摘要 公路工程施工技術(shù)的不斷提高以及施工設(shè)備的更新推動(dòng)了工程建設(shè)的發(fā)展，合理配置施工機(jī)械設(shè)備對(duì)于順利進(jìn)行施工工作至關(guān)重要，也有助于降低施工風(fēng)險(xiǎn)，然而目前工程公司在通用工程機(jī)械設(shè)備的臺(tái)班、效率、油耗等數(shù)據(jù)獲取方面仍存在真實(shí)性差、準(zhǔn)確性低以及數(shù)據(jù)不及時(shí)的問(wèn)題，影響了管理層對(duì)項(xiàng)目管理的決策成本分析。基于此，該文利用信息化技術(shù)和施工現(xiàn)場(chǎng)智能采集設(shè)備，將施工現(xiàn)場(chǎng)通用工程機(jī)械設(shè)備進(jìn)行網(wǎng)絡(luò)化、智能化和可視化改造，從而實(shí)現(xiàn)項(xiàng)目現(xiàn)場(chǎng)施工通用工程機(jī)械數(shù)據(jù)的準(zhǔn)確、真實(shí)和及時(shí)采集。

關(guān)鍵詞 公路工程；油耗監(jiān)控；數(shù)據(jù)采集；硬件結(jié)構(gòu)；軟件設(shè)計(jì)

中圖分類號(hào) U415 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼 A 文章編號(hào) 2096-8949（2024）19-0160-03

0 引言

公路工程施工技術(shù)水平的持續(xù)提高以及施工設(shè)備的更新不斷推動(dòng)了工程建設(shè)的發(fā)展，合理配置施工機(jī)械設(shè)備對(duì)于順利開展施工工作至關(guān)重要，同時(shí)也有助于降低施工風(fēng)險(xiǎn)。在公路工程中，根據(jù)實(shí)際需要合理配置機(jī)械設(shè)備并考慮不同設(shè)備的協(xié)調(diào)施工，可以為工程施工的質(zhì)量和效率奠定基礎(chǔ)。隨著企業(yè)數(shù)字化轉(zhuǎn)型的加速推進(jìn)，對(duì)施工現(xiàn)場(chǎng)原始數(shù)據(jù)的要求越來(lái)越高，為確保數(shù)據(jù)的真實(shí)、有效、及時(shí)和準(zhǔn)確，企業(yè)需要應(yīng)用新一代信息技術(shù)來(lái)采集和獲取施工現(xiàn)場(chǎng)的原始數(shù)據(jù)。

原始數(shù)據(jù)對(duì)于公路施工企業(yè)的信息化和數(shù)字化管理至關(guān)重要，目前工程公司在通用工程機(jī)械設(shè)備的臺(tái)班、效率、油耗等獲取的數(shù)據(jù)信息仍存在真實(shí)性差、準(zhǔn)確性低以及數(shù)據(jù)不及時(shí)的問(wèn)題，這影響了管理層對(duì)項(xiàng)目管理的決策成本分析。為解決此問(wèn)題，貴州省公路工程集團(tuán)有限公司在貴州省貴陽(yáng)至平塘高速公路建設(shè)項(xiàng)目第GPTJ-2合同段率先進(jìn)行了通用工程機(jī)械油耗智能監(jiān)測(cè)及管控系統(tǒng)的試點(diǎn)工作。通過(guò)利用信息化技術(shù)和施工現(xiàn)場(chǎng)智能采集設(shè)備，將施工現(xiàn)場(chǎng)通用工程機(jī)械設(shè)備進(jìn)行網(wǎng)絡(luò)化、智能化和可視化改造，從而實(shí)現(xiàn)項(xiàng)目現(xiàn)場(chǎng)施工通用工程機(jī)械數(shù)據(jù)的準(zhǔn)確、真實(shí)和及時(shí)采集。

