基于大數據的工程機械遠程監控系統研究

摘 要：面對信息化時代的到來，數據已海量出現在各個領域，為了有效解決工程機械建設上大數據問題并實現信息的有效推送，文中提出的工程機械GPS遠程智能監控系統，將利用GIS、GPS、GPRS等相關技術，構造一個開放性的平臺系統，以便于工程機械設備的監管。該平臺大大提高了工程機械的管理水平，優化了機械化施工組織。同時，為工程機械行業提供機械設備防盜、搶，設備業主對設備的遠程監控等有關的信息增值功能，以實現工程機械的遠程監控管理，從而大大提高了工程機械的信息化水平，也進一步提高了我國工程機械產品的國際競爭力，加快了我國工程機械的信息化進程。

關鍵詞：大數據；工程機械；遠程監控；信息化

中圖分類號：TP274.2 文獻標志碼： A 文章編號：2095-1302（2014）01-0023-04

0 引 言

隨著我國經濟的高速發展，基礎建設異常繁榮，工程機械市場保持強勁的增長勢頭。由于工程機械設備單體價值較大，能以在銷售過程中往往采取按揭、分期或融資租賃的銷售方式。然而由于目前國內缺乏完善的信用體系，違約成本極低，客戶拖欠貨款甚至惡意不還款的情況時有發生，致使企業承擔了一定的銷售風險。為了確保企業能及時跟蹤所銷售的機械設備，隨時監控機械設備的狀態，做好設備的管理工作，工程機械遠程監控系統正在被逐漸推廣和使用。

目前，工程機械遠程監控系統的解決方案主要采用GPS全球定位系統、GPRS/GSM無線通信和GIS三種技術的組合[1]。在機械設備機身上安裝控制器及數據采集裝置，控制器通過數據采集裝置獲取機械設備的狀態信息。同時通過GPS接收機接收地理位置信息。然后通過GRPS無線調制解調器，向機群中心站發送機械設備的狀態數據和地理信息數據，機群中心站再將數據通過GIS發布，實現工程機械設備的遠程監控。GIS作為一種信息系統除具有對信息的存儲、管理、查詢、統計等功能[2]外，強大的空間數據管理和空間分析功能[3]，使其在工程機械遠程監控中起著舉足輕重的作用。

1 基于大數據的工程機械遠程監控系統的研制目的

工程機械遠程監控系統是利用計算機技術、無線通信技術和衛星定位技術，對正在工地上施工的工程機械的運行狀態、位置及施工進度進行監測，對駕駛員進行遠程指導，從而提高工程機械的管理水平、優化機械化施工組織[4]。它能為工程機械行業提供有關的信息增值功能，如機械設備防盜、搶，設備業主對設備的遠程監控。規劃三包期內外的維修服務，工程項目中的車隊施工進度調度管理，以及連帶產生的對于設備制造廠商、銀行業、保險業、經銷商及用戶的工程機械按揭業務的推動等。該系統的作用主要表現在于以下幾個方面。

1.1 提高銷售企業的售后服務水平

監控系統能夠把機械的主要運行狀態參數自動發送到監控中心的計算機，機械駕駛員還可以把使用中發現的問題和疑問傳送給監控中心。監控中心的技術人員通過分析接收到的機械工作參數和駕駛員的提問，及時了解機械的工作狀況。發現問題或故障隱患后，及時通知用戶，或根據施工進度，安排技術人員前去服務。對于常見故障，甚至能夠做到讓用戶在發現問題時現場排除問題。另外，能夠及時回答駕駛員在機械使用過程中提出的問題，為用戶提供使用指導。這些都可大大提高售后服務水平，提高用戶對所購設備的滿意度。

1.2 加強對租賃或分期付款機械的管理和控制

隨著工程機械的日益大型化，單臺機械的售價也越來越高。為了促進銷售，“以租代售”或“先租后售”的銷售方式在西方國家流行。例如美國卡特彼勒公司生產的工程機械通過“金融租賃”的方式銷售出去的比例大于60%。但是這種銷售方式在國內卻很難開展，其中一個重要原因是部分公民的“信譽意識”低，租賃方能按照合同要求定期返款；租賃方在租賃期不能合理使用機械，降低了設備的價值。損害了出租方的利益。工程機械遠程監控系統的使用為銷售企業加強對租賃期或分期付款期的設備的管理提供了有效手段。借助工程機械遠程監控系統，銷售企業可以輕松地實現這方面的管理。銷售企業不但可清楚地了解機械每天的工作時間、工作強度、工作地點、機械運行狀態，還可向逾期不返款的機械發出“鎖車”指令，使機械不能工作或失去部分功能。待返款后，發出“解鎖”指令，恢復其正常工作。

