5、智能制造出大量智能產品

    5.1 節能挖掘機

    液壓挖掘機是一種重要的土石方開挖工程機械設備。各種類型的液壓挖掘機已經在建筑、交通運輸、水利電力、農田改造、礦山采掘等工程中得到廣泛的應用。據統計，目前全世界約有65％-70％的土石方施工工程是由挖掘機來完成的。目前我國正處在高速發展階段，基礎設施的建設和修復工作任務繁重，對液壓挖掘機有巨大的需求。

    鑒于全球范圍內能源短缺以及日趨嚴格的排放法規，為降低產品的能耗和排放，提高產品的競爭力和對未來市場的占有率，各工程機械制造商開始重視工程機械節能技術的研究與應用。作為工程機械的典型產品—液壓挖掘機，由于其負載工況惡劣，發動機受到負載波動的影響大，傳統挖掘機發動機的工作點大部分時間處于低效區，而且系統因能量的轉換環節多，造成油耗大，能量利用率低，排放增加；因此，展開節能減排技術研究，降低油耗、減少排放、提高挖掘機能量利用率已成為當前國內外研究熱點。

    對于挖掘機節能技術的研究，多數集中在提高相關元件的性能、改進液壓系統和提高動力系統與液壓系統的功率匹配等方面，已在國內外研究多年，技術也可謂非常成熟，今后除非有大的突破，否則難以大幅度的改善節能效果。目前正在流行的混合動力技術開始受到各大工程機械廠家的重視，引入能量轉換和儲能裝置可將動臂下降勢能和回轉制動動能進行回收再利用，能有效降低挖掘機燃油消耗，提高工作效率，并改善尾氣排放。

    山河智能一直致力于工程機械綠色節能技術和產品的研發。當前世界范圍內能源短缺和環境污染問題日趨嚴重，工程機械由于其用量大、耗油高、排放差，已逐漸成為人們普遍關注的主要對象。經過十年來的高速發展，目前中國已成為全世界最大的工程機械市場，挖掘機的市場保有量超過170萬臺。山河智能從2006年起開展了液壓挖掘機混合動力節能技術的研究工作。在堅持自主研發的同時，山河智能開拓創新，承擔了包括863計劃和科技支撐計劃在內的多個國家級項目，成為首個承擔國家混合動力工程機械項目團隊。2009年公司相繼承擔了國家科技部“工程機械混合動力系統的優化控制及能量回收技術（2009AA044402）”和“新型混合動力工程機械關鍵技術及系統開發與示范應用（2010AA044401）”兩項科技項目的研究，并于2010年8月完成國內首臺自主研發的商品化油電混合動力挖掘機的研制。

    但面臨著電動系統及元件高成本、轉換環節復雜，市場接受程度低等問題，項目團隊開始尋找性價比高、轉換環節少、節能效率更高的節能技術，從2011年初在小型、中大型液壓挖掘機上展開了基于液壓蓄能器的能量回收利用技術的研究。在多項國家級863計劃及科技支撐項目的基礎上，創新性地提出了基于新型動臂結構和液壓儲能單元的混合動力系統，突破了蓄能器與多缸間的動臂勢能增壓交互回收利用、泵馬達可升壓能量回收與利用、基于流量自匹配的回轉能量回收、能量回收系統核心節能元件等關鍵技術，授權了以“一種挖掘機動臂”、“工作裝置勢能回收液壓系統”等為核心的16項發明專利，開發了SWE70ES、SWE230-S、SWE350ES、SWE385ES等系列節能挖掘機專利產品。在通過上萬小時多種復雜惡劣工況下的實地現場可靠性試驗后，該節能產品已實現了批量推廣應用。

    項目成果榮獲長沙市科技進步一等獎、長沙市知識產權轉化優秀項目、湖南省專利二等獎，參編著作1本，制定產品技術標準4項。國家建筑城建機械質量監督檢驗中心檢驗報告：“節能挖掘機SWE350ES與傳統機型相比，在相同作業工況條件下，單作業循環耗油量降低18.2%，尾氣的不透光煙度降低了58.0%”。經湖南省科技廳組織專家鑒定：“節能挖掘機整體技術達到國際先進水平，其中能量回收利用技術居國際領先水平”。 SWE350ES節能挖掘機被評為2014年湖南省百項重點新產品，SWE385ES液壓混合動力挖掘機榮獲“2015年中國工程機械年度產品TOP50”。

