用于基于性能进行有效载荷管理的系统和方法

专利名称：用于基于性能进行有效载荷管理的系统和方法
技术领域：
本发明总的涉及运输管理，更具体地，涉及用于基于性能进行有效载荷管理的系 统和方法。
背景技术：
滚动阻力指的是使轮胎保持以恒定速度运动所需的力。换句话说，滚动阻力指的 是为了使轮胎滚动而必须克服的力。在很多工作环境中，特别是在涉及操作有轮子的机器 以将货物或材料从一个位置运输到另一位置的那些工作环境中，限制机器的滚动阻力是提 高工作环境效率和生产力的重要部分。例如，降低与机器相关的滚动阻力将使移动机器所 需的能量的量减小，并因此增加机器的燃料效率。此外，降低滚动阻力可减小机器传动系部 件上的应力和应变力，这可延长传动系寿命并降低与过早的部件失效相关的成本。影响滚动阻力的一些因素包括机器及其组成部件的物理特征、机器行驶的道路或 路径的表面、和/或机器/道路界面的特性。例如，滚动阻力可取决于例如机器重量(包括 有效载荷)、机器速度和轮胎压力和尺寸的机器物理特征；例如道路表面密度、摩擦系数、 道路坡度的运输道路物理特征；和/或例如机器轮胎在道路表面上的滑动的机器/道路界 面特性。在上面指出的因素中，控制机器滚动阻力的一种最快速且最便宜的方法是调节机 器的有效载荷。因此，为了改进一个或多个机器的健康、长寿和/或效率以及为了增加道路 的效率，需要一种监控机器滚动阻力并调节用于机器的有效载荷水平以调节受监控的滚动 阻力的方法。一种用于监控操作在道路区段上的机器阻力的常规方法在Schricker的美国专 利No. 5817936 ('936专利)中有所描述。，936专利描述了一种用于通过感测来自沿道路行 驶的一个或多个机器的多个参数来检测道路条件改变的方法。感测的参数可用来为一个或 多个机器中的每一个计算阻力系数并确定机器群的平均阻力系数。如果平均阻力系数超过 阈值水平，则可确认和/或修改道路区段的改变(即，缺陷或错误)。尽管一些常规的方法，例如’ 936专利中描述的方法，能够根据机器群阻力系数的 改变检测道路条件的改变，但它们在某些情形下受到限制。例如，尽管’ 936专利的系统能 够检测机器滚动阻力值的改变并在一些情况中确认和修改运输道路的不规则性来减小滚 动阻力，但其没有描述对各个机器或机器组的有效载荷进行调节以减小滚动阻力。然而，修 改运输道路区段的不规则性通常要求对运输道路区段重新定坡度或修理，而这需要关闭运 输道路来完成所述修理，从而导致修理期间收入损失。在很多情况下，收入损失的量超过了 与滚动阻力降低相关的效率提高。因此，对运输道路进行修理和改进以减小滚动阻力通常 会被延后，直到该成本被证明是合理的。结果，尽管滚动阻力增加，很多机器仍需要操作，这 引起传动系部件上的过量应力和应变，潜在地造成部件的寿命减短。当前公开的用于基于性能进行有效载荷管理的系统和方法旨在克服上述的一个 或多个问题。

发明内容
根据一方面，本发明提供一种用于基于运输道路条件管理机器有效载荷的方法。 该方法可包括收集与在工作环境中操作的机器相关的性能数据并基于收集的性能数据确 定所述机器的总有效坡度。可将总有效坡度与目标总有效坡度值进行比较，并且如果总有 效坡度未处于目标总有效坡度值的阈值范围内，则对处于多个有效载荷水平的机器总有效 坡度进行模拟。确认多个有效载荷水平中引起模拟的总有效坡度落入目标总有效坡度值的 阈值范围内的至少一个。根据另一方面，本发明提供一种在计算机系统上使用的计算机可读取介质，该计 算机可读取介质包括用于执行一种基于运输道路条件管理机器有效载荷的方法的计算机 可执行指令。该方法可包括收集与在工作环境中操作的机器相关的性能数据并基于收集的 性能数据确定所述机器的总有效坡度。可将该总有效坡度与目标总有效坡度值进行比较， 并且如果该总有效坡度未处于目标总有效坡度值的阈值范围内，则对与多个有效载荷水平 相关的机器总有效坡度进行模拟。确认多个有效载荷水平中引起所模拟的总有效坡度落入 目标总有效坡度值的阈值范围内的至少一个有效载荷水平。根据又一方面，本发明提供一种运输路线管理系统。该系统可包括条件监控系统， 条件监控系统与在工作环境中操作的机器通信数据并能够收集与在工作环境中操作的机 器相关的性能数据且基于性能数据监控机器的当前的总有效坡度。该运输路线管理系统还 可包括与条件监控系统通信地连接的性能模拟装置。性能模拟装置能够将该总有效坡度与 目标总有效坡度值进行比较。接着，如果该总有效坡度未处于所述目标总有效坡度值的阈 值范围内，性能模拟装置可对与多个有效载荷水平相关的机器总有效坡度进行模拟。性能 模拟装置还能够确认所述多个有效载荷水平中引起所模拟的总有效坡度落入所述目标总 有效坡度值的所述阈值范围内的至少一个。


图1示出了一种与公开的实施方式一致的示例性工作环境；图2示出了与图1的工作环境相关的某些部件的示意图；图3描述了与公开的某些实施方式一致的用于基于性能进行有效载荷管理的一 种示例性方法的流程图。