1 工程背景

貴州省烏當(dāng)（羊昌）至平塘高速公路是貴州省高速公路網(wǎng)規(guī)劃中的重要組成部分，連接廣西高速公路網(wǎng)規(guī)劃新增的天峨（黔桂界）至北海高速公路，形成了貴陽(yáng)至北部灣的高標(biāo)準(zhǔn)、大容量、高效的南北縱向運(yùn)輸通道，同時(shí)該項(xiàng)目將完善貴陽(yáng)市外環(huán)高速布局，對(duì)推進(jìn)貴州省交通強(qiáng)國(guó)建設(shè)、構(gòu)建西部陸海新通道、完soQgOJ9/u23QeALupnfEcg==善全省高速公路網(wǎng)絡(luò)、加快黔中經(jīng)濟(jì)區(qū)建設(shè)以及支撐區(qū)域工業(yè)化和新型城鎮(zhèn)化進(jìn)程具有重大意義。貴州省貴陽(yáng)至平塘高速公路建設(shè)項(xiàng)目第GPTJ-2合同段的通用工程機(jī)械油耗智能監(jiān)測(cè)系統(tǒng)試點(diǎn)完成后，該系統(tǒng)將在貴州省公路工程集團(tuán)有限公司所有在建項(xiàng)目中推廣運(yùn)用，全面解決項(xiàng)目現(xiàn)場(chǎng)通用工程機(jī)械原始數(shù)據(jù)的準(zhǔn)確性、真實(shí)性和及時(shí)性問(wèn)題。

2 智能油耗監(jiān)控系統(tǒng)的功能及發(fā)展趨勢(shì)

2.1 智能油耗監(jiān)控系統(tǒng)的發(fā)展趨勢(shì)

2.1.1 物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)的應(yīng)用

物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)在機(jī)械工程領(lǐng)域的應(yīng)用已經(jīng)得到了廣泛的認(rèn)可，隨著技術(shù)的不斷發(fā)展，其在工程領(lǐng)域?qū)?huì)進(jìn)一步普及和深化。在物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)的框架下，通用工程機(jī)械可以通過(guò)數(shù)據(jù)采集設(shè)備與信息化系統(tǒng)進(jìn)行互聯(lián)，從而實(shí)現(xiàn)設(shè)備與信息化系統(tǒng)之間的信息共享與交流，可以提高通用工程機(jī)械的管理水平和工作效率，相關(guān)的數(shù)據(jù)和信息可以被及時(shí)捕獲、分析和應(yīng)用。

除了信息共享，物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)還能夠通過(guò)數(shù)字化手段實(shí)現(xiàn)工程機(jī)械設(shè)備的遠(yuǎn)程監(jiān)控和管理，通過(guò)遠(yuǎn)程監(jiān)控，操作人員可以實(shí)時(shí)了解設(shè)備的運(yùn)行狀況、工作情況以及可能存在的問(wèn)題，從而及時(shí)進(jìn)行調(diào)整和處理。這種遠(yuǎn)程監(jiān)控和管理方式不僅提高了設(shè)備的運(yùn)行效率和可靠性，還能夠降低人力和時(shí)間成本，不需要人員實(shí)時(shí)駐守在設(shè)備旁邊進(jìn)行監(jiān)控和管理。

2.1.2 大數(shù)據(jù)分析的應(yīng)用

大數(shù)據(jù)分析在工程機(jī)械領(lǐng)域的應(yīng)用已經(jīng)成為一項(xiàng)重要的支撐技術(shù)，并且后續(xù)將會(huì)得到更廣泛地應(yīng)用。通過(guò)大數(shù)據(jù)分析，可以利用海量的設(shè)備運(yùn)行數(shù)據(jù)來(lái)發(fā)現(xiàn)規(guī)律和趨勢(shì)，為設(shè)備的智能化管理和優(yōu)化提供可靠的依據(jù)，此技術(shù)不僅可以幫助管理者了解設(shè)備的運(yùn)行狀態(tài)，還可以分析使用率、工作效率、油耗等重要指標(biāo)，從而為管理層提供成本測(cè)算和決策支持。大數(shù)據(jù)分析的應(yīng)用能夠促進(jìn)工程機(jī)械行業(yè)更加智能化、高效化，從而提升整體運(yùn)營(yíng)效率和競(jìng)爭(zhēng)力，研究大數(shù)據(jù)分析在通用工程機(jī)械領(lǐng)域的應(yīng)用時(shí)，可以重點(diǎn)關(guān)注以下5個(gè)方面：

