本发明的目的是提供一种基于网络的移动作业机群设备状态监测与故障诊断系 统。实现移动作业机群设备状态监测与智能故障诊断系统的应用。
本发明的内容是：第一，基于GSM/GPRS公用移动通讯网络，结合移动作业机 群的施工管理和机械设备的操作、维护特点，提出移动作业机群分布分层式的智能化 监诊系统体系结构和系统平台。
第二，提出以人机共栖的方式获取机械设备状态信息的方法，实现该方法在机械 设备上监诊子系统的构造和原理。
采用的技术方案是：一种基于网络的移动作业机群设备状态监测与故障诊断系 统，其特征为：它是基于GSM/GPRS网的分布分层式的移动作业机群设备监诊系统 体系结构和系统平台；在施工现场的统一管理与单机操作、控制、维修、调整分散作 业之间，构造集中监视、诊断分析与分散监视、操作相结合的机群设备状态监测、故 障诊断系统；
(1)在每台单机上设置智能监诊器即单机智能监诊子系统，单机智能监诊子系统 连接单机移动通讯模块；
(2)在整个机群上层设置包括专家系统、数据库的计算机的机群监诊中心，机群 监诊中心连接上层系统移动通讯模块；
(3)通过GSM/GPRS无线通讯网络、单机移动通讯模块、上层系统移动通讯模块 将底层单机智能监诊子系统与上层机群监诊中心计算机联网、进行数据交换，构成分 布分层式监诊系统；
各台单机共享机群监诊中心同一套诊断专家系统，和不同的数据库，使机群设备 的管理和单机操作实现实时监视设备状态，并得到设备的维护处理措施；单机智能监 诊子系统要实时监视单机的各参数运转状态，异常情况下发出报警指示；同时，还要 能接收机群监诊中心发出的调度指令。
所述的单机智能监诊子系统硬件是基于嵌入式微处理器的以人机共栖方式构造单 机智能监诊子系统的硬件平台；在嵌入式微处理器上连接：
实现与GSM/GPRS模块串行通讯的RS-232/CANbus接口；
实现工程机械状态参数传感器信号变换的I/O接口；
实现与工程机械单机控制器数据传输的CANbus总线；
实现应用软件、数据上载/下传的USB端口；
实现人机共栖故障征兆录入、接收上层监诊系统指令信息的小键盘、显示器LCD 及其接口；
监诊系统软件及数据库的存贮器及硬盘。
基于GSM/GPRS网工程机械机群监诊系统的运行流程为：
(1)监诊中心的计算机监诊系统按巡回扫描方式对机群中的单机施行监测诊断流程 如下：
①当选通设备i时，即通过GMS端口接收该设备的状态与故障征兆信息即上行数据；
②系统调用数据链协议标准进行解码后，一路送监视器显示，供机群设备管理者监 视分析，一路送诊断专家系统，进行诊断、推理、分析；
③专家系统调用知识库、数据库，人机交互，对信息分析诊断，得出诊断结果即下 行数据；
④诊断结果一路送监视器显示，一路经数据链协议编码后送到第i个单机GMS端口 上，指导该设备运行，完成了该设备的监诊任务；
⑤计数器自动加1，指向下一台设备，重复①～④过程，直至遍历机群全部n台设 备为止，从而完成了一个监诊周期的工作。
⑥按时钟周期重复①～⑤过程，循环往复、周而复始，实现了移动作业机群状态监 测与故障诊断任务。
⑦在系统运行过程中，上层管理者可以随时干预，选定关心的某台设备i，对该台设 备进行重点状态监视。监诊主系统在后台运行。
(2)底层单机智能监诊子系统功能组成、相互关系及工作流程
底层监诊子系统功能由设备工况监测和故障报警、人工故障信息输入、状态信息 发送和接收上层监诊系统信息等4部分组成；工况监测和故障报警是底层监诊的主要 功能，多任务时实操作系统(RTOS)能始终保持该模块的实时运行，无论其它模块 是否触发；底层监诊系统工作流程如下：
①单机设备工况监测和故障报警
在多任务实时操作系统(RTOS)下，底层系统主控程序读取直接监测到的传感器信 号和来自于RS232或CANbus总线的间接监测信号，在屏幕上显示这些状态参数，并与 本机数据库中相应正常状态参数值比较，若超过规定范围，则启动故障报警程序，实 现声光、文字、图像报警，提醒操作者；
