基于大数据的工程机械远程监控系统研究

引言

随着我国经济的高速发展，基础建设异常繁荣，工程机械市场保持强劲的增长势头。由于工程机械设备单体价值较大，能以在销售过程中往往采取按揭、分期或融资租赁的销售方式。然而由于目前国内缺乏完善的信用体系，违约成本极低，客户拖欠货款甚至恶意不还款的情况时有发生，致使企业承担了一定的销售风险。为了确保企业能及时跟踪所销售的机械设备，随时监控机械设备的状态，做好设备的管理工作,工程机械远程监控系统正在被逐渐推广和使用。

目前，工程机械远程监控系统的解决方案主要采用GPS全球定位系统、GPRS/GSM无线通信和GIS三种技术的组合在机械设备机身上安装控制器及数据采集装置，控制器通过数据采集装置获取机械设备的状态信息。同时通过GPS接收机接收地理位置信息。然后通过GRPS无线调制解调器，向机群中心站发送机械设备的状态数据和地理信息数据，机群中心站再将数据通过GIS发布，实现工程机械设备的远程监控。GIS作为一种信息系统除具有对信息的存储、管理、查询、统计等功能外，强大的空间数据管理和空间分析功能，使其在工程机械远程监控中起着举足轻重的作用。

1基于大数据的工程机械远程监控系统的研制目的

工程机械远程监控系统是利用计算机技术、无线通信技术和卫星定位技术，对正在工地上施工的工程机械的运行状态、位置及施工进度进行监测，对驾驶员进行远程指导，从而提高工程机械的管理水平、优化机械化施工组织叫它能为工程机械行业提供有关的信息增值功能，如机械设备防盗、抢，设备业主对设备的远程监控。规划三包期内外的维修服务,工程项目中的车队施工进度调度管理，以及连带产生的对于设备制造厂商、银行业、保险业、经销商及用户的工程机械按揭业务的推动等。该系统的作用主要表现在于以下几个方面。

1.1提高销售企业的售后服务水平

监控系统能够把机械的主要运行状态参数自动发送到监控中心的计算机，机械驾驶员还可以把使用中发现的问题和疑问传送给监控中心。监控中心的技术人员通过分析接收到的机械工作参数和驾驶员的提问，及时了解机械的工作状况。发现问题或故障隐患后，及时通知用户，或根据施工进度，安排技术人员前去服务。对于常见故障，甚至能够做到让用户在发现问题时现场排除问题。另外，能够及时回答驾驶员在机械使用过程中提出的问题，为用户提供使用指导。这些都可大大提高售后服务水平，提高用户对所购设备的满意度。

1.2加强对租赁或分期付款机械的管理和控制

随着工程机械的日益大型化，单台机械的售价也越来越高。为了促进销售，“以租代售”或“先租后售”的销售方式在西方国家流行。例如美国卡特彼勒公司生产的工程机械通过“金融租赁”的方式销售出去的比例大于60%。但是这种销售方式在国内却很难开展，其中一个重要原因是部分公民的“信誉意识”低，租赁方能按照合同要求定期返款；租赁方在租赁期不能合理使用机械，降低了设备的价值。损害了出租方的利益。工程机械远程监控系统的使用为销售企业加强对租赁期或分期付款期的设备的管理提供了有效手段。借助工程机械远程监控系统，销售企业可以轻松地实现这方面的管理。销售企业不但可清楚地了解机械每天的工作时间、工作强度、工作地点、机械运行状态，还可向逾期不返款的机械发出“锁车”指令，使机械不能工作或失去部分功能。待返款后，发出“解锁”指令，恢复其正常工作。

1.3建立机械动态档案，科学管理机械

从机械返回的工作参数自动存入监控中心计算机的数据库中，形成动态、实时的设备档案。设备管理人员可根据工作参数的变化分析和预测故障，在机械施工间隙适时地安排保养、维修，变“事后修理”为“事前预防性维修”，优化施工组织,提高机械使用效率。通过该系统，可实时地把机械的施工量、施工进度及其位置等多项工作参数详细地显示在监控（调度）中心的计算机屏幕上。施工组织管理人员可以方便直观地了解施工的进展情况，合理调配机械、优化施工组织、提高机械利用率，从而保证了工期，提高经济效益。该系统特别适合于多机械、多机种的大规模机械化施工。

1.4记录施工参数，为工程质量监理或质量事故的责任判定提供依据

通过在机械上安装相应的传感器或通过对传感器测量值的二次分析得到施工参数，如：路面平整度、机械仰俯角等。并把这些参数存储于监控（施工调度）中心的数据库中。可以对这些参数实时监控、分析，也可存档备查。

