专利名称：沥青混凝土路面施工机群施工过程智能化控制方法
技术领域：
本发明属于自动化技术领域，特别是涉及工程机械、施工机械、建筑机械的智能化控制技术领域。
针对沥青混凝土路面施工过程的特点，可将施工过程总体框架分为三个层次(参见附图
2)管理层、执行层和施工层。管理层是整个施工项目的管理机构，项目总经理具有最高决策权，依据经验和施工设计要求对施工工程进行总体调度；执行层按管理层旨意和特定的施工工艺，由施工经理对施工层若干施工机械进行管理，完成特定的施工工序；施工层由分布在执行层下的施工机械组成。在整个施工过程中信息交流由纵向、横向和内部三种形式。纵向指由管理层、执行层和施工层间建立的关系，这种关系是上下级之间的关系；横向指执行层间建立的关系，是同行间的信息交流。内部指施工层间建立的协调关系。在沥青混凝土路面施工过程中施工机群同时在8～50公里标段上施工，整个施工机群的调度和生产依赖于经验，而纵向、横向间的信息交流是通过点对点式的移动通讯实现。这种信息交流方式和依据经验进行施工管理，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；施工质量与管理水平差等诸多问题。
沥青混凝土路面施工机群施工过程智能化控制采用基于多智能控制的分布—分层式树状控制体系。它将施工层面划分为四个智能控制单元(即中央智能控制、摊铺智能控制、压实智能控制和拌合智能控制)(参见附图3)，每一智能控制单元下分布有智能化施工机械和施工质量检测单元，由此构成了高等级公路施工机群分布—分层式树状结构。在该结构中，不同层次的功能实体意义有所不同，在第一层中央智能控制单元与摊铺智能控制、压实智能控制和拌合智能控制单元间构成一个强大的多智能实体，中央智能控制是第一层的核心，有最大的权限，负责监督、协调工程现场，综合现场的各种信息，在物流连续和物料温度稳定的约束下，以最佳的施工效率和资源消耗为目标提供施工策略，并负责对其进行解释、任务分解，并将任务分配给各智能控制单元。而摊铺智能控制、压实智能控制和拌合智能控制单元负责各自的专项工作，有相对的局部权限，以一定的协议相互协调访问，在自己局部专家智能系统的驱动下完成各自特定的工作，同时通过智能控制单元间的协调与合作共同完成整个施工任务。构成了基于多智能控制的以物流控制为核心的机群施工过程智能化控制系统。
基于多智能控制的以物流控制为核心的机群施工过程智能化控制可概述为中央智能控制单元接收到铺路任务后，首先从资源配置模块和施工数据库中获得施工机械资源配置、施工要求和地理、环境等信息(如摊铺路面的长度、宽度、密实度和平整要求，拌和设备的类型及数量，自卸汽车的数量与运距，摊铺机的类型及数量，压路机的数量等等)，通过专家系统进行任务的分解和分配，确定投入工作的拌合设备的编码及混合料配比、自卸汽车的编码及运输速度、摊铺机的编码及摊铺速度等，并且制定一个初始任务序列，信息接收与处理模块通过GSM/GPRS移动通讯系统向摊铺智能控制、压实智能控制和拌和智能控制单元分配任务(参见附图4)。摊铺智能控制、压实智能控制和拌合智能控制单元通过信息接收与处理模块接受到任务指令后，同样通过专家系统进行任务的规划和分解，确定各智能化施工机械的工作参数和工作方式，然后通过短距离无线通讯方式将工作指令下达给各智能化施工机械，各智能化施工机械收到任务后进入准备工作状态。