②采用人机共栖方式，获取设备状态信息；
人—操作者、机—传感器协作共同获取设备状态信息的方式，m是分析单机结构 性能后确定的监测信号用的传感器数，k是控制系统中能借到底层监诊系统的传感器 数。监诊系统需要新增的传感器数为m-k，当k＝0时，即：单机无控制系统时，单机 所需监测传感器全部由监诊系统提供；
操作者故障征兆录入由显示屏、几个特殊操作键组成的小键盘、手写输入器、征 兆选择录入模块组成；
故障征兆选择录入模块由录入程序和故障征兆数据库组成；考虑操作者的方便、 快捷、准确，录入程序和故障征兆数据库均按照机械设备层次结构包括系统、部件、 元件组成；当操作者发现设备不正常时，触动监诊器小键盘按钮，系统在监测过程中， 不断扫描小键盘，接收到人工输入指令时，启动“故障征兆录入程序”，调“故障征 兆数据库”，按照树状结构的形式显示可能的故障征兆。供操作者判断、选择、确认；   对数据库中尚未录入的故障，采用手写输入的方式，现场临时输入；对于这种新 故障征兆，底层系统传到上层后，将由领域专家分析归纳出新的知识，添加到专家系 统知识库中，同时更新“故障征兆数据库”；
③设备状态信息的GSM/GPRS无线数据发送
根据上层系统管理者的要求，确定上下行数据的时钟周期T；按此时钟，系统将 启动“GSM/GPRS无线数据发送程序”，把经过监测程序完成的来源于三方面的状态 信息，按照上底层间数据链协议，转换成相应数码，由GSM/GPRS无线数据发送程 序通过发送端口送往向上层系统。
④接收上层监诊系统传来的处理结果
底层系统在实时监测过程中，不断扫描GSM/GPRS数据接收端口，当有触发信 号时，系统将启动“GSM/GPRS数据接收程序”接收上层发来的信息，再按照数据 链协议，通过“监诊结果数据库”转换成字符串文本，在LED上显示，指导现场人员 对设备进行维修、调整。
本发明具有的优点和积极效果：
(1)系统易于构造，成本低廉，实用性强，实现了故障诊断专家系统在移动作 业机械上的推广应用。理由如下：①利用单机车载控制系统的参数监测、信号变换单 元，实现部分机械状态信息的采集。②在单机智能监诊子系统中，用人机共栖的简单 方式解决了故障诊断信息的获取。③利用GSM/GPRS公用移动通讯网实现机械状态 信息的远距离无线通讯，解决了移动作业机械状态信息的传输。该网覆盖面广、开放 性强、成本低廉、数据传输率高。④利用计算机大容量、高速度、多功能的特点，建 立机群故障诊断专家系统，实现机群设备状态的集中诊断、分析。一个施工工程的数 十台设备，只需要一套集中的诊断专家系统。
(2)高可靠性。基于微处理技术的单机智能监诊器，因其容量小、结构简单， 目前的制造技术已解决了在移动作业机械上承受恶劣环境的可靠性问题；集中诊断系 统可置于办公室环境；GSM/GPRS公用移动通讯网可靠性已经过关并不断提高。因 此整套监诊系统的可靠性较高。
(3)适用范围宽。本发明针对道路施工工程机械机群的设备诊断而开发，但其 技术内容与道路施工工程没有关系，仅与施工机械的结构、性能、智能监测系统有关。 本发明完全适用于其他移动作业施工的机群(如：土石方施工工程机械、建筑机械、 矿山机械等)。
总之，本发明以经济、可靠、易于工程应用的方式，构造机群监诊系统。较全面、 准确、实时地报告移动作业机群运行状态，特别是现场操作者及时发现的单机设备的 非正常现象(故障诊兆)；解决了在移动作业设备上利用故障诊断专家系统的难题； 实现了在线、实时故障诊断；为施工机群的维护、调度及工程的有效管理提供依据。
附图说明
图1是基于GSM/GPRS机群集中监诊分布系统构成图
图2是基于GSM/GPRS分布分层智能监诊系统上底层结构
图3是基于GSM/GPRS分布分层监诊系统运行流程图
图4是单机底层智能监诊器及外围接口图