（1）數(shù)據(jù)收集與存儲(chǔ)：了解如何有效地收集和存儲(chǔ)通用工程機(jī)械的運(yùn)行數(shù)據(jù)，包括傳感器數(shù)據(jù)、日志記錄等。

（2）數(shù)據(jù)清洗與預(yù)處理：研究如何清洗和預(yù)處理大規(guī)模的機(jī)械數(shù)據(jù)，確保數(shù)據(jù)的質(zhì)量和準(zhǔn)確性，同時(shí)包括去除異常值以及填充缺失值等。

（3）數(shù)據(jù)分析與挖掘：利用數(shù)據(jù)分析和挖掘技術(shù)，發(fā)現(xiàn)數(shù)據(jù)中的模式、規(guī)律和趨勢(shì)，例如設(shè)備故障預(yù)測(cè)以及性能優(yōu)化等。

（4）智能化管理與優(yōu)化：基于數(shù)據(jù)分析結(jié)果，實(shí)現(xiàn)通用工程機(jī)械的智能化管理和優(yōu)化，包括定期維護(hù)、故障預(yù)防、性能提升等方面的應(yīng)用。

（5）成本測(cè)算與決策支持：利用大數(shù)據(jù)分析結(jié)果對(duì)設(shè)備使用成本進(jìn)行測(cè)算，為管理層提供決策支持，例如設(shè)備更新、投資規(guī)劃等。

2.1.3 云計(jì)算的應(yīng)用

云計(jì)算技術(shù)已經(jīng)成為機(jī)械工程的重要技術(shù)手段，后續(xù)將會(huì)得到更廣泛地應(yīng)用。通過(guò)云計(jì)算，可以實(shí)現(xiàn)通用工程機(jī)械的信息化和虛擬化管理，提高設(shè)備的利用率和及時(shí)性，云計(jì)算還可以通過(guò)對(duì)實(shí)時(shí)采集的運(yùn)行數(shù)據(jù)進(jìn)行存儲(chǔ)和計(jì)算，實(shí)現(xiàn)通用工程機(jī)械的遠(yuǎn)程監(jiān)控和管理，同時(shí)還可以及時(shí)發(fā)現(xiàn)并解決潛在的問(wèn)題，提高工程機(jī)械的整體效率和安全性。

2.2 智能油耗監(jiān)控系統(tǒng)的功能

根據(jù)依托工程設(shè)計(jì)的機(jī)械設(shè)備智能油耗監(jiān)控系統(tǒng)具有多項(xiàng)主要功能，主要包括以下8個(gè)方面：

（1）機(jī)械設(shè)備數(shù)據(jù)的存儲(chǔ)和管理：系統(tǒng)的前端控制器可以存儲(chǔ)現(xiàn)場(chǎng)機(jī)械設(shè)備的檢測(cè)數(shù)據(jù)，并在數(shù)據(jù)庫(kù)中管理這些數(shù)據(jù)，包括添加、刪除、修改和打印機(jī)械設(shè)備檢測(cè)數(shù)據(jù)報(bào)告等功能。

（2）監(jiān)測(cè)機(jī)械設(shè)備的運(yùn)行狀態(tài)：前端控制器可以監(jiān)測(cè)后端單元的工作狀態(tài)，實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)當(dāng)前檢測(cè)到的柴油發(fā)動(dòng)機(jī)的運(yùn)行情況。

（3）繪制負(fù)載特性曲線和速度特性曲線：系統(tǒng)可以根據(jù)存儲(chǔ)的數(shù)據(jù)繪制機(jī)械設(shè)備的負(fù)載特性曲線和速度特性曲線，為數(shù)據(jù)分析提供視覺(jué)支持。

