起重機械智能化發展及標準需求分析

岳文翀 張 培 趙麗媛

北京起重運輸機械設計研究院有限公司 北京 100007

0 引言

近年來我國智能制造業發展呈現良好態勢，其中，起重機械作為工業設施中在特定場合應用的物料搬運設備，其智能化轉型和發展的需求愈發迫切。當前，起重機械智能化尚處于起步階段，一方面需要加大技術創新力度，加快智能化發展水平；另一方面，應持續加強起重機械使用安全，減少安全事故發生，保證操作人員安全，滿足起重機械行業健康可持續發展。

本文針對起重機械智能化的發展趨勢和發展現狀進行分析，提出了起重機械智能化發展的標準需求，主要包括基礎共性標準、關鍵技術標準2大類，以此指導和約束起重機械智能化的健康、可持續發展。

1 國內外發展現狀

起重機械發展至今，早已成為工業生產中重要的搬運設備。隨著人口紅利降低，自動化工廠、智慧工廠的快速發展，客戶對起重機的性能要求越來越高，起重機械面臨著向自動化、智能化高端設備的快速轉變。

以科尼、利勃海爾、馬尼托瓦克和神鋼等公司為代表的國外大型起重機械廠商，在智能化方面較為突出，市場占有率較高。科尼公司以橋式起重機為主的智能起重機，自動化水平較高，占據著部分高端市場。利勃海爾公司的產品系列較全，技術先進，其生產的履帶式起重機最大起重量已達到1 200 t。馬尼托瓦克公司主打31000型履帶式起重機，與使用普通的吊運能力增強附件相比，可大量減少所需的地面準備工作。神鋼公司開發的起重機系列化程度高、性價比高，推廣力度較強。

當前國內起重機械智能化在各行各業發展如火如荼。以岸邊集裝箱起重機和集裝箱門式起重機為代表的港口起重機，實現了傳統碼頭向自動化碼頭和“無人港口”的轉變。智能橋式起重機在鋼鐵、運輸、水泥、垃圾焚燒、造酒等行業，配合多種智能化吊具廣泛應用。

總體來說，國內外起重機械大型化、人性化設計以及智能化發展的趨勢非常明顯。智能化發展趨勢體現在：1）網絡控制的應用，提高監控水平，保障安全措施，提升智能系統控制的創新技術研發；2）將機械技術與電子技術相結合，實現起重機的自動化和智能化。

目前，起重機械行業自動化較多仍以人工干預關鍵工藝節點為主要操作方式，完全脫離人工，實現完全自動化運行的起重機械占比較少。因此，在完全自動化的基礎上向智能化方向發展，還有比較長的一段路要走。

作為特種設備，起重機械智能化不僅僅是技術上的突破，還有標準和監管方面的完善。目前，國內外起重機械智能化的開發和應用還處于發展階段，都沒有相關標準可參考，不利于行業高質量發展。因此，在研究起重機械智能化的同時，也需要制定相關標準，約束關鍵技術條件，保障人員和設備安全，引領行業健康發展。

2 起重機械智能化功能分析

從傳統手動起重機、自動化起重機、到智能化起重機的發展歷程中，是技術的一代代更新與變革。

起重機械智能化依托自動化、信息化技術實現，代替或輔助人工勞動。即通過將感知與控制系統同起重機集成，使其具有定位與路徑規劃、環境感知、任務選擇與執行控制功能，實現人、機、物的交互、融合。其核心功能主要有感知功能、決策功能和執行功能。感知包括環境感知、空間感知、搬運目標對象感知。決策是其最核心的功能，是其具有人的思考力、判斷力的體現，其通過從本機數據管控系統獲取信息或通過DCS、ERP、MES、MIS、SAP接收上級管理系統的指令，做出綜合判斷，最終由執行機構執行。執行機構主要由驅動裝置組成，要求安全、可靠、高效、精準。智能化的基礎功能主要包括信息管理、安全防護等。起重機械智能化功能層框圖如圖1所示。

圖1 起重機械智能化功能層框圖

3 起重機械智能化相關標準現狀及需求分析

起重機械智能化近年來發展迅速，應用日趨廣泛，但相關標準研制滯后，目前行業內現行標準中，起重機械智能化從設計、制造、安裝、調試到驗收等各個環節，嚴重缺失，導致技術要求難以統一，影響了產業的快速發展。標準是產業發展和質量保障、技術發展的核心要素，在產業發展中具有基礎性和引導性作用。因此，應充分調動起重機械智能化產業生態鏈的各方力量，體系化開展國家和行業標準的制定，重點開展產業亟需標準研制，推動標準試驗驗證平臺的建設和完善，為標準的制定提供技術支撐和保障。

