故障诊断技术

  故障诊断的任务是根据状态监测所获得的信息，结合已知的结构特性和参数以及环境条件，结合设备的运行历史，借助专家系统知识，对设备可能发生的或者已经发生的故障进行预报、分析、判断，确定故障的性质、类别、程度、原因、部位，指出故障发生和发展的趋势及其后果，提出控制故障继续发展和消除故障的调整、维修、治理的对策和措施。

  7理解、沟通与合作

  7.1理解与沟通

  现代化的机器应该是善解人意的，比如普茨迈斯特的Followme技术，三一重工的末端定位与牵引技术，让机器更加人性化。将来，轻量化的遥控装置，以及更加自由的体感技术都将应用到智能机器上来。它能很好的理解操作人员的意图，安全而有效的执行指令。

  智能机器将通过RF射频技术、蓝牙、Zigbee、Wifi等多种无线通道与人沟通与交流，让操作人员实时掌握整机动态。

  7.2RF近距离通信与协作能力

  混凝土泵车总是与混凝土搅拌车配合进行作业。通过RF技术，泵车能够将料斗混凝土料位信息通知搅拌车，搅拌车将能够自动调节放料速度，实现高效率的协同作业。

  8智能平台

  智能平台是一个机群综合管理平台，便于制造商、客户更好的跟踪、管理、调度自己的机器。

  8.1搅拌车综合调度及监控

  搅拌车总是往返搅拌站与施工现场之间，常常会因为搅拌车的不合理安排，致使施工现场常常因缺料而久等，或者搅拌车带料过多而返回，效率很低、成本很高。搅拌车综合调度系统能够对搅拌车进行合理安排。基于GIS和实时路况信息的路线智能调度技术，能够有效解决混凝土配送路况不可控的情况，同时通过现场施工进度的预测，有效调整搅拌车配送量。

  8.2售后服务自动化

  通过故障预警及远程监控技术的实施，使得服务更加主动化。一旦机器出现或者即将出现故障，智能平台将自动进行服务派单。通过远程技术支持或者现场服务，帮助客户解决问题，减少客户因为故障停机而带来的损失。

  8.3用户盈利能力分析

  通过对大量回传的机器数据的分析和处理，能够为用户评估机器的使用寿命、历史油耗、历史服务费用，为用户进行盈利分析与评价。

  8.4开放的平台标准

  智能机器与智能平台将具备开放的数据接口标准。任何采用该标准的机器都将能够纳入到智能平台中来。机器与机器之间，机器与平台之间将互联互通。

  9展望

  未来20年，将会有很多关键性的技术得到突破。这些技术包括互联网技术、复合材料技术、机器人技术、故障诊断技术等等。这些技术将无疑会推动整个混凝土机械行业向着更加智能、更加人性化的方向发展。