图5是人机共栖的设备状态信息获取
图6是底层监测诊断系统工作流程图
图7是基于ARM7构架的嵌入式硬件体系结构图

首先构造工程机械机群网络监诊系统体系
本发明的第一要点为：基于GSM/GPRS网的、分布分层式的移动作业机群设备 监诊系统体系结构和系统平台的。
在施工现场管理者统一管理(集中指挥、调度、协调)与单机操作者的分散作业 (操作、控制、维修、调整)之间，构造集中(监视、诊断分析)与分散(监视、操 作)相结合的机群设备状态监测、故障诊断系统。如图1所示，在每台单机上设置智 能监诊器(单机智能监诊子系统)，在整个机群设置监诊中心，通过GSM/GPRS无线 通讯网络将单机智能监诊子系统与机群监诊中心计算机(专家系统、数据库)联网、 进行数据交换，构成分布分层式监诊系统。各台单机共享机群监诊中心同一套诊断专 家系统(不同的数据库)，使机群设备的管理者和操作者能实时监视设备状态，并得 到设备的维护处理措施。
以人机共栖方式构造基于微处理器的单机智能监诊子系统
本发明的第二要点为：提出以人机共栖的方式获取机械设备状态信息的方法，构造 基于微处理器的单机智能监诊子系统。
单机设备监诊子系统是建立机群设备监诊系统的基础。移动作业工程机械，主要 由动力系统(发动机)、转向系统、传动系统、制动系统、工作装置以及电子监控系 统等组成。这些系统通过机械、电子、液压、液力的部件和元件连接，实现机械的各 种功能，并在机械的相关部位通过传感器获得相应的状态参数。建立单机智能监诊子 系统就是要实时监测这些系统的相关状态参数。
建立监诊子系统，首先要确定状态监测的内容，对监诊中心专家系统的需求来说， 理论上监测的信息越多越好，但现场实现和成本因素不允许这样做。本方案考虑单机 智能监诊子系统用传感器和非传感器(人的感知)的方法获取以下三方面的信息，提 供给诊断专家系统。
(1)利用移动作业机械设备的控制用监测信号，工程机械电子监控系统针对 诸如发动机、液压系统进行。这些用于控制的参数能反映系统一部分工 作状况。
(2)增加各系统中易于测取的、表征机器异常情况的特征参数，如温度、压 力、转速等。
(3)某些重要故障征兆可以用经验来判断，如发动机冒黑烟，变速箱尖叫声， 作业效率降低等现象，设备操作者能及时直观地感知到，而用传感器监 测则比较困难。本发明充分利用现场操作者的感官感知到的故障征兆， 作为设备状态分析、故障诊断的另一部分状态信息。
单机智能监诊子系统要实时监视单机的各参数运转状态，异常情况下向操作者发 出报警指示。同时，还要能接收机群监诊中心(管理者)发出的调度指令。
基于GSM/GPRS网的分布分层式工程机械机群监诊系统，以及在各单机上建立的 智能监诊子系统，为移动作业机群状态监测与故障诊断建立了良好的系统平台。可以 依据机群设备的性能、结构、运行特点，分析故障机理，确定故障原因，提出解决措 施，在计算机上建立数据库、知识库，专家系统。从而解决了工程机械难以利用专家 系统实施在线状态监测故障诊断的困难。
本发明中“移动作业机群”释义：
(1)机群：指由多品种、多数量工程施工机械设备(工程机械、建筑机械等) 组成的群体，简称机群。
(2)单机：机群中的每一单台(套)机械设备简称单机。
(3)移动作业：是指工程施工机群在施工作业过程中，整体施工场所不固定， 如高速公路建设工程随着施工进度整体向前延伸，且单机施工作业过程是在移动(整 机运动)中进行的，如装载机、压路机、摊铺机等绝大多数工程机械均有行走系统， 是行走作业机械。
基于GSM/GPRS网构造工程机械机群监诊系统的分布分层式体系结构 分布分层智能监诊系统上底层结构功能及相互关系
机群网络监诊系统的监诊中心专家系统和各单机智能监诊子系统之间，在整体布 局和功能上将系统构造成分布式结构，各单机智能监诊子系统重点完成设备状态信息 (故障特征信号)的获取，监诊中心专家系统重点执行单机状态和故障信息的集中再 处理。
