起重裝備數字化技術路線與實施路徑*

劉武勝 湯秀麗 潘俊萍

1 北京起重運輸機械設計研究院有限公司 北京 100007 2 機械工業起重機械輕量化技術重點實驗室 北京 100007 3 北京市自動化物流裝備工程技術研究中心 北京 100007

0 引言

數字化是管理與技術的融合、使用較高的技術手段解決管理問題、應用信息技術賦能傳統裝備并不斷進化的過程，包括產品數字化、管理數字化、服務數字化等方面，其中產品數字化是基礎，需要技術數字化和業務數字化的雙輪驅動。

產品數字化是一種面向產品在設計、制造、運維、監管等階段的需求，從物理世界出發，通過利用新一代信息技術、數字技術、人工智能技術等開發利用數力和智力，逐步構建和完善數字世界，進而實現并提升體系化解決問題和滿足需求能力的工程范式。產品數字化的目標是從全生命周期、體系等角度綜合考慮與滿足需求相關的全要素、全過程、全功能和全業務，科學組織和管理各種可支配資源，統籌產品全生命周期，實現所需的產品研制和系統建設，并在其全生命周期內有效管控產品性能，使其在運行使用時能夠發揮預期性能，從而滿足應用需求。

產品數字化本質內核是建立內外部廣泛的在線連接，產生大量實時數據，利用云端的算法和算力使決策變得更實時、更智能，從而提升企業運營和管理效率，甚至產生全新的商業模式或管理模式。產品數字化是將新型數字技術與產品技術深度融合，實現產品研制模式變革（新方法）、產品智能升級（新能力）和價值體系重塑（新價值）的演進過程，用數字化技術幫助裝備產品企業實現跨越式發展，實現業務從制造到制造+服務的轉型，實現機械化換人、自動化減人、智能化無人。

1 起重裝備數字化技術路線

作為特種設備之一的起重裝備具有涉及生命安全和危險性較大2 個特殊屬性。因此，區別于一般產品，特種設備的監管措施貫穿于其全生命周期和體系中，使其數字化的進程更趨復雜。起重裝備數字化作為起重裝備制造、使用、監管等相關企業數字化轉型的基礎，集技術創新、裝備研發、制造與安裝、運維及監管等產業化應用于一體，為相關企業提供統一的數據匯聚、交換、開發、計算等數據底座能力，提供統一的標準化數據資產管理和共享的SaaS 服務平臺能力，可實現企業業務流程線上化、數據集約化，逐步構建全流程、全感知、全連接、全要素的企業數字孿生鏡像，構建起重裝備產業全場景、全品類、全智能、全過程、全處置的解決方案，促進起重裝備行業中低端向中高端轉型、數字化轉型、低碳化轉型、服務化轉型。

起重裝備數字化主要包括研發設計、生產制造、經營管理和檢驗監管4 個維度，其數據要素需在采集、存儲、處理、分析和挖掘技術等方面滿足特種設備應用。技術路線涉及產業維度的數據、算力、算法，貫穿于資源配置優化、生產方式變革、組織管理創新等全產業鏈，涉及業態模式維度的數字化管理、智能化生產、網絡化協同、個性化定制、服務化延伸等新業態新模式。核心任務是數據采集渠道的建設、搭建數據分析平臺、搭建數據應用平臺。目標是應用物聯網、大數據、云計算、人工智能等新技術，構建大科研、大運維和大監督3 大支撐體系，構建基于研發、交付、驗證、運維、檢驗、監管等全生命周期、全要素數據、全流程協同的數字孿生虛擬與現實協同集成技術平臺，實現起重裝備大規模定制→個性化服務→智能化制造→合作化生產→多元化產品的新型數字化生產方式。

2 起重裝備數字化實施路徑

數字化的基本技術路線是在決策過程中主要依賴于數據分析和解釋，而不是依賴于直覺或個人經驗，逐步實現業務數字化、數據價值化、數字平臺化、智能生態化，最終實現數據資產化，使數據成為生產力。常見的機械裝備數字化技術路線包括數字化研發設計、數字化交付、數字化驗證、數字化制造管理、數字化運維、數字化健康評估體系等。起重裝備作為特種設備還包括數字化檢測和數字化監管，還應滿足《中華人民共和國特種設備安全法》、《特種設備安全監察條例》、《特種設備目錄》、TSG51—2023《起重機械安全技術規程》、TSG08—2017《特種設備使用管理規則》等的特殊要求。以上法規規定：