（4）后端單元操作功能：后端單元由STD總線工控單元和微型計(jì)算機(jī)組成，可以獨(dú)立工作，即使前端控制器處于其他工作或關(guān)機(jī)狀態(tài)，后端單元仍然可以檢測(cè)主機(jī)的性能，并自動(dòng)收集和顯示各種物理參數(shù)，如發(fā)動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速、燃油消耗、油壓、油溫、水溫、扭矩、排氣溫度等。

（5）人機(jī)交互操作：系統(tǒng)配備有檢測(cè)屏幕、鍵盤和LED顯示器，用戶可以通過(guò)人機(jī)對(duì)話輸入檢測(cè)參數(shù)、測(cè)試條件、檢測(cè)環(huán)境等，并使用功能鍵執(zhí)行各種操作。

（6）報(bào)警和保護(hù)功能：系統(tǒng)配備有各種聽覺(jué)和視覺(jué)報(bào)警以及LED參數(shù)閃爍，當(dāng)某些參數(shù)超出限制時(shí)，將觸發(fā)報(bào)警。在停電期間，系統(tǒng)可以保護(hù)當(dāng)前狀態(tài)和數(shù)據(jù)，并在電源恢復(fù)后進(jìn)行補(bǔ)償運(yùn)行。

（7）監(jiān)測(cè)定時(shí)器與報(bào)告功能：系統(tǒng)具有監(jiān)測(cè)定時(shí)器，可以在系統(tǒng)被干擾或故障發(fā)生時(shí)自動(dòng)恢復(fù)運(yùn)行，并具有自診斷與報(bào)告功能，以提高系統(tǒng)的穩(wěn)定性和可靠性。

（8）實(shí)時(shí)日歷和遠(yuǎn)程操作：系統(tǒng)配備有實(shí)時(shí)日歷，可以自動(dòng)記錄主機(jī)檢測(cè)的日期，并可以通過(guò)LED顯示日期，機(jī)械設(shè)備的節(jié)流閥和水閘可以進(jìn)行遠(yuǎn)程操作，并通過(guò)指示燈顯示操作過(guò)程，具有緊急停止和離線操作功能。

3 智能油耗監(jiān)控系統(tǒng)的設(shè)計(jì)

3.1 機(jī)械設(shè)備油耗的實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)與應(yīng)用

機(jī)械設(shè)備智能燃油消耗監(jiān)測(cè)系統(tǒng)的實(shí)時(shí)監(jiān)控與應(yīng)用涉及多個(gè)關(guān)鍵方面。首先，采用流量計(jì)法測(cè)量燃油消耗，通過(guò)在機(jī)械設(shè)備燃油管道上安裝流量計(jì)，將燃油流量產(chǎn)生的流量信號(hào)轉(zhuǎn)換為電信號(hào)，然后經(jīng)由轉(zhuǎn)換器轉(zhuǎn)換，獲得柴油機(jī)的燃油消耗率[1-2]。在機(jī)械設(shè)備的進(jìn)油管道和回油管道上分別安裝渦輪流量計(jì)，監(jiān)測(cè)系統(tǒng)通過(guò)獲取渦輪流量計(jì)瞬時(shí)流量值并進(jìn)行差分計(jì)算來(lái)計(jì)算燃油的實(shí)時(shí)體積消耗。其次，利用溫度傳感器測(cè)量燃油溫度，同時(shí)進(jìn)行燃油密度的實(shí)時(shí)校正，從而計(jì)算燃油的實(shí)時(shí)消耗量，同時(shí)利用GPS定位模塊獲取機(jī)械設(shè)備的實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)。通過(guò)監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)計(jì)算各項(xiàng)指標(biāo)參數(shù)，如流量和密度等，監(jiān)測(cè)系統(tǒng)還可以獲取瞬時(shí)燃油消耗和單位時(shí)間燃油消耗等數(shù)據(jù)，并顯示在機(jī)械設(shè)備的計(jì)算機(jī)屏幕上[3]。部分動(dòng)態(tài)數(shù)據(jù)可以以柱狀圖的形式呈現(xiàn)，使現(xiàn)場(chǎng)人員更容易閱讀，此外系統(tǒng)還具有與岸基網(wǎng)站交換和傳輸數(shù)據(jù)的功能，使高速公路項(xiàng)目管理人員能夠?qū)崟r(shí)監(jiān)測(cè)和管理工程項(xiàng)目中所有機(jī)械設(shè)備的燃油消耗。