拌合智能控制单元通过协调智能化装载机、智能化搅拌设备进行混合料生产，自卸汽车在中央智能控制主体规划下不断地将混合料运输至摊铺现场；摊铺智能控制单元通过协调自卸汽车和智能化摊铺机，在混合料连续和规定温度下进行摊铺作业，同时通过GSM/GPRS移动通讯系统与拌和智能控制单元进行混合料需求协调，在物料存量水平和物料运输延时允许的条件下，使物料流的连续和稳定地运行。压实智能控制单元通过规划协调智能化压路机进行初压、复压和终压作业。在施工过程中，各智能控制单元中的质量监测通过短距离通讯系统将施工质量信息反馈给摊铺智能控制、压实智能控制和拌合智能控制单元，对这些信息融合后进行动态的调控，从而获得最佳的施工质量。在整个施工过程中，中央控制智能单元依据GSM/GPRS移动通讯系统动态采集各个主体的子任务执行情况、路面摊铺质量信息以及故障诊断与状态监测提供的机群的状态信息，在物料流连续的约束条件下，以最佳的工作效率和资源消耗最小为原则，对当前的任务分配方案进行优化，优化后再将任务分配到各个智能控制单元去分别完成，进行宏观调控，获得最佳的资源配置和工作效率。
本发明采用的技术方案沥青混凝土路面施工机群施工过程智能化控制方法采用分布—分层式树状智能控制方式，其特征是智能控制分布在中央智能控制、拌合智能控制、摊铺智能控制和压实智能控制四个智能控制单元上，中央智能控制单元控制拌合智能控制、摊铺智能控制和压实智能控制单元，并协调运输系统进行混合料运输；拌合智能控制单元控制智能化装载机、智能化搅拌设备进行混合料生产和自卸汽车进行混合料运输。摊铺智能控制单元控制自卸汽车和智能化摊铺机，在物料流连续和摊铺温度稳定的条件下，进行路面摊铺作业。压实智能控制单元控制智能化压路机进行路面的初压、复压和终压作业。
本发明还可以采取如下技术措施上述的沥青混凝土路面施工机群施工过程智能化控制方法，其特点是中央智能控制单元由机群施工控制器、故障诊断器、施工状态监控器组成，机群施工控制器根据监控、诊断及施工数据库信息进行机群资源预配置和施工过程控制，机群施工控制器建有知识库，控制器接收拌合、摊铺和压实智能控制单元的信息与知识，随时更新补充知识库，机群施工控制器在进行机群施工控制时，依靠专家式的逻辑分析、优化控制方法和知识库知识生成制控制指令序列，进行实时动态控制。
上述的沥青混凝土路面施工机群施工过程智能化控制方法，其特点是拌合智能控制单元接收机群施工控制器指令和摊铺智能控制单元指令，依靠专家式的逻辑分析、优化控制方法和自身知识库的知识生成控制指令序列，确定智能化施工机械的工作参数和工作方式，然后将指令下达给智能化装载机、智能化搅拌设备进行混合料生产，并协调自卸汽车进行混合料运输。
上述的沥青混凝土路面施工机群施工过程智能化控制方法，其特点是摊铺智能控制接收机群施工控制器指令，依靠专家式的逻辑分析、优化控制方法和自身知识库的知识生成控制指令序列，确定智能化施工机械的工作参数和工作方式，然后将指令下达给自卸汽车和智能化摊铺机在物料流连续和摊铺温度稳定的条件下，进行摊铺作业。
上述的沥青混凝土路面施工机群施工过程智能化控制方法，其特点是压实智能控制单元接收机群施工控制器指令，依靠专家式的逻辑分析、优化控制方法和自身知识库的知识生成控制指令序列，确定智能化施工机械的工作参数和工作方式，然后将指令下达智能化压路机进行路面初压、复压和终压作业。
上述的沥青混凝土路面施工机群施工过程智能化控制方法，其特点是拌合智能控制、摊铺智能控制和压实智能控制单元通过质量监测模块得到施工质量信息反馈，对这些信息融合后进行动态的调控；中央控制智能单元动态采集拌合智能控制、摊铺智能控制和压实智能控制单元的子任务执行情况、路面摊铺质量信息以及故障诊断与状态监测模块提供的施工机群的状态信息，综合现场的各种信息，进行智能化控制分析，实时将任务分配给各智能控制单元。
