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摘 要：智能化工程机械和机群智能化施工是工程机械的未来发展方向,具有巨大的市场空间与广泛的行业需求.文章研究了智能化工程机械的发展现状及关键技术,包括自动化工程机械的定义与分类,工程机械控制器的发展现状及发展趋势,施工过程的机群智能化控制及基于分布式人工智能的机群施工过程的控制技术.
关 键 词：工程机械；自动化控制；发展趋势
一、自动化工程机械的定义和分类
自动化工程机械一般可以分成三类：遥操作工程机械、可编程控制工程机械和智能化工程机械.
遥操作工程机械经常被用于危险或人类难以进入的作业环境,如水下、高温、高压、核辐射环境,由操作者通过远程控制完成作业任务.可编程控制工程机械通过改变工程机械的控制程序,完成不同的任务.
可编程控制工程机械适合在结构化环境下进行工作,一旦外部施工环境和施工对象发生变化,则需要重新编写控制程序.目前绝大多数自动化工程机械都是可编程的.
智能化工程机械不需要操作人员的参与,通过安装各种复杂的传感器来获取环境的信息,具有自我感知、自主决策、自动控制的功能.智能化工程机械是智能机器人的一类,目前还正处于探索阶段,预计在未来将具有广阔的前景.
二、工程机械的自动化控制系统
1.工程机械控制器的现状.高可靠性的控制器是自动化控制系统的核心,在各种复杂工程机械中占据极其重要的地位.目前工程机械控制器的市场几乎全部被国外产品所占据,如德国的力士乐和西门子、芬兰的EPEC、日本三菱等.
2.工程机械控制器的发展趋势.工程机械控制器的一个发展趋势是人性化和网络化.以往的工程机械控制器功能比较简单,所实现的功能只是将面板的按钮转换为系统指令,以及监测系统状态、数据采集等.这些控制器力求稳定可靠,并且尽可能使控制简单快捷.但是如今随着社会生产节奏日益加快,人们更加注重提高工作效率以及驾驶员操作的方便性和舒适性,采用大屏幕的液晶显示使控制器的显示界面更加人性化.
工程机械控制器不仅强调本地控制功能,还应实现远程网络通讯功能,具备各种通讯接口,包括网络、CAN总线等,通过无线通讯模块,可以将本机状态发送到远程控制中心和其它的工程机械,方便地进行交互和工作调度.一种基于CAN总线的工程机械网络化控制系统,下位控制器执行电液比例伺服控制、传感器信号采集、操作控制等基本自动控制功能；上位控制器实现人机操作界面、仪表显示控制和GPS定位等高级控制功能；辅助控制器完成一些辅助的控制功能,如安全报警、远程通讯等.
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工程机械控制器的另一个发展趋势是支持集群化和智能化.现在的新型控制器,很多要求实现CAN的功能.
对于一项道路工程建设,施工现场可能绵延几十千米,物料的调度和管理非常复杂,因此在工程车辆运行的过程中,时刻掌握每辆车的位置及其状态,对于生产调度管理、合理配置资源有着非常重要的意义.所以一些控制器上带有GPS模块和无线通信模块.GPS模块负责随时获取本机的地理位置,无线通信模块则可以将GPS信息和车辆信息定时向管理中心发送.值得注意的是,GPS模块已经在工程机械上使用的越来越广泛,不仅用来定位车辆地理位置,甚至高精度的模块已经用来定位挖掘机铲斗的角度,直接在施工中作为路面基准.
三、施工过程的机群智能化控制
1.国内外机群智能化作业的研究现状
在公路路面施工作业过程中,需要装载机、搅拌设备、自卸汽车、摊铺机、压路机等多种类型的工程机械协调作业.为了提高施工效率,提高施工作业质量,需要采用信息技术、通信技术和智能控制技术,
实现工程机械与施工环境的协调、工程机械与施工任务的统一,达到缩短施工周期、有效利用施工资源的目的.
目前国外先进的工程机械公司已在新型的装载机、平地机、挖掘机、摊铺机、压路机上安装了远程无线通讯系统、GPS定位系统和车载计算机装置,将机械的工作参数、工作进程等一系列信息通过无线通讯系统进行监控和管理.
2.智能化工程机械机群施工过程控制技术
路面施工是一种大型化、机械化、复杂化的生产和流水作业的过程,要根据施工状态与生产目标对资源进行实时任务分配,达到机群资源的最优配置、最优的工作效率和最佳的工程质量.根据施工机群分布性、多目标和动态性的特点,以往的集中控制无法满足施工控制要求,需要研究新的网络化、分布式智能控制技术,准确地反映施工机群的静态结构和动态运行过程.
目前DAI技术已经被广泛应用于商业、制造业、交通运输和建筑等行业.在工程机械应用中,研究了一种基于智能体的自动垃圾处理协作系统,其目标是实现多个设备之间的协作方法；提出了一种多智能体工程预算方法,用于控制工程机械的施工管理过程.
在工程机械机群施工过程中采用分布式人工智能技术是一种有效的解决方案.多智能体控制技术应用于工程机械机群智能化的核心在于：每个主体的智能或推理功能都很简单,但当协调工作时,能够完成十分复杂的任务.多智能体技术在工程机械机群施工过程的应
用主要有以下几个方面：
（1）基于多智能体控制的施工体系研究.多智能体控制体系结构是多智能单元之间的信息关系和控制关系以及问题求解的分布模式.体系结构是研究智能控制问题的基础.任务的分解与分配、信息集成与通讯、冲突和消解方法都基于多智能体控制体系结构,体系结构对整个施工过程控制的研究具有重要的意义.
（2）人机共栖的智能主体研究.机群施工作业过程中人的参与和指导是十分重要的,可以充分发挥人的指挥与机器智能解决问题的能力.人机执行各自擅长的任务,从而实现人机的最佳协同合作.
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（3）信息流集成模型的研究.机群施工过程控制中智能控制单元的相互协调通过信息流和物料流联系起来.由于每一智能控制单元施工目的不同,其信息流有很大的区别,只有建立完善的信息流才能实现智能控制的目的.
（4）多智能主体协同决策系统的研究.协同决策是考虑多个主体参与的决策过程,由于各智能控制体的功能、方案和对象往往存在矛盾冲突,因此冲突识别和消解是协同设计所有多智能主体系统的关键问题.
四、结论
未来十年,我国基础设施建设将处于前所未有的高速发展阶段.据初步测算,在“十五”期间国内工程机械
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