具体实施例方式图1示出了一种与公开的实施方式一致的示例性工作环境100。工作环境100可 包括相互协作来执行商业或工业任务的系统和装置，这些任务例如采矿、建筑、能源开采和 /或产生、制造、运输、农业或与其他行业类型相关的任何任务。根据图1中所示的示例性实 施方式，工作环境100可包括矿山环境，矿山环境包括经通信网络130连接到运输路线管理 系统135的一个或多个机器120a、120b。工作环境100能够监控、收集以及过滤与一个或多 个机器120a、120b的状态、健康和性能相关的信息，并将这些信息分配到一个或多个后端 系统或单位，例如运输路线管理系统135和/或用户170。可以想到，工作环境100中可以 包括与上面列出的部件相比而言附加的和/或不同的部件。如图1所示，机器120a、120b可包括一个或多个挖掘机120和一个或多个运输机120b。挖掘机120a可体现为能够将材料从矿山移除并将材料装载到一个或多个运输机120b上的任何机器。挖掘机120a的非限制性示例包括例如斗式挖掘机、电磁提升机、反铲 装载机、推土机等。运输机120b可体现为能够在工作环境100内运输材料的任何机器，例 如铰接式卡车、倾卸式卡车或者适于运输材料的任何其他卡车。图1中所示的机器的数量、 尺寸和类型仅仅是示例性的而不是限制性的。因此，可以想到工作环境100可包括与上面 列出的部件额外的、更少的和/或不同的部件。例如，工作环境100可包括滑移装载机、履 带式拖拉机、材料转运车或者有助于工作环境100的操作的任何其他合适的固定或活动机器.在一种实施方式中，机器120a、120b均可包括机载数据收集和通信设备以监控、 收集和/或分配与机器120a、120b的一个或多个部件相关的信息。如图2所示，机器120a、 120b可各自其中包括一个或多个监控装置121，例如经通信线122连接到一个或多个数据 收集器125的传感器和/或电子控制模块；一个或多个收发装置126 ；和/或用于监控、收 集和传输与机器120a、120b的操作相关的信息的任何其他部件。机器120a、120b均可还被 构造成接收信息、预警信号、操作人员指令或来自于例如运输路线管理系统135的非车载 系统的其它信息或指令。上面描述的部件是示例性的而不是限制性的。因此，所公开的实 施方式还能想到每个机器120a、120b包括上面列出的部件外的另外部件和/或不同部件。监控装置121可包括用于收集与一个或多个机器120a、120b相关的性能数据的任 何装置。例如，监控装置121可包括用于测量操作参数的一个或多个传感器，这些操作参数 例如发动机以及/或者机器的速度和/或位置、流体压力、流速、温度、污染程度和/或流 体黏度、电流和/或电压水平、流体(即，燃料、油等)消耗率、载荷水平(即，有效载荷值、 最大有效载荷限制的百分数、有效载荷历史、有效载荷分布等)、变速器输出比及打滑等、坡 度、牵引数据、传动轴扭矩、安排或执行的保养及/或维修操作之间的间隔、以及机器120a、 120b的任何其他操作参数。在一种实施方式中，运输机120b可各自包括至少一个扭矩传感器121a，用于监控 施加到传动轴的扭矩。替代地，扭矩传感器121a可以被构造成监控可由其计算或得出传动 轴上的扭矩的参数。可以想到，一个或多个监控装置121可被构造成监控与工作环境100相关的特定 环境特征。例如，一个或多个机器120a、120b可包括用于测量与机器行驶的表面相关的实 际坡度的倾斜仪。数据收集器125能够接收、收集、封装和/或分配由监控装置121收集的性能数 据。这里所用的术语“性能数据”是指表示与一个或多个机器120a、120b及其任何组成部 件或子系统相关的至少一个操作方面的任何类型的数据。性能数据的非限制性示例包括例 如像燃料水平、油压、发动机温度、冷却液流速、冷却液温度、轮胎压力的健康信息或者指示 机器120a、120b的一个或多个部件或子系统的健康的任何其他数据。替代地和/或附加 地，性能数据可包括状态信息，该状态信息例如是发动机动力状态(例如，发动机运行、空 转、关闭)、发动机使用小时、发动机速度、机器速度、机器位置、机器操作所在的当前档位或 者指示机器120状态的任何其他数据。任选地，性能数据还可包括某些生产力信息，例如任 务进度信息、载荷容量比、转移时间、运输统计(重量、有效载荷等)、燃料效率或者指示机 器120a、120b的生产力的任何其他数据。替代地和/或附加地，性能数据可包括用于控制机器120a、120b的一个或多个方面或部件的控制信号。在机器的操作过程中，数据收集器125可经通信线122接收来自一个或多个监控 装置的性能数据并可将接收的数据经通信网络130传送到运输路线管理系统135。替代地 或附加地，数据收集器125可将接收到的数据存储在内存中预定的时间段，用于稍后传输 到运输路线管理系统135。例如，如果机器和运输路线管理系统135之间的通信通道暂时不能用，性能数据可存储在内存中用于在通信通道恢复时重新找回并随后传输。通信网络130可包括在机器120a、120b和例如运输路线管理系统135的非机载系 统之间提供双向通信的任何网络。例如，通信网络130可通过例如卫星通信系统的无线网 络平台将机器120a、120b通信地连接到运输路线管理系统135。