起重機的智能化技術專利分析

王丹華

摘要：目前，隨著現代化技術的發展，起重機作為一種不可缺少的搬運、裝卸設備，使用者對其性能的要求越來越高，尤其是對起重機智能化作業方面的要求越來越高，突破復雜環境下的人工智能、自動識別作業環境、復雜設備的壽命周期管理、故障診斷報警等智能化技術，最終開發出具有高度自動化水平、自帶安全管理系統、可以實現遠程監測控制的智能裝備也逐漸成為起重機智能化發展的研究熱點。本文從相關專利文獻的角度對起重機的智能化技術進行了統計分析，包括專利申請的趨勢、專利申請分布情況和重要申請人信息，并具體對技術組成和具有代表性的專利進行了分析。

關鍵詞：起重機;智能化;自動識別;安全管理系統;故障診斷

中圖分類號：TU61;G306文獻標識碼：A 文章編號：1003-5168（2020）27-0153-05

1 引言

公元前10年，古羅馬建筑師維特魯維斯曾在其建筑手冊里描述了一種起重機械，這種機械有一根桅桿，桿頂裝有滑輪，由牽索固定桅桿的位置，用絞盤拉動繞過滑輪的纜索，以吊起重物，但起升幅度很小，操作也十分吃力。到了15世紀，意大利科學家發明了轉臂式起重機，才解決這些問題。1805年，格蘭工程師倫尼為倫敦船塢建造了第一批蒸汽起重機。20世紀初期，歐洲開始使用塔式起重機，隨著起重機的發展，起升機構、運行機構、變幅機構、回轉機構和金屬結構等成為了起重機設備不可缺少的重要結構部件。直到現在，各行業生產規模的擴大，生產自動化程度的提高以及科學技術的發展，推動了現代設計和制造能力的提高，起重機作為各領域物料搬運的主要設備，各行業對起重機的安全性、便捷性、智能化的要求也越來越高，其中智能化也逐步成為起重機未來的發展趨勢之一[1]。

起重機在特定的范圍下進行水平方向移動和垂直方向起升物體，主要用來搬運物料，其動作特點具有動作間歇性和作業循環性[2]。起重機被廣泛應用于廠房、搬運場地、倉庫、港口等，在生產活動中是不可或缺的。起重機具有多個不同的類型，按照用途可以分為通用起重機、建筑起重機、冶金起重機、鐵路起重機、港口起重機、造船起重機、甲板起重機等，按照結構不同可劃分為橋式起重機、龍門起重機、流動起重機、懸臂起重機、塔式起重機、纜索起重機、船式起重機、運載橋等[3]。

通常，智能起重機是將某些智能技術整合到起重機中，使起重機可以有效完成自身的起重任務，并可通過編程自動控制操作和移動，也可以全面識別外界環境，對人的操作進行模擬，起升吊運物體[4]。無需很多專業人員，僅需一名操作人員在中央控制室便可以監控多臺起重機按照生產需求進行規范作業，因此，智能起重機也被稱為無人起重機或起重機器人，因此，智能起重機可以大大縮減人力需求，大幅度改善工作效率[5]。

2 起重機智能化技術的專利現狀分析

本文主要采用incopat數據庫，針對去噪后的起重機智能化技術在全球的970件專利文獻進行申請趨勢分析，其中，由于專利文獻從提出申請到向公眾公開有時間的延后，因此，2019年及2020年的樣本會不完整，所以，對于申請量趨勢圖中2019年和2020年申請量下降的趨勢不排除是由于樣本數據量的不完整性造成的。排除了2019—2020年部分尚未公開的專利，可以看出，起重機智能化技術專利文獻的申請量從2005年開始呈現上升態勢，而從2009年開始該技術的專利文獻申請量進入了明顯增長階段，這也與各起重廠家和研究單位對起重機行業智能化技術的關注程度變化相一致。

