履帶起重機事故目前仍呈高發(fā)態(tài)勢，如何從技術(shù)上保證安全生產(chǎn)，成為目前亟待解決的問題。建立和應(yīng)用遠程狀態(tài)監(jiān)控系統(tǒng)，對保障起重設(shè)備的安全運行，避免巨額的經(jīng)濟損失和災(zāi)難性事故的發(fā)生具有重大意義。隨著科技的迅猛發(fā)展，液壓履帶起重機的構(gòu)成裝置以及控制系統(tǒng)的規(guī)模和復(fù)雜性日益增加，對其系統(tǒng)全面監(jiān)控與故障診斷非常復(fù)雜，對分布式的大量監(jiān)測點的狀態(tài)信號的合理有效采集與傳輸，是提高實時性能監(jiān)控、故障預(yù)測與診斷的準確性

與可靠性的數(shù)據(jù)基礎(chǔ)與根本保證，也是技術(shù)難點與瓶頸。隨著互聯(lián)網(wǎng)技術(shù)與移動通信技術(shù)的迅猛發(fā)展，為全國（全球）流動作業(yè)的工程機械遠程監(jiān)控提供了遠程數(shù)據(jù)傳輸技術(shù)支持，近年來基于移動通信技術(shù)與互聯(lián)網(wǎng)技術(shù)的工程機械遠程無線監(jiān)控成為目前研究的一個熱點[1- 4]。但是，從整體上而言，工程機械遠程維護還處于一個起步階段，現(xiàn)場狀態(tài)數(shù)據(jù)采集方法也缺乏深入研究，限制了遠程監(jiān)控系統(tǒng)作用的發(fā)揮。近年來，CAN 總線在工程機械領(lǐng)域得到了推廣應(yīng)用，新研發(fā)的大型起重機基本都開始采用CAN 總線控制[5]，CAN 總線組網(wǎng)自由，擴展性強，其采用多主廣播式數(shù)據(jù)通信的特點，便于擴展與共享數(shù)據(jù)，增加一個數(shù)據(jù)采集節(jié)點，不影響也不改變原CAN 總線控制系統(tǒng)，且可以監(jiān)聽所有CAN 總線的數(shù)據(jù)，這大大降低了監(jiān)控系統(tǒng)的在線數(shù)據(jù)采集的設(shè)計難度，因此基于CAN 總線的現(xiàn)場狀態(tài)數(shù)據(jù)采集成了主要研究應(yīng)用趨勢[6- 7]，但是對于現(xiàn)場復(fù)雜多變，特性不同的狀態(tài)參數(shù)的混合采集與數(shù)據(jù)壓縮缺乏深入研究。此外，針對不同型號的設(shè)備，以及同一設(shè)備全生命周期的不同階段，需要監(jiān)測的狀態(tài)參數(shù)及其采集方式可能是不同的，但對分布在各地隨車流動作業(yè)的控制器軟件升級很不方便，這要求數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)的軟硬件具有良好的兼容性與可擴展性。本文以撫順挖掘機有限公司生產(chǎn)的大型液壓履帶起重機QUY250 與QUY350 為研究對象，在分析其CAN 總線控制系統(tǒng)與現(xiàn)場監(jiān)測信息特性的基礎(chǔ)上，對其遠程狀態(tài)信息采集、數(shù)據(jù)傳輸、遠程設(shè)置、數(shù)據(jù)壓縮等方法進行深入研究，提出了具有良好兼容性與可擴展性的軟硬件架構(gòu)，并且闡述了基于高性能信號處理器（DSP） 與嵌入式多任務(wù)操作系統(tǒng)DSP/BIOS 的遠程狀態(tài)信息采集控制器軟硬件設(shè)計。

     現(xiàn)場狀態(tài)信息的遠程實時采集是遠程監(jiān)控與遠程故障診斷的基礎(chǔ)。在研究分析液壓履帶起重機CAN總線電控系統(tǒng)的基礎(chǔ)上，設(shè)計基于CAN總線與GPRS 的分布式遠程狀態(tài)信息實時采集系統(tǒng)。提出分類數(shù)據(jù)采集方式與混合組態(tài)傳輸，以及參數(shù)化設(shè)計與遠程設(shè)置方法；分析數(shù)據(jù)流的冗余特性，提出字符串相對編碼的壓縮算法。采用高性能數(shù)字信號處理器（DSP）實現(xiàn)上述技術(shù)，并在液壓履帶起重機遠程維護系統(tǒng)中成功應(yīng)用。應(yīng)用表明，具有良好的兼容性與可擴展性。