替代地和/或附加地，通信 网络130可包括适于将一个或多个机器120a、120b通信地连接到运输路线管理系统135的 一个或多个宽带通信平台，例如蜂窝无线通信平台、蓝牙通信平台、微波通信平台、点对点 无线通信平台、点对多点无线通信平台、多点对多点无线通信平台或者用于将多个部件联 网的任何其他合适的通信平台。虽然通信网络130被示出为卫星无线通信网络，但可以想 到通信网络130可包括例如以太网、光纤、波导等有线网络或任何其他类型的有线通信网 络。运输路线管理系统135可包括一个或多个硬件和/或应用软件，其相互协作通过 监控、分析、优化和/或控制一个或多个个体机器的性能或操作来改进运输路线的性能。例 如，运输路线管理系统135可包括用于收集、分配、分析和/或以其他方式管理从机器120a、 120b收集的性能数据的条件监控系统140。运输路线管理系统135还可包括扭矩评估装置 150，用于确定与机器传动系相关的传动轴扭矩、估计机器的总有效坡度、计算运输道路的 总有效坡度、和/或确定可以指示机器或机器传动系性能的其他适当的特性。运输路线管 理系统135还可以包括用于对操作在工作环境100中的机器的基于性能的模型进行模拟并 调节机器120a、120b的操作参数和/或运输路线的物理特征以改进工作环境生产力的性能 模拟装置160。条件监控系统140可包括能够接收、分析、传输和/或分配与机器120a、120b相关 的性能数据的任何计算系统。条件监控系统140可经通信网络130与一个或多个机器120 通信地连接。条件监控系统140可体现为适于收集和传播与每个机器120a、120b相关的性 能数据的中央服务器和/或数据库。一旦收集了性能数据，条件监控系统140就可根据数 据种类、优先级等对性能数据进行归类和/或过滤。在关键或者高优先级数据的情况下，条 件监控系统140能够向一个或多个工地人员(例如，维修技工、项目经理等)传送“紧急”或 “关键”消息，表明远程财产经历了关键事件。例如，一旦机器操纵失灵、进入未授权的工作 区域或者经历临界发动机操作状态，条件监控系统140可向项目经理、施工现场工头、调度 经理、机器操作员和/或维修技师传送指示机器的可能问题的消息(文本消息、电子邮件、 页面等)。条件监控系统140可包括执行与公开的某些实施方式一致的过程的硬件和/或软 件部件。例如，如图2所示，条件监控系统140可包括一个或多个收发装置126 ；中央处理 单元(CPU) 141 ；通信接142 ；—个或多个计算机可读的内存装置，诸如存储装置143、随机存 取存储器(RAM)模块144以及只读存储器(ROM)模块145 ；显示单元147 ；和/或输入装置 148。上述部件是示例性的而不是限制性的。此外，可以想到条件监控系统140可包括上面列出的部件的替代和/或另外的部件。 CPU 141可以是一个或多个处理器，其执行指令并处理数据以执行与公开的某些 实施方式一致的一个或多个过程。例如，CPU 141可执行能够使条件监控系统140请求和/ 或接收来自机器120a、120b的数据收集器125的性能数据的软件。CPU 141还可执行将收 集的性能数据存储在存储装置143中的软件。另外，CPU 141可执行这样的软件，这些软件 使条件监控系统140能够分析从一个或多个机器120a、120b收集的性能数据、执行诊断和/ 或预后分析以确认机器的潜在问题、将任何潜在问题通知机器操作员或用户170和/或提 供定制操作分析报告，包括用于改进机器性能的建议。CPU 141可连接到公共信息总线146，其能够在与条件监控系统140相关的一个或 多个部件之间提供通信。例如，公共信息总线146可包括用于向多个装置传输信息的一个 或多个部件。根据一种实施方式，CPU 141利用公共信息总线146访问存储在内存的计算机 程序指令。然后，CPU 141可执行存储在计算机可读介质装置，例如存储装置143、RAM 144 和/或ROM 145中的计算机程序指令序列，以执行与公开的某些实施方式一致的方法，以下 将对其进行描述。通信接142可包括能够经收发装置126在条件监控系统140和远程系统(例如， 机器120a、120b)之间进行双向数据通信的一个或多个元件。例如，通信接口 142可包括一 个或多个调节器、解调器、多路复用器、多路输出选择器、网络通信装置、无线装置、天线、调 制解调器或者能够支持条件监控系统140和远程系统或部件之间的双向通信接口的任何 其他装置。一个或多个计算机可读介质装置可包括存储装置143、RAM144、R0M 145、以及/或 者能够存储条件监控系统140的CPU 141使用的信息、指令和/或程序代码的任何其他磁 数据、电子数据、闪存数据或者光学数据的计算机可读介质装置。存储装置143可包括磁硬 盘驱动器、光盘驱动器、软盘驱动器或者任何其它这种的信息存储装置。随机存取存储器 (RAM)模块144可包括用于通过CPU141存储信息和指令的任何动态存储装置。RAM 144可 在执行待由CPU 141执行的指令的过程中存储临时变量或者其他中间信息。在操作过程 中，操作系统(未示出)的一些或所有部分可装载到RAM144中。