2.1 專利申請量趨勢分析

圖1示出了起重機的智能化技術的全球專利申請趨勢狀態。由圖1可以看出，該技術專利最早出現在1989年，其技術發展趨勢按照專利申請量的情況主要分為3個階段：

階段1：申請起步階段（2006年之前）

1989年—2006年，這一時期起重機的智能化技術的專利申請量較少，1989年出現了第一項涉及起重機智能化技術的相關專利申請，隨后的一段時期內，申請量一直維持在較低的水平，沒有明顯的增幅，直到2006年專利申請量達到5項，相比2005年申請量開始出現了有史以來第一次明顯的增加。這段時期由于產業化水平以及起重廠家和科研單位對智能化起重機的關注程度相對較低，導致起重機的智能化技術相關專利申請量較少。

階段2：緩慢發展階段（2007年—2009年）

2007年—2009年，起重機的智能化技術相關專利申請數量開始出現增長，但增長速度較慢，這也標志著起重機的智能化技術進入了初步發展階段，同時，該技術的生命周期也進入成長期，標示著起重機的智能化技術的專利研究開始受到相關領域的廣泛關注，使該技術的相關專利申請量處于緩慢平穩增長狀態。

階段3：快速發展階段（2010年—2018年）

從2010年開始，起重機智能化技術的相關專利申請量呈現出迅速增長的態勢，直到2018年申請量達到214件，這說明該技術已廣泛受到關注，且該技術領域主體對起重機智能化技術的創新研發和對專利的重視程度大大提高，并逐漸開始重視專利布局。

2.2主要國家/地區/組織專利申請量分析

專利申請具有地域性，某一特定技術領域的專利申請的地域分布可以反映出該技術領域的發展狀態。經過對起重機智能化技術相關專利申請的地域分布進行統計分析（如圖2所示），可以看出，中國、韓國、世界知識產權組織的相關專利申請量排在前三位，其中，中國的申請量占據第一位，占全部申請量的95.97%，遙遙領先其他國家或組織。由此可以反映出中國在起重機的智能化技術上具備較強的技術儲備和研發能力，同時也展現了中國的相關企業和科研單位在起重機的智能化技術上的優勢。

2.3 全球主要申請人分析

由圖3可知，全球排名比較靠前的申請人大多數是中國的企業、高校及科研單位。其中，徐州重型機械有限公司、武漢理工大學、長沙桑尼重工機械有限公司排在前三位，申請量相差不多，均具有較強的技術研發能力，另外，排在第四位和第五位的分別是中聯重科股份有限公司和太原科技大學，也具有較多的申請量，技術能力同樣不可小覷。排名第六位到第十九位的申請人擁有幾乎相同數量的專利申請量，由此可見，本技術領域的專利分布并非一枝獨秀，相反，分布比較廣泛，呈現遍地開花的景象，這一現象也對該技術的進一步發展大有裨益。

對于中國申請人，由圖4可見，主要申請人為企業、個人、大專院校、科研單位以及機關團體，其中，起重企業的申請量最大，包括徐州重型機械有限公司、長沙桑尼重工機械有限公司、中聯重科股份有限公司等在內的一些企業，其申請量具有絕對優勢，例如，徐州重型機械有限公司于2016年申請了一種起重機吊鉤擺動的監控系統及方法（CN201610679199.4），通過控制器實時讀取回轉編碼器檢測的回轉角度信號，計算出當前回轉速度及加速度，結合當前車身姿態參數計算出吊鉤擺動角度、幅度，并發送給顯示器，顯示器將吊鉤擺動角度、幅度在人機界面上進行顯示;控制器通過讀取力矩限制器發送的吊重量信息，結合吊鉤擺動角度、吊鉤擺動幅度、繩長信息，實時計算出吊鉤擺動引起的臂架側向載荷力，并發送給顯示器進行顯示。同時本發明將吊鉤擺動系統相關的動態數據在人機交互界面上形象化展示，當擺角及臂架側向力過大時，進行智能報警提醒，對手柄操作快慢智能評價并提醒，引導操作者安全作業。

