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附件 1 毕业设计毕业设计( (论文论文) )开题报告开题报告 题目题目：沥青路面施工机群优化配置方案研究：沥青路面施工机群优化配置方案研究 课课 题题 类类 别：别： 设计设计 论文论文 学学 生生 姓姓 名：王喜才名：王喜才 学学号：号：200521050116200521050116 班班级：机制级：机制 05-0105-01班班 专业（全称） ：机械设计制造及其自动化专业（全称） ：机械设计制造及其自动化 指指 导导 教教 师：杜荣华师：杜荣华 20092009 年年 3 3 月月 一、本课题设计（研究）的目的： 在沥青路面施工工艺中，施工机械是完成各项工程施工的主要工具，是确保工程 质量的安全生产、加快工程进度、提高经济效益、改善劳动条件、降低工程成本的重 要技术设备。如果施工机械设备配置不合理，就很有可能在某些作业循环中出现“机 械设备拥塞”现象，而在另一些作业循环中出现“机械设备脱节”现象，从而大大延 误工期，增加施工费用。因此，对机群进行最优化配置、充分发挥机群作业综合能力 ， 降低施工成本，就成为十分重要而紧迫的问题。 二、设计（研究）现状和发展趋势（文献综述） ： 沥青混凝土路面施工是一种大型化、机械化、复杂化的生产和流水作业过程，通 过沥青混合料拌合设备、自卸车、沥青路面摊铺机、压路机等机械化施工机群协调工 作，完成整个基本生产过程1。路面施工过程为：施工准备-沥青混合料的配比设计- 验证-热拌沥青混合料拌制-混合料运输-摊铺-碾压成型。在施工过程中要求各阶段、 各工序之间必须保证施工过程的连续性，在时间上尽量保证均衡性，在生产能力上保 证施工过程协调性。 目前在沥青混凝土路面施工过程中，施工机群要同时在 8-30KM 标段上进行作业， 整个施工机群的调度和生产依赖于管理者的经验，而信息的交流通过点对点式的移动 通讯实现2。这种信息交流方式和依靠经验进行施工管理的模式，造成了资源配置不 合理；施工信息交换量少，实时性差；出现物料断流和积压；能耗大，生产率低和施 工质量差等诸多问题。 沥青混凝土路面施工机群过程智能控制以高等级公路施工工程为对象3。采用无 线电通信技术、信息技术、计算机技术、传感器技术、智能控制技术等研究施工机群 的智能化监测控制和施工调度优化技术，提高机群的智能化程度。在高等级公路施工 过程中。同步实现施工资源优化配置、最佳工程质量、最高工作效率的目标。 一、机群智能化工程机械概念与特征 机群智能化工程机械是指为完成某一工程施工项目，以实现最优资源配置、最优 工作效率、最佳工作质量为目标的同步施工智能化工程机械的组合4。它是通过对各 智能化工程机械单机的状态、位置、性能、工作质量和施工进度的在线检测及智能故 障诊断，由主控站根据施工任务完成机群动态组织、施工动态优化调度和集团管理， 以实现最佳资源利用和最优施工效果。它是以高适用性、高可靠性的单机及能对各单 机实时监控、动态调度的智能控制系统为基础，以最大作业效率为目标，将施工对象 视同车间流水线上的加工零件，实现高质量、高效率生产，以其灵活机动之策略和协 调应变能力适应瞬息万变的形势。 机群智能化工程机械代表了当今工程机械技术和施工技术发展的最高水平5。其 重要意义在于利用高新技术提升工程机械水平和国家重点项目建设施工水平，提高我 国工程机械产业的市场竞争力和国产施工设备的装备水平。这个提升过程也就是信息 化带动工业化战略在工程机械领域的具体表现 机群智能化工程机械的提出改变了工程机械制造企业单纯以追求单机高性能为 目标的传统思路，而代之以智能化机械联合作业能力、最佳施工质量和施工企业的最 大综合经济效益为目标的新理念。