另外，只读存储器(ROM) 模块145可包括用于通过CPU 141存储信息和指令的任何静态存储装置。条件监控系统140能够分析与每个机器120a、120b相关的性能数据。根据一种实 施方式，条件监控系统140可包括用于根据与一个或多个机器120a、120b相关的阈值水平 (可以是出厂设置、制造商推荐的和/或使用者配置的)分析与各个机器相关的性能数据的 诊断软件。例如，与条件监控系统140相关的诊断软件可将从特定机器接收的发动机温度 测量值与预定的阈值发动机温度进行比较。如果测量的发动机温度超过了阈值温度，则条 件监控系统140可生成警报并通知一个或多个机器操作员、维修技工、调度员或任何其他 合适的人员或单位。根据另一种实施方式，条件监控系统140能够监控和分析与一个或多个机器 120a、120b相关的生产力。例如，条件监控系统140可包括用于根据由使用者限定的与一个 或多个机器120a、120b相关的生产力阈值来分析与各个机器相关的性能数据的生产力软 件。生产力软件能够监控与每个机器120a、120b相关的生产力水平并为项目经理、机器操 作员、维修技师或者可能预订操作员或机器生产力数据的任何其他单位(例如，人力资源部门、操作员培训和鉴定部门等)生成生产力报告。根据一种示例性实施方式，生产力软件可将与机器相关的生产力水平(例如，由特定机器移动的材料的量)与为相应机器建立的 预定生产力配额进行比较。如果生产力水平小于预定配额，则生成生产力通知并将该通知 提供给机器操作员和/或项目经理，指出机器的生产力不足。条件监控系统140可根据各 个机器的生产力确定和评估工作环境的生产力。条件监控系统140可以与一个或多个后端系统进行数据通信并能够将特定的性 能数据分配给这些系统用于进一步分析。例如，条件监控系统140可与扭矩评估装置150 通信地连接并能够向扭矩评估装置150提供与机器传动轴相关的性能数据。替代地或附加地，条件监控系统140可以与性能模拟装置160进行数据通信并能 够向性能模拟装置160提供性能数据用于进一步分析。虽然扭矩评估装置150和性能模拟 装置160被示出为条件监控系统140外部的独立系统，但可以想到扭矩评估装置150和性 能模拟装置160可以作为条件监控系统140的子系统而被包括。扭矩评估装置150可包括能够从条件监控系统140接收/收集特定性能数据并根 据接收的性能数据确定与一个或多个机器120a、120b相关的传动轴扭矩的硬件或软件模 块。扭矩评估装置150能够根据通过扭矩传感器121a收集的性能数据确定传动轴扭矩。替 代地或附加地，传动轴扭矩可基于机器的性能数据和已知的设计参数来评估。例如，根据发 动机操作速度和操作档位，扭矩评估装置150可访问电子查询表并利用查询表估计机器在 特定有效载荷时的传动轴扭矩。一旦确定了估计的机器传动轴扭矩，扭矩评估装置150就可针对一个或多个机器 估计总有效坡度。例如，扭矩评估装置150可将总有效坡度(TEG)的值评估作<formula>formula see original document page 8</formula>公式 1其中，RP指机器轮缘牵引力，GMW指机器毛重，MA指机器的加速度，AG指机器所在 地形的实际坡度。机器毛重和机器加速度可利用机载数据监控装置121来监控。实际坡度 可基于监控的与机器相关的GPS数据来评估。例如，实际坡度可以利用从机载GPS设备搜 集的精确GPS数据所获得的纬度、经度和高度来确定。根据一种实施方式，实际坡度可以通 过计算位置竖直变化(基于与GPS数据相关的高度数据)和位置水平变化(基于与GPS数 据相关的纬度和经度数据)之间的比来确定。替代地或附加地，实际坡度可利用机载数据
监控装置，例如倾斜仪来计算。轮缘牵引力可确定为<formula>formula see original document page 8</formula>公式 2其中，DAT指施加到机器传动轴的扭矩，LPTR指下动力传动系减速系数，PTE指动 力传动系的效率，TDRR指轮胎的动态滚动半径。下动力传动系减速可通过监控轮缘牵引力 的实时计算过程中档位的变化来确定。动力传动系效率可基于从机器收集的实时性能数据 来计算。轮胎动态滚动半径可基于监控的轮胎压力、速度和机器毛重来评估。一旦确定了总有效坡度，扭矩评估装置150就可确定与一个或多个机器120a、 120b相关的滚动阻力。滚动阻力值可评估为<formula>formula see original document page 8</formula> 公式 3其中，EL指机器的效率损失。效率损失可被评估为输入功率效率和输出功率效率之间的差，其可以基于在特定发动机操作速度和载荷状况时的经验测试数据来评估。如解 释的，实际坡度可基于与收集的GPS数据相关的计算来确定和/或利用机载倾斜仪来监控。性能模拟装置160能够在各种操作或环境条件下模拟机器120a、120b的性能。基 于模拟的性能结果，性能模拟装置160可确定一个或多个机器操作状态(例如，速度、档位 选择、发动机RPM等)和/或运输道路参数(例如，实际坡度、滚动阻力、表面密度、表面磨 擦等)，以实现机器120a、120b和/或工作环境100的期望性能。性能模拟装置160可以是包括部件或机器模拟软件的任何类型的计算系统。模拟 软件能够根据从机器的实时操作收集的经验数据建立与机器或其任意构成部件对应的分 析模型。一旦建立了模型，性能模拟装置160就可在具体的操作条件(例如，载荷状况、环 境条件、地形条件、运输路线设计条件等)下分析该模型并根据这些具体条件生成机器的 模拟性能数据。
