5、智能制造出大量智能产品

    5.1 节能挖掘机

    液压挖掘机是一种重要的土石方开挖工程机械设备。各种类型的液压挖掘机已经在建筑、交通运输、水利电力、农田改造、矿山采掘等工程中得到广泛的应用。据统计，目前全世界约有65％-70％的土石方施工工程是由挖掘机来完成的。目前我国正处在高速发展阶段，基础设施的建设和修复工作任务繁重，对液压挖掘机有巨大的需求。

    鉴于全球范围内能源短缺以及日趋严格的排放法规，为降低产品的能耗和排放，提高产品的竞争力和对未来市场的占有率，各工程机械制造商开始重视工程机械节能技术的研究与应用。作为工程机械的典型产品—液压挖掘机，由于其负载工况恶劣，发动机受到负载波动的影响大，传统挖掘机发动机的工作点大部分时间处于低效区，而且系统因能量的转换环节多，造成油耗大，能量利用率低，排放增加；因此，展开节能减排技术研究，降低油耗、减少排放、提高挖掘机能量利用率已成为当前国内外研究热点。

    对于挖掘机节能技术的研究，多数集中在提高相关元件的性能、改进液压系统和提高动力系统与液压系统的功率匹配等方面，已在国内外研究多年，技术也可谓非常成熟，今后除非有大的突破，否则难以大幅度的改善节能效果。目前正在流行的混合动力技术开始受到各大工程机械厂家的重视，引入能量转换和储能装置可将动臂下降势能和回转制动动能进行回收再利用，能有效降低挖掘机燃油消耗，提高工作效率，并改善尾气排放。

    山河智能一直致力于工程机械绿色节能技术和产品的研发。当前世界范围内能源短缺和环境污染问题日趋严重，工程机械由于其用量大、耗油高、排放差，已逐渐成为人们普遍关注的主要对象。经过十年来的高速发展，目前中国已成为全世界最大的工程机械市场，挖掘机的市场保有量超过170万台。山河智能从2006年起开展了液压挖掘机混合动力节能技术的研究工作。在坚持自主研发的同时，山河智能开拓创新，承担了包括863计划和科技支撑计划在内的多个国家级项目，成为首个承担国家混合动力工程机械项目团队。2009年公司相继承担了国家科技部“工程机械混合动力系统的优化控制及能量回收技术（2009AA044402）”和“新型混合动力工程机械关键技术及系统开发与示范应用（2010AA044401）”两项科技项目的研究，并于2010年8月完成国内首台自主研发的商品化油电混合动力挖掘机的研制。

    但面临着电动系统及元件高成本、转换环节复杂，市场接受程度低等问题，项目团队开始寻找性价比高、转换环节少、节能效率更高的节能技术，从2011年初在小型、中大型液压挖掘机上展开了基于液压蓄能器的能量回收利用技术的研究。在多项国家级863计划及科技支撑项目的基础上，创新性地提出了基于新型动臂结构和液压储能单元的混合动力系统，突破了蓄能器与多缸间的动臂势能增压交互回收利用、泵马达可升压能量回收与利用、基于流量自匹配的回转能量回收、能量回收系统核心节能元件等关键技术，授权了以“一种挖掘机动臂”、“工作装置势能回收液压系统”等为核心的16项发明专利，开发了SWE70ES、SWE230-S、SWE350ES、SWE385ES等系列节能挖掘机专利产品。在通过上万小时多种复杂恶劣工况下的实地现场可靠性试验后，该节能产品已实现了批量推广应用。

    项目成果荣获长沙市科技进步一等奖、长沙市知识产权转化优秀项目、湖南省专利二等奖，参编著作1本，制定产品技术标准4项。国家建筑城建机械质量监督检验中心检验报告：“节能挖掘机SWE350ES与传统机型相比，在相同作业工况条件下，单作业循环耗油量降低18.2%，尾气的不透光烟度降低了58.0%”。经湖南省科技厅组织专家鉴定：“节能挖掘机整体技术达到国际先进水平，其中能量回收利用技术居国际领先水平”。 SWE350ES节能挖掘机被评为2014年湖南省百项重点新产品，SWE385ES液压混合动力挖掘机荣获“2015年中国工程机械年度产品TOP50”。

