本發(fā)明涉及工程車輛作業(yè)工況難易程度的識別技術(shù)，更具體地說，涉及一種裝載機作業(yè)工況難易程度識別方法。

背景技術(shù)：

隨著我國采礦、建筑、水利水電、高速鐵路網(wǎng)、公路網(wǎng)、南水北調(diào)等大型國家工程建設(shè)的快速推進，工程車輛的產(chǎn)、銷量和保有量快速提高，工程機械發(fā)展異常迅速。工程機械95％以上的產(chǎn)品采用液力傳動，以便獲得大扭矩、大慣量載荷需求，由于作業(yè)環(huán)境惡劣，作業(yè)工況復(fù)雜多變，以及設(shè)備自動化、信息化程度的不斷提高，如何確保工程機械可靠、高效的運行，是目前亟待解決的技術(shù)難題。在工程機械的作業(yè)過程中，作業(yè)性能不僅受系統(tǒng)本身性能的影響，還很大程度上受到作業(yè)工況的影響，因此作業(yè)工況難易程度的識別對于提高工程機械作業(yè)性能、智能化程度起到極其重要的作用。

工程車輛是一種以作業(yè)為主的工程機械，不同作業(yè)工況對車輛的燃油經(jīng)濟性影響很大，尤其是鏟掘原生土、鐵礦石等密實度高的物料，對于不同的作業(yè)工況需要選擇相應(yīng)的換擋控制策略及作業(yè)功率模式。因此如何有效的識別作業(yè)工況難易程度，對于提高工程機械的作業(yè)性與智能化能具有重要意義。

以工程車輛中典型樣機裝載機為例，裝載機是以裝卸土壤、砂石、煤炭等綜合性物料為主的一種大、中、小型多用途的高效率工程機械，適用于礦場、港口、基建、道路修建等作業(yè)，廣泛應(yīng)用于工廠、車站、碼頭、貨場、倉庫等工況。對于密度較大的礦石、堅實原圖或密度較小的松散物如土壤、焦炭等，由于其作業(yè)工況不同，對裝載機選擇同樣有著較大的差異。對于那些堅實原土、礦石等較大密度的物料，由于對牽引力要求較高，應(yīng)選擇工作速度較低，掘起力及牽引力均較大的產(chǎn)品以保證正常的使用。因為松散物料對裝載機的牽引力要求不高，可以選擇行駛速度更高的產(chǎn)品以取的較高的工作效率。工作介質(zhì)不同，作業(yè)工況難易程度也不同，由于無法識別作業(yè)工況情況，工程機械企業(yè)只能推出針對某一特定工作介質(zhì)的專用型產(chǎn)品。如宇通重工為滿足不同工況環(huán)境下的用戶需要，為適應(yīng)裝煤作業(yè)的需要，宇通重工特別推出了煤礦專用型鏟斗、焦炭專用型鏟斗、巖石斗、抓木、推雪等不同工作裝置、并配合不同型號的裝載機，以達到一機多用。

技術(shù)實現(xiàn)要素：

本發(fā)明的目的在于克服現(xiàn)有技術(shù)的不足，提供一種提高工程機械的適用范圍，實現(xiàn)一機多用，能同時用于多種不同介質(zhì)的工作場合，提高其作業(yè)性能與智能化水平的裝載機作業(yè)工況難易程度識別方法。

本發(fā)明的技術(shù)方案如下：

一種裝載機作業(yè)工況難易程度識別方法，步驟如下：

1)從裝載機上獲取動臂大腔壓力、轉(zhuǎn)斗大腔壓力信號，提取動臂大腔壓力、轉(zhuǎn)斗大腔壓力信號的作業(yè)周期；

2)依據(jù)得到的作業(yè)周期，提取挖掘作業(yè)段；

3)獲取挖掘作業(yè)段的動臂大腔壓力的挖掘時間長度、挖掘時間長短變化率、動臂大腔壓力極大值與動臂大腔壓力極大值變化率，進而根據(jù)預(yù)設(shè)的規(guī)則得到作業(yè)工況難易程度指數(shù)。

作為優(yōu)選，挖掘作業(yè)段中，動臂大腔壓力接觸物料前的極小值點定義為鏟掘作業(yè)段起始時間點；轉(zhuǎn)斗大腔壓力的第一個極大值點定義為鏟掘作業(yè)段結(jié)束時間。

作為優(yōu)選，步驟3)中，對挖掘作業(yè)段的動臂大腔壓力采用模糊邏輯C均值聚類算法進行挖掘時間長度、挖掘時間長短變化率、動臂大腔壓力極大值與動臂大腔壓力極大值變化率的聚類分析。

作為優(yōu)選，設(shè)挖掘作業(yè)段的時間長度序列為T＝(t₁,t₂,...,t_i,...,t_n-1,t_n)，依據(jù)模糊邏輯C均值聚類算法計算得到挖掘時間長度t_FCM，各段的挖掘時間長短變化率u_t如下：