根据一种实施方式，性能模拟装置160可包括与每个机器120a、120b相关的理想 设计模型。这些理想模型可被以电子方式模拟以生成理想/设计性能数据(即，基于设计的 (理想操作条件下)机器的性能的数据)。本领域技术人员将会认识到，随着机器的老化， 由于正常磨损、应力和/或操作过程中对机器的损害，与机器相关的部件可能开始出现非 理想的表现。为了提供与这些非理想性一致的更加切实的性能模拟，可以根据从机器120a、 120b收集的实际性能数据对理想模型进行校订，由此形成相应机器和/或其各个部件的实 际或经验模型。性能模拟装置160还可包括与每个机器120a、120b相关的基于实际性能的模型。 与上面描述的理想设计模型类似，这些基于性能的模型可被以电子方式模拟，以预测各种 实际操作条件下机器的性能和生产力。但是，与上述的理想模型相反，性能模拟装置可以被 构造成基于每个机器独特的具体操作条件生成基于性能的模型。性能模拟装置160可模拟 各种机器操作条件下运输机120b的实际模型，以确定与每个模拟条件相关的速度、扭矩输 出、发动机状况、燃料消耗率、温室气体排放水平、运输路线完成时间等。替代地或附加地， 性能模拟装置160能够模拟运输机120b在与运输道路表面相关的各种物理条件下(例如， 坡度水平、磨擦水平、平滑度、密度、硬度、含湿量等)的实际模型，以确认导致一个或多个 机器操作在期望的阈值操作范围内的运输道路参数。这样，性能模拟装置160可为矿山经 营者和运输道路设计者提供根据与待在其上操作的一个或多个机器相关的实际性能数据 定制运输道路设计的方案。性能模拟装置160能够接收与相应运输道路设计相关的运输道路参数。例如，在 为预期的矿山环境设计运输道路之前，性能模拟装置160可从用户170接收一个或多个运 输道路参数。运输道路参数可包括用来设计运输道路的任何参数，例如运输道路起点(例 如矿区)、运输道路终点(例如运输或处理厂)、初始运输道路坡度、初步运输道路路线、运 输道路预算、或设计运输道路时由用户170限定的任何其它参数。性能模拟装置160能够允许使用者在各种运输道路设计条件下对与一个或多个 机器对应的理想和/或基于性能的软件模型进行模拟。例如，使用与运输机相关的软件模 型，性能模拟装置160可通过改变运输机面对的总有效坡度和/或滚动阻力模拟多个运输 道路坡度时运输机的操作。利用上面的公式，性能模拟装置可确定与运输机面对的每个总 有效坡度和/或滚动阻力值对应的实际坡度并根据与一个或多个运输道路设计相关的道路坡度确认机器性能的趋势。用户170可通过确认所模拟的机器性能呈现期望的性能特征所处的百分比坡度来为运输道路设计选择实际坡度。例如，在最小化燃料消耗是优选的矿 山环境中，性能模拟装置160可确认引起机器消耗最少量燃料的运输道路坡度。替代地和 /或附加地，在通过延长部件寿命来限制机器保养和维修成本非常关键的矿山环境中，性能 模拟装置160可确认在机器的传动系上产生最小量应力和应变的运输道路坡度。除了运输道路坡度外，性能模拟装置160还适于模拟其他运输道路条件下的运输 机操作。例如，滚动阻力可能受到轮胎和/或变速器打滑的影响，这均取决于运输道路表面 密度、湿度水平和磨擦。因此，性能模拟装置160可通过改变机器面对的滚动阻力水平模拟 一个或多个机器的性能，以确认机器的期望的性能水平。一旦确认了期望的机器性能、总有效坡度和/或与其相关的滚动阻力值，性能模 拟装置160可生成符合期望的机器性能和滚动阻力的一个或多个运输道路设计。例如，性 能模拟装置160可详细说明使得机器满足用于特定运输道路坡度的期望机器性能的特定 运输道路表面密度、磨擦以及用于运输道路坡度的最大许可湿度水平。这些参数可根据机 器的期望坡度水平来调节。因此，随着坡度水平的增加并由此增加了轮胎和/或变速器打 滑的可能性，可以调节运输道路表面密度、磨擦以及最大许可湿度水平以补偿坡度水平的 增加。性能模拟装置160能够确定不同运输道路设计之间的成本/收益关系。例如，增 加运输道路坡度可以减少运输道路的需求长度，从而潜在地降低运输道路施工和保养成 本。然而，增加运输道路坡度可造成机器保养和维修成本增加，因为增加的应力和应变可施 加到机器传动系。此外，由于在更陡的坡度上轮胎和/或变速器打滑会更加频繁，由运输道 路的长度减小带来的运输道路施工成本的节省被与帮助减少打滑而进行的运输道路调节 (例如，通过增加运输道路表面密度、增加运输道路排水来限制土壤中的过量湿度等)相关 的成本增加抵消了。性能模拟装置160可编辑与每个不同的运输道路设计相关的潜在成本 /收益。性能模拟装置160还可包括诊断和/或预后模拟工具，其模拟实际机器模型(即， 从实际机器数据得出或形成的模型)以预测部件失效和/或估计机器的特定部件或子系统 的剩余寿命。