上述的沥青混凝土路面施工机群施工过程智能化控制方法，其特点是中央智能控制单元和拌合智能控制单元、摊铺智能控制单元、压实智能控制单元之间由信息发送、接收与处理模块通过GSM/GPRS移动通讯系统进行一点对多点、多点对一点或点对点信息交换。
上述的沥青混凝土路面施工机群施工过程智能化控制方法，其特点是央智能控制单元由机群施工控制器、故障诊断控制器、施工状态监控器制定控制指令，控制器间通过局部区域网络交换信息；拌合智能控制、摊铺智能控制和压实智能控制单元内部通过短距离无线通讯方式进行信息交换。
上述的沥青混凝土路面施工机群施工过程智能化控制方法，其特点是中央智能控制单元和拌合智能控制单元、摊铺智能控制单元和压实智能控制单元设置有人机共栖智能控制模块，其人机交互系统实现了人与智能化机械在感知、思维和决策方面的一体化，人将感知的信息输入智能控制器，干预其智能决策过程和控制输出。
上述的沥青混凝土路面施工机群施工过程智能化控制方法，其特点是机群施工过程的智能化控制策略是融合了施工工程设计、机群施工状态、机群施工位置、施工环境和智能化施工机械控制反馈等信息，在物流连续和物料温度稳定的约束下，以施工效率最高和资源消耗最小为控制目标，通过专家式推理生成的。
本发明具有的优点和积极效果沥青混凝土路面施工机群施工过程智能化控制方法，采用分布—分层式树状智能控制方式，采用了多智能控制体系设计机群系统，其优点为1.分布式智能将一个复杂的筑路任务通过分布式智能控制单元分解，利用中央控制智能单元、路面摊铺智能单元、路面压实智能单元和混合料拌合智能单元这四个主体各自负担有限复杂程度的子任务来实现，充分发挥各个单元的功能与能动性，减轻了中央单元的工作负担与控制的复杂程度，同时各个单元的智能提高了对环境的适应性。
2.容错性由于各个智能单元都有权限不同的决策功能，并共享机群系统的信息，单个智能控制单元的出错不会造成全局的失控。在筑路工程的现场施工中，由于环境的恶劣，发生错误在所难免。当一条错误指令由中央智能控制单元下达到下一级，这时下级智能控制单元的决策系统起作用进行判断，综合本地的局部高信息和与其它单元的交换信息，排除这个决策错误，并向中央智能控制单元报告，处理单元故障。
3.可靠性由于同时实现了功能的分布化，提高了整个机群系统的可靠性。由于机群的各个智能控制单元相对独立，自行其事，单个单元的故障不会造成全局失控，特别是中央控制智能单元一旦失效，路面摊铺智能单元和混合料拌合智能单元可以通过相互间的通讯协调，保证施工的进行。
4.高效率强调机群系统的交互性和协作性，有利于提高机群系统的工作效率，降低能耗，节省物料，从而降低整个施工的成本图2是道路施工机群施工层次示意图。
图3是基于多智能控制的分布-分层式沥青混凝土路面施工机群体系示意图。
图4是基于多智能控制的以物流调度为核心的机群施工过程智能化控制系统示意图。
图5是中央智能控制单元示意图。
图6是人-机共栖智能控制示意图。
图7是机群控制通讯系统示意图。
图8是知识库结构示意图。