其中，i＝1,2,...,n；

根據(jù)挖掘時間長短變化率u_t計算其聚類中心值u_FCM，并將u_FCM作為挖掘時間長短變化率的評定值。

作為優(yōu)選，設(shè)一個挖掘時間段只有一次挖掘作業(yè)，并對所有挖掘作業(yè)段的動臂大腔壓力曲線進行二階拋物線擬合，擬合函數(shù)為：p＝a+bt+ct²；

根據(jù)擬合得到的函數(shù)，得到動臂大腔壓力的動臂大腔壓力極大值p_max與達到極大值經(jīng)歷的時間t，則動臂大腔壓力極大值變化率計算公式為：

其中，i＝1,2,...,n；

其中，u_p為動臂大腔壓力極大值變化率，p_i為某次的動臂大腔壓力值，p_max為動臂大腔壓力極大值。

作為優(yōu)選，將挖掘時間長度、挖掘時間長短變化率、動臂大腔壓力極大值與動臂大腔壓力極大值變化率映射到單位圓的雷達圖中，對這些值進行正向歸一化處理。

作為優(yōu)選，得到正向歸一化值后，用雷達圖表示；通過計算各個作業(yè)工況的雷達圖包含的面積，并定義各雷達圖與單位圓面積的比值作為作業(yè)難度值，得出作業(yè)工況難易程度指數(shù)。

本發(fā)明的有益效果如下：

本發(fā)明所述的裝載機作業(yè)工況難易程度識別方法，將經(jīng)作業(yè)段提取獲得的挖掘作業(yè)段作為主要的研究對象，并進行作業(yè)工況識別，最終得到作業(yè)工況難易程度值。作業(yè)工況難易程度的識別，有利于控制柴油發(fā)動機的功率輸出模式，實現(xiàn)按需分配；同時作為智能化換擋控制策略的判斷依據(jù)，對于工程車輛的智能換檔、功率模式控制以及提高作業(yè)性能等具有重要的意義，而且有利于作業(yè)性能的提高及節(jié)能減排；同時利用作業(yè)工況難易程度，實現(xiàn)變功率調(diào)節(jié)，提高工程機械的適用范圍，一臺機子可用于多種工作介質(zhì)，實現(xiàn)真正的一機多用，能同時用于多種不同介質(zhì)的工作場合，提高其作業(yè)性能與智能化水平。

附圖說明

圖1是本發(fā)明的識別方法的基本框架；

圖2是本發(fā)明的作業(yè)工況評價指標示意圖；

圖3是本發(fā)明的識別方法的流程圖。

具體實施方式

以下結(jié)合附圖及實施例對本發(fā)明進行進一步的詳細說明。

本發(fā)明為了解決現(xiàn)有技術(shù)存在的無法對裝載機作業(yè)工況難易程度進行識別的技術(shù)空白，提出一種裝載機作業(yè)工況難易程度識別方法，用于提高工程機械的適用范圍，實現(xiàn)一機多用，能同時用于多種不同介質(zhì)的工作場合，提高其作業(yè)性能與智能化水平。

本發(fā)明所述的方法，如圖1所示，主要步驟如下：

1)從裝載機上獲取動臂大腔壓力、轉(zhuǎn)斗大腔壓力信號，提取動臂大腔壓力、轉(zhuǎn)斗大腔壓力信號的作業(yè)周期；

2)依據(jù)得到的作業(yè)周期，提取挖掘作業(yè)段；

3)獲取挖掘作業(yè)段的動臂大腔壓力的挖掘時間長度、挖掘時間長短變化率、動臂大腔壓力極大值與動臂大腔壓力極大值變化率，進而根據(jù)預(yù)設(shè)的規(guī)則得到作業(yè)工況難易程度指數(shù)。

挖掘作業(yè)段的定義：挖掘作業(yè)段起始時間為鏟斗與物料接觸時，動臂大腔壓力開始劇烈變大，動臂大腔壓力在變化前會有給最小的極值點，這是由于挖掘前鏟斗放置與地面造成的，此時動臂大腔壓力值比正常行駛時還小，因此定義動臂大腔壓力劇烈變化前的極小值點為挖掘作業(yè)段起始時間點；挖掘作業(yè)段的結(jié)束時間為鏟斗裝滿物料脫離工作面時，此時一般伴隨收斗動作(一般1-2次)，轉(zhuǎn)斗大腔壓力在每次收斗時都會出現(xiàn)一個極大值，完成收斗后轉(zhuǎn)斗大腔壓力將平穩(wěn)下降，定義轉(zhuǎn)斗大腔壓力的第一個極大值點為挖掘作業(yè)段結(jié)束時間。

對挖掘作業(yè)段進行分析，可以得出如下特點：

(1)不同物料，由于其狀態(tài)、密實度等的不同，導(dǎo)致單次挖掘作業(yè)的時間長短不同，各次挖掘作業(yè)時間長度的變化率不同。比如細沙與鐵礦石對比，但其都屬于離散顆粒狀態(tài)時，由與鐵礦石密實度高，形狀較大，掘進難度大，因此其單次挖掘作業(yè)每次消耗的時間都較多，各次挖掘作業(yè)時間長度的變化率較大。