    山河智能系列節能挖掘機已廣泛應用于工業、農業、水利、國防建設等領域，產品暢銷國內外。2015年項目成果SWE350ES及SWE385ES節能挖掘機產品經山西露天礦山現場比拼，相同工況下本項目產品單位時間油耗最低，減少燃油消耗25%以上，一舉簽訂100臺訂單。湖南省防汛抗旱指揮部一次性購買中大型挖掘機20多臺，江西省水利廳購買中大型挖掘機30多臺，在湖南、江西、福建等地為防汛抗旱等國家重點工程項目和應急救援體系建設做出了貢獻。同時該項目產品為部隊列裝產品，在舟曲泥石流、玉樹地震等抗災救援中，主要承擔了泥石流清障、開通道路等重要工作，得到了當地人民和救援部隊的高度稱贊，產生了良好的社會效益，為國家基礎建設、農業、水利和國防建設貢獻了力量。

圖12 ：節能挖掘機

    5.2 智能化挖掘機

    挖掘機是一種用途廣泛的工程機械產品，在交通運輸、采礦、建筑、軍事工程等行業發揮著重要作用；隨著施工領域的擴展、施工質量要求以及排放標準的提升，傳統挖掘機在施工精度、環境適應能力、節能環保等方面的不足日趨凸顯；尤其在極端氣候、排爆搶險、強污染源等嚴重威脅人類生命安全的環境下，傳統挖掘機不具備完成施工任務的能力。進行挖掘機的智能化研究，研制具備精確施工、遠程及輔助作業能力、高效節能等特點的智能挖掘機是解決上述問題的有效途徑之一；但負載多變性、系統非線性等因素都為智能挖掘機的研發增加了難度，目前國內外智能挖掘機的關鍵技術尚未進入工程化推廣階段。

    針對上述問題，在“863”計劃、“十二五國家科技支撐計劃”等項目支持下，項目組開展了挖掘機智能操控、非結構環境的輔助作業、節能控制、智能控制系統等關鍵技術的研究、開發與應用，并取得了一系列成果，主要科技創新如下：

    （1）針對液壓系統高度非線性及負載時變性帶來的控制難題，提出了一種液壓系統前饋控制與數據插補擬合相結合的方法，保證了軌跡跟蹤控制精度；在此基礎上，發明了一種基于系統參數與姿態參數的雙閉環在線自學習的控制方法，實現了在復雜工況下的高精度在線示教施工作業，大幅提高了施工效率。

    （2）針對傳統挖掘機在非結構化與極端環境中的施工難題，開發了可視化、低延時、高精度的遙控操作系統，實現了挖掘機超視距無線遙控的工程化應用；開發了基于多傳感器數據融合的輔助作業系統，實現了多模式輔助作業功能；發明了一種多自由度鏟斗擺轉裝置，大幅提升了挖掘機環境適應能力。

    （3）研究了挖掘機全局動態功率匹配、挖掘機能量回收等關鍵技術，以挖掘機瞬變大負載能量回收共性特征為切入點，進行多源能量管理算法研究，提出了挖掘機瞬變大負載能量回收與作業性能的多目標協同優化控制方法。

    （4）構建了多系統綜合虛擬設計平臺，解決了挖掘機多物理系統強耦合造成的設計難題，提出了智能挖掘機遠程、地面、車載三級控制架構，研制了基于該架構的電液控制系統，提升了挖掘機的信息化與智能化水平。

    項目成果獲湖南省科技進步一等獎，長沙市科技進步一等獎，授權發明專利9項，獲中國專利優秀獎1項。編寫專著 1 本，制定國家及行業標準 4 項；先后研制了 SWE-17E、SWE230-S 等 4 款智能挖掘機科研樣機，經湖南省科技廳鑒定：智能挖掘機整體技術達到國際先進水平，其中小型挖掘機的智能化控制技術與混合動力挖掘機節能技術居國際領先水平。項目成果可移植性好，已批量應用于山河智能系列挖掘機產品；截止2017 年 12 月，相關產品累計銷售近 2000 臺，銷售額達 15 億。項目產品已批量列裝部隊，參與舟曲泥石流搶險救災，為保障人民群眾人身財產安全做出了貢獻。項目成果推動了挖掘機施工模式的轉變，拓展了挖掘機的應用領域，引領了行業的發展，樹立了民族品牌的新形象。