總體來說，起重機械智能化標準由基礎共性和關鍵技術2個層次的標準構成。基礎共性標準主要包括通用、安全、可靠性、檢測、維護、評價等部分，主要用于統一相關概念，解決基礎共性問題。關鍵技術標準主要包括物品識別、信息管控、空間感知、控制系統、安全防護等部分，主要規范關鍵技術指標，促進行業健康發展。

3.1 制定起重機械智能化相關的基礎共性標準

制定起重機械智能化基礎共性標準，首先要制定術語和分級等通用基礎標準，為其他標準的制定提供支撐。

目前，市場上已經存在大量智能起重機械,國內外也有不少學者和工程技術人員在深入研究智能起重機，但什么是智能起重機,智能起重機與自動化起重機有什么區別，具備什么功能或者關鍵技術條件，才能被稱為智能起重機，目前國內外沒有相關的標準文件對這些內容進行明確定義。行業內關于智能起重機的相關術語使用也較為混亂，如防搖、減擺，無人值守、無人駕駛、無人操作、本地控制、遠程控制等。由于沒有術語界定，造成用戶和制造商不在同一個平臺上溝通，技術和服務不對等。

因不同行業、不同機型、不同作業工藝，起重機差別較大，如何在同一個維度下，評價起重機的智能化水平，是目前需要解決的難題。技術較先進的其他行業，如城市軌道交通行業、汽車行業，在自動駕駛方面發展迅速、水平較高、投入較大、競爭激烈。在標準方面，各類城市軌道交通系統的無人駕駛或無人干預的自牽引列車適用的標準GB/T 32588.1—2016《軌道交通 自動化的城市軌道交通 安全要求》，將自動化等級分為5級。在汽車行業，GB/T 40429—2021《汽車駕駛自動化分級》以美國SAE J3016作為主要參考文件進行編制，建立符合中國國情的駕駛自動化分級定義，該標準將自動駕駛分為6級。起重機械與軌道交通、汽車有一定的相似性，可相互借鑒，行業內目前對起重機械智能化分級的必要性已達成共識，但如何劃分還需要進一步的研究。

3.2 制定智能起重機的關鍵技術指標標準

在遠程控制技術中，涉及到遠程控制方式和遠程控制臺等關鍵技術。遠程控制臺未安裝在起重機械上，而是安裝在建筑物的控制室中，操作人員不能直視到起重機械，通過輔助設備，如視頻監控系統對起重機械進行操作；通過遠程控制臺進行作業的起重機械的智能化控制，需要對其中涉及到的關鍵技術和關鍵指標在相關標準中明確和約束。制定電磁干擾標準，用于客觀評價電子電氣元器件的起重機械零部件、整機和系統的電磁兼容性能。對于其他一些涉及設備安全、人員安全、創新發展等關鍵技術，如運行機構定位偏差和起升機構定位偏差，需要考慮器件自身的精度、實際檢測的偏差、精準程度等，進一步通過標準進行指標約束。

4 展望

在未來“智慧工廠”架構中，起重機械不再是一個獨立個體設備，而是作為其中的一個執行機構，其數據交互系統接收上級控制系統發來的指令，通過起重機本體的判斷，做出決策，執行任務，實現起重機械的自動路徑規劃、全面感知及決策控制，保證起重機械設備的操作更加精準平穩、更舒適便捷。在物品識別、數據傳輸、數據分析、空間感知、安全防護、故障診斷、智能運維等方面，結合應用大數據、云計算、數字孿生等新興技術,進一步提升起重機械的智能化水平，是未來起重機械智能化技術發展方向。

起重機械智能化健康發展離不開創新技術的推動和相關標準的規范和約束。一方面是向具備環境識別能力并具有安全防護意識的方向發展。未來起重機械大型化發展趨勢明顯，起重設備在協同工作過程中，吊裝作業效率低，安全隱患大。需要發展環境感知及實時監測技術及相關標準規范，滿足多機協同控制及自主安全防護需求；另一方面，需要具備更加精準靈活的操作并配合相關標準規范的約束，使設備運行更安全可靠。

起重機械智能化對用戶也將提出較高的要求，操作者通過培訓以及自身學習，掌握智能控制方面使用技能，且具備綜合判斷處理能力，才能更好地應用起重機械。管理者需要建立清晰合理的工藝流程，完善的安全管理制度，才能使起重機械智能化更好地發揮作用。

5 結語

本文總結了起重機械智能化發展現狀，分析了智能化的基礎功能，展望了智能化未來發展方向，并提出了智能化基礎共性標準和關鍵指標標準需求，從安全管理、科學技術、標準規范上提高起重機械的智能化地安全性、可持續發展性。