CN104021281B - 工程机械的机手操作水平评估系统及评估方法 - Google Patents

工程机械的机手操作水平评估系统及评估方法 Download PDF

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Abstract

一种工程机械的机手操作水平评估系统，包括信息采集模块、信息处理模块及结果输出模块，所述信息采集模块用于采集机手操作的动作输入信号、工程机械的发动机和液压泵工作状态信息、时间信号，所述信息处理模块用于根据采集的信息将机手的操作动作划分为多个阶段，根据评估指标对需评估的阶段进行评分，将得到的阶段评分加权后得到各动作的评分，并根据各动作的得分加权后得到机手操作综合评分，并将综合评估结果传递给结果输出模块。本发明提出的评估系统可有效避免评估过程中人为因素的影响，且可为机手技工操作建议，有助于机手操作水平的提升。另外，本发明还提供一种工程机械的机手操作水平评估方法。

Description

工程机械的机手操作水平评估系统及评估方法
技术领域
本发明涉及工程机械领域，特别是关于一种工程机械的机手操作水平评估系统及评估方法。
背景技术
在工程机械操作行业，操作人员(即机手)的操作水平可以直接影响到客户的收益，通常，优秀的机手能为客户创造更高的效益，这导致了客户对优秀机手的需求，因此，如何评价一个机手为优秀机手则成为工程机械操作行业需要解决的问题。
现阶段，机手的操作水平主要由他人通过观察其操作来评价，存在一定的主观性，而且人为评估可能会存在专家人员不足的问题，不能满足实时性需求。
另外，在工程机械操作行业，新机手通常由有经验的老机手来培训。新机手在训练时，师傅会根据其自身经验指导新机手在哪些方面还需提升，新机手离开师傅后，技术提升主要靠自己摸索，技术提升速度较慢。因此，有必要提供一个工程机械的机手操作水平评估系统，来客观地评估工程机械操作人员的操作水平，并可通过对操作水平的评价给操作人员提供提升操作水平的建议，有助于机手操作水平的快速提升。
发明内容
有鉴于此，本发明提供一个可以客观评价工程机械操作人员操作水平的工程机械的机手操作水平评估系统及评估方法。
为达上述优点，本发明提供的工程机械的机手操作水平评估系统，包括信息采集模块、信息处理模块及结果输出模块，所述信息采集模块用于采集机手操作的动作输入信号、工程机械的发动机和液压泵工作状态信息、时间信号，所述信息处理模块包括规则数据库及模型库，所述模型库包括操作动作评分模型和操作总体评价模型，所述规则数据库包括操作动作评分规则数据库和操作总体评价规则数据库，所述操作动作评分模型能够显示出各个动作可以被划分为哪些阶段以及各个阶段对应的评估指标，所述操作总体评价模型能够显示出各种工程机械的施工流程对应的动作划分，所述操作动作评分规则数据库能够显示出进行操作动作评分时的评分标准或计算方法，所述操作总体评价规则数据库能够显示出进行操作总体评价时的评分标准或计算方法，所述信息处理模块用于根据采集的信息将机手的操作动作划分为多个阶段，根据评估指标对需评估的阶段进行评分，将得到的阶段评分加权后得到各动作的评分，并根据各动作的得分加权后得到机手操作综合评分，并将综合评估结果传递给结果输出模块；机手的操作动作根据机手操作的动作输入信号和发动机的实时转速划分为开始阶段、平稳阶段和结束阶段；阶段评分包括开始阶段和结束阶段的液压泵压力变化评分、阶段用时评分及转速差评分。
在本发明的一个实施例中，综合评估结果包括机手操作水平等级的评价和机手得分最低动作的名称。