其次申請量較多的大專院校包括武漢理工大學、太原科技大學、上海海事大學以及大連理工大學等，且這些大專院校的相關專利申請的專利價值較高，例如武漢理工大學于2018年申請了一種起重機開環優化防搖控制方法（CN201810222004.2），針對起重機開環防搖加速防搖和減速防搖運行距離過大的問題，本發明基于起重機動力學原理，利用起重機運行狀態參數作為邊界約束條件，實現起重機運行距離最小、加速或減速運行時間最短和運行軌跡最優的防搖控制，可有效抑制和消除負載偏擺，提高起重機運行穩定性;同時基于數值分析和計算機模擬技術，建立起重機運行速度、運行時間和起吊繩長之間的數學模型，提高了起重機開環防搖控制方法的適應性和工程應用性。武漢理工大學于2017年申請了一種基于模糊PID控制的起重機智能防搖控制系統及方法（CN201710637772.X），根據起重機系統動力學方程，采用位移PID和角度PID的雙閉環反饋控制策略，即實現起重機系統大、小車位移的PID閉環反饋控制和負載偏擺角度的PID閉環反饋控制，實現起重機大、小車移動位移的精確控制和負載偏擺角度的有效抑制。同時，利用模糊控制器實現PID控制器參數的自適應調節，提高防搖系統抵抗外界干擾的能力，增加防搖系統對系統參數變化的適應性和魯棒性。防搖控制系統利用絕對值編碼器采集大、小車位移，并反饋至大、小車位移輸入端，有效提高了大、小車位移的控制精確性;同時，利用工業相機實時采集負載偏擺圖像，絕對值編碼器實時采集負載起升高度，并均將其數據傳遞給工控機，工控機基于圖像處理算法，根據負載起升高度得到負載偏擺角度反饋至負載偏擺角度輸入端，并且采用人機交互技術，實現防搖系統的實時監控。

2.4 專利技術構成分析

通過對所分析的專利進行權利要求書和說明書的人工標引和具體解讀，將起重機的智能化相關專利技術主題劃分為5類，包括：一是定位識別技術，例如起重機的自動定位系統，物料的識別技術，吊具定位技術，智能避障技術，身份識別技術等;二是智能監測技術，例如遠程監測系統，工況監測系統，運行速度監測系統，智能監測方法的優化，故障自診斷，智能防撞等;三是安全控制技術，例如安全吊裝方法，不安全行為智能識別技術，防勾連技術，安全信息輸入，防搖擺技術，安全距離監測，防墜落及報警技術等;四是智能管理技術，例如智能運行管理技術，安全監控管理系統，自動循環工作管理，實時數據收集管理，智能管理方式及算法等;五是結構優化，例如電氣系統優化，部件配置方式，梁結構，構件連接關系優化等。

對于定位識別技術的研究，從所分析的專利文件來看，其中中國專利CN109231011B涉及一種基于二維碼的起重機運行機構定位裝置及定位方法，通過分別設置在起重機大車運行方向和小車運行方向上的二維碼和設置在大車與小車上的二維碼識別裝置，接收小車二維碼識別裝置識別的第一識別信號和大車二維碼識別裝置識別的第二識別信號，再根據第一識別信號和第二識別信號計算獲得起重機小車的位置信息和大車的位置信息，實現了對起重機運行機構的定位，為起重機的智能化、自動化運行提供了有利條件。此外，其他涉及起重機定位識別的專利技術還包括傳感器技術、RFID射頻識別技術、紅外線等。

對于起重機的智能監測技術的研究，韓國專利KR102115584B1涉及一種起重機的智能化終端系統，卷揚機的負載監測單元將監測到的負載信息發送到智能終端的負載接收單元，智能終端對接收的負載信息進行計算分析并將計算結果發送給控制命令發送單元，從而根據負載信息控制卷揚機的起升作業，另一方面，操作者還可通過智能電話之類的移動設備與用戶終端進行通話，以便用戶及時發現并處理起重作業的報警故障，即實現了起重機的智能化作業，又提高了安全性。

