結合物聯網技術的施工機械單機核算研究

郭文奇

（中鐵九局第七工程有限公司，遼寧沈陽 100044）

0 引言

機械設備支出占企業施工支出的很大一部分，如何控制機械設備成本便成為控制施工成本的一項重要內容。單機核算可以通過設備成本與產值的對比分析，找出利潤損失點，為企業制定機械施工成本控制措施提供基礎數據支持。但是，采用人工記錄數據的單機核算按月計算產值，如果涉及多臺設備一起施工或者設備調度頻繁等復雜情況，只能統計多臺設備總計的產值，無法準確辨別單臺設備的產值。而物聯網可以實現對數據的實時采集、傳輸與處理，它與施工機械設備單機核算結合，讓單機核算更加的信息化、智能化，彌補單機核算數據采集難度大、人為因素影響高、核算周期難以縮短等缺點。

1 物聯網概述

物聯網體系架構可分為3 層：感知層、傳輸層和應用層。

感知層相當于人體的感知器官，由傳感器、執行器與控制器及傳感網絡構成，是聯系物理世界與虛擬世界的紐帶。傳感器是把物理信號轉換成數字信號的儀器，下面利用油耗傳感器、GPS（Global Positioning System，全球定位系統）、角位移傳感器3 種傳感器對施工機械數據進行采集。油耗傳感器需要精確的油箱體積，通過測量油面高度，計算燃油消耗。由于短時間內油面高度變化不大，很難準確測量。為了提高測量準確性，本文以每天為計量周期測量油耗。GPS 定位系統可以通過定位判定施工機械的位置和行走狀態，角位移傳感器可以用來測量角位移量和轉動狀態。

傳輸層是對采集到的數字信號的進行傳輸，包括NFC（Near Field Communication，近場通信）、Wi-Fi（Wireless Fidelity，無線上網）等近場通信技術和GPRS（General Packet Radio Service通用分組無線服務技術）等遠距離傳輸技術。

應用層是在終端把傳輸層傳送過來的數字信號轉換成數據，并利用終端設備對數據進行整理的分析。把分析計算過程集成到終端軟件中，讓最終結果和數據一目了然。

2 單機核算

單機核算是通過對比相同周期內的單機產值和單機成本，確定單機盈虧的一種核算方法。

2.1 單機產值核算

人工計量產值的方法由于人力物力有限，一般每月只對單機產值統計一次。如果縮短計量周期會增加產值的計量難度，且隨著計量頻次的增加，受人為因素的影響增大，結果的準確性依賴于計量者責任心。在多臺設備同時施工或者設備調動頻繁的施工中，人工計量產值只統計多臺設備周期內的總產值，無法準確區分周期內每臺設備的產值。

物聯網技術的應用，可以隨時通過傳感器分別記錄每臺設備的工作狀態，計算任意時間段內的產值。施工機械工作狀態可分為3 種：待機狀態、行走狀態、施工狀態。只有施工狀態是產生產值的，只需要記錄施工狀態就可以準確統計產值。

以挖掘機為例，通過安裝在挖掘機上角位移傳感器記錄的大臂旋轉狀態和GPS 定位系統記錄的行走狀態判斷挖掘機的3種工作狀態。挖掘機位置不移動，大臂也不轉動時，判定為待機狀態。挖掘機位置不移動，但大臂轉動但時，判定為施工狀態。挖掘機位置移動，但大臂不轉動時，判定為行走狀態。根據挖掘機工作性質，不存在一邊轉動大臂、一邊移動位置的狀態。

計算挖掘機施工狀態工程量時，計量周期可以任意選取Ln=Anαn。其中，Ln是計量周期內某種施工的工程量，αn計量周期內是某種施工的大臂轉動總角位移，An是某種施工單位角位移的工程量。An需要實驗得出，實際現場測量一定時間內某種施工的工程量Ln'和相同時間內的總角位移αn'，單位角位移的工程量計算公式為，則挖掘機計量周期內的單機產值計算公式為。其中，Z 是計量周期內的單機產值，Dn是某種施工的工程單價。

此方法在多臺施工機械同時進行同種施工時，對辨別每臺設備的產值和縮短單機核算的計量周期有明顯優勢。

2.2 單機成本核算

根據成本組成不同可把設備分為租賃設備和購買的自有設備。設備成本又可分為固定成本和變動成本。

（1）租賃設備的成本包括燃油動力費和租賃費。其中，變動成本為燃油動力費，固定成本為租賃費。

（2）購買的自有設備的變動成本包括：燃油動力費（部分設備使用的電力費、水費）、材料費（各種附屬油、棉紗等）、配件費（自行更換的配件保養件等）、年費分攤（年檢費、校驗費等）、維修費（外廠維修和單位自行維修）、其他直接費（二次運轉費、冬季施工及夜間施工增加費等）；固定成本包括：折舊費、保險費、管理費、機組人工基礎工資及津貼、設備大修理預提費。