例如，基于与发动机和/或变速器相关的性能数据，性能模拟装置160可预测 发动机、传动系、差速器或者机器的其它部件或子系统的剩余寿命。因此，性能模拟装置160 可预测一个或多个运输道路参数的改变会如何影响一个或多个这些部件的寿命。例如，性 能模拟装置160可评估如果特定的运输道路区段的坡度减少1. 5%，由此降低发动机、变速 器和/或传动系上的应变，则传动系的剩余寿命可增加15%。性能模拟装置160可周期性 地向矿山经营者、项目经理、机器操作者和/或工作环境100的维护部门报告该数据。性能模拟装置160能够为操作在工作环境100中的一个或多个机器生成有效载荷 需求165。根据一种实施方式，有效载荷需求165可包括用于一个或多个机器120a、120b的 增加或提高一个或多个机器120a、120b和/或工作环境100性能的载荷限制。例如，性能 模拟装置160可确认具有升高的滚动阻力水平的机器并根据与该机器相关的性能数据为 机器确认最佳有效载荷限制，该最佳有效载荷限制能够使机器操作在目标滚动阻力值的阈 值范围内。性能模拟装置160可为机器生成详细说明符合目标滚动阻力所要求的有效载荷 限制的有效载荷需求165。
有效载荷需求165可包括列明其有效载荷水平被调节或描述为低于该机器的最 大有效载荷水平的机器的纸质报告或者电子报告。因此，有效载荷需求165可以与性能模 拟装置160描述为被加载至小于该机器相关的最大加载水平的任何机器相关。根据一种实 施方式，有效载荷需求165可被电子传送(利用电子邮件、文本消息、传真等)或者经任何 其他合适的格式传送。性能模拟装置160可向有效载荷需求数据的一个或多个指定的用户170提供有效 载荷需求165。用户170可包括例如列明在有效载荷需求165上的一个或多个运输机120b 的操作者、负责装载运输机120b的一个或多个机器(例如，自动装载机(传送带、铲斗等)、 挖掘机120a等)的操作者、项目经理、矿山所有者、维修技工、调度经理、人力资源人员或者 可被指定接收有效载荷需求165的任何其他人员或单位。可以想到，条件监控系统140、扭矩评估装置150和/或性能模拟装置160的一个 或多个可作为单个、集成的软件包或硬件系统被包括。替代地或附加地，这些系统可体现为 能够相互作用或相互协作以促进一个或多个其它系统操作的独立存在的模块。例如，尽管 扭矩评估装置150被说明和描述为与性能模拟装置160分开的独立存在的系统，但可以想 到扭矩评估装置150可作为能够操作在与性能模拟装置160 —样的计算机系统上的软件模 块被包括。
与公开的实施方式一致的过程和方法通过提供一种结合了实时数据监控和收集 能力与性能分析和模拟工具的系统而能够基于操作在工作环境100中的一个或多个机器 120a、120b的实时性能使运输道路最优化。具体地，这里描述的特征和方法允许项目经理、 设备所有者和/或矿山经营者有效确认具有提高的滚动阻力条件的机器、分析与这些机器 相关的性能数据以建立或调节控制机器的总有效坡度和/或滚动阻力的有效载荷限制。任 选地，这里描述的特征和方法能够诊断和/或修改引起不完善性能的任何原因。图3提供 了描述可由运输路线管理系统135执行的基于性能进行的示例性有效载荷调节方法。图3示出了描绘用于根据机器性能管理机器有效载荷的一种示例性方法的流程 图300。如图3所示，可从操作在运输道路上的至少一个机器收集性能数据(步骤310)。 例如，运输路线管理系统135的条件监控系统140可从操作在工作环境100中的每个机器 接收/收集性能数据。根据一种实施方式，条件监控系统140可自动从与每个机器120a、 120b相关的数据收集器125接收该数据。替代地或附加地，条件监控系统140可向每个机 器120a、120b提供数据请求并从响应于该请求的每个机器接收性能数据。一旦收集了机器性能数据，就可根据该机器性能数据确定与机器相关的总有效坡 度和/或滚动阻力(步骤320)。根据一种实施方式，在收集机器性能数据后，条件监控系 统140可向扭矩评估装置150提供传动轴性能数据。例如，条件监控系统140可将从扭矩 传感器121a收集的传动轴扭矩数据传送至扭矩评估装置150。根据该传动轴扭矩数据和 由条件监控系统140收集的其他性能数据(例如，机器重量、机器加速度、机器动力传动系 的效率、机器轮胎的动态滚动半径等)，扭矩评估装置150就可确定与机器相关的轮缘牵引 力。一旦确定了轮缘牵引力，扭矩评估装置150就可计算与机器相关的总有效坡度和/或 滚动阻力。可以想到，随着条件监控系统140在每个机器120a、120b的操作过程中收集性 能数据，扭矩评估装置150能够实时为每个机器确定总有效坡度和/或滚动阻力。可将机器总有效坡度和/或滚动阻力与目标总有效坡度和/或滚动阻力值进行比较(步骤330)。例如，扭矩评估装置150和/或性能模拟装置160均能够将测量到的机器 的滚动阻力值与目标滚动阻力值进行比较。这里使用的术语目标滚动阻力值是指可由使用 者建立的预定滚动阻力值。