为达上述优点，本发明提供的工程机械的机手操作水平评估方法，包括：采集机手操作的动作输入信号、工程机械的发动机和液压泵工作状态信息、时间信号；根据采集的数据将各个操作动作划分为多个阶段；根据操作动作评分规则对各个操作动作评分；根据操作评价总体规则对机手的操作进行综合评分；输出评估结果；根据采集的数据将各个操作动作划分为多个阶段的步骤中，各个操作动作根据机手操作的动作输入信号和发动机的实时转速被划分为开始阶段、稳定阶段和结束阶段；根据操作动作评分规则对各个操作动作评分的步骤中，主要对开始阶段和结束阶段进行液压泵压力变化、阶段用时及转速差评分；在根据操作动作评分规则对各个操作动作评分的步骤中，各个动作的评分由各阶段的评分加权后得到；根据操作评价总体规则对机手的操作进行综合评分的步骤中，机手的综合评分由各动作的得分加权后得到。
在本发明的一个实施例中，所述评估结果包括机手操作水平等级的评价和机手得分最低动作的名称。
本发明提出的工程机械的机手操作水平评估系统和评估方法，不同于传统的由专家人为评估的方法，其利用专家的评估经验，建立模型库和评分规则数据库，根据模型库将评估过程细化成对操作过程中各个动作的评分，并将各个动作的评分细分为对动作不同阶段的评分，根据评分规则对各个动作的不同阶段进行评分，整合后得到机手操作水平的总体评价，整个评估过程采用系统的内建数据来实现，可以避免人为因素的影响，且具有更高的评估效率；另外，本发明的机手操作水平评估系统和评估方法还可以由各个动作的阶段评分中提取出机手得分最低动作的名称，而为机手提供操作提升建议，帮助机手进一步提高操作水平，在应用上比人为评估更有实时性。
附图说明
图1所示为本发明工程机械的机手操作水平评估系统的系统框图。
图2所示为本发明工程机械的机手操作水平评估系统的系统架构图。
图3所示为本发明工程机械的机手操作水平评估系统的工作流程图。
图4所示为卷扬提升动作中机手操作的动作输入信号、发动机实时转速及液压泵压力变化曲线的示意图。
具体实施方式
为更进一步阐述本发明为达成预定发明目的所采取的技术手段及功效，以下结合附图及较佳实施例，对本发明的具体实施方式、结构、特征及其功效，详细说明如后。
图1为本发明工程机械的机手操作水平评估系统的系统框图。如图1所示，本发明的工程机械的机手操作水平评估系统包括信息采集模块、信息处理模块及结果输出模块。
其中，信息采集模块包括数据输入模块、发动机信息采集模块及液压系统信息采集模块。数据输入模块主要用于输入机手工号、动作开始信号、动作停止信号及时间信号等，并通过通讯接口将输入的信息传递给信息处理模块。发动机信息采集模块主要用于在机手启动机器后，采集发动机的实时转速，并通过通讯接口将其传递给信息处理模块。液压系统信息采集模块主要用于在机器正常工作时，采集液压系统的主泵压力，并通过通讯接口将其传递给信息处理模块。
具体而言，信息处理模块指工程机械的处理器，其用于根据数据库中存储的规则处理数据，得出处理结果，通过通讯接口将处理结果传递给结果输出模块，并保存该处理结果。
结果输出模块具体指工程机械的显示屏，其主要用于显示处理结果。
由上面的叙述可以知道，本发明工程机械的机手操作水平评估系统的核心为信息处理模块，本发明主要通过信息处理模块对信息采集模块采集的数据进行深层处理才能够得出机手的操作水平评价，并可对机手的操作水平提升提供指导。因此，下面主要对信息处理模块进行介绍。
如图2所示，信息处理模块主要包括参数预处理模块、规则数据库及模型库。其中，参数预处理模块主要用于对信息处理模块接收的信息进行预处理。模型库包括操作动作评分模型、操作总体评价模型。操作动作评分模型可以显示出各个动作可以被划分为哪些阶段以及各个阶段对应的评估指标等。操作总体评价模型可以显示出各种工程机械的施工流程对应的动作划分，例如将挖掘机的施工流程划分为行走、主卷扬下放、抓土、主卷扬提升、上车回转、卸土等。规则数据库包括操作动作评分规则数据库、操作总体评价规则数据库。操作动作评分规则数据库可以显示出进行操作动作评分时的评分标准或计算方法。操作总体评价规则数据库可以显示出进行操作总体评价时的评分标准或计算方法。
图3所示为本发明工程机械的机手操作水平评估系统的工作流程图。如图3所示，本发明的机手操作水平评估方法包括：
1)参数采集
该步骤主要是采集操作评估所需的数据，包括：机手工号、发动机实时转速、液压泵压力、机手操作的动作输入信号(即各动作按钮信号)、时间信号等。