(2)不同物料，由于其密實度的不同，導(dǎo)致單次挖掘作業(yè)在鏟滿斗時，其動臂大腔的最大壓力值不同。比如細沙與鐵礦石對比，鐵礦石明顯比細沙的密實度大好多，因此，滿斗時動臂大腔的最大壓力值肯定也比較大。

(3)不同物料，由于挖掘難度較大后，經(jīng)常出現(xiàn)無法鏟滿斗的情況，對于密實度較大的鐵礦石、原生土等，能完成滿斗的概率很小，特別是鐵礦石，半斗就相當與細沙一斗的重量。

(4)不同駕駛員，由于操作習慣、操作經(jīng)驗不同，導(dǎo)致試驗過程鏟滿程度、挖掘速度等也會影響挖掘作業(yè)段時間長度及時間長度的變化率等。

基于上述特點，本發(fā)明提出一種作業(yè)工況的評價指標，如圖2所示。用作業(yè)難易度來衡量作業(yè)工況的復(fù)雜程度，并用百分比值0-100％來評定等級。作業(yè)工況評價主要由時間指標與壓力指標組成。其中時間指標包括時間長度與時間變化率；壓力指標包括壓力極值與壓力變化率。時間指標與壓力指標主要考量對象為挖掘作業(yè)段的動臂大腔壓力信號，具體表示為挖掘作業(yè)段時間長度與挖掘作業(yè)時間變化率的大??；挖掘作業(yè)段動臂大腔壓力的極大值大小與達到極大值過程的壓力變化率。

如圖3所示，本發(fā)明所述的方法，首先對壓力信號進行作業(yè)周期提取，在得到作業(yè)周期后，進一步進行作業(yè)段提取，并獲取挖掘作業(yè)段信號，然后進行分析識別，具體如下：

對挖掘作業(yè)段的動臂大腔壓力采用模糊邏輯C均值聚類算法進行挖掘時間長度、挖掘時間長短變化率、動臂大腔壓力極大值與動臂大腔壓力極大值變化率的聚類分析。

設(shè)挖掘作業(yè)段的時間長度序列為T＝(t₁,t₂,...,t_i,...,t_n-1,t_n)，依據(jù)模糊邏輯C均值聚類算法計算得到挖掘時間長度t_FCM，各段的挖掘時間長短變化率u_t如下：

其中，i＝1,2,...,n；

根據(jù)挖掘時間長短變化率u_t計算其聚類中心值u_FCM，并將u_FCM作為挖掘時間長短變化率的評定值。

為了便于分析，設(shè)一個挖掘時間段只有一次挖掘作業(yè)，即一鏟即完成，并對所有挖掘作業(yè)段的動臂大腔壓力曲線進行二階拋物線擬合，擬合函數(shù)為：p＝a+bt+ct²；

根據(jù)擬合得到的函數(shù)，得到動臂大腔壓力的動臂大腔壓力極大值p_max與達到極大值經(jīng)歷的時間t，則動臂大腔壓力極大值變化率計算公式為：

其中，i＝1,2,...,n；

其中，u_p為動臂大腔壓力極大值變化率，p_i為某次的動臂大腔壓力值，p_max為動臂大腔壓力極大值。

根據(jù)對得到的挖掘時間長度、挖掘時間長短變化率、動臂大腔壓力極大值與動臂大腔壓力極大值變化率的分析發(fā)現(xiàn)，挖掘時間長度、挖掘時間長短變化率、動臂大腔壓力極大值等三個參數(shù)對于作業(yè)難易程度的衡量成正比關(guān)系，動臂大腔壓力極大值變化率則成反比。為了統(tǒng)一關(guān)系，將挖掘時間長度、挖掘時間長短變化率、動臂大腔壓力極大值與動臂大腔壓力極大值變化率映射到單位圓的雷達圖中，對這些值進行正向歸一化處理。

本實施例中，假設(shè)時間長度最大值為20s，大于等于此值的時間長度用1表示其歸一化值，小于此值的時間長度除以此最大值得到的值作為歸一化值；時間變化率已符合歸一化值，不做處理；由于最大的動臂大腔壓力為20Mpa，因此將壓力極大值除以最大壓力值作為歸一化值；壓力變化率則先除以最大壓力值后求倒數(shù)，并設(shè)倒數(shù)最大值為3，大于3的用1表示其歸一化值，小于3的處理3后的值作為其歸一化值。經(jīng)統(tǒng)一后，所有標準特征值對作業(yè)難易度的評價影響趨勢一致。

得到正向歸一化值后，將這些值用雷達圖表示。為了進一步計算作業(yè)難度值，通過計算各個作業(yè)工況的雷達圖包含的面積，并定義各雷達圖與單位圓面積的比值作為作業(yè)難度值，得出作業(yè)工況難易程度指數(shù)。

上述實施例僅是用來說明本發(fā)明，而并非用作對本發(fā)明的限定。只要是依據(jù)本發(fā)明的技術(shù)實質(zhì)，對上述實施例進行變化、變型等都將落在本發(fā)明的權(quán)利要求的范圍內(nèi)。