虽然这项技术尚属起步研究阶段，但其市场的前景 已引起国内企业的密切关注。 机群智能化的基础是单机的智能化5。近年来，智能化工程机械中的工况监测与 故障诊断技术已迅速发展成为新兴交叉学科，其内容涉及机械、数学、力学、计算机 技术、传感检测与信号处理、人工智能等众多学科和领域。现代工况监视与故障诊断 技术已在保障机器设备的安全运行、预防事故发生以及维修制度由定期预防维修转向 基于设备运行状态的预知维修的变革等方面起到了关键性的指导作用，取得了显著的 经济效益和社会效益。 专家认为，国外工程机械今后发展的方向为:完善工程机械各功能部件，完善实 时电子监控和故障诊断系统，完善对单台机械主要功能部件的状态监控和故障自诊 断，乃至整机的集中控制与诊断6。随着时代的发展，大量高性能、高可靠性仪器将 被工程机械行业广泛应用。 二、国外智能化工程机械概况 自 20 世纪 90 年代以来， 国外智能化工程机械进人了一个新的发展时期， 新技术 、 新结构和新产品被广泛应用。技术开发的重点在于增加产品的电子信息技术含量，改 善驾驶人员的工作环境，向环保型、节能型、无人驾驶技术方向发展，相继向市场推 出了一些新型的智能装载机、智能挖掘机、智能摊铺机、智能压路机、智能全路面起 重机等产品7。在特定的施工中，如矿井区、易燃爆区、辐射区或有害健康的作业区 、 深海作业区等地方作业，就需要带有遥控装置的智能化工程机械。如日本大成建设株 式会社很早就研制成功了无人驾驶、能独立工作的履带式铲车，它能连续工作 24h， 且安全可靠8;美国 Cat992C 型轮式装载机，装有可视距离内无线电远距离遥控系统， 可在危险地带实施安全作业;澳大利亚也成功地开发了无人驾驶自卸车，实现了在千 米以下坑道施工作业的无人化操纵。 电子监控报警系统已被国外工程机械企业成功地应用，如卡特彼勒装载机和挖掘 机上的电子监控系统(EMS)、凯斯公司的报警系统、小松公司的 EDIMO 系统等电子监 控系统9。诊断故障发生的部位和处理措施，是整个电子监测系统的关键。国外智能 化工程机械技术正在走向成熟，目前已开始了工程机械作业的机群智能化研究。 在智能化工程机械发展上，CAT 公司已率先在其矿用载重车、铲运机、平地机、 铰接式翻斗车、挖掘机、正铲挖掘机、履带式推土机、轮式装载机等产品上依据用户 要求，配备了 GPS 卫星定位单元，作为动态管理系统的一部分，结合整机电子监控与 故障诊断系统，构成以卫星通信为基础的机群卫星定位管理与维护系统10。在欧洲及 北美的应用表明，施工综合效率提高 20%以上，维护成本下降 18%。以下是 CAT 公司 智能化工程机械发展的 2 个例子。 1)计算机辅助铲土运输技术与 GPS 定位系统11 国外 GPS 在工程机械方面的应用正在不断拓展，呈快速发展之势。卡特彼勒采矿 铲土运输技术系统(METS)包括多种多样的技术产品，如无线电数据通信、机器监测、 诊断、工作与业务管理软件和机器控制等装置，由以下三部分组成:计算机辅助铲 土运输系统(CAES)，包括机载计算、cm 级 GPS 微波定位和高速无线电通信三项技术。 在运行中，机载系统通过无线电接收整个无线网络中的铲土运输数据、工程数据或现 场规划数据。这些数据都显示在驾驶室内的一个屏幕上，司机在驾驶室内能直观地了 解机器的作业位置，并准确地判断需要挖掘、回填或装载的土方量。关键信息管理 系统(VIMS)。 VIMS 监测机器中极其关键的性能与作业参数，并且通过无线电将数据 从该机器传送到业主办公室。可立即分析数据以便估量机器的当前状态，或加以收集 和整理，以便显示机器的作业趋势。 CAES office 软件。这种软件与来自装有CAES 的机器的数据相结合，产生一个集成的现时作业模型，使业主能在接近实时条件下对 现场或远处监控各种作业。 