3.2 油耗監(jiān)控系統(tǒng)中數(shù)據(jù)采集的設(shè)計(jì)

機(jī)械設(shè)備智能油耗監(jiān)控系統(tǒng)的數(shù)據(jù)采集設(shè)計(jì)包括以下主要組成部分：（1）電子燃油傳感器：將機(jī)械設(shè)備油量信號(hào)轉(zhuǎn)換為連續(xù)變化的模擬電壓信號(hào)，用于監(jiān)測(cè)油耗情況。（2）電壓放大電路：將傳感器輸出的電壓信號(hào)放大到系統(tǒng)可測(cè)量的范圍內(nèi)，以便后續(xù)處理。（3）低通濾波電路：通過(guò)降低噪聲信號(hào)，確保信號(hào)質(zhì)量，保證系統(tǒng)準(zhǔn)確性和穩(wěn)定性。（4）A/D轉(zhuǎn)換模塊：用于將模擬電壓信號(hào)轉(zhuǎn)換為數(shù)字信號(hào)，以便單片機(jī)進(jìn)行處理。（5）單片機(jī)：負(fù)責(zé)對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行檢測(cè)、運(yùn)算和控制，同時(shí)實(shí)現(xiàn)油耗監(jiān)控系統(tǒng)的功能，此外為確保系統(tǒng)的安全工作，采用光耦隔離器構(gòu)成光耦隔離電路，對(duì)里程信號(hào)進(jìn)行隔離轉(zhuǎn)換，以防止干擾和保證電路的穩(wěn)定性和安全性，機(jī)械設(shè)備油耗監(jiān)控系統(tǒng)數(shù)據(jù)采集框架[4]，如圖1所示。

3.3 油耗監(jiān)控系統(tǒng)的硬件結(jié)構(gòu)

智能油耗監(jiān)控系統(tǒng)的硬件結(jié)構(gòu)主要包括輸入模擬信號(hào)、脈沖信號(hào)或電平信號(hào)的信號(hào)調(diào)理、采樣以及數(shù)碼顯示，最后以標(biāo)準(zhǔn)的BCD碼送入電腦，系統(tǒng)中的聲光報(bào)警通過(guò)振蕩電路驅(qū)動(dòng)喇叭和發(fā)光二極管，實(shí)現(xiàn)聲光效應(yīng)。測(cè)控儀是系統(tǒng)的關(guān)鍵部件，包括驅(qū)動(dòng)模塊和測(cè)試模塊，驅(qū)動(dòng)模塊采用電動(dòng)機(jī)驅(qū)動(dòng)光電傳感器，并可調(diào)整轉(zhuǎn)速；測(cè)試模塊則采用雙AT89C52微處理器，根據(jù)光電傳感器輸出的電脈沖信號(hào)進(jìn)行測(cè)控。核心電路是信號(hào)調(diào)理及采集電路，將光電傳感器的信號(hào)轉(zhuǎn)換為微處理器可接受的電平信號(hào)，以實(shí)現(xiàn)對(duì)光電傳感器參數(shù)的測(cè)試工作，系統(tǒng)通訊采用RS-232通信接口，用戶界面采用人機(jī)會(huì)話。

3.4 油耗監(jiān)控系統(tǒng)的軟件設(shè)計(jì)