参照附图5，中央智能控制单元主要由机群施工控制计算机、故障诊断计算机、施工状态监控计算机和无线通讯模块组成，计算机间信息通过局部区域网络沟通，计算机与通讯模块通过R232串口实现通讯。机群施工控制计算机中数据库、机群预配置、机群施工智能控制、施工过程统计等功能模块构成中央智能控制的核心。机群预配置模块通过多目标函数(施工质量—施工成本—资源均衡—效率)进行分析、优化，生成最优配置的施工机群。并通过计划指令下达给机群施工智能控制(动态调度)模块，该模块根据指令结合数据库中施工工程数据，产生一静态的开工方案，通过通讯模块发布给各智能控制单元，指挥整个机群按时、按序地启动。施工过程中机群智能控制模块中专家系统在获得实时监控、故障诊断和状态监测计算机提供的机群状态与姿态数据，以及随机事件、施工质量反馈信息后结合施工效率最佳和资源消耗最小目标进行方案优化，生成新的施工方案，并实时将最终的施工方案通过通讯模块下达给各智能控制单元，对施工过程实现动态优化调度。
中央智能控制单元提供的最终的施工方案通过GSM/GPRS移动通讯系统下达给各智能控制单元。智能控制单元位于智能施工机械上的智能控制器中，智能控制器与智能化施工机械上的控制器的局部环境感知系统(传感器系统)和控制及执行系统通过CAN BUS或R232通讯方式实现信息连同。智能控制器通过R232接口与信息收发系统(无线电通讯)实现长距离与短距离无线通讯。智能控制和人机交互等模块构成智能控制器的核心，参照附图6。智能控制器可自动将无线电模块输入控制信息与感知外界信息进行比较，根据所储存的有关控制策略进行决策、规划和任务分解，然后将任务通过短距离无线通讯方式下达给各智能化施工机械，实现施工机器的智能控制。为了体现人参与控制的程度，提出了人机共栖智能控制模式。人机共栖在感知、思维和决策等三个层面上通过人机交互系统与机器实现一体化，建立起新型的人机协作关系，人机执行各自擅长的任务，体现出人机最佳的协同与合作。人机界面可以将人对环境所感知的信息输入给智能控制器，使其在进行智能决策时综合考虑这些信息；可以监视机器的决策输出、控制输出，必要时可调整控制决策，协助控制被控对象；在智能化机械无法解决自身困境或者控制问题时，将发出“求助”信号，人将介入，帮助机器摆脱困境。
如上所述，各智能控制单元间的信息交流是通过无线通讯系统实现，它是机群智能化重要组成部分，是机群实现信息化控制的基石。针对机群智能化控制的需求，无线通讯子系统将主要实现下面这些功能●各智能控制单元间采用长距离(50公里)传输●在300米之内的智能化施工机械间采用短距离通讯方式●可实现多点对一点，点对点通讯参照附图7，中央智能控制与各智能控制单元间的信息交流使用GSM/GPRS移动通讯网络方式，中央智能控制单元中通讯模块有两个GSM/GPRS模块组成，一个作为信息接收接口，另外一个作为控制信息发布接口，通过GSM/GPRS方式接收智能控制器端信号并且向各智能控制器终端发送控制信号。其它智能控制器通讯模块由全双工无线收发模块和GSM/GPRS模块组成，通过GSM/GPRS模块定时向中央智能控制单元信息接受接口发送终端各种数据，并且接收管理中心控制信号，实现多点对一点通信。全双工无线收发模块实现智能控制单元与智能化施工机械的短距离无线通讯，传输距离为300米，可以实现9600波特率通讯。
在完成智能控制结构和信息通讯方法后，要实现沥青混凝土路面施工机群施工过程智能化控制必须确定智能控制策略问题。多智能控制的核心是保证施工质量、物料流、设备资源均衡的前提下，利用动态数据和专家系统技术完成整个多智能单元协调与协作任务。其专家推理机制是基于“认识—行动”循环周期的推理方法，在认识周期通过信息融合、模式配匹和冲突消解获取最合适的执行规则，并用得到的中间结果更新知识库的内容，通过认识—行动周期的反复循环，最后达到求解问题的目标。知识库是专家系统的核心内容。