系統(tǒng)架構(gòu)

    液壓履帶起重機CAN 總線的電控系統(tǒng)包括兩路采用不同協(xié)議的CAN 總線，一路基于SAE J1939協(xié)議，以電控柴油機（康明斯QSL9）為中心，設(shè)為CANA；另一路基于CANOpen 協(xié)議，以力矩限制器（派特iflex5）為中心，設(shè)為CANB。電控柴油機采用SAE J1939 協(xié)議，具有完善的內(nèi)部監(jiān)測與自診斷系統(tǒng)，實時監(jiān)測的狀態(tài)信息與故障代碼都廣播在CANA 中共享。此外，起重機主控制器監(jiān)測的伺服壓力、主泵壓力、燃油液位和液壓油溫等狀態(tài)信息及其自診斷的故障代碼，也實時地廣播在CANA 中。力矩限制器與力矩限制器顯示器通過CANB 連接，通信數(shù)據(jù)包括起重量、負荷率、主副臂長度與角度、工作半徑和風(fēng)速等工況信息?？梢?，已有的起重機電控系統(tǒng)已經(jīng)具有一定的狀態(tài)監(jiān)控與故障自診斷能力。遠程狀態(tài)信息采集系統(tǒng)是充分利用已有的起重機電控系統(tǒng)CAN 網(wǎng)絡(luò)，在其基礎(chǔ)上通過模塊化擴展實現(xiàn)的，系統(tǒng)架構(gòu)如圖1 所示。包括兩個部分：

遠程狀態(tài)信息采集控制器。具有兩路CAN

     總線，按一定的方式采集兩路CAN 總線中的狀態(tài)信息與故障代碼等，通過嵌入式GPS 模塊采集設(shè)備的經(jīng)緯度全球定位信息，并通過GPRS 模塊與遠程監(jiān)控中心交換數(shù)據(jù)，實現(xiàn)遠程實時監(jiān)控；

    基于CAN 總_______線的子擴展模塊。已有的監(jiān)測參數(shù)并不能滿足遠程故障診斷的需要，通過具有CAN 總線接口的擴展模塊積木式模塊化擴展監(jiān)測點與監(jiān)測參數(shù)。

    遠程狀態(tài)信息采集方法研究

    信源特征研究與分類數(shù)據(jù)采集混合組態(tài)傳輸來自不同信源模塊的不同作用的大量CAN 總線信息特性各異，在CAN 總線上的廣播方式也有很大不同，可主要歸納為以下3 種方式：

    1、周期性主動廣播。大部分連續(xù)監(jiān)測的狀態(tài)信息都采用這種方式，每個ID 號每幀CAN 數(shù)據(jù)包含1 個或多個監(jiān)測參數(shù)的信息；

    2、事件觸發(fā)無規(guī)律主動廣播。有事件觸發(fā)時才廣播，平時無數(shù)據(jù)，如腳踏板或電手柄控制命令、工況變化信息及故障診斷信息等；

    3、外部請求被動廣播。需要接收外部特定ID的特定請求信號，才向CAN 總線廣播1 次，如柴油機總工作時間、PLC 寄存器信息等。周期性主動廣播的狀態(tài)信號，發(fā)送頻率很快，遠程實時連續(xù)監(jiān)控過程中，并不需要同樣高頻地采集所有信號，而是根據(jù)不同參數(shù)的變化快慢與影響程度，采用不同抽樣周期，對其CAN 總線信號二次抽樣采集；對于事件觸發(fā)無規(guī)律主動廣播的信號，需要采集其所有信號；對于外部請求被動廣播信號，可以按需采集，也可以設(shè)定采集周期，每個周期請求一次，采集一次?；诖?，為了對不同參數(shù)的采集統(tǒng)一描述，以便于編程實現(xiàn)，將每個ID 及其采集方式設(shè)為一個對象P，P 包含如下5 個屬性：ID 號、抽樣周期Ts、廣播方式PN、請求ID 號Rid、請求命令Rcmd。即：