根据一种实施方式，目标滚动阻力值可包括由使用者选择的限 定与机器的预期性能目标相关的滚动阻力的任何值。例如，目标滚动阻力可建立为引起机 器操作在其最有效操作区的滚动阻力值。替代地或附加地，目标滚动阻力可建立为引起机 器使得燃料消耗和/或机器的温室气体排放水平最小化的滚动阻力值。可以想到，每个机 器或每种机器的目标滚动阻力可以不同并可通过经验检验和/或机器的历史操作来确定。在某些情形下，可建立与目标总有效坡度和/或滚动阻力有关的阈值或“缓冲”范 围。这对防止机器总有效坡度和/或滚动阻力中的小和/或临时偏离(由于操作者失误 等)形成警报条件尤其有利。该阈值范围可由使用者建立为测量的总有效坡度和/或滚动 阻力可与目标滚动阻力值偏离的允许范围。如果测量的总有效坡度和/或滚动阻力分别处于目标总有效坡度和/或滚动阻力 值的阈值范围内(步骤330 是)(表明机器操作在预期操作范围)，则过程可继续进行到步 骤310并继续监控机器的性能数据。另一方面，如果测量的总有效坡度和/或滚动阻力没 有处于目标总有效坡度和/或滚动阻力值的阈值范围内(步骤330 否)(表明机器操作在 预期操作范围之外)，则性能模拟装置160可在多个不同的有效载荷水平模拟机器的总有 效坡度和/或滚动阻力(步骤340)。例如，如果测量的总有效坡度和/或滚动阻力大于目 标总有效坡度和/或滚动阻力值阈值范围的上限，表明机器可能正在经历的运输道路上的 阻力比保持机器的预期操作性能所能接受的阻力多，性能模拟装置160可模拟多个降低的 有效载荷条件下机器的性能。性能模拟装置160可确认引起所模拟的总有效坡度和/或滚动阻力落在阈值范围 内的一个或多个有效载荷水平(步骤350)。根据一种实施方式，性能模拟装置160可从与 不符合总有效坡度和/或滚动阻力值相关的有效载荷水平开始逐渐降低有效载荷水平，模 拟每个渐进的有效载荷值时的机器性能。性能模拟装置160可确认引起所模拟的总有效坡 度和/或滚动阻力值落在目标总有效坡度和/或滚动阻力值的阈值范围内的第一有效载荷 水平。根据一种替代实施方式，性能模拟装置160可从非常低的有效载荷值开始并逐渐 增加有效载荷值，模拟每个渐进的有效载荷值时的机器性能。性能模拟装置160可确认引 起所模拟的总有效坡度和/或滚动阻力进入目标总有效坡度和/或滚动阻力值的阈值范围 内的第一有效载荷水平。可以想到，性能模拟装置160可以被构造成在另外的有效载荷水平下模拟机器性 能，甚至是在检测到引起所模拟的总有效坡度和/或滚动阻力落在目标总有效坡度和/或 滚动阻力值的阈值范围内的有效载荷水平之后。例如，性能模拟装置160可被构造成在另 外的有效载荷水平下模拟机器性能，以找到收敛到目标总有效坡度和/或滚动阻力值上的 总有效坡度和/或滚动阻力值。根据一种实施方式，性能模拟装置160可评估每个模拟的有效载荷水平时机器的 生产力。替代地或附加地，性能模拟装置160可针对每个模拟的有效载荷水平评估剩余部 件寿命。生产力和部件寿命信息可作为提供给用户170的有效载荷需求165中概括的成本 /收益分析的一部分提供。结果，用户170能够更加有效地评价每次有效载荷调节如何影响特定机器的生产力和耐用性。一旦确认了一个或多个有效载荷水平，性能模拟装置160就可以根据模拟的性能数据建立机器的有效载荷限制(步骤360)。例如，性能模拟装置160可将用于机器的有效 载荷限制建立为与同目标总有效坡度和/或滚动阻力最接近的模拟总有效坡度和/或滚动 阻力相关的有效载荷值。替代地或附加地，在使生产力最大化具有高优先级的工作环境中， 性能模拟装置160可被构造成将用于机器的有效载荷限制建立为与落入目标总有效坡度 和/或滚动阻力阈值范围内的模拟有效坡度和/或滚动阻力相关的最大有效载荷限制。性能模拟装置160能够生成有效载荷需求165并将该有效载荷需求提供给一个 或多个用户170 (步骤370)。有效载荷需求165可体现为通知用户170与一个或多个机器 120a、120b相关的有效载荷限制的任何类型的信号或消息。例如，性能模拟装置160可将有 效载荷限制数据输出在与该机器或负责装载该机器的任何其他机器相关的显示控制板上。 替代地或附加地，性能模拟装置160可向相应的机器操作者和/或项目经理、运输道路调度 员、挖掘机和/或装载机操作者或者被建立为用户的任何其他人员或单位提供指示有效载 荷限制的电子消息(例如，页面、文本消息、传真、电子邮件等)。响应于有效载荷通知，用 户170可采取适当的响应措施来限制每个机器的有效载荷，从而确保每个机器根据预期性 能水平操作。尽管与上面描述的方法相关的某些方面和特征可被描述为由运输路线管理系统 135的一个或多个特定部件执行，但可以想到，这些特征也可由任何合适的计算系统来执 行。此外，还可以想到图3中的步骤顺序仅是示例性的，并且某些步骤可以在图3中所示的 其他步骤之前、之后或基本同时执行。工业实用性与公开的实施方式相关的方法和系统提供了一种结合实时设备监控系统与基于 性能分析和模拟工具以为每个机器确认改进工作环境100的性能和/或生产力的目标有效 载荷水平的运输道路管理方案。