参照附图8，知识库结构模型如图所示。知识库分为四个大的部分中央智能控制知识库、拌合智能控制知识库、摊铺智能控制知识库和压实智能控制知识库。在知识库系统中，知识存储于每个智能控制器上。中央智能控制单元的知识更全面，而其它智能控制器上的知识库中存储的知识相对少一些，针对各自目标任务不同有所侧重。中央智能控制知识库与其它智能控制知识库之间可以进行交叉通信，达到整个系统及时更新知识的目的。
当施工机群面对一个新任务时，中央智能控制单元通过专家系统决策，将子任务下达给一个智能控制单元，该智能控制单元将子任务作为知识加入自己的知识库中。该智能控制单元中专家系统此时查询自己的知识库系统，由知识库提供知识对当前子任务进行进一步分解，分解成详细的子任务。智能化施工机械根据分解了的任务进行操作，在操作过程中，发现新的地形情况等信息，就显示在多媒体显示屏上，并将该信息加入知识库。专家系统还根据现有知识库进行查询，给出最相近的处理信息在显示屏上，操作人员看到多媒体显示屏上提供的地形信息和智能单元的参考建议信息，根据自有经验进行决策，采取一定的措施，经过施工实践证明该决策是正确的以后，就将该决策以及相应的地形等信息作为新知识加入知识库。这时加入的信息又将被汇报给中央智能控制知识库，中央智能控制知识库检验该知识，认为该知识正确的情况下就将该知识加入中央智能控制知识库中。当操作人员与单智能控制器的知识库都不能对新情况做出处理决策时，就由操作人员或者智能控制单元将当前信息上报给中央智能控制单元，中央智能控制单元做出决策后，直接将控制信息发送给智能化施工机械，控制机器的动作，或者将决策结果发送给操作人员，由操作人员控制施工机械完成动作。
多智能控制体系设计的沥青混凝土路面施工机群施工过程智能化控制方法具有分布式智能、较强容错性，较高系统可靠性和施工优质高效率的特点。
权利要求
1.沥青混凝土路面施工机群施工过程智能化控制方法，采用分布—分层式树状智能控制方式，其特征是智能控制分布在中央智能控制、拌合智能控制、摊铺智能控制和压实智能控制四个智能控制单元上，中央智能控制单元控制拌合智能控制、摊铺智能控制和压实智能控制单元，并协调运输系统进行混合料运输；拌合智能控制单元控制智能化装载机、智能化搅拌设备进行混合料生产和自卸汽车进行混合料的装运；摊铺智能控制单元控制自卸汽车和智能化摊铺机，在物料流连续、稳定的条件下，进行路面摊铺作业；压实智能控制单元控制智能化压路机进行路面初压、复压和终压作业。
2.按照权利要求1所述的沥青混凝土路面施工机群施工过程智能化控制方法，其特征是中央智能控制单元由机群施工控制器、故障诊断器、施工状态监控器组成，机群施工控制器根据监控、诊断及施工数据库信息进行机群资源预配置和施工过程控制，机群施工控制器建有知识库，控制器接收拌合、摊铺和压实智能控制单元的信息与知识，随时更新补充知识库，机群施工控制器在进行机群施工控制时，依靠专家式的逻辑分析、优化控制方法和知识库知识生成控制指令序列，进行实时动态控制。
3.按照权利要求1所述的沥青混凝土路面施工机群施工过程智能化控制方法，其特征是拌合智能控制单元接收机群施工控制器指令和摊铺智能控制单元指令，依靠专家式的逻辑分析、优化控制方法和自身知识库的知识生成控制指令序列，确定智能化施工机械的工作参数和工作方式，然后将指令下达给智能化装载机、智能化搅拌设备进行混合料生产，并协调自卸汽车进行混合料运输。