2工程机械远程监控系统的组成及功能

工程机械远程监控系统主要由车载终端、监控中心和用户接口三大部分组成。其系统架构如图1所示。

2.1车载终端

车载终端本系统包括车载计算机、检测电路、GPS模块和无线通讯模块。主要功能是采集机械的工作参数，并传输给监控中心；同时接收监控中心指令并发出相应的控制指令。

2.1.1车载计算机

车载计算机是车载终端的核心，连接机械工作状态检测系统、GPS卫星定位信号接收装置、无线数据通讯系统，负责对通讯信息进行分析，以做出相应反应。系统配备有液晶屏,把机械工作参数显示给驾驶员，液晶屏配合控制按键可实现人机交互，并设计有司机与监控中心的双向对话系统。

2..1.2检测电路系统

检测电路系统包括在工程机械各部位安装必要的传感器，传感器把采集到的机械的工作参数通过线路及模/数转换器（接口板）传给车载计算机。这些工作参数涵盖了设备各部位的运行状态参数，充分反映了机械的工作状态（包括施工位置、机械性能、施工经济性等）。

2.1.3GPS卫星定位信号接收装置

工程机械上的GPS定位信号接收装置收到卫星信号后,自动计算出机械所处的经纬度即位置信息，传递给车载计算机。目前工程机械上采用的接收器，定位精度小于100m。2.1.4无线数据通讯系统

由于被监控对象一工程机械在不停地移动中，车载计算机只能通过无线通讯系统把检测到的机械工作参数和位置信息传输到监控中心。通讯系统可采用GSM/GPRS种通讯方式。采用GSM“短消息”方式传送数据。即利用现有的GSM移动通讯网络实现信息交换。其特点是：通讯费用比卫星方式低，但在GSM网络信号覆盖不到的施工工地，就无法通讯；二是可以把工程机械直接联在互联网上，通过一台上网的计算机登陆特设的工程机械监控网站，便可以“短消息”方式与工程机械上的车载计算机通讯。可以查询机械工作状况，命令车载计算机完成指定的工作，实现工程机械“上网”。工程机械上的车载计算机通过工业用GSM通讯模块，把机械工作参数和定位信息传送给短消息中心。在此之后，数据传输可分为2种方式：一是短消息中心把数据直接发给监控中心的GSM通讯模块，监控中心的计算机从模块中读取数据，再把检测结果送到互联网上；二是短消息中心把数据传送给指定网站，监控中心的计算机从该网站读取数据。上述数据传输通道都是双向的，通过GPRS网络可以把其他大量的传感器信息及车辆工况信息上传到监控中心。

2.2监控中心

监控中心是整个监控系统运行的管理中心。其主要作用是：根据需要向车载计算机发送指令；接收车载计算机传回的数据；处理远程监控申请。监控中心软件平台架构如图2所示。

本系统的监控中心由GSM/GPRS工业用手机模块、监控计算机及系统软件组成。GSM/GPRS模块均与计算机相连,作为监控系统软件的通讯设备。监控系统软件由通讯和监控主程序独立的两部分构成。通讯软件负责接收由GSM/GPRS模块传来的信息，并通过中继数据库，接收监控主程序的命令,再经通讯模块将信息传出，任一时刻的通讯信息均在通讯界面上显示出来，直观地指示出通讯进程。

监控主程序是监控中心软件的关键部分，接收车载终端每天报回的日志及司机主动发回的信息、呼叫机械最新工作信息，通过内部算法，对机械工作参数进行二次分析，得到机械工作的经济性、驾驶员操作熟练程度评价、机械整体性能及整体性能变化曲线。通过对整体性能的分析来确定机械应保养或应维修程度及部位，对司机进行远程指导、设置机械活动区域、机械偏离活动区域报警、对机械进行锁车或解锁等。

监控主程序内嵌GIS地理信息系统：应用于本监控系统的GIS就是将机械状态信息中的位置信息与电子地图有机地联系起来，能实现诸如放大、缩小、平移、测量距离等基本地图操作叫实现机械的区域查询、定制更为合理的机械行驶路线、方便地实现机械调度。

2.3用户接口

用户接口包括手机接口和互联网接口两部分。手机接口能方便快捷地将信息反馈到用户手机上，实现简便快捷的用户体验。互联网接口提供完善的监控信息；包含当前状态信息及历史状态信息，提供全面的监控信息，加上GIS系统的应用，使用户更加直观地了解机械的位置信息。

2.3.1手机接口

手机接口是监控系统开放给用户的友好访问入口之一。用户的手机号码通过在监控中心注册，获得监控中心分配的用户名、密码及监控系统手机接口命令格式，即可通过该号码查询被监控机械的工作参数，或呼叫被监控机械最新工作状态.包括机械各项工作参数和人性化的位置信息。

应用手机接口的系统运作流程如下：用户手机通过GSM/GPRS网发送命令至监控中心，监控中心分析接收到的命令,进行相应动作一如果是查询机械某一天的工作参数，则调出相应内容，再以GSM短消息方式回复用户；如果是呼叫机械当前最新状态，则监控中心以适当的无线通讯方式将呼叫命令发送给相应机械，目标机械车载终端接收到命令后，通过车载计算机进行分析，调用机械工作状态检测系统的检测结果，以GPRS网络方式将机械的工作信息发回监控中心，监控中心再以短消息方式回复用户。