从机群管理者、单机操作者的实际需要出发，将机群监诊系统从性能上分成两个 层次，即：上层(监诊中心专家系统)和底层(各单机智能监诊子系统)。上层满足 管理者要求，可随时监视各单机的运转状态，分析、诊断、预报各单机故障发生情况， 并向单机操作者发出调度指令，或提供设备维修、调整措施的建议。底层满足操作者 要求，实时监视单机的运转状态，异常情况下向操作者发出报警指示，并接受操作者 感知到的异常状况(故障征兆)。进一步，接收机群监诊中心(管理者)发出的调度 指令或建议。上层需要强大的分析功能，底层需要快速反应功能。网络构造中考虑上 层的处理周期为分钟级(如1～2分钟)可在较经济的计算机配置和移动通讯速率下满 足管理者要求，底层的处理周期为几十毫秒级。移动作业机群分布分层智能监诊系统 的上底层结构功能关系见图2所示。
在机群网络监诊系统中上底层之间的信息传输，采用GSM或GPRS网络媒介：
采用GSM数字蜂窝移动通信网作为数据通信网络媒介，实现点到多点的远程(跨 省市区、全国性)数据双向实时通信。GSM具有通讯成本低，不受通信线路及地区 限制等特点，使用方便、灵活，通讯快捷等，其短信息收/发速率：160字节/次，入 网后响应时间约为0.2～1秒。对于一般的施工工程，工程机械机群设备在10～20台之 间，上层诊断系统巡回监测各底层监诊系统的时间在10秒钟左右，加上监诊中心处 理时间(秒级)能满足网络系统的集中处理的要求。
采用GPRS(通用分组无线电业务)效果将更好，运营成本将更低，随着技术的 发展，GPRS网络的覆盖面将越来越广。GPRS是在GSM基础上发展起来的一种属 于2.5G的移动通信系统，不同于GSM所采用的电路交换数据传送方式，GPRS采取 了分组交换技术，因此在数据业务的承载和支持上具有非常明显的优势。概括地说， GPRS具有“永远在线”、“按量计费”、“高速传输”、“快捷登录”等优点。目前GPRS 用户的接入速度已达40kbit/s。
上底层间的无线数据传输协议
机群监诊系统上底层间无线传输的数据分上行数据(底层→上层)和下行数据(上 层→底层)，上行数据和下行数据内容是不同的。下行数据传送的是监诊中心对各 单机状态分析、诊断、预测的结果，指令或建议的维修处理措施等，数据结构很简 单，基本为(中、英文)字符串。上行数据结构较为复杂、数据量大。在上底层不 同的计算机系统之间实现通讯，必须要制定系统的信息流格式(即数据链协议)。 数据链的本质就是把各种信息与其对应的物理量(如状态参数的数字量、模拟量、 脉冲量、描述故障的字符串等)按一定的顺序和规则进行排列。使数据链中不同的 位置代表不同的物理量，而不同的数字或字符又代表了各物理量的不同的具体内 容。数据链协议就是定义数据链中数据的排列顺序和专用数据(数字、字符串)中 每一位(bit)的含义。再设计一个编译器，在各种数字量、字符与其对应的物理量(如 控制量、状态显示量、故障显示量等)之间起到“翻译”作用。就象电报的电文一 样。
下行数据结构包含的内容：
(1)设备号：机群中各单机设备的顺序编码，每台设备一个编码；
(2)故障类型：故障原因、模式的描述；
(3)故障部位：按系统、部件、元件三级定位；
(4)严重程度：分致命故障、严重故障、一般故障、轻微故障四级；
(5)处理措施：上层监诊系统提出的维修、换件、调整等排除故障的方法。
上行数据结构包含的内容：
(1)设备号：机群中各单机设备的顺序编码，每台设备一个编码；
(2)状态参数：由传感器直接检测的参量。每台设备有十几个到数十个参量。
(3)故障征兆：由操作者输入的故障征兆。分为两种形式：一种是故障数据库 中已有故障编码数据，操作者仅需在屏幕上用各特殊键选择输入即可；另 一种是故障数据库尚无故障编码数据，需要操作者临时输入，该类数据是 字符串。
上下行数据信息流制定成统一的数据链通讯协议。