    山河智能系列节能挖掘机已广泛应用于工业、农业、水利、国防建设等领域，产品畅销国内外。2015年项目成果SWE350ES及SWE385ES节能挖掘机产品经山西露天矿山现场比拼，相同工况下本项目产品单位时间油耗最低，减少燃油消耗25%以上，一举签订100台订单。湖南省防汛抗旱指挥部一次性购买中大型挖掘机20多台，江西省水利厅购买中大型挖掘机30多台，在湖南、江西、福建等地为防汛抗旱等国家重点工程项目和应急救援体系建设做出了贡献。同时该项目产品为部队列装产品，在舟曲泥石流、玉树地震等抗灾救援中，主要承担了泥石流清障、开通道路等重要工作，得到了当地人民和救援部队的高度称赞，产生了良好的社会效益，为国家基础建设、农业、水利和国防建设贡献了力量。

图12 ：节能挖掘机

    5.2 智能化挖掘机

    挖掘机是一种用途广泛的工程机械产品，在交通运输、采矿、建筑、军事工程等行业发挥着重要作用；随着施工领域的扩展、施工质量要求以及排放标准的提升，传统挖掘机在施工精度、环境适应能力、节能环保等方面的不足日趋凸显；尤其在极端气候、排爆抢险、强污染源等严重威胁人类生命安全的环境下，传统挖掘机不具备完成施工任务的能力。进行挖掘机的智能化研究，研制具备精确施工、远程及辅助作业能力、高效节能等特点的智能挖掘机是解决上述问题的有效途径之一；但负载多变性、系统非线性等因素都为智能挖掘机的研发增加了难度，目前国内外智能挖掘机的关键技术尚未进入工程化推广阶段。

    针对上述问题，在“863”计划、“十二五国家科技支撑计划”等项目支持下，项目组开展了挖掘机智能操控、非结构环境的辅助作业、节能控制、智能控制系统等关键技术的研究、开发与应用，并取得了一系列成果，主要科技创新如下：

    （1）针对液压系统高度非线性及负载时变性带来的控制难题，提出了一种液压系统前馈控制与数据插补拟合相结合的方法，保证了轨迹跟踪控制精度；在此基础上，发明了一种基于系统参数与姿态参数的双闭环在线自学习的控制方法，实现了在复杂工况下的高精度在线示教施工作业，大幅提高了施工效率。

    （2）针对传统挖掘机在非结构化与极端环境中的施工难题，开发了可视化、低延时、高精度的遥控操作系统，实现了挖掘机超视距无线遥控的工程化应用；开发了基于多传感器数据融合的辅助作业系统，实现了多模式辅助作业功能；发明了一种多自由度铲斗摆转装置，大幅提升了挖掘机环境适应能力。

    （3）研究了挖掘机全局动态功率匹配、挖掘机能量回收等关键技术，以挖掘机瞬变大负载能量回收共性特征为切入点，进行多源能量管理算法研究，提出了挖掘机瞬变大负载能量回收与作业性能的多目标协同优化控制方法。

    （4）构建了多系统综合虚拟设计平台，解决了挖掘机多物理系统强耦合造成的设计难题，提出了智能挖掘机远程、地面、车载三级控制架构，研制了基于该架构的电液控制系统，提升了挖掘机的信息化与智能化水平。