    5.3 無人機

    山河智能于2002年開始進行航空裝備研制工作，研制產品包括載人輕型飛機以及無人駕駛航空器（無人機）兩大類產品。由山河智能子公司山河科技所研制的SA60L兩座輕型飛機是我國首款具有自主知識產權的復合材料輕型運動飛機，也是國內首款獲得中國民航適航認證和PC（生產許可）認證的輕型運動飛機；自主研制的國內首款全碳纖維復合材料結構的五座輕型飛機也于2016年10月28日正式下線，參加第十屆珠海航展，贏得了行業專家的高度肯定和好評；公司在通用航空領域已初步樹立了自己的民族品牌。

 
 
圖13：山河智能無人機

    另外，公司在無人直升機復合材料機體平臺結構設計、旋翼及傳動系統制造工藝、動力系統匹配、飛行控制系統集成開發、整機系統飛行調試等方面進行了系列技術攻關，突破多項關鍵技術。

    復合材料機體平臺的設計與制造：進行無人直升機氣動外形和全復合材料機體平臺的三維數字化設計研究，設計具有先進空氣動力學外形的動力平臺，外殼全部采用復合材料硬殼式結構，強度高，質量輕，雷達反射面積小。對機架進行最優化設計，采用高強度合金鋼管焊接，確保結構牢固、重量輕；同時考慮負載安裝空間，提高機體平臺的綜合適應能力。

圖14：進行無人直升機氣動外形和全復合材料機體平臺的三維數字化設計研究

    旋翼系統及傳動系統的研究與制造工藝：開發獨有的雙蹺蹺板式結構、四旋翼系統，確保結構簡單、檢查方便，易于拆裝運輸。研究金屬旋翼葉片的加工工藝及精密制造、金屬旋翼葉片的性能測試及空氣動力學性能；研究旋翼減擺器的運動特性、工作機理、試驗研究及精密制造；槳轂系統及槳夾部件優化設計及制造；旋翼葉片及減擺器的特殊工裝及加工工藝；整個旋翼系統數學模型的建立及空氣動力學等。攻克制造及裝配技術瓶頸，大大提升旋翼葉片的加工精度和旋翼系統裝配質量，保證旋翼系統運行穩定可靠。優化傳動系統，定制主減速系統和尾減速系統，提高加工制造精度，提升傳動系統效率和可靠性。

    發動機及附屬系統的匹配；系統動力采用活塞式水冷發動機，為有效降低發動機噪音，研究帶加速管及消音功能的排氣系統，提升發動機輸出功率，提高帶任務負載的能力。研究高效的發動機冷卻方式，優化進風口與排氣口設計，有效降低發動機工作溫度，使之適應惡劣高溫天氣，提高懸停工作時間。

    在2011年，公司自主研發的輕型運動飛機獲得中國民航局的型號認證，2013年獲得了飛機的生產許可證，如圖3.3和3.4所示。公司自主研制的3ZD-10植保機在2015年獲得了湖南省農機局鑒定。2017年，“SUMP山河無人機系統”經公安部安全與警用電子產品質量檢測中心檢驗并通過鑒定。

    6、建設及完善山河“智•能量”物聯網服務平臺，實時反饋智能制造大數據，同時實現“保姆式”售后服務

    山河“智•能量”物聯網服務平臺為山河智能在研發、品管、營銷、售后人員及代理商帶來了許多便利，研發人員通過平臺遠程監測設備的水溫、轉速、油位等運行參數，跟蹤驗證新產品的可靠性和穩定性，輔助分析產品出現故障的原因，縮短了產品的開發周期；品管部門通過平臺監督服務人員對樣機的定時點檢；銷售人員通過平臺所提供的信息可以實時跟蹤機器的發貨情況，根據平臺統計的機器工作時間分析各地的開工量，挖掘潛在市場，尋找商機。平臺可以針對不同機型，制定相應的保養策略，提示售后人員及時對車輛進行保養。此外，平臺中機器的歷史工況信息和報警信息，為售后人員進行遠程故障診斷提供了依據；代理商可以在平臺實時監控、管理自己的車輛，確保資產安全。