4.按照权利要求1所述的沥青混凝土路面施工机群施工过程智能化控制方法，其特征是摊铺智能控制接收机群施工控制器指令，依靠专家式的逻辑分析、优化控制计算和自身知识库的知识生成控制指令序列，确定智能化施工机械的工作参数和工作方式，然后将指令下达给自卸汽车和智能化摊铺机在物料流连续和摊铺温度稳定的条件下，进行摊铺作业。
5.按照权利要求1所述的沥青混凝土路面施工机群施工过程智能化控制方法，其特征是压实智能控制单元接收机群施工控制器指令，依靠专家式的逻辑分析、优化控制方法和自身知识库的知识生成控制指令序列，确定智能化施工机械的工作参数和工作方式，然后将指令下达智能化压路机进行路面初压、复压和终压作业。
6.按照权利要求1所述的沥青混凝土路面施工机群施工过程智能化控制方法，其特征是拌合智能控制、摊铺智能控制和压实智能控制单元通过质量监测模块得到施工质量信息反馈，对这些信息融合后进行动态的调控；中央控制智能单元动态采集拌合智能控制、摊铺智能控制和压实智能控制单元的子任务执行情况、路面摊铺质量信息以及故障诊断与状态监测提供的施工机群的状态信息，综合现场的各种信息，进行智能化控制分析，实时将任务分配给各智能控制单元。
7.按照权利要求1-6所述的沥青混凝土路面施工机群施工过程智能化控制方法，其特征是中央智能控制单元和拌合智能控制单元、摊铺智能控制单元、压实智能控制单元之间由信息发送、接收与处理模块通过GSM/GPRS移动通讯系统进行一点对多点、多点对一点或点对点信息交换。
8.按照权利要求1-6所述的沥青混凝土路面施工机群施工过程智能化控制方法，其特征是中央智能控制单元由机群施工控制器、故障诊断控制器、施工状态监控器制定控制指令，控制器间通过局部区域网络交换信息；拌合智能控制、摊铺智能控制和压实智能控制单元内部通过短距离无线通讯方式进行信息交换。
9.按照权利要求1-6所述的沥青混凝土路面施工机群施工过程智能化控制方法，其特征是中央智能控制单元和拌合智能控制单元、摊铺智能控制单元和压实智能控制单元设置有人机共栖智能控制模块，其人机交互系统实现人与智能化机械在感知、思维和决策方面的一体化，人将感知的信息输入智能控制器，干预其智能决策过程、控制输出。
10.按照权利要求1-6所述的沥青混凝土路面施工机群施工过程智能化控制方法，其特征是机群施工过程的智能化控制策略是融合施工工程设计、机群施工状态、机群施工位置、施工环境和智能化施工机械控制反馈信息，在物流连续和物料温度稳定的约束下，以施工效率最高和资源消耗最小为控制目标，通过专家式推理生成的。
全文摘要
本发明属于工程机械、施工机械、建筑机械的智能化控制技术领域。沥青混凝土路面施工机群施工过程智能化采用分布－分层式树状智能控制方式，智能控制分布在中央智能控制、拌合智能控制、摊铺智能控制和压实智能控制四个智能控制单元上，中央智能控制单元控制拌合、摊铺和压实智能控制单元，并协调运输系统。拌合智能控制单元控制智能化装载机、智能化搅拌设备进行生产和自卸汽车装运。摊铺智能控制单元控制自卸汽车和智能化摊铺机，在物料流连续和摊铺温度稳定的条件下，进行路面摊铺作业。压实智能控制单元控制智能化压路机进行路面的初压、复压和终压作业。本发明具有分布式智能、较强容错性，较高系统可靠性和施工优质高效的优点。
文档编号G05B19/418GK1464348SQ02121500
公开日2003年12月31日 申请日期2002年6月25日 优先权日2002年6月25日
发明者王福山, 郑尚龙, 李学忠, 吴国祥, 乔宇, 张明路, 钱明刚, 王振刚 申请人:天津工程机械研究院