1.3 建立機械動態檔案，科學管理機械

從機械返回的工作參數自動存入監控中心計算機的數據庫中，形成動態、實時的設備檔案。設備管理人員可根據工作參數的變化分析和預測故障，在機械施工間隙適時地安排保養、維修，變“事后修理”為“事前預防性維修”，優化施工組織，提高機械使用效率。通過該系統，可實時地把機械的施工量、施工進度及其位置等多項工作參數詳細地顯示在監控（調度）中心的計算機屏幕上。施工組織管理人員可以方便直觀地了解施工的進展情況，合理調配機械、優化施工組織、提高機械利用率，從而保證了工期，提高經濟效益。該系統特別適合于多機械、多機種的大規模機械化施工。

1.4 記錄施工參數，為工程質量監理或質量事故的責任判定提供依據

通過在機械上安裝相應的傳感器或通過對傳感器測量值的二次分析得到施工參數，如：路面平整度、機械仰俯角等。并把這些參數存儲于監控（施工調度）中心的數據庫中。可以對這些參數實時監控、分析，也可存檔備查。

2 工程機械遠程監控系統的組成及功能

工程機械遠程監控系統主要由車載終端、監控中心和用戶接口三大部分組成。其系統架構如圖1所示。

2.1 車載終端

車載終端本系統包括車載計算機、檢測電路、GPS模塊和無線通訊模塊。主要功能是采集機械的工作參數，并傳輸給監控中心；同時接收監控中心指令并發出相應的控制指令。

2.1.1 車載計算機

車載計算機是車載終端的核心，連接機械工作狀態檢測系統、GPS衛星定位信號接收裝置、無線數據通訊系統，負責對通訊信息進行分析，以做出相應反應。系統配備有液晶屏，把機械工作參數顯示給駕駛員，液晶屏配合控制按鍵可實現人機交互，并設計有司機與監控中心的雙向對話系統。

2..1.2 檢測電路系統

檢測電路系統包括在工程機械各部位安裝必要的傳感器，傳感器把采集到的機械的工作參數通過線路及模/數轉換器（接口板）傳給車載計算機。這些工作參數涵蓋了設備各部位的運行狀態參數，充分反映了機械的工作狀態（包括施工位置、機械性能、施工經濟性等）。

圖1 系統結構框架圖

2.1.3 GPS衛星定位信號接收裝置

工程機械上的GPS定位信號接收裝置收到衛星信號后，自動計算出機械所處的經緯度即位置信息，傳遞給車載計算機。目前工程機械上采用的接收器，定位精度小于100 m。

2.1.4 無線數據通訊系統

由于被監控對象—— 工程機械在不停地移動中，車載計算機只能通過無線通訊系統把檢測到的機械工作參數和位置信息傳輸到監控中心。通訊系統可采用GSM/GPRS種通訊方式。采用GSM“短消息”方式傳送數據。即利用現有的GSM移動通訊網絡實現信息交換。其特點是：通訊費用比衛星方式低，但在GSM網絡信號覆蓋不到的施工工地，就無法通訊；二是可以把工程機械直接聯在互聯網上，通過一臺上網的計算機登陸特設的工程機械監控網站，便可以“短消息”方式與工程機械上的車載計算機通訊。可以查詢機械工作狀況，命令車載計算機完成指定的工作，實現工程機械“上網”。工程機械上的車載計算機通過工業用GSM通訊模塊，把機械工作參數和定位信息傳送給短消息中心。在此之后，數據傳輸可分為2種方式：一是短消息中心把數據直接發給監控中心的GSM通訊模塊，監控中心的計算機從模塊中讀取數據，再把檢測結果送到互聯網上；二是短消息中心把數據傳送給指定網站，監控中心的計算機從該網站讀取數據。上述數據傳輸通道都是雙向的，通過GPRS網絡可以把其他大量的傳感器信息及車輛工況信息上傳到監控中心。