2)工程机械操作动作划分：
本发明的系统根据实际操作情况，将各个操作动作划分为3个阶段：开始阶段、稳定阶段和结束阶段。
其中，开始和结束的时间从主观上比较容易确定，以主卷扬提升动作为例，按下主卷扬提升允许按钮并上拉液压手柄，则主卷扬动作开始；液压手柄归位并松开主卷扬提升允许按钮则动作结束。
针对主卷扬提升动作，发动机的运行情况如下：在动作开始时，发动机由于负载的突然增加，会出现转速下降；随着负载逐渐稳定，发动机转速也趋于稳定至目标转速；动作结束时，负载变为空载，发动机转速会先上升，然后恢复至目标转速。
图4为主卷扬提升动作时采集到的数据，其中线①表示按钮信号，线②表示发动机的实际转速，线③表示液压泵的压力。由图4中可以看出，当按钮未按下时，发动机稳定在目标转速1800转；在开始动作阶段，发动机转速下降，最低至1500转，然后逐渐回升至1800转；在动作停止阶段，发动机转速先上升，最高至2100转，然后逐渐回落至1800转；在开始动作阶段和动作停止阶段之间，发动机转速保持在1800转。
因此，根据图4所示的数据，主卷扬提升动作可以划分为：
开始阶段：按钮按下，发动机转速开始下降，直到回升至目标转速时间段内；
稳定阶段：转速下降回升至目标转速到转速开始上升阶段；
结束阶段：转速开始上升至转速平稳阶段；
3)依据操作动作评分规则对各动作评分
在上述的三个阶段中，衡量机手操作水平的主要是开始阶段和结束阶段。一个优秀的机手在操作液压手柄时，能做到发动机转速变化曲线平滑，转速最高点和最低点在一定范围内，且开始阶段和结束阶段在一定时间内完成，即转速在波动后能尽快稳定。主泵压力的变化情况则反映机手在操作时液压系统的情况，此数据更加能反映机手的操作水平。优秀的机手操作时，系统液压变化较平稳。
因此，可以根据开始阶段和结束阶段时的发动机转速变化、操作时间长短(阶段用时)及主泵压力变化对该动作进行评估，其评估模型如下表所示。
1.主泵压力变化：
主泵压力变化主要采用压力波动检测法，该方法通过对压力曲线的时间求导，得到压力的变化情况。
在该方法中，设在Ti时刻压力为Pi，在Ti+1时刻压力为Pi+1，其中Ti<Ti+1。
则压力的变化率Si为：Si＝(Pi+1-Pi)/(Ti+1-Ti)；Si∈[0,1]；
通过计算该阶段内各时刻的Si(i为阶段时间内采集数据的次序)
取阶段内压力变化率的最大值Smax，Smax＝MAX(Si)
压力波动的评价规则为：Smax越小，压力变化越平缓，操作效果越好；Smax越大，压力变化越剧烈，操作效果越差。
因此压力变化的评分Ap为：
Ap＝1-Smax
开始阶段和结束阶段的计算方法相同，只是采集的数据在各自的时间段内。
2.阶段用时：
由操作按钮信号和转速变化为拐点，可以得到开始阶段用时Ts和结束阶段用时Te。
根据专家团给出的经验值及测试结果的平均值，得出最佳时间Tso和Teo。
操作时间评价规则为：太短则动作过快，系统波动较大；太长则系统建压慢，动作较迟缓；
引入标准正态分布模型(即钟型函数)对操作时间进行评分
标准正态分布：f(x)＝(2π)-1/2*exp(-x2/2)
开始阶段用时评分Ats：Ats＝f(Tso-Ts)
结束阶段用时评分Ate：Ate＝f(Teo-Te)
3.转速差评分
转速评分规则：发动机转速的波动越小越好；
Nmin为开始阶段转速下降时的最小转速，
Nmax为结束阶段转速上升时的最大转速，
No为转速稳定时的目标转速，
开始阶段转速差评分：Ans＝1-(|No-Nmin|/No)；
结束阶段转速差评分：Ane＝1-(|No-Nmax|/No)；
4.根据上述三个评分的综合得到动作评分
动作分A由各阶段评分以一定的权重组合而得到：
A＝a1*Aps+a2*Ats+a3*Ans+a4*Ape+a5*Ate+a6*Ane；
式中：a1+a2+a3+a4+a5+a6＝1；
a1，a2，a3，a4，a5，a6分别为对应阶段对应因素的评分权重，由专家团队给出。