P ={ID，Ts，PN，Rid，Rcmd} （1）

抽樣周期Ts 最小單位設(shè)為s，當(dāng)Ts=0 時，可以認為是采集所有信號，因此兼容了所有情況；廣播方式PN 包括兩個值：主動P 與被動N，如果為主動方式，其請求ID 與請求命令不被考慮。采用統(tǒng)一描述的另一個好處是便于對采集參數(shù)與采集方式遠程設(shè)置，實現(xiàn)模塊化的擴展。GPRS 數(shù)據(jù)傳輸是以封包（Packet）方式來傳輸?shù)?，每個封包最大為1 460 個字節(jié)，遠程現(xiàn)場狀態(tài)數(shù)據(jù)采集與傳輸同時對多個監(jiān)測對象獨立采集，但是只有一個遠程數(shù)據(jù)傳輸通道，為了兼顧數(shù)據(jù)傳輸效率與實時性，本文采用定周期打包傳輸方式，即按一定的發(fā)送周期，將本周期內(nèi)采集的所有數(shù)據(jù)組態(tài)打成一個包發(fā)送。多狀態(tài)參數(shù)混合組態(tài)打包協(xié)議設(shè)計為：

將其在本周期內(nèi)采集到的數(shù)據(jù)按順序壓縮編碼

后打成子包，不同參數(shù)采集周期不同，其數(shù)據(jù)個數(shù)

M 可能是不同的。

    參數(shù)化設(shè)計與遠程設(shè)置

    為了使遠程數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)具有良好的兼容性與可擴展性，本文應(yīng)用參數(shù)化設(shè)計方法，利用現(xiàn)成的遠程通信通道，按需對參數(shù)遠程設(shè)置。數(shù)據(jù)采集的參數(shù)化包括監(jiān)測對象P 與GPS 采集周期，可以遠程增減與修改P 的抽樣周期Ts、廣播方式PN、請求ID 號Rid、請求命令Rcmd；可以遠程設(shè)置調(diào)整GPS 采集周期。此外，數(shù)據(jù)中心的服務(wù)器IP 地址與端口號，以及設(shè)備編號也參數(shù)化，可以遠程設(shè)置，以適應(yīng)服務(wù)器的變動與不同設(shè)備。根據(jù)上述要求，遠程設(shè)置協(xié)議制定如表1 所示，

     其統(tǒng)一格式為：#RMS；密碼；設(shè)置命令類型；設(shè)置內(nèi)容；校驗碼；&。其中：#RMS 為起始符；&為截止符。為了提高遠程設(shè)置的安全性，預(yù)設(shè)密碼匹配，為了提高遠程數(shù)據(jù)傳輸?shù)目煽啃裕黾有ｒ灤a，其中校驗碼采用異或校驗碼。

     數(shù)據(jù)冗余與壓縮

     狀態(tài)信息大部分具有緩慢變化的特點，如壓力、溫度等。連續(xù)監(jiān)測過程中，同一ID 號的連續(xù)的兩個CAN 總線數(shù)據(jù)具有很大的數(shù)據(jù)冗余：大部分字符保持不變，只有個別字符發(fā)生了變化。利用狀態(tài)參數(shù)的這一冗余特性，對連續(xù)監(jiān)測的數(shù)據(jù)流按字符串相對編碼，只發(fā)送變化的字符，可以很大程度地減少數(shù)據(jù)量，達到數(shù)據(jù)壓縮的目的。字符串相對編碼與解碼的原理如圖2 所示。

   遠程狀態(tài)信息采集控制器設(shè)計

    控制器硬件設(shè)計根據(jù)數(shù)據(jù)采集、遠程通訊與遠程設(shè)置的要求，控

制器硬件需要滿足以下功能：a）兩路獨立的CAN總線接口；b） 接受GPS 地理位置信息；c）GPRS/GSM無線遠程數(shù)據(jù)通信；d）實時時鐘及可充電電池與充電電路，用于為監(jiān)測數(shù)據(jù)提供時間標簽；e）斷電不丟失的靜態(tài)數(shù)據(jù)存儲模塊，用于保存可遠程設(shè)置的參數(shù)；f）延時自斷電功能，用于工程機械停機后給控制器延時供電一段時間，保證停機時刻的狀態(tài)數(shù)據(jù)完整傳輸。由于起重機通常在野外作業(yè)，工作環(huán)境惡劣，為了提高控制器的可靠性與抗干擾能力，盡量采用高集成的工業(yè)級功能模塊設(shè)計，設(shè)計簡單且降低成本。

