履带起重机事故目前仍呈高发态势，如何从技术上保证安全生产，成为目前亟待解决的问题。建立和应用远程状态监控系统，对保障起重设备的安全运行，避免巨额的经济损失和灾难性事故的发生具有重大意义。随着科技的迅猛发展，液压履带起重机的构成装置以及控制系统的规模和复杂性日益增加，对其系统全面监控与故障诊断非常复杂，对分布式的大量监测点的状态信号的合理有效采集与传输，是提高实时性能监控、故障预测与诊断的准确性

与可靠性的数据基础与根本保证，也是技术难点与瓶颈。随着互联网技术与移动通信技术的迅猛发展，为全国（全球）流动作业的工程机械远程监控提供了远程数据传输技术支持，近年来基于移动通信技术与互联网技术的工程机械远程无线监控成为目前研究的一个热点[1- 4]。但是，从整体上而言，工程机械远程维护还处于一个起步阶段，现场状态数据采集方法也缺乏深入研究，限制了远程监控系统作用的发挥。近年来，CAN 总线在工程机械领域得到了推广应用，新研发的大型起重机基本都开始采用CAN 总线控制[5]，CAN 总线组网自由，扩展性强，其采用多主广播式数据通信的特点，便于扩展与共享数据，增加一个数据采集节点，不影响也不改变原CAN 总线控制系统，且可以监听所有CAN 总线的数据，这大大降低了监控系统的在线数据采集的设计难度，因此基于CAN 总线的现场状态数据采集成了主要研究应用趋势[6- 7]，但是对于现场复杂多变，特性不同的状态参数的混合采集与数据压缩缺乏深入研究。此外，针对不同型号的设备，以及同一设备全生命周期的不同阶段，需要监测的状态参数及其采集方式可能是不同的，但对分布在各地随车流动作业的控制器软件升级很不方便，这要求数据采集系统的软硬件具有良好的兼容性与可扩展性。本文以抚顺挖掘机有限公司生产的大型液压履带起重机QUY250 与QUY350 为研究对象，在分析其CAN 总线控制系统与现场监测信息特性的基础上，对其远程状态信息采集、数据传输、远程设置、数据压缩等方法进行深入研究，提出了具有良好兼容性与可扩展性的软硬件架构，并且阐述了基于高性能信号处理器（DSP） 与嵌入式多任务操作系统DSP/BIOS 的远程状态信息采集控制器软硬件设计。

     现场状态信息的远程实时采集是远程监控与远程故障诊断的基础。在研究分析液压履带起重机CAN总线电控系统的基础上，设计基于CAN总线与GPRS 的分布式远程状态信息实时采集系统。提出分类数据采集方式与混合组态传输，以及参数化设计与远程设置方法；分析数据流的冗余特性，提出字符串相对编码的压缩算法。采用高性能数字信号处理器（DSP）实现上述技术，并在液压履带起重机远程维护系统中成功应用。应用表明，具有良好的兼容性与可扩展性。

系统架构

    液压履带起重机CAN 总线的电控系统包括两路采用不同协议的CAN 总线，一路基于SAE J1939协议，以电控柴油机（康明斯QSL9）为中心，设为CANA；另一路基于CANOpen 协议，以力矩限制器（派特iflex5）为中心，设为CANB。电控柴油机采用SAE J1939 协议，具有完善的内部监测与自诊断系统，实时监测的状态信息与故障代码都广播在CANA 中共享。此外，起重机主控制器监测的伺服压力、主泵压力、燃油液位和液压油温等状态信息及其自诊断的故障代码，也实时地广播在CANA 中。力矩限制器与力矩限制器显示器通过CANB 连接，通信数据包括起重量、负荷率、主副臂长度与角度、工作半径和风速等工况信息。可见，已有的起重机电控系统已经具有一定的状态监控与故障自诊断能力。远程状态信息采集系统是充分利用已有的起重机电控系统CAN 网络，在其基础上通过模块化扩展实现的，系统架构如图1 所示。包括两个部分：