当一个动作重复操作多次时，将各次评分结果加权平均即可：
如动作1重复操作j次，则动作1的评分A1为：
A1＝(A11+A12+…+A1j)/j，其中A11，A12…A1j为动作1每次操作的评分结果。
4)依据操作总体评价规则获得综合评分
设A1、A2、…An为各操作动作得分，将各动作的得分以一定的权重组合可以得到一个综合分M，
M＝A1*W1+A2*W2+…+An*Wn
式中，W1+W2+…+Wn＝1；W1、W2、…Wn分别为各动作在总体评分中所占的权重，该数值由行业内专家团队给出，根据各机型特点进行调整。
5)输出评估结果
a.根据综合分M的大小来给出机手操作总体评价：
M<＝m1：新手；
m2>M>m1：合格；
M>＝m2：优秀；
其中m1<m2，m1、m2的具体数值由业内专家团队给定，也可根据M值的大小划分出更多等级，此处以新手、合格、优秀三个等级为例进行说明。
b.在评估结果为新手和合格时，提示得分最低的动作Amin
Amin＝MIN(A1,A2,A3,…An)，若Amin＝A3，则动作3得分最低，需改进操作。
以上评估结果由显示屏进行显示，并连同机手工号和评估时间存储在数据库中，方便查询。
综上所述，本发明提出的工程机械的机手操作水平评估系统和评估方法，不同于传统的由专家人为评估的方法，其利用专家的评估经验，建立模型库和评分规则数据库，根据模型库将评估过程细化成对操作过程中各个动作的评分，并将各个动作的评分细分为对动作不同阶段的评分，根据评分规则对各个动作的不同阶段进行评分，整合后得到机手操作水平的总体评价，整个评估过程采用系统的内建数据来实现，可以避免人为因素的影响，且具有更高的评估效率；另外，本发明的机手操作水平评估系统和评估方法还可以由各个动作的阶段评分中提取出机手得分最低动作的名称，而为机手提供操作提升建议，帮助机手进一步提高操作水平，在应用上比人为评估更有实时性。
以上所述，仅是本发明的较佳实施例而已，并非对本发明作任何形式上的限制，虽然本发明已以较佳实施例揭露如上，然而并非用以限定本发明，任何熟悉本专业的技术人员，在不脱离本发明技术方案范围内，当可利用上述揭示的技术内容作出些许更动或修饰为等同变化的等效实施例，但凡是未脱离本发明技术方案内容，依据本发明的技术实质对以上实施例所作的任何简单修改、等同变化与修饰，均仍属于本发明技术方案的范围内。

Claims (4)

1.一种工程机械的机手操作水平评估系统，其特征在于：其包括信息采集模块、信息处理模块及结果输出模块，所述信息采集模块用于采集机手操作的动作输入信号、工程机械的发动机和液压泵工作状态信息、时间信号，所述信息处理模块包括规则数据库及模型库，所述模型库包括操作动作评分模型和操作总体评价模型，所述规则数据库包括操作动作评分规则数据库和操作总体评价规则数据库，所述操作动作评分模型能够显示出各个动作可以被划分为哪些阶段以及各个阶段对应的评估指标，所述操作总体评价模型能够显示出各种工程机械的施工流程对应的动作划分，所述操作动作评分规则数据库能够显示出进行操作动作评分时的评分标准或计算方法，所述操作总体评价规则数据库能够显示出进行操作总体评价时的评分标准或计算方法，所述信息处理模块用于根据机手操作的动作输入信号将机手的操作动作划分为多个阶段，根据评估指标对需评估的阶段进行评分，将得到的阶段评分加权后得到各动作的评分，并根据各动作的得分加权后得到机手操作综合评分，并将综合评估结果传递给结果输出模块；机手的操作动作根据机手操作的动作输入信号和发动机的实时转速划分为开始阶段、平稳阶段和结束阶段；阶段评分包括开始阶段和结束阶段的液压泵压力变化评分、阶段用时评分及转速差评分；
其中，所述液压泵压力变化的获取：
所述液压泵压力变化采用压力波动检测法，该方法通过对压力曲线的时间求导，得到压力的变化情况，
在该方法中，设在Ti时刻压力为Pi，在Ti+1时刻压力为Pi+1，其中Ti<Ti+1，
则压力的变化率Si为：Si＝(Pi+1-Pi)/(Ti+1-Ti)；Si∈[0,1]；