    项目成果获湖南省科技进步一等奖，长沙市科技进步一等奖，授权发明专利9项，获中国专利优秀奖1项。编写专著 1 本，制定国家及行业标准 4 项；先后研制了 SWE-17E、SWE230-S 等 4 款智能挖掘机科研样机，经湖南省科技厅鉴定：智能挖掘机整体技术达到国际先进水平，其中小型挖掘机的智能化控制技术与混合动力挖掘机节能技术居国际领先水平。项目成果可移植性好，已批量应用于山河智能系列挖掘机产品；截止2017 年 12 月，相关产品累计销售近 2000 台，销售额达 15 亿。项目产品已批量列装部队，参与舟曲泥石流抢险救灾，为保障人民群众人身财产安全做出了贡献。项目成果推动了挖掘机施工模式的转变，拓展了挖掘机的应用领域，引领了行业的发展，树立了民族品牌的新形象。

    5.3 无人机

    山河智能于2002年开始进行航空装备研制工作，研制产品包括载人轻型飞机以及无人驾驶航空器（无人机）两大类产品。由山河智能子公司山河科技所研制的SA60L两座轻型飞机是我国首款具有自主知识产权的复合材料轻型运动飞机，也是国内首款获得中国民航适航认证和PC（生产许可）认证的轻型运动飞机；自主研制的国内首款全碳纤维复合材料结构的五座轻型飞机也于2016年10月28日正式下线，参加第十届珠海航展，赢得了行业专家的高度肯定和好评；公司在通用航空领域已初步树立了自己的民族品牌。

 
 
图13：山河智能无人机

    另外，公司在无人直升机复合材料机体平台结构设计、旋翼及传动系统制造工艺、动力系统匹配、飞行控制系统集成开发、整机系统飞行调试等方面进行了系列技术攻关，突破多项关键技术。

    复合材料机体平台的设计与制造：进行无人直升机气动外形和全复合材料机体平台的三维数字化设计研究，设计具有先进空气动力学外形的动力平台，外壳全部采用复合材料硬壳式结构，强度高，质量轻，雷达反射面积小。对机架进行最优化设计，采用高强度合金钢管焊接，确保结构牢固、重量轻；同时考虑负载安装空间，提高机体平台的综合适应能力。

图14：进行无人直升机气动外形和全复合材料机体平台的三维数字化设计研究

    旋翼系统及传动系统的研究与制造工艺：开发独有的双跷跷板式结构、四旋翼系统，确保结构简单、检查方便，易于拆装运输。研究金属旋翼叶片的加工工艺及精密制造、金属旋翼叶片的性能测试及空气动力学性能；研究旋翼减摆器的运动特性、工作机理、试验研究及精密制造；桨毂系统及桨夹部件优化设计及制造；旋翼叶片及减摆器的特殊工装及加工工艺；整个旋翼系统数学模型的建立及空气动力学等。攻克制造及装配技术瓶颈，大大提升旋翼叶片的加工精度和旋翼系统装配质量，保证旋翼系统运行稳定可靠。优化传动系统，定制主减速系统和尾减速系统，提高加工制造精度，提升传动系统效率和可靠性。

    发动机及附属系统的匹配；系统动力采用活塞式水冷发动机，为有效降低发动机噪音，研究带加速管及消音功能的排气系统，提升发动机输出功率，提高带任务负载的能力。研究高效的发动机冷却方式，优化进风口与排气口设计，有效降低发动机工作温度，使之适应恶劣高温天气，提高悬停工作时间。

    在2011年，公司自主研发的轻型运动飞机获得中国民航局的型号认证，2013年获得了飞机的生产许可证，如图3.3和3.4所示。公司自主研制的3ZD-10植保机在2015年获得了湖南省农机局鉴定。2017年，“SUMP山河无人机系统”经公安部安全与警用电子产品质量检测中心检验并通过鉴定。

    6、建设及完善山河“智•能量”物联网服务平台，实时反馈智能制造大数据，同时实现“保姆式”售后服务

    山河“智•能量”物联网服务平台为山河智能在研发、品管、营销、售后人员及代理商带来了许多便利，研发人员通过平台远程监测设备的水温、转速、油位等运行参数，跟踪验证新产品的可靠性和稳定性，辅助分析产品出现故障的原因，缩短了产品的开发周期；品管部门通过平台监督服务人员对样机的定时点检；销售人员通过平台所提供的信息可以实时跟踪机器的发货情况，根据平台统计的机器工作时间分析各地的开工量，挖掘潜在市场，寻找商机。平台可以针对不同机型，制定相应的保养策略，提示售后人员及时对车辆进行保养。此外，平台中机器的历史工况信息和报警信息，为售后人员进行远程故障诊断提供了依据；代理商可以在平台实时监控、管理自己的车辆，确保资产安全。