2.3.2互联网接口

互联网接口是监控系统开放给用户的另一友好访问入口。互联网接口需要一台上网计算机，其优点是：数据量大，可查询被监控机械的所有历史通讯信息，可直观地看到机械某一时间段内整体工作性能曲线，由于互联网接口内嵌地理信息系统，除可直观地看到机械在地图上所处位置外，监控中心电子地图的基本操作，诸如地图放大、缩小、平移、测量距离等功能，互联网接口也均具备。系统登陆界面如图3所示。

3工程机械的大数据处理

面对大数据时代的到来，数据已海量出现在各个领域,为了有效解决工程机械建设上大数据问题，本文将基于目前工程机械对大数据量的需求，构建从整体上满足管理部门对工程机械的远程实时监控和大数据量的消息推送两大主要功能需要。

工程机械行业大数据的“四V”特性间表现如下：

量大(VolumeBig)。每台工程车第1分钟更新一次位置信息及故障信息；每5分钟更新一次工况信息。监控中心平均每分钟接收10次用户查询；每天活跃用户超过十万人。

多样化(VariableType)。数据类型不公包括位置信息、工况信息、故障信息、车辆属性、保养信息、维修信息等文本信息，还包括工程车视频监控现场的音频视频信息。用户接口还要接收大量的网页信息、图片信息等半结构化和非结构化数据信息。

快速化(VariableType)。工程车的位置信息、工况信息、故障信息等数据流为高速、实时信息。系统数据更新速度极快；对用户查询的响应速度也极为迅速。

价值高和密度低(ValueHighandLowDensity)。以故障信息为例，在连续几个月的故障信息监控中，出现故障的情况可能仅有1次，但只有通过分析整个故障信息流才能高效、准确地诊断出故障。

4大数据的快速存取与共享

为满足大数据量的快速存取与数据共享，系统将建立采用大数据技术建立非结构化数据库，对工程机械相关数据统一汇总、分析和处理。数据库包括工程车详细的车辆属性、工况信息、扌艮警信息、故障信息、保养信息、维修信息、位置信息、音频信息、视频信息、专家库信息等。建立以数据库为核心的远程智能监控与诊断系统，准确提供实时展现工程车的工作画面，逐步实现工程器件的二维和三维场景再现；构建自动化专家系统，为故障诊断、高效节能、决策提供依据；以数据库为基础，构建基于SOA的服务接口，实现与ERP、CRM等系统的数据共享，并提供二次开发接口和各类增值服务[7];建立面向服务的工程机械信息提醒与预警的消息推送系统，保证工程机械的定期维护与保养，对工程机械的违规操作或使用，以及工程机械故障发出预警。对工程机械大数据处理主要有以下几方面：

主机管理子系统

主机管理子系统可以查看所有车辆的档案信息，包括设备编号、出厂日期、软件版本号、工作时间、当前质保等信息；同时还能提供车辆的故障记录、维修记录、历史工况等信息。

位置服务子系统

位置服务能够提供车辆的当前位置信息、历史位置信息及历史运动轨迹重放等功能；同时还能提供所在位置的故障信息。

(3)故障诊断子系统

故障诊断能提供车辆的故障信息、相同故障的所有车辆信息、故障的基本解决方法、故障的自动检测等功能。

(4)锁机管理子系统

锁机管理能查看当时锁机统计报表、锁机日志查询、批量锁机解锁作业、单一锁机作业等功能。

智能报警子系统

为了提高车辆的运行安全性，系统将对运行状态进行监控，自动上报报警信息并进行自动报警及记录。系统根据专家库信息自动进行判断，出现异常信息后，及时记录当前工况信息、位置信息等相关信息并上传到监控中心。

版本控制子系统

实现车载终端远程程序的更新与恢复功能。该子系统不仅可以更新车辆控制器等程序，还可以更新车载终端程序。子系统可以自动比对工程车控制程序的版本、车载终端版本与服务器上同类型的版本是否一致，如果不一致，自动下载程序,下载完毕确认无误后提示用户手动更新，或远程控制手动更新。更新异常可以恢复原有程序。

对外接口服务子系统

以服务的形式对外提供各类数据。供其他系统使用，支持二次开发的扩展应用。

5结语

通过工程机械远程监控系统，企业还能及时监控机械设备是否被合理使用。是否按规定及时科学保养，机械设备工作的时间段和累计工作时间是多少等等，为工程机械的有效使用提供了有力保证。本系统合理地解决了工程机械行业的大数据问题，同时在工程机械行业得到了广泛地应用，效果良好,运行结果表明了本系统的可行性和实用性。

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