2)推土机定位系统与虚拟推土相结合13。 卡特彼勒的DOZSIMI.5 是一种极易使用 的计算机程序，可计算推土机的作业生产率。该软件包与 Windows 兼容，采用 3D 模 拟技术分析推土机距离、坡度、现场设计参数，并可输出总土方量(压实或松散)、每 次移走及每小时移走的土方量、每次总耗时、每次成本、总系统生产率等大量信息。 除卡特彼勒公司外，模块采矿系统公司、Le-ica 和特林布尔导航设备有限公司均 可独立提供基于 GPS 的推土机定位系统，大大提高推土机的作业生产率。Le-ica 采用 GPS 技术的 Dozer 2001)导航系统，在无需勘察标桩的情况下，允许司机精确地控制 推土机的铲刀板和机器的位置，实现虚拟推土作业。模块采矿系统公司的推土机定位 系统有助于司机完成诸如坡度与推土任务。驾驶室内安装有图像控制台，向司机显示 机器在作业区内的位置， 并实时显示关键作业参数， 如铲刀角度或被移动的土方体积 。 三、国内智能化工程机械概况 我国智能化工程机械技术的研究工作始于 20 世纪 90 年代初14，1991 年在“863 计划”自动化领域首席科学家蒋新松的倡导下，在国内首先开展了工程机械机器人化 技术的研究工作，先后进行了挖掘机机器人化和推土机机器人化、自动导引车(AGV) 的技术开发，有的已开始进人市场应用。另外国家重点实验室如中科院、清华大学等 一些科研单位同国内企业进行了产学研合作。 国内部分企业已着手联合开发智能化工程机械的一些项目，如徐州工程机械集团 有限公司“九五”期间，与清华大学国家 CIMS 技术研究中心和国家 863/CIMS 机器人 项目专家组，共同完成了“国家 863/C I M S 机器人化工程机械现代集成制造应用工 程”单极自动化的课题研究，并顺利通过了科技部专家组的验收15。如今，又着手进 行“国家 863/C I M S 机器人化工程机械现代集成制造应用工程”集群自动化的课题 研究。“机群智能化工程机械”项目由徐工集团与清华大学、东南大学、长安大学、 重庆交通学院等共同承担，包括智能化摊铺机、拌和站、压路机、装载机、铰接式自 卸车和全路面汽车起重机等种单机的智能化控制产品样机平台、通用控制器硬件和 GPS 定位系统，技术水平国内领先。该技术通过对各智能化工程机械单机的状态、位 置、性能、工作质量和施工进度的在线检测及智能故障诊断，由机群主控站根据施工 任务完成机群动态组织、施工动态优化调度和集团管理，可将施工综合效益提高 25% 以上，施工设备维护成本下降 20% 2000 年首先在 LTU125A 沥青硅自动摊铺机(图 1) 上进行了 CAN 总线、多CPU 控制器的开发，采用了西门子公司的带 CAN 总线的 8 位单 片机 C505CA，实现了该摊铺机的自动控制(与清华大学合作)。徐工集团成功开发的 ZL50G 机器人化装载机的技术水平属国内领先， 达到国际 90年代后期水平，1999 年 12 月投放市场以来，在同行业中引起激烈反响，今年已销售了 200 多台，销售额达上亿 元。产品出口美国、南非、土耳其等国家。 广西柳工集团有限公司以重庆大学为依托向国家863/CIMS主题办提出LG一CIMS 立项申请16，从1997 年下半年开始了工程机械智能化研究。2000 年 7月，LG 一 CIMS 通过国家 863/CI M S 专家组验收。此后，柳工又开展了 LG 一 CIMS 二期工程，2003 年 8 月通过省级专家鉴定。2003 年 1 月，柳工以华中科技大学和苏州大学为依托，向 国家 863/自动化领域申请装载机远程服务专家系统与智能化挖掘机及企业信息化工 程立项成功，目前该项目正在按计划进行实施17。 