【例】：某机群故障信息(简称故障字)可定义如下：
故障字按32位设计：G0-----G31
其中：G0-----19为单机开关量报警值，在故障字中属于一般故障预报警情况， 0＝安全，1＝报警。这些开关参量基本囊括了拌和、摊铺、压路、装载、自卸车等全 部机型。鉴于有的机种不需要这样多参量，可以在启动时全部初始化为零。这样，可 保证在任何时候缺省值皆为零。
G0：制动气压低。
G1：紧急制动信号。0＝无，1＝有。
G2：行走制动信号。0＝无，1＝有。
G3：润滑油液位低。
G4：润滑油(机油)压低。
G5：液压油温高。
G6：吸油真空压力报警。
G7：回油真空压力报警。
G8：驱动桥油压报警。
G9：冷却水温高。
G10：液压油油污染度报警。
G11：电源指示报警。
G12：发动机空气滤清器报警。
G13：发动机预热指示。
G14：发动机缸盖温度高。
G15：左转向指示。
G16：右转向指示。
G17：减速器(变速箱)过热。
G18：高速/低速指示。1＝高速，0＝低速。
G19：紧急制动开关。0＝无紧急制动，1＝有紧急制动。
G20-----G31共12位是严重故障紧急处理信息。显示故障部位和故障类别、人员干 预程度等。每5位为一组，每次允许一台设备可出现两处严重故障， 若多于两处则按故障模式的严重程度优先排列，选取前两处。
G20：严重故障标志。1＝有严重故障，0＝无严重故障。
G21：人员干预标志。1＝有人员干预，0＝无人员干预。
G22，G23，G24：故障部位。000＝发动机，001＝液压系统，010＝传动系，011＝转向 系，100＝制动系，101＝工作装置，110＝车架与副车架，111＝整机 性能。
G25，G26： 故障类别。00＝轻微，01＝一般，10＝严重，11＝致命。
G27，G28，G29：故障部位。同G22，G23，G24定义。
G30，G31：故障类别。同G25，G26定义。
采用相同方法，可以定义出状态信息(状态字)、调度信息(指令内容)、设备码 等。在定义出各种信息编码之后，即可组成机群通讯数据链如下：
起始符S-设备码1-设备码2-STATEPARAMETER《状态参数》-STATE《状 态字》-FAULT PARAMETER《故障开关量参数》-FAULT《故障字》-RANDOM THING《字符型随机事件》-INSTRACT《指令内容》-结束符E。
正是此数据链组成了机群监诊系统的信息流，完成了在机群中相互传递信息的功 能。
工作流程描述
基于GSM/GPRS网工程机械机群监诊系统的运行流程见图3。监诊中心的计算机 监诊系统按巡回扫描方式对机群中的单机施行监测诊断。描述如下：
①当选通设备i时，即通过GMS端口接收该设备的状态与故障征兆信息(上行数据)；
②系统调用数据链协议标准进行解码后，一路送监视器显示，共机群设备管理者监 视分析，一路送诊断专家系统，进行诊断、推理、分析；
③专家系统调用知识库、数据库，人机交互，对信息分析诊断，得出诊断结果(下 行数据)；
④诊断结果一路送监视器显示，一路经数据链协议编码后送到第i个单机GMS端口 上，指导该设备运行，完成了该设备的监诊任务；
⑤计数器自动加1，指向下一台设备，重复①～④过程，直至遍历机群全部n台设 备为止，从而完成了一个监诊周期的工作。
⑥按时钟周期重复①～⑤过程，循环往复、周而复始，实现了移动作业机群状态监 测与故障诊断任务。
⑦在系统运行过程中，上层管理者可以随时干预，选定关心的某台设备i，对该台设 备进行重点状态监视。监诊主系统在后台运行。
基于嵌入式微处理技术的智能监诊子系统
智能监诊子系统软硬件平台组成
采用微处理技术构造底层监诊系统，实现人机共栖的单机状态监测、故障报警、 无线通讯。选择具有32位以上的微处理器和实时多任务嵌入式操作系统(RTOS)作 为底层监诊系统的核心，图7是本方案选择的基于ARM7构架的嵌入式微处理系统 的软硬件平台。在此基础上集成下列组件，实现底层智能监诊系统，如图4所示。