远程状态信息采集控制器。具有两路CAN

     总线，按一定的方式采集两路CAN 总线中的状态信息与故障代码等，通过嵌入式GPS 模块采集设备的经纬度全球定位信息，并通过GPRS 模块与远程监控中心交换数据，实现远程实时监控；

    基于CAN 总_______线的子扩展模块。已有的监测参数并不能满足远程故障诊断的需要，通过具有CAN 总线接口的扩展模块积木式模块化扩展监测点与监测参数。

    远程状态信息采集方法研究

    信源特征研究与分类数据采集混合组态传输来自不同信源模块的不同作用的大量CAN 总线信息特性各异，在CAN 总线上的广播方式也有很大不同，可主要归纳为以下3 种方式：

    1、周期性主动广播。大部分连续监测的状态信息都采用这种方式，每个ID 号每帧CAN 数据包含1 个或多个监测参数的信息；

    2、事件触发无规律主动广播。有事件触发时才广播，平时无数据，如脚踏板或电手柄控制命令、工况变化信息及故障诊断信息等；

    3、外部请求被动广播。需要接收外部特定ID的特定请求信号，才向CAN 总线广播1 次，如柴油机总工作时间、PLC 寄存器信息等。周期性主动广播的状态信号，发送频率很快，远程实时连续监控过程中，并不需要同样高频地采集所有信号，而是根据不同参数的变化快慢与影响程度，采用不同抽样周期，对其CAN 总线信号二次抽样采集；对于事件触发无规律主动广播的信号，需要采集其所有信号；对于外部请求被动广播信号，可以按需采集，也可以设定采集周期，每个周期请求一次，采集一次。基于此，为了对不同参数的采集统一描述，以便于编程实现，将每个ID 及其采集方式设为一个对象P，P 包含如下5 个属性：ID 号、抽样周期Ts、广播方式PN、请求ID 号Rid、请求命令Rcmd。即：

P ={ID，Ts，PN，Rid，Rcmd} （1）

抽样周期Ts 最小单位设为s，当Ts=0 时，可以认为是采集所有信号，因此兼容了所有情况；广播方式PN 包括两个值：主动P 与被动N，如果为主动方式，其请求ID 与请求命令不被考虑。采用统一描述的另一个好处是便于对采集参数与采集方式远程设置，实现模块化的扩展。GPRS 数据传输是以封包（Packet）方式来传输的，每个封包最大为1 460 个字节，远程现场状态数据采集与传输同时对多个监测对象独立采集，但是只有一个远程数据传输通道，为了兼顾数据传输效率与实时性，本文采用定周期打包传输方式，即按一定的发送周期，将本周期内采集的所有数据组态打成一个包发送。多状态参数混合组态打包协议设计为：

将其在本周期内采集到的数据按顺序压缩编码

后打成子包，不同参数采集周期不同，其数据个数

M 可能是不同的。

    参数化设计与远程设置

    为了使远程数据采集系统具有良好的兼容性与可扩展性，本文应用参数化设计方法，利用现成的远程通信通道，按需对参数远程设置。数据采集的参数化包括监测对象P 与GPS 采集周期，可以远程增减与修改P 的抽样周期Ts、广播方式PN、请求ID 号Rid、请求命令Rcmd；可以远程设置调整GPS 采集周期。此外，数据中心的服务器IP 地址与端口号，以及设备编号也参数化，可以远程设置，以适应服务器的变动与不同设备。根据上述要求，远程设置协议制定如表1 所示，

     其统一格式为：#RMS；密码；设置命令类型；设置内容；校验码；&。其中：#RMS 为起始符；&为截止符。为了提高远程设置的安全性，预设密码匹配，为了提高远程数据传输的可靠性，增加校验码，其中校验码采用异或校验码。

     数据冗余与压缩

     状态信息大部分具有缓慢变化的特点，如压力、温度等。连续监测过程中，同一ID 号的连续的两个CAN 总线数据具有很大的数据冗余：大部分字符保持不变，只有个别字符发生了变化。利用状态参数的这一冗余特性，对连续监测的数据流按字符串相对编码，只发送变化的字符，可以很大程度地减少数据量，达到数据压缩的目的。字符串相对编码与解码的原理如图2 所示。