三一集团承担的国家 863 计划项目“机群智能化工程机械”第一期课题，已通过 国家科技部项目阶段性验收，创造了我国沥青硅面层机械化施工的新工艺18。三一重 工提出了以沥青混合料转运车为核心的智能化工程机械施工解决方案并于 2002 年试 制出产品样机。沥青混合料转运车的应用，实现了对摊铺前的沥青混合料进行二次搅 拌和对摊铺机均匀供料功能，保证了连续均匀摊铺。目前，该设备已投人杭州环线高 等级公路施工中试应用，引起了业界的广泛关注。所谓机群的优化配置19，即以机械 化作业机群系统为对象，运用概率统计、运筹学、模拟仿真等方法，经分析、判断、 推理、简历系统数字模型，进而采用最优化方法求得系统的最佳结果，使系统中各组 成机械及设备间在技术参数上相互协调，在工艺方法上相互配合、从而获得技术上先 进、经济上合理、运行中可靠、高效快速的机群系统。 虽然国内已开展了智能化工程机械产品化的多项研究，取得了一定的进展，但距 离产业化的目标尚有很大的距离20。与国外的差距主要体现在三个方面，即工程机械 单机集成化操作与智能控制技术，工程机械的智能监控、检测、预报、远程故障诊断 与维护技术，以及基于网络的机群集成控制与智能化管理技术等。 我国的城市化、现代化建设，使智能化工程机械具有良好的市场前景21。根据 国家“十五”发展规划，“十五”期间投资重点仍然是交通运输、水利、水电、建筑、 电力、通讯及环保行业等基础设施的建设。近几年，我国的大型重点工程如西气东输 、 西电东送、南水北调、青藏铁路建设及奥运会在中国主办等都需要大量的智能化工程 机械。中国现在的城市化率与发达国家相比，差距还很大，还需在城市化建设上加大 投人，从而增加对智能化工程机械的需求，为智能化工程机械发展提供了巨大的发展 空间和市场机会。智能化工程机械技术开发的成功必然会带来较好的社会效益和经济 效益，必将推动整个工程机械行业的技术进步。 加人 WTO 后的中国，国内产品市场的竞争将更趋激烈，因此，对机群进行最优化 配置、充分发挥机群作业综合能力，降低施工成本，实现工程机械的智能化就成为十 分重要而紧迫的问题。 三、设计（研究）的重点与难点，拟采用的途径（研究手段） ： 重点：1.沥青路面施工工艺分析 沥青路面施工需要多种机械协同作业完成，且施工机械受工程量、环 境、施工路况等多种因素影响，施工工艺也因此变得十分复杂，只有熟悉 施工工艺才可准确找出约束条件，更准确地进行机群优化配置。 2.机群优化配置方案 如果某施工工艺过程有五个工序，每一个工序可有 4 种不同类型规格 的机械完成， 则完成该工艺过程的可行机群配置方案为 45=1024 个因此， 需要从众多的方案中寻求具有最佳技术经济效益的机群组合方案。 难点：1.机群优化配置问题复杂。主要表现在一下几个方面： 1) 工艺过程连续性要求和机械作业周期性之间的矛盾，如材料摊铺作业 机械与压实作业机械间的组合问题 2) 工艺过程中存在差异较大工序的组合问题，如材料的拌和、摊铺及压 实工序，其工艺方法及工作原理都存在着很大的差异性。 3) 影响机群作业过程的各种因素具有随机性。如气象条件、机械工作可 靠性等因素。 4) 机械化作业对象及条件的可变性。由于工程项目合同的随意性，工程 的施工对象、作业条件都会发生较大的变化。 5) 机群作业效率受到机械维护服务水平及操作人员技术水平的影响 6) 机群的优化组合随着工艺方法及设备的完善需要不断改进或变化。机 群的优化组合总是与一定的工艺方法和机械设备相对应，因此，必须 随工艺方法的改变而改变，随机械设备的完善而改进 2.施工机械配置制约因素多。 公路路面施工机械的选用受作业内容、土质条件、运距远近、气象条 件及多种机械相互配合等各个方面的影响和制约。且一般来说，技术上较 先进和工作能力较大的机械设备，其资金流入大都具有相对较高的初始投 资和较低单位工作量的运行费用。