2.2 監控中心

監控中心是整個監控系統運行的管理中心。其主要作用是：根據需要向車載計算機發送指令；接收車載計算機傳回的數據；處理遠程監控申請。監控中心軟件平臺架構如圖2所示。

圖2 監控中心軟件平臺架構

本系統的監控中心由GSM/GPRS工業用手機模塊、監控計算機及系統軟件組成。GSM/GPRS模塊均與計算機相連，作為監控系統軟件的通訊設備。監控系統軟件由通訊和監控主程序獨立的兩部分構成。通訊軟件負責接收由GSM/GPRS模塊傳來的信息，并通過中繼數據庫，接收監控主程序的命令，再經通訊模塊將信息傳出，任一時刻的通訊信息均在通訊界面上顯示出來，直觀地指示出通訊進程。

監控主程序是監控中心軟件的關鍵部分，接收車載終端每天報回的日志及司機主動發回的信息、呼叫機械最新工作信息，通過內部算法，對機械工作參數進行二次分析，得到機械工作的經濟性、駕駛員操作熟練程度評價、機械整體性能及整體性能變化曲線。通過對整體性能的分析來確定機械應保養或應維修程度及部位，對司機進行遠程指導、設置機械活動區域、機械偏離活動區域報警、對機械進行鎖車或解鎖等。

監控主程序內嵌GIS地理信息系統：應用于本監控系統的GIS就是將機械狀態信息中的位置信息與電子地圖有機地聯系起來，能實現諸如放大、縮小、平移、測量距離等基本地圖操作[5]。實現機械的區域查詢、定制更為合理的機械行駛路線、方便地實現機械調度。

2.3 用戶接口

用戶接口包括手機接口和互聯網接口兩部分。手機接口能方便快捷地將信息反饋到用戶手機上，實現簡便快捷的用戶體驗。互聯網接口提供完善的監控信息；包含當前狀態信息及歷史狀態信息，提供全面的監控信息，加上GIS系統的應用，使用戶更加直觀地了解機械的位置信息。

2.3.1 手機接口

手機接口是監控系統開放給用戶的友好訪問入口之一。用戶的手機號碼通過在監控中心注冊，獲得監控中心分配的用戶名、密碼及監控系統手機接口命令格式，即可通過該號碼查詢被監控機械的工作參數，或呼叫被監控機械最新工作狀態.包括機械各項工作參數和人性化的位置信息。

應用手機接口的系統運作流程如下：用戶手機通過GSM/GPRS網發送命令至監控中心，監控中心分析接收到的命令，進行相應動作—— 如果是查詢機械某一天的工作參數，則調出相應內容，再以GSM短消息方式回復用戶；如果是呼叫機械當前最新狀態，則監控中心以適當的無線通訊方式將呼叫命令發送給相應機械，目標機械車載終端接收到命令后，通過車載計算機進行分析，調用機械工作狀態檢測系統的檢測結果，以GPRS網絡方式將機械的工作信息發回監控中心，監控中心再以短消息方式回復用戶。

2.3.2 互聯網接口

互聯網接口是監控系統開放給用戶的另一友好訪問入口。互聯網接口需要一臺上網計算機，其優點是：數據量大，可查詢被監控機械的所有歷史通訊信息，可直觀地看到機械某一時間段內整體工作性能曲線，由于互聯網接口內嵌地理信息系統，除可直觀地看到機械在地圖上所處位置外，監控中心電子地圖的基本操作，諸如地圖放大、縮小、平移、測量距離等功能，互聯網接口也均具備。系統登陸界面如圖3所示。

3 工程機械的大數據處理

面對大數據時代的到來，數據已海量出現在各個領域，為了有效解決工程機械建設上大數據問題，本文將基于目前工程機械對大數據量的需求，構建從整體上滿足管理部門對工程機械的遠程實時監控和大數據量的消息推送兩大主要功能需要。

工程機械行業大數據的“四V”特性[6]表現如下：

（1）量大（Volume Big）。每臺工程車第1分鐘更新一次位置信息及故障信息；每5分鐘更新一次工況信息。監控中心平均每分鐘接收10次用戶查詢；每天活躍用戶超過十萬人。

（2）多樣化（Variable Type）。數據類型不公包括位置信息、工況信息、故障信息、車輛屬性、保養信息、維修信息等文本信息，還包括工程車視頻監控現場的音頻視頻信息。用戶接口還要接收大量的網頁信息、圖片信息等半結構化和非結構化數據信息。