(1)实现与GSM/GPRS模块串行通讯的RS-232/CANbus接口；
(2)实现工程机械状态参数传感器信号变换的I/O接口；
(3)实现与工程机械单机控制器数据传输的CANbus总线；
(4)实现应用软件、数据上载/下传的USB端口；
(5)实现人机共栖故障征兆录入、操作者接收上层监诊系统指令信息的小键 盘、显示器及其接口；
(6)监诊系统软件及数据库。
底层监诊子系统功能组成、相互关系及工作流程
底层监诊子系统功能由设备工况监测和故障报警、人工故障信息输入、状态信息 发送和接收上层监诊系统信息等4部分组成。工况监测和故障报警是底层监诊的主要 功能，多任务时实操作系统(RTOS)能始终保持该模块的实时运行，无论其它模块 是否触发。底层监诊系统工作流程见图6。
(1)单机设备工况监测和故障报警
在多任务实时操作系统(RTOS)下，底层系统主控程序读取直接监测到的传感器 信号和来自于RS232或CANbus总线的间接监测信号，在屏幕上显示这些状态参数，并 与本机数据库中相应正常状态参数值比较，若超过规定范围，则启动故障报警程序， 实现声光、文字、图像报警，提醒操作者。
(2)采用人机共栖方式，获取设备状态信息。
人(操作者)、机(传感器)协作共同获取设备状态信息的方式如图5所示，图 中m是分析单机结构性能后确定的监测信号用的传感器数，k是控制系统中能借到底 层监诊系统的传感器数。监诊系统需要新增的传感器数为m-k，当k＝0时，即：单机 无控制系统时，单机所需监测传感器全部由监诊系统提供。
【例】：某沥青摊铺机，具有微电脑液压控制系统，控制对象是双履带液压驱动 马达和液压泵，作为控制系统能借用的监测信号有如下9个(k＝9)。即：行走状况 (高速/低速)、行走速度、振动/振捣速度、机油压力低报警、紧急故障开关(机械部 分故障)、发动机转速、水温高报警、液压油温报警、摊铺机转弯半径。
构造该沥青摊铺机底层智能监诊系统时，新增如下13个传感器。即：柴油油位、 左右刮板速度(2个)、左右螺旋速度(2个)、回油真空压力报警、液压油油污染度 报警、发动机空气滤清器报警、发动机水温、电池电量、机油压力、吸油真空压力报 警(2个)。
传感器总共可监测m＝22个参量。除此而外，就需要由操作者录入故障征兆。
操作者故障征兆录入由显示屏、几个特殊操作键组成的小键盘、手写输入器、征 兆选择录入模块组成。
故障征兆选择录入模块由录入程序和故障征兆数据库组成。考虑操作者的方便、 快捷、准确，录入程序和故障征兆数据库均按照机械设备层次结构(系统、部件、元 件)组成。当操作者发现设备不正常时，触动监诊器小键盘按钮，系统在监测过程中， 不断扫描小键盘，接收到人工输入指令时，启动“故障征兆录入程序”，调“故障征 兆数据库”，按照树状结构的形式显示可能的故障征兆。供操作者判断、选择、确认。
对数据库中尚未录入的故障，采用手写输入的方式，现场临时输入。对于这种新 故障征兆，底层系统传到上层后，将由领域专家分析归纳出新的知识，添加到专家系 统知识库中，同时更新“故障征兆数据库”。
(3)设备状态信息的GSM/GPRS无线数据发送
根据上层系统管理者的要求，确定上下行数据的时钟周期T(比如：T＝1分钟)。 按此时钟，系统将启动“GSM/GPRS无线数据发送程序”，把经过监测程序完成的来 源于三方面的状态信息，按照上底层间数据链协议，转换成相应数码，由GSM/GPRS 无线数据发送程序通过发送端口送往向上层系统。
(4)接收上层监诊系统传来的处理结果
底层系统在实时监测过程中，不断扫描GSM/GPRS数据接收端口，当有触发信 号时，系统将启动“GSM/GPRS数据接收程序”接收上层发来的信息，再按照数据 链协议，通过“监诊结果数据库”转换成字符串文本，在LED上显示，指导现场人员 对设备进行维修、调整。