機(jī)械設(shè)備智能燃油消耗監(jiān)測(cè)系統(tǒng)的軟件設(shè)計(jì)涉及多個(gè)方面，包括測(cè)量與控制、預(yù)控機(jī)器監(jiān)控軟件的開發(fā)、系統(tǒng)管理、監(jiān)控管理以及瀏覽打印等功能模塊。在系統(tǒng)軟件開發(fā)中，測(cè)量與控制部分采用AT89C52作為核心，以KeilC51軟件作為開發(fā)平臺(tái)，預(yù)控機(jī)器軟件開發(fā)采用VB。監(jiān)控軟件必須具備數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換、數(shù)據(jù)通信、設(shè)備控制、人機(jī)交互和報(bào)警等基本功能，以及數(shù)據(jù)存儲(chǔ)、分析和打印等輔助數(shù)據(jù)管理功能。預(yù)控機(jī)器的功能模塊基于通信程序、數(shù)據(jù)庫(kù)和數(shù)據(jù)表，主要任務(wù)包括通信端口初始化、設(shè)備通信的建立和驗(yàn)證、數(shù)據(jù)傳輸與接收、數(shù)據(jù)處理和顯示。該系統(tǒng)采用分布式管理和分散控制，使用計(jì)算機(jī)語(yǔ)言進(jìn)行編程，如匯編語(yǔ)言、C語(yǔ)言和數(shù)據(jù)庫(kù)語(yǔ)言等等，充分利用每種語(yǔ)言的優(yōu)勢(shì)。后端機(jī)器采用STD總線，系統(tǒng)程序采用匯編語(yǔ)言來(lái)實(shí)現(xiàn)，充分利用計(jì)算機(jī)的資源共享，并開發(fā)與CPU/MEM兼容的實(shí)時(shí)操作系統(tǒng)，軟件設(shè)計(jì)采用模塊化編程方法，易于修改和擴(kuò)展，將控制程序和主機(jī)校準(zhǔn)電源、燃油消耗校正軟件和現(xiàn)場(chǎng)采集管理程序設(shè)計(jì)為菜單選擇和屏幕提示模式，方便用戶操作[5]。

4 結(jié)語(yǔ)

該文探討了公路工程施工技術(shù)水平的持續(xù)提高以及施工設(shè)備更新對(duì)工程建設(shè)的推動(dòng)作用，強(qiáng)調(diào)了合理配置施工機(jī)械設(shè)備的重要性，并指出了合理配置施工機(jī)械設(shè)備對(duì)降低施工風(fēng)險(xiǎn)和提高施工效率的積極影響，特別是在公路工程領(lǐng)域，合理配置機(jī)械設(shè)備并考慮不同種類設(shè)備的協(xié)調(diào)施工，對(duì)于確保工程施工的質(zhì)量和效率至關(guān)重要。

隨著企業(yè)數(shù)字化轉(zhuǎn)型的加速推進(jìn)，對(duì)施工現(xiàn)場(chǎng)原始數(shù)據(jù)的要求越來(lái)越高，確保施工現(xiàn)場(chǎng)數(shù)據(jù)的真實(shí)、有效、及時(shí)和準(zhǔn)確對(duì)于公路施工企業(yè)的信息化和數(shù)字化管理至關(guān)重要，目前存在著通用工程機(jī)械設(shè)備數(shù)據(jù)獲取方面的問(wèn)題，包括真實(shí)性差、準(zhǔn)確性低以及數(shù)據(jù)時(shí)效性等問(wèn)題。這些問(wèn)題影響了管理層對(duì)項(xiàng)目管理的決策成本分析。為解決這些問(wèn)題，該研究介紹了貴州省公路工程集團(tuán)有限公司在貴州省貴陽(yáng)至平塘高速公路建設(shè)項(xiàng)目第GPTJ-2合同段的通用工程機(jī)械油耗智能監(jiān)測(cè)及管控系統(tǒng)的試點(diǎn)工作，通過(guò)信息化技術(shù)和施工現(xiàn)場(chǎng)智能采集設(shè)備，該公司實(shí)現(xiàn)了準(zhǔn)確、真實(shí)以及快速獲取項(xiàng)目現(xiàn)場(chǎng)施工通用工程機(jī)械數(shù)據(jù)的目的，為公路工程相關(guān)領(lǐng)域的研究提供一定的理論和實(shí)踐意義。

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收稿日期：2024-03-28

作者簡(jiǎn)介：王代勇（1974—），男，本科，高級(jí)工程師，從事公路工程施工設(shè)備物資管理方面的工作。