   远程状态信息采集控制器设计

    控制器硬件设计根据数据采集、远程通讯与远程设置的要求，控

制器硬件需要满足以下功能：a）两路独立的CAN总线接口；b） 接受GPS 地理位置信息；c）GPRS/GSM无线远程数据通信；d）实时时钟及可充电电池与充电电路，用于为监测数据提供时间标签；e）断电不丢失的静态数据存储模块，用于保存可远程设置的参数；f）延时自断电功能，用于工程机械停机后给控制器延时供电一段时间，保证停机时刻的状态数据完整传输。由于起重机通常在野外作业，工作环境恶劣，为了提高控制器的可靠性与抗干扰能力，尽量采用高集成的工业级功能模块设计，设计简单且降低成本。

     根据系统功能要求，控制器电路模块框图设计如图3 所示，控制器实物如图4 所示。由于篇幅限制，具体电路不作详述。

     控制器软件设计

     远程实时状态数据采集涉及到CAN 总线中断与数据采集压缩，GPS 信息采集，实时时钟信息读取，外部中断，数据打包处理，远程设置及远程通讯等，是多任务并行的复杂软件系统。如果采用传统的单任务顺序程序结构，灵活性差，实时性差，资源利用率低，难以满足多任务并行的实时数据采集系统的需要。主控芯片采用TI 的32 位数字信号处理器TMS320F2808，时钟频率达100 MHz，有较大的缓存空间与运算速度，满足了在线数据采集系统大数据量与运算量的实时处理的需要。此外，其支持DSP/BIOS 多任务、多线程实时操作系统，用户可以方便地编写各种结构复杂、实时性强、运行效率高的应用软件。基于DSP/BIOS 的程序流程图如图5 所示，根据控制器功能需要，设计5 个硬件中断，1 个任务，其优先级从上往下递减。

    目前，本文设计的远程状态信息采集控制器已经在抚顺挖掘机制造有限公司的液压履带起重机远程监控与故障诊断系统中的多台QUY250 与

UY350 起重机上试运行，如图6 所示，控制器安装在驾驶室的控制柜内。图7 是液压履带起重机远程监控系统对力矩限制器实时监控的Web 界面图。应用表明，控制器工作稳定，数据采集与传输正常，远程设置灵活，对不同地区服役的不同设备和不同工况，均具有良好的兼容性与鲁棒性。对数据压缩效果进行分析，编码压缩效果主要以平均压缩比来衡量，数据编码的目标就是为了取得尽量小的平均压缩比。设总共连续传输了N 个数据包，Rout,n 与Rin,n 分别为第n 个数据包编码后与编码前的数据量，则第n 个数据包的压缩比Cn 与N 个数据包的平均压缩比C 分别定义为：

   是实际应用中某次连续传输的100 个数据包的压缩效率曲线，Y 轴为压缩比，由式（7）得其平均压缩比为30.07%，相应的节约数据传输成本9.93%，数据传输效率大大提高。

     结论

     本文在液压履带起重机现有的CAN 总线网络的基础上，提出了一种集中采集，模块化扩展的远程状态信息采集系统，分析了CAN 总线数据特征，提出了分类数据采集方法与混合组态传输方法，解决了大量特性各异的状态参数混合采集问题，通过参数化设计与远程设置，使控制器具有良好的兼容性与可扩展性。字符串相对编码数据压缩算法，简单快速且具有较高的压缩率。本系统满足了液压履带起重机远程监控的需要，对其它采用CAN 总线的工程机械的远程状态信息采集也同样适用，具有很大的

    将优化设计方法引入行星减速器设计，可以提高设计效率、确保取得全局最优参数，使减速器在满足承载能力的条件下，结构紧凑，体积小，重量轻，从

而减少用材，降低制造成本，具有重要的经济意义。采用枚举法并以Visual Basic 语言作为工具进行离散参数的直接寻优，无需进行圆整处理，即可得到符合行业规范的离散最优解。该方法对设计变量的初值、目标函数及约束函数的性态无特殊要求，求解思路清晰，不需要考虑具体的优化方法，也不必考虑为消除量级悬殊而进行尺度变换，适用于工程机械中某些设计参数只能取离散值的优化问题。