    山河智能通过综合运用传感器技术、PLC技术、GPS/北斗卫星定位技术、GIS地理信息技术、GPRS无线通讯技术、分布式服务器技术、互联网技术及大数据分析技术建立了“智•能量”物联网平台。该平台支持10万台设备同时在线，具备设备定位、查看运行信息及传感器信息、远程控制的功能。后台软件对大量设备数据进行计算分析，通过Web将设备信息实时展示给用户。

图15：山河“智•能量”物联网服务平台

    通过“智•能量”物联网平台，公司实现对工程机械主机产品的入库检验、物流发货、样机点检、设备销售、设备施工全过程进行监控。

    主机在生产下线完成时已安装了GPS模块，GPS模块接入物联网平台，品质检验员通过平台可以实时监控调试过程，查看调试状态，通过传感器数据及时发现设备存在的问题，在设备出厂之前消除隐患。

图16：GPS模块

    主机在发货过程中，发货员通过发货订单可以实时监控主机物流情况，确保主机按时运输至代理商或客户处。

    主机在销售之前，需要定时启动设备进行点检，品质检验员通过平台可以查看库存主机每个月的点火时间，每次启动的时间，保证主机点检工作按时按质进行。

    在支持公司营销、售后方面，平台可以按月、周、日统计开工时间；按区域统计设备数量和开工率，形成大数据基础；确定重点服务区域和销售区域；定向推销主机、配件以及相关保险服务；向集团公司各部门、有合作的地方政府定期提供统计数据。

    物联网平台在助力公司打造精品产品的同时，结合RTK定位系统，为客户提供完善的打桩放线解决方案，实现了让桩机操作人员像使用车载导航一样使用打桩导航，无需提前放线且解决了夜间和雨天放线难的问题。

    以打桩定位为基础，平台实现桩机实时位置信息查看、桩位偏差测量、打桩数量统计，可以自动生成施工记录表。操作人员可以从平台自动下载项目信息、施工图纸，同时将自动生成的施工记录表上传至平台。

    物联网平台同时解决了桩工基础施工过程质量无法监管的问题，打破了施工质量一直处于“良心桩”的困局。控制器通过传感器采集压力、深度、流量等数据，并通过GPS以10秒/条的频率上传至平台，桩工基础施工过程以“录影带”的形式存放在了数据平台，监理部门可以在任何时候查看历史施工过程。

图17：物联网平台实现了桩工基础施工过程质量实时监管

    公司自主研发的SWMC控制器、SWCM显控一体机、SWIS201倾角传感器及SWIO模块为物联网平台提供了可靠的数据来源，SWMC 控制器充分考虑了户外移动车辆的恶劣工作环境，对于宽温、高湿度、强腐蚀、大振动有极佳的适应能力，整机环境试验标准以《GB/T 2423》为准；电磁兼容性以《ISO 13766》为标准；具备高防护等级IP 67。

    SWMC 控制器采用飞思卡尔汽车级专用芯片，拥有微控制器与数字信号处理器的双重特点（ HYBRID CORE ），兼顾了控制性能的优化与数字运算速度，使控制器在完成普通控制功能的同时，具有完成复杂算法的能力。

    在输入信号部分，SWMC 可采集模拟电压、电流、电阻信号以及开关信号与频率信号，这些输入端具有相应保护电路，防止过压与电气干扰。其中，频率信号采集电路可采集标准矩形波、标准正弦波、幅值有偏移的正弦波，峰峰值变化的正弦波等多种信号，适用面广、可靠性高、抗干扰性强。