（3）快速化（Variable Type）。工程車的位置信息、工況信息、故障信息等數據流為高速、實時信息。系統數據更新速度極快；對用戶查詢的響應速度也極為迅速。

（4）價值高和密度低（Value High and Low Density）。以故障信息為例，在連續幾個月的故障信息監控中，出現故障的情況可能僅有1次，但只有通過分析整個故障信息流才能高效、準確地診斷出故障。

4 大數據的快速存取與共享

為滿足大數據量的快速存取與數據共享，系統將建立采用大數據技術建立非結構化數據庫，對工程機械相關數據統一匯總、分析和處理。數據庫包括工程車詳細的車輛屬性、工況信息、報警信息、故障信息、保養信息、維修信息、位置信息、音頻信息、視頻信息、專家庫信息等。建立以數據庫為核心的遠程智能監控與診斷系統，準確提供實時展現工程車的工作畫面，逐步實現工程器件的二維和三維場景再現；構建自動化專家系統，為故障診斷、高效節能、決策提供依據；以數據庫為基礎，構建基于SOA的服務接口，實現與ERP、CRM等系統的數據共享，并提供二次開發接口和各類增值服務[7]；建立面向服務的工程機械信息提醒與預警的消息推送系統，保證工程機械的定期維護與保養，對工程機械的違規操作或使用，以及工程機械故障發出預警。對工程機械大數據處理主要有以下幾方面：

（1）主機管理子系統

主機管理子系統可以查看所有車輛的檔案信息，包括設備編號、出廠日期、軟件版本號、工作時間、當前質保等信息；同時還能提供車輛的故障記錄、維修記錄、歷史工況等信息。

（2）位置服務子系統

位置服務能夠提供車輛的當前位置信息、歷史位置信息及歷史運動軌跡重放等功能；同時還能提供所在位置的故障信息。

（3）故障診斷子系統

故障診斷能提供車輛的故障信息、相同故障的所有車輛信息、故障的基本解決方法、故障的自動檢測等功能。

（4）鎖機管理子系統

鎖機管理能查看當時鎖機統計報表、鎖機日志查詢、批量鎖機解鎖作業、單一鎖機作業等功能。

（5）智能報警子系統

為了提高車輛的運行安全性，系統將對運行狀態進行監控，自動上報報警信息并進行自動報警及記錄。系統根據專家庫信息自動進行判斷，出現異常信息后，及時記錄當前工況信息、位置信息等相關信息并上傳到監控中心。

（6）版本控制子系統

實現車載終端遠程程序的更新與恢復功能。該子系統不僅可以更新車輛控制器等程序，還可以更新車載終端程序。子系統可以自動比對工程車控制程序的版本、車載終端版本與服務器上同類型的版本是否一致，如果不一致，自動下載程序，下載完畢確認無誤后提示用戶手動更新，或遠程控制手動更新。更新異常可以恢復原有程序。

（7）對外接口服務子系統

以服務的形式對外提供各類數據。供其他系統使用，支持二次開發的擴展應用。

5 結 語

通過工程機械遠程監控系統，企業還能及時監控機械設備是否被合理使用。是否按規定及時科學保養，機械設備工作的時間段和累計工作時間是多少等等，為工程機械的有效使用提供了有力保證。本系統合理地解決了工程機械行業的大數據問題，同時在工程機械行業得到了廣泛地應用，效果良好，運行結果表明了本系統的可行性和實用性。

參 考 文 獻

[1] 許凱.基于WebGIS的工程機械綜合服務系統的研究與開發[D].南京：東南大學，2010.

[2] 孟小峰，慈祥.大數據管理：概念、技術與挑戰[J].計算機研究與發展，2013，50（1） ：37.

[3] 秦曉珠，李晨暉，麥范金.大數據知識服務的內涵、典型特征及概念模型[J].情報資料工作，2013（2） ：18-22.

[4] 宋偉，何斌，王延剛，等.面向工程機械控制系統開發的信息集成管理平臺研究[J].機械制造，2013，51（1）：1-4.

[5] 王輝，邵貝恩.WebGIS在工程機械遠程監控系統中的應用研究[J].微計算機信息，2006，22（28）：4-6 .

[6] 陳如明.大數據時代的挑戰價值與應對策略[J].移動通信，2012，36（17）：14-15.

[7] 曹勇，王龍寶.大數據時代工程機械遠程監控與信息推送[J].市場周刊·理論研究，2013（5）：131-133.