采用这里描述的过程和特征的工作环境提供了用于检测机 器具有提高的滚动阻力值、使用在机器的实时操作过程中从每个机器收集的性能数据、评 估有效载荷水平以实现预期性能目标的自动系统。尽管所公开的实施方式是结合涉及采矿操作用的运输道路进行描述的，但它们可 应用于确认对其他机器或机器群的生产力有负面影响的机器是有利的的任何环境。根据一 种实施方式，当前公开的运输道路管理系统和相关方法可被实施为所连接的工地环境的一 部分，其监控与机群相关的性能数据并诊断群中机器的潜在问题。这样，运输道路管理系统 能够使用与一个或多个机器相关的实时性能数据监控工作环境的健康和生产力。当前公开的用于基于性能管理有效载荷的系统和方法可具有很多优点。例如，这 里描述的该系统和方法提供了根据机器滚动阻力的变化响应地调节机器有效载荷水平的 方案。由于机器有效载荷可通过在加载机器之前通知工作环境人员得到快速容易的调节， 依赖响应性性能调节以最大化运输道路生产力的工作环境变得比依赖重新设计运输道路 区段来降低滚动阻力的常规系统更有效。此外，当前公开的基于性能进行有效载荷管理的系统可具有极大的成本优势。例 如，通过提供一种检测与一个或多个机器相关的滚动阻力的偏离并响应性地调节机器有效 载荷水平以满足目标滚动阻力水平的系统，可以实现预期的机器性能水平，而不要求如一些常规系统要求的对运输道路进行昂贵或者侵害性的调节。 本领域技术人员可以认识到对本发明的用于基于性能进行有效载荷管理的系统 和方法可以进行多种修改和变型，而不超出本发明的范围。通过考虑本发明的说明书和实 践，本发明的其他实施方式对本领域技术人员来说是清楚的。说明书和实施例应当被考虑 为仅是示例性的，本发明的真正范围由权利要求书及其等同范围指出。
权利要求
一种用于基于运输道路条件管理机器有效载荷的方法，该方法包括收集与在工作环境中操作的机器相关的性能数据(310)；基于收集的所述性能数据确定所述机器的实际总有效坡度(320)；将所述实际总有效坡度与目标总有效坡度值进行比较(330)；如果所述实际总有效坡度未处于所述目标总有效坡度值的阈值范围内，则对处于多个有效载荷水平的总有效坡度进行模拟(340)；以及确认所述多个有效载荷水平中引起所模拟的总有效坡度落入所述目标总有效坡度值的所述阈值范围内的至少一个有效载荷水平(350)。
2.根据权利要求1所述的方法，还包括建立所述机器的有效载荷限制，作为所述多个 有效载荷水平中的所述至少一个有效载荷水平的最大有效载荷水平(360)。
3.根据权利要求2所述的方法，还包括生成指示用于所述机器的所述有效载荷限制的有效载荷通知；以及 将所述有效载荷通知提供给有效载荷用户(370)。
4.根据权利要求1所述的方法，还包括输出所述模拟的总有效坡度数据。
5.根据权利要求1所述的方法，其中，对总有效坡度进行模拟包括 基于所收集的性能数据生成所述机器的软件模型；和使用所生成的软件模型对所述机器的操作进行模拟。
6.根据权利要求1所述的方法，还包括针对所述多个有效载荷水平中的每一个确定所 述机器的生产力水平。
7.根据权利要求1所述的方法，还包括针对所述多个有效载荷水平中的每一个评估与 所述机器的一个或多个传动系部件相关的寿命。
8.一种运输路线管理系统(135)，包括条件监控系统(140)，该条件监控系统与在工作环境(100)中操作的机器进行数据通 信并能够收集与在所述工作环境中操作的机器(120a、120b)相关的性能数据；和 基于所述性能数据监控所述机器的实际总有效坡度；性能模拟装置(160)，该性能模拟装置与所述条件监控系统通信地连接并能够 将所述实际总有效坡度与目标总有效坡度值进行比较；如果所述实际总有效坡度未处于所述目标总有效坡度值的阈值范围内，则对与多个有 效载荷水平相关的总有效坡度进行模拟；以及确认所述多个有效载荷水平中引起所模拟的总有效坡度落入所述目标总有效坡度值 的所述阈值范围内的至少一个有效载荷水平。
9.根据权利要求8所述的系统，其中，所述性能模拟装置还能够建立所述机器的有效 载荷限制，作为所述多个有效载荷水平中引起所模拟的总有效坡度落入所述目标总有效坡 度值的阈值范围内的所述至少一个有效载荷水平的最大有效载荷水平。
10.根据权利要求8所述的系统，其中，所述性能模拟装置还能够 生成指示用于所述机器的有效载荷限制的有效载荷通知(165)；知 将所述有效载荷通知提供给有效载荷用户(170)。
全文摘要
本发明提供一种用于基于运输道路条件管理机器有效载荷的方法。该方法包括收集与在工作环境中操作的机器相关的性能数据(310)并根据性能数据确定机器的实际总有效坡度(320)。将总有效坡度与目标总有效坡度值进行比较(330)，如果实际总有效坡度未处于目标总有效坡度值的阈值范围内，则对与多个有效载荷水平相关的总有效坡度进行模拟(340)。确认多个有效载荷水平中引起所模拟的总有效坡度落入目标总有效坡度值的阈值范围内的至少一个有效载荷水平(350)。
文档编号G07C5/00GK101821779SQ200880110860
公开日2010年9月1日 申请日期2008年10月10日 优先权日2007年10月12日
发明者B·J·维雅斯, J·R·格雷纳, 刘阳 申请人:卡特彼勒公司