對于安全控制技術的研究，中國專利CN105883615B涉及一種多段勻變速起重機智能防搖擺控制方法，根據起重機的實際使用情況，預先輸入負載的最大允許擺幅和運行機構的各檔位的速度，包括最大運行速度。編碼器實時測量起升繩長，并將測量信息傳遞給控制中心和上位機。控制中心根據編碼器測量的起升繩長和預設負載的最大允許擺幅，基于起重機系統動力學分析規律，計算運行機構加速度和負載偏擺周期，并根據輸入整形控制算法輸出控制信號，最終通過改變變頻器頻率控制運行機構的多段勻變速運行來抑制負載的偏擺。同時，控制中心將運行機構運行參數通過無線發送至上位機進行監測并顯示。該防搖擺控制方法采用負載的最大允許擺幅作為控制輸入量，根據負載偏擺周期將小車加速或減速過程分為多段勻加速或多段勻減速過程，即在起重機啟動時，通過控制起重機小車多段勻加速運行，或者在起重機制動時，通過控制起重機小車多段勻減速運行，來減小和消除起重機運行過程中負載偏擺，提高了起重機的智能化水平和控制精度。

對于智能管理技術的研究，中國專利CN205545375U涉及一種起重機械安全監控管理系統，通過采用信息采集模塊、視頻轉換模塊、存儲單元、輸出模塊、網絡模塊、顯示單元、通信模塊和識別模塊對起重機分部件進行探測以及對工作環境進行監測，實現對于起重機運行狀況的實時了解，及時處理起重機械各部件發生的故障，避免引起重大的安全事故，同時在起重機械工作現場安裝有現場攝像頭，可以使得指揮人員以及操作人員同步掌握現場的情況，配合更加的默契，另外，采用的指紋識別機和作業卡識別器可以實現專人專機的操作，提高對于起重機械操作的監管，而且設置有通信模塊直接通過GPRS信號將現場的信息傳遞到遠程值班人員手機中，也可以傳遞到主管人員的手機中，實現遠程實時一體化的管理，提升管理的效率，信號采集模塊將起重機械的運行信息經過加密后存儲到存儲單元，這樣有利于后續針對故障的排查和后期的維護，智能化程度較高。

對于結構優化的研究，中國專利CN208561447U涉及一種智能起重吊鉤，因為具有設置在所述吊鉤本體上的供電單元能夠供電;具有的應變測量單元，固定安裝在所述安裝凹陷上，能夠測量所述彎鉤部分受到的應變;數據傳輸單元，能夠接收應變信號，并將所述應變信號傳送給該計算終端，所以本實用新型的智能起重吊鉤能夠隨時監測起吊時的載荷，通過與外部的計算終端的連接來對吊鉤的起吊載荷是否超載、吊鉤的受力是否處于安全范圍進行控制和監督，從而預防吊鉤損壞或超負荷導致的生產事故的發生，進一步還能計算外部某一個智能起重吊鉤起吊的實際工作量，從而實現了普通吊鉤的智能化。

3 結論與建議

通過從專利申請角度全面分析國內外對“起重機智能化技術”的研究現狀，可以了解到，由于起重機是一種比較大型且結構復雜的設備，即包含機械部件，又有電器控制元件，因此，起重機的智能化技術的研究方向比較多元化，但總的來說，都是以實現工作環境自動識別、自動規劃作業軌跡、自動避障、遠程監控、故障診斷報警等智能化技術為目的的，并最終使起重機設備具備自動規劃、全面感知、多機協同和決策控制等能力。例如，為了實現多機協同作業，就需要對遠程監控技術進行研究，以實現對多臺起重機進行監測和控制，使其能夠協同作業;為了提高起重作業的安全性，就需要對起重機的環境識別能力和安全保護系統進行研究，使其根據周圍工作環境自動調整動作指令，從而大大降低起重機設備的故障率以及人員傷亡事故的發生率。

通過對起重機的智能化技術專利的分析研究，雖然不同企業、大專院校及科研機構等對該技術的重點研究方向不同，但對多機協同作業技術的研究還比較少，由于工程項目中吊裝的物件越來越朝著大型化發展，單臺起重機的吊裝能力已很難滿足吊裝要求，使用多臺起重機協同作業的需求也相對增加，因此，今后還需進一步加強對多機智能化協同作業的研究，例如，可以使用檢測技術實時監測多臺起重機的工作參數，同時使用無線通訊技術和監控終端操控多臺起重機的精準動作，以實現多臺起重機的協同控制功能。

參考文獻：

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