     根據(jù)系統(tǒng)功能要求，控制器電路模塊框圖設(shè)計如圖3 所示，控制器實物如圖4 所示。由于篇幅限制，具體電路不作詳述。

     控制器軟件設(shè)計

     遠程實時狀態(tài)數(shù)據(jù)采集涉及到CAN 總線中斷與數(shù)據(jù)采集壓縮，GPS 信息采集，實時時鐘信息讀取，外部中斷，數(shù)據(jù)打包處理，遠程設(shè)置及遠程通訊等，是多任務(wù)并行的復(fù)雜軟件系統(tǒng)。如果采用傳統(tǒng)的單任務(wù)順序程序結(jié)構(gòu)，靈活性差，實時性差，資源利用率低，難以滿足多任務(wù)并行的實時數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)的需要。主控芯片采用TI 的32 位數(shù)字信號處理器TMS320F2808，時鐘頻率達100 MHz，有較大的緩存空間與運算速度，滿足了在線數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)大數(shù)據(jù)量與運算量的實時處理的需要。此外，其支持DSP/BIOS 多任務(wù)、多線程實時操作系統(tǒng)，用戶可以方便地編寫各種結(jié)構(gòu)復(fù)雜、實時性強、運行效率高的應(yīng)用軟件?；贒SP/BIOS 的程序流程圖如圖5 所示，根據(jù)控制器功能需要，設(shè)計5 個硬件中斷，1 個任務(wù)，其優(yōu)先級從上往下遞減。

    目前，本文設(shè)計的遠程狀態(tài)信息采集控制器已經(jīng)在撫順挖掘機制造有限公司的液壓履帶起重機遠程監(jiān)控與故障診斷系統(tǒng)中的多臺QUY250 與

UY350 起重機上試運行，如圖6 所示，控制器安裝在駕駛室的控制柜內(nèi)。圖7 是液壓履帶起重機遠程監(jiān)控系統(tǒng)對力矩限制器實時監(jiān)控的Web 界面圖。應(yīng)用表明，控制器工作穩(wěn)定，數(shù)據(jù)采集與傳輸正常，遠程設(shè)置靈活，對不同地區(qū)服役的不同設(shè)備和不同工況，均具有良好的兼容性與魯棒性。對數(shù)據(jù)壓縮效果進行分析，編碼壓縮效果主要以平均壓縮比來衡量，數(shù)據(jù)編碼的目標就是為了取得盡量小的平均壓縮比。設(shè)總共連續(xù)傳輸了N 個數(shù)據(jù)包，Rout,n 與Rin,n 分別為第n 個數(shù)據(jù)包編碼后與編碼前的數(shù)據(jù)量，則第n 個數(shù)據(jù)包的壓縮比Cn 與N 個數(shù)據(jù)包的平均壓縮比C 分別定義為：

   是實際應(yīng)用中某次連續(xù)傳輸?shù)?00 個數(shù)據(jù)包的壓縮效率曲線，Y 軸為壓縮比，由式（7）得其平均壓縮比為30.07%，相應(yīng)的節(jié)約數(shù)據(jù)傳輸成本9.93%，數(shù)據(jù)傳輸效率大大提高。

     結(jié)論

     本文在液壓履帶起重機現(xiàn)有的CAN 總線網(wǎng)絡(luò)的基礎(chǔ)上，提出了一種集中采集，模塊化擴展的遠程狀態(tài)信息采集系統(tǒng)，分析了CAN 總線數(shù)據(jù)特征，提出了分類數(shù)據(jù)采集方法與混合組態(tài)傳輸方法，解決了大量特性各異的狀態(tài)參數(shù)混合采集問題，通過參數(shù)化設(shè)計與遠程設(shè)置，使控制器具有良好的兼容性與可擴展性。字符串相對編碼數(shù)據(jù)壓縮算法，簡單快速且具有較高的壓縮率。本系統(tǒng)滿足了液壓履帶起重機遠程監(jiān)控的需要，對其它采用CAN 總線的工程機械的遠程狀態(tài)信息采集也同樣適用，具有很大的

    將優(yōu)化設(shè)計方法引入行星減速器設(shè)計，可以提高設(shè)計效率、確保取得全局最優(yōu)參數(shù)，使減速器在滿足承載能力的條件下，結(jié)構(gòu)緊湊，體積小，重量輕，從

而減少用材，降低制造成本，具有重要的經(jīng)濟意義。采用枚舉法并以Visual Basic 語言作為工具進行離散參數(shù)的直接尋優(yōu)，無需進行圓整處理，即可得到符合行業(yè)規(guī)范的離散最優(yōu)解。該方法對設(shè)計變量的初值、目標函數(shù)及約束函數(shù)的性態(tài)無特殊要求，求解思路清晰，不需要考慮具體的優(yōu)化方法，也不必考慮為消除量級懸殊而進行尺度變換，適用于工程機械中某些設(shè)計參數(shù)只能取離散值的優(yōu)化問題。