随着现代社会经济建设的快速发展工程机械的使用率越来越高。为适应各种工况要求, 工程机械的种类繁多, 已成为当今社会生产建设的必须工具。但随着工程机械功能的增加, 其操作难度也不断提升, 加之操作工程机械的工作强度逐渐增大, 高级的驾驶员是供不应求。为了适应社会经济建设快速发展的需求, 解决工程机械操作难, 工作累的问题, 我们应该大力发展工程机械的软件系统, 通过与地球空间信息科学的集合, 使其能做到通过卫星定位, 按照预先设定的程序自主独立地进行作业。
1 数据的收集和应用
1.1 地球空间信息科学
地球空间信息科学 (geo-spatial information science) 起源于20世纪60年代, 是包含了GPS, GIS和RS等技术, 并强调与通讯, 计算机技术融合的一门综合性集成技术学科。3S技术构成了地球空间信息科学的核心, 它是快速获取和更新大区域地球动态和定位信息的重要手段, 通过信息处理快速再现和客观反映地球表层的状况、现象、过程及其空间分布, 并深层次地探索现象, 事物的形成机理及其内在之间的联系, 它是地球科学的一个前沿领域, 是地球信息科学的重要组成部分, 是数字地球的基础[1,2]。美国劳工部在2004年初已经将地球空间信息和纳米, 生物等技术一起列为正在发展中和最具前途的3大重要新技术[3]。
1.2 空间移动信息服务及三维建模
空间移动信息服务是综合“3S”技术和现代通信技术, 以向人们提供与地理位置有关信息和服务的应用系统[4]。近年来, 随着计算机技术、遥感技术、摄影测量技术及其相关信息技术的飞速发展, 使得通过快速获取地表信息并重建三维地表形态成为现实。通过空间移动信息服务, 借助于卫星定位和测量功能快速获得地表及建筑物的各种信息, 然后将其传送到地面的接收终端, 并由计算机软件根据高度, 宽度, 编码等属性信息建立三维模型, 使其成为地球空间信息技术与工程机械在人工智能方面集合的桥梁。
2 工程机械的人工智能化
2.1 人工智能工程机械的现状及发展前景智能化的工程机械可以通过信息化实
现自动驾驶或遥控与无人驾驶功能。美国及日本拥有此类产品并仍在研究该技术。卡特彼勒公司利用GPS (全球定位系统) 、GIS和GSM技术, 将其计划命名为采矿铲土运输技术系统 (METS) .采矿用的推土机定位系统有助于司机完成诸如坡度与推土任务。Leica公司采用基于GPS技术与数字地图技术的Dozer2000导航系统, 在无需勘察标桩的情况下, 允许公司精确地控制推土机的推土板和机器的位置, 实现虚拟推土作业。Trimble公司的产品是Site Vision GPS, 可实现坡度的精确控制, 驾驶室内可视化显示系统指导驾驶员精确作业, 精度可达厘米级[5]。
但是, 以上的工程机械的智能化还是尝试性的, 平面化的, 只适用于一些简单的动作。要想实现工程机械的更高级的自动和独立的操作, 就要以建筑于空间信息服务的三维实体图为桥梁, 将工程机械和作业对象联系起来。如同Mastercam, UG等软件, 通过二维绘图和三维实体造型将工件和数控机床联系在一起。操作员只需要通过软件设计出工作流程, 再通过实时监控系统就可以使机械自主完成任务。
未来工程机械的人工智能化系统主要通过以下模块实现。
(1) 卫星测量数据→传送到→地面接收终端→生成三维实体图→导入配套软件平台。
(2) 采集各种工程机械的各种操作动作的数据→保存→建立相关工程机械的操作动作的数据库→导入→配套软件平台。
(3) 以配套软件为平台, 根据任务要求, 模拟施工, 检查校对其中的错误操作→生成→操作代码→传送到→车载软件, 控制工程机械的执行, 并由各种传感器时时监控施工进程。
2.2 工程机械的改进和数据库的建立
工程机械的发展十分迅速, 特别是一些中国制造商正逐步缩小与该行业世界先进企业的差距。近年来我国更是出现了工程机械产销量井喷的现象。但也要看到我们的产品还有很多问题, 一是主要的核心零件还不能完全自主生产, 再就是缺乏创新。因此, 为了配合未来工程机械的发展, 我们一是要加大基础研究的投入, 再是能够提升创新能力, 引领未来工程机械的发展方向。
现在的工程机械的硬件水平已经相当高了, 除了继续发展微型化和超大型化的机械外, 就是要增加对工程机械车载软件系统及配套软件的研究开发。工程机械的车载软件系统主要是用来提升机械的可操作性, 以便驾驶员能同时, 轻松地进行多项操作。当发展到无人驾驶的程度时, 即可由车载软件来控制机械的各个动作的完成。而配套的软件主要是一个编程的平台, 通过模拟施工, 得出工作流程, 再生成操作代码, 最后传送到工程机械的车载软件上, 达到机械自主操作的目的。
2.3 工程机械智能化的应用举例
公路建设从早期的工程规划到具体的施工过程, 具有点多、面广、线长, 沿线涉及的农林和经济作物多, 管线设施复杂, 需要的工人较多, 技术难度随公路等级的不同而有所不同等特点, 需要大量的人力物力。地球空间信息科学和工程机械的结合, 可以先通过空间信息服务得到施工地形的三维图, 在配套软件的平台上, 编辑各种路面机械的操作动作来完成在三维图上的虚拟施工, 验证无误后再传送到路面机械的车载软件上, 通过时时监控, 使各种机械协调自主地完成各个阶段的施工任务。这样, 既节省了人力物理, 也提高了施工的效率和精确度。
3 结语
随着我国经济建设的快速发展, 我国开始建设自己的北斗卫星导航系统, 卫星的定位、测绘、通信等功能与工程机械的集合的前景越来越广阔。借助于空间信息服务这个平台, 我们应该尽快进行其和机械的接口技术及相关软件控制系统和配套软件的研究开发。相信在不久以后, 和机械高度集合的软件系统会和其硬件的发展一样重要, 甚至会大大提升工程机械的可操作性、效率和精度, 并成为行业新的创新点和增长点。相关领域的研究开发, 对我国工程机械行业实现跨越式发展, 乃至赶超发达国家, 振兴民族工业有重大现实意义。
摘要：随着地球空间信息科学 (geo-spatial information science) 的进一步发展, 可快速得出施工对象的三维实体图, 它起到将施工对象和工程机械联系起来的作用, 通配套软件, 就可以实现虚拟施工, 然后生成工作流程编码, 再将编码导入车载软件控制系统就可以实现高精度的自动驾驶或遥控与无人驾驶功能, 让工作人员把精力放在工作流程的设计上或远离有害及危险环境下的施工作业。会极大地提升工程机械的可操作性, 效率和精确度。
关键词：地球空间信息科学,工程机械,三维建模,虚拟施工,智能化
参考文献
[1] 国家遥感中心面向21世纪空间信息技术的发展趋势以及我国空间信息技术发展对策.2002.
[2] 李德仁.地球空间信息学及在陆地科学中的应用[J].自然杂志, 2005 (6) .