当机械利用率较高或工程量较大时，其 经济效益好，而利用率较低或工程量小时其经济效益就可能相反。因此选 用机械时必须考虑各方面因素。既要避免“大马拉小车”，浪费生产率， 也要防止工作能力过小而达不到预期效果。 3.约束条件的确定难度大 约束条件是制约优化目标实现的主要因素，准确确定约束条件是优化 问题的关键。在建立数学模型时，约束条件越清楚，模型就越能反映实际 过程，所得的解也就越准确。但如果考虑施工过程中的全部因素，就会使 模型变得十分复杂，甚至无法求解。 4.设备配置数据模型。 路面施工工序一般采用：集料拌和运输摊铺碾压。其对应的机 械设备分别为沥青混凝土搅拌设备、运输车辆、摊铺设备和碾压设备。在 建立数学函数模型前应对每种机械进行详尽的了解，熟知影响各种机械设 备参数，建立各种机械的配置数据模型。 拟采用途径（研究方法） ： 在设备配置过程中应考虑多方面因素， 与主导机械配套的其他机械， 在工作容量 、 数量及生产率上应稍有储备，机械的工作能力应配合适宜，以充分发挥主导机械的生 产率，保证作业的连续性。且配合作业机械组合数尽量少，组合数越多，总效率越低 ， 而且每一组合中，当其中一台机械发生故障停车时，其他机械就无法正常工作。 约束条件分一般约束条件和特定约束条件。一般约束条件指的是工程施工中具有 普遍意义上的约束，如机械工作能力、工程量、作业成本、工期等。当确定了某种优 化目标后，其他因素就成了该优化目标的约束条件。而特定约束条件指的是对某种类 型的工程施工或某一具体工程的施工而言的约束条件。在此确定约束条件时，拟采用 考虑对工程的经济效果有重大影响的因素一般约束条件，如上述四种约束条件，以简 化数学模型，建立沥青路面施工机群优化配置模型。 四、设计（研究）进度计划： 1 至 4 周查阅、收集相关文献资料，写出开题报告 5 至 6 周沥青路面施工机群配置、管理分析 7至9 周建立单一机械投资的优化配置数学模型 10 至 12 周建立一般优化配置模型 13 至 14 周撰写设计计算说明书 15 至 16 周整理资料、准备答辩。 17 周答辩 五、参考文献： 1郭伟,喻道远,徐晓光.基于 GIS 的机群优化配置系统 . 筑路机械与施工机械 化,2002,（5）. 2郑录社.高等公路路基施工机群的微机最优化配置系统,电子机械工程,2002,8. 3郭华，黄宗益，徐鸣谦.全球卫星定位系统在工程机械上的应用1.建筑机械化， 2003 (10): 13-18. 4黄宗益，李兴华.工程机械技术发展展望J.建筑机械化，2000,(1):17-19. 5徐晓光，喻道远，饶运清，等.工程机械的智能化D.武汉:华中科技大学机械科 学与工程学院，2002. 6牛占文，王树心，郑尚龙.机群智能化工程机械故障诊断系统研究J.机械科学与 技术，2003，22：73-77. 7丁承军,刘更谦,段萍,张明路.基于 Agent 技术的沥青混凝土路面施工机群智能决 策支持系统J.工程机械，2005（6） ：112-118. 8李冰,贺尚红,吴运新,吴桐,李自光.沥青混凝土路面施工机群智能调度与监控系 统J.筑路机械与施工机械化，2003（6） ：98-103. 9邓习树,李自光.高等级沥青混凝土路面施工机群的总体配备研究J.建筑机械与 技术管理，2002（10） ：75-79. 10PeyretF,etal,TheComputerIntegratedRoadConstruction project,Automation in Construction,9,2000. 11DuRonghua.OptimumConfigurationofAsphaltPavementConstruction Mach