    山河智能通過綜合運用傳感器技術、PLC技術、GPS/北斗衛星定位技術、GIS地理信息技術、GPRS無線通訊技術、分布式服務器技術、互聯網技術及大數據分析技術建立了“智•能量”物聯網平臺。該平臺支持10萬臺設備同時在線，具備設備定位、查看運行信息及傳感器信息、遠程控制的功能。后臺軟件對大量設備數據進行計算分析，通過Web將設備信息實時展示給用戶。

圖15：山河“智•能量”物聯網服務平臺

    通過“智•能量”物聯網平臺，公司實現對工程機械主機產品的入庫檢驗、物流發貨、樣機點檢、設備銷售、設備施工全過程進行監控。

    主機在生產下線完成時已安裝了GPS模塊，GPS模塊接入物聯網平臺，品質檢驗員通過平臺可以實時監控調試過程，查看調試狀態，通過傳感器數據及時發現設備存在的問題，在設備出廠之前消除隱患。

圖16：GPS模塊

    主機在發貨過程中，發貨員通過發貨訂單可以實時監控主機物流情況，確保主機按時運輸至代理商或客戶處。

    主機在銷售之前，需要定時啟動設備進行點檢，品質檢驗員通過平臺可以查看庫存主機每個月的點火時間，每次啟動的時間，保證主機點檢工作按時按質進行。

    在支持公司營銷、售后方面，平臺可以按月、周、日統計開工時間；按區域統計設備數量和開工率，形成大數據基礎；確定重點服務區域和銷售區域；定向推銷主機、配件以及相關保險服務；向集團公司各部門、有合作的地方政府定期提供統計數據。

    物聯網平臺在助力公司打造精品產品的同時，結合RTK定位系統，為客戶提供完善的打樁放線解決方案，實現了讓樁機操作人員像使用車載導航一樣使用打樁導航，無需提前放線且解決了夜間和雨天放線難的問題。

    以打樁定位為基礎，平臺實現樁機實時位置信息查看、樁位偏差測量、打樁數量統計，可以自動生成施工記錄表。操作人員可以從平臺自動下載項目信息、施工圖紙，同時將自動生成的施工記錄表上傳至平臺。

    物聯網平臺同時解決了樁工基礎施工過程質量無法監管的問題，打破了施工質量一直處于“良心樁”的困局。控制器通過傳感器采集壓力、深度、流量等數據，并通過GPS以10秒/條的頻率上傳至平臺，樁工基礎施工過程以“錄影帶”的形式存放在了數據平臺，監理部門可以在任何時候查看歷史施工過程。

圖17：物聯網平臺實現了樁工基礎施工過程質量實時監管

    公司自主研發的SWMC控制器、SWCM顯控一體機、SWIS201傾角傳感器及SWIO模塊為物聯網平臺提供了可靠的數據來源，SWMC 控制器充分考慮了戶外移動車輛的惡劣工作環境，對于寬溫、高濕度、強腐蝕、大振動有極佳的適應能力，整機環境試驗標準以《GB/T 2423》為準；電磁兼容性以《ISO 13766》為標準；具備高防護等級IP 67。

    SWMC 控制器采用飛思卡爾汽車級專用芯片，擁有微控制器與數字信號處理器的雙重特點（ HYBRID CORE ），兼顧了控制性能的優化與數字運算速度，使控制器在完成普通控制功能的同時，具有完成復雜算法的能力。

    在輸入信號部分，SWMC 可采集模擬電壓、電流、電阻信號以及開關信號與頻率信號，這些輸入端具有相應保護電路，防止過壓與電氣干擾。其中，頻率信號采集電路可采集標準矩形波、標準正弦波、幅值有偏移的正弦波，峰峰值變化的正弦波等多種信號，適用面廣、可靠性高、抗干擾性強。