（3）總成本為變動成本與固定成本之和，G=Y+Q。其中，G 是計量周期內的總成本，Y 是計量周期內的變動成本，Q 是計量周期內的固定成本。

燃油動力費管理是單機成本核算中的重點內容，不僅管理難度大，而且統計容易出差錯。把燃油動力費核算與物聯網技術結合，通過油耗傳感器采集計量周期內的燃油消耗量，再乘以燃油單價就可以準確計算出計量周期內的燃油動力費。相比于人工記錄油耗，物聯網技術可以直接把燃油消耗數據傳送到計算機終端，并在終端對燃油消耗進行分析，判斷是否消耗異常。

人工記錄數據的油耗分析是通過記錄單臺設備一段時間內的總燃油消耗量除以總開機時間，得出單位時間平均油耗量。但是施工機械有多種不同工作狀態，油耗也是不同的。一般情況下的油耗順序為：施工狀態油耗＞行走狀態油耗＞待機狀態油耗。根據總工作時間求得的平均油耗，會因為施工內容的不同產生較大的誤差，很難判斷出數據是否異常。例如發現挖掘機某天油耗異常增高，可能是由于當天施工時間增長，待機時間縮短導致，不能準確判斷油耗是否異常。

結合物聯網技術，可以準確統計出處在3 種不同工作狀態的時間，計算3 種工作狀態的油耗。因為油耗傳感器靈敏度低，精度不高，3 種工作狀態又反復交叉。每種狀態時間短，直接記錄每種狀態油耗誤差大，所以不直接計量某種工作狀態的油耗，而是通過計量工作狀態的時間，再根據每天采集的油耗總量計算每種工作狀態的油耗。

連續測量n 天油耗和時間數據，第n 天的待機狀態總時間為tan，行走狀態總時間為tbn，施工狀態總時間為tcn，油耗量為yn。因為施工機械在相同工作狀態時，燃油消耗速度基本相同，所以可設待機狀態燃油消耗速度為xa，行走狀態燃油消耗速度為xb，施工狀態燃油消耗速度為xc。在第n 天可得如下方程：

從第1 天到第n 天，所有yn組成了一個n 個等式，3 個未知量的超定方程組。

將上述方程組向量化得到數學模型：TX=Y。其中，

此方法需要保證前四組數據的油耗是正常的，才可以正確擬合回歸方程。每次獲得數據可以更新回歸方程，數據越多，回歸方程準確性越高。

上述模型只可檢測出由于油箱漏油、燃油丟失等原因造成的油耗的突然變化導致的油耗異常。由于設備老化、燃油質量不佳等原因導致到長期性油耗異常，此模型無法檢測。

2.3 單機核算對機械施工的動態優化作用

單機核算的主要作用是確定每臺設備的盈虧情況。通過對比分析盈虧值，找到機械施工和成本管理的薄弱環節，并驗證改正措施的有效性，最終達到減少利潤流失，提升管理水平的目的。

某計量周期內單機核算的盈虧值R 可以表達為R=Z-G。式中三者的計量周期相同。如果R＞0，則計量周期內是盈利的；如果R＜0，則計量周期內是虧損的；如果R=0，則計量周期內是不虧不盈的。

將核算實際的盈虧值與目標盈虧值比較，如果實際的盈虧值達到預期目標，則保持現在有的設備管理內容；如果實際的盈虧值沒有達到預期，則可從單機產值和單機成本兩方面分析原因并提出改正措施。最后再通過單機核算對改正措施進行驗證，改正后的實際盈虧值達到預期目標，那么改正措施合理。

從上訴論述可以看出，單機核算的結果可以對機械施工進行一種動態的優化。單機核算的計量周期越短，機械施工的動態優化頻率就越高，對優機械施工管理就越有利。人工記錄數據的單機核算由于計量周期較長，計量周期內施工種類多，很難準確確定是哪天、哪種施工導致的虧損，無法正確地提出改正措施，減弱了單機核算的動態優化作用。而結合物聯網技術，可以把單機核算的周期縮短到按天計量而又不失準確性。

3 結論

把物聯網技術與單機核算結合，可以提高核算的信息化與智能化，在不增加人力的前提下，縮短核算周期。在計算多臺設備進行同種施工的單機產值時，結合物聯網技術可以清晰確認每臺設備的產值。在對燃油消耗成本異常的分析中，結合物聯網技術準確測出設備處在不同工作狀態的時間，通過最小二乘法計算出每種狀態油耗，可以避免由于工作狀態改變導致的油耗異常。結合物聯網技術可以提高單機核算對機械施工進行動態優化的頻率，增強動態優化的作用。