通过计算该阶段内各时刻的Si，i为阶段时间内采集数据的次序，取阶段内压力变化率的最大值Smax，Smax＝MAX(Si)，
压力波动的评价规则为：Smax越小，压力变化越平缓，操作效果越好；Smax越大，压力变化越剧烈，操作效果越差，
因此压力变化的评分Ap为：
Ap＝1-Smax，
开始阶段和结束阶段的计算方法相同，只是采集的数据在各自的时间段内；
所述阶段用时的获取：
由操作按钮信号和转速变化为拐点，得到开始阶段用时Ts和结束阶段用时Te，
根据经验值及测试结果的平均值，得出最佳时间Tso和Teo，
引入标准正态分布模型对操作时间进行评分：
标准正态分布：f(x)＝(2π)-1/2*exp(-x2/2)，
开始阶段用时评分Ats：Ats＝f(Tso-Ts)，
结束阶段用时评分Ate：Ate＝f(Teo-Te)；
所述转速差评分的获取：
Nmin为开始阶段转速下降时的最小转速，
Nmax为结束阶段转速上升时的最大转速，
No为转速稳定时的目标转速，
开始阶段转速差评分：Ans＝1-(|No-Nmin|/No)；
结束阶段转速差评分：Ane＝1-(|No-Nmax|/No)。
2.如权利要求1所述的工程机械的机手操作水平评估系统，其特征在于：综合评估结果包括机手操作水平等级的评价和机手得分最低动作的名称。
3.一种工程机械的机手操作水平评估方法，其特征在于：所述方法包括：
采集机手操作的动作输入信号、工程机械的发动机和液压泵工作状态信息、时间信号；
根据采集的数据将各个操作动作划分为多个阶段；
根据操作动作评分规则对各个操作动作评分；
根据操作评价总体规则对机手的操作进行综合评分；
输出评估结果；
所述根据采集的数据将各个操作动作划分为多个阶段的步骤中，各个操作动作根据机手操作的动作输入信号和发动机的实时转速被划分为开始阶段、稳定阶段和结束阶段；所述根据操作动作评分规则对各个操作动作评分的步骤中，对开始阶段和结束阶段进行液压泵压力变化、阶段用时及转速差评分；在所述根据操作动作评分规则对各个操作动作评分的步骤中，各个动作的评分由各阶段的评分加权后得到；所述根据操作评价总体规则对机手的操作进行综合评分的步骤中，机手的综合评分由各动作的得分加权后得到；
其中，液压泵压力变化的获取：
液压泵压力变化采用压力波动检测法，该方法通过对压力曲线的时间求导，得到压力的变化情况，
在该方法中，设在Ti时刻压力为Pi，在Ti+1时刻压力为Pi+1，其中Ti<Ti+1，
则压力的变化率Si为：Si＝(Pi+1-Pi)/(Ti+1-Ti)；Si∈[0,1]；
通过计算该阶段内各时刻的Si，i为阶段时间内采集数据的次序，取阶段内压力变化率的最大值Smax，Smax＝MAX(Si)，
压力波动的评价规则为：Smax越小，压力变化越平缓，操作效果越好；Smax越大，压力变化越剧烈，操作效果越差，
因此压力变化的评分Ap为：
Ap＝1-Smax，
开始阶段和结束阶段的计算方法相同，只是采集的数据在各自的时间段内；
阶段用时的获取：
由操作按钮信号和转速变化为拐点，得到开始阶段用时Ts和结束阶段用时Te，
根据经验值及测试结果的平均值，得出最佳时间Tso和Teo，
引入标准正态分布模型对操作时间进行评分：
标准正态分布：f(x)＝(2π)-1/2*exp(-x2/2)，
开始阶段用时评分Ats：Ats＝f(Tso-Ts)，
结束阶段用时评分Ate：Ate＝f(Teo-Te)；
转速差评分的获取：
Nmin为开始阶段转速下降时的最小转速，
Nmax为结束阶段转速上升时的最大转速，
No为转速稳定时的目标转速，
开始阶段转速差评分：Ans＝1-(|No-Nmin|/No)；
结束阶段转速差评分：Ane＝1-(|No-Nmax|/No)。
4.如权利要求3所述的工程机械的机手操作水平评估方法，其特征在于：所述评估结果包括机手操作水平等级的评价和机手得分最低动作的名称。
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