1）起重機械設計應符合《起重機械安全技術規程》及其附錄A《起重機械設計專項要求》。

2）起重機械制造和改造單位應當依法取得相應的特種設備生產許可后，方可從事許可范圍內的制造或者改造活動；改造單位必須為制造單位。

3）起重機械安裝和修理單位應當取得相應的特種設備生產許可證，方可在許可的范圍內從事起重機械的安裝、修理等作業。

4）起重機械使用單位應按《特種設備使用管理規則》的規定，負責起重機械的安全與節能管理，承擔起重機械使用安全與節能主體責任。其主要義務包括采購、使用取得許可生產且經檢驗合格的起重機械；應使用符合安全技術規范要求的特種設備；在起重機械使用前或投入使用后30 天內，向特種設備安全監察部門辦理使用登記，領取《特種設備使用登記證》。

5）起重機械的檢驗分為型式試驗、監督檢驗和定期(首次)檢驗3 種類型；

①型式試驗 是指在制造單位完成產品全面試驗驗證合格的基礎上，由型式試驗機構對產品是否符合安全技術規范等要求而進行的審查、檢查、試驗，該試驗是對產品設計和安全性能的驗證與確認。實施起重機械制造許可的起重機械產品，其型式試驗應當在起重機械制造單位取得相應的制造許可證后、產品投入使用前進行；同時，制造單位首次生產的、或是境外制造在境內首次投入使用的、或是產品型號或規格(主參數)超出原型式試驗覆蓋范圍的、或是其他影響產品安全性能且國家特種設備安全監督管理部門提出要求的應進行型式試驗。同一品種同一型號的產品，其主參數由高向低覆蓋。

②監督檢驗 是指起重機械在安裝、改造、重大修理過程中，實施作業的單位進行自行檢驗和試驗，并且合格，檢驗機構對這些單位的自行檢驗和試驗過程及結果進行監督確認的過程。起重機械實施安裝、改造、重大修理后，應當實施監督檢驗。

③定期檢驗 是指使用單位對在用起重機械進行自行檢查合格的基礎上檢驗機構按期對起重機械進行的檢驗。定期檢驗中的首次檢驗是指對不實施安裝監督檢驗的起重機械，在安裝單位或使用單位自行檢查合格的基礎上，在其投入使用前進行的第1 次檢驗。在用起重機械定期檢驗周期根據起重機械種類非為1 年或2 年。

6）《特種設備安全監察條例》規定：起重機械的作業人員及其相關管理人員（以下簡稱特種設備作業人員），應按國家有關規定經特種設備安全監督管理部門考核合格，取得國家統一格式的特種作業人員證書，方可從事相應的作業或管理工作。

起重裝備數字化技術路線實現路徑就是完整、準確、全面貫徹特種設備創新發展與安全監管理念，用數字化技術跨時空、高效率、高技術性的創新特質，加持傳統裝備、賦能傳統產業，提升數據信息生成、傳遞和獲取能力，強化數據信息數量、深度和廣度，提升數據信息交互能力和數據信息共享能力，為起重裝備帶來新領域、新賽道、新動能和新優勢，全面落實數據主導地位和企業創新主體地位。

2.1 數字化研發設計系統

傳統的研發設計存在研發團隊應對市場需求響應慢、團隊內部溝通低效、產品版本管理失效風險高、市場對企業正向研發能力要求提高、產品設計同生產條件不匹配、復雜工業產品產業鏈管理協同困難、產品知識封裝、追溯和復用能力弱、定制化產品研發設計成本高昂等問題。研發設計數字化可以通過實現產品研發設計手段與研發設計過程的數字化和智能化縮短產品開發周期，促進產品的數字化，提高企業的產品創新能力。研發設計數字化的核心之一是將原來依賴實物試驗的研制設計流程轉變為在數字空間中完成全部設計、試驗和運維的流程，實現設計即正確，從而直接進行生產，大大縮短研發周期，甚至可以將飛機等復雜裝備的研發周期縮短到原來的1/5；其二是利用新一代信息技術加強產品創新，開發支持與用戶交互的智能產品，提升支持服務體驗升級的產品創新能力；其三是利用新一代信息技術強化產品研發過程創新，開展面向產品全生命周期的數字化設計與仿真優化等，提升并行、協同、自優化研發設計等能力。

研發設計數字化通過云計算、大數據、人工智能等技術可提高產品開發效率，降低研發設計成本，建立統一的研發設計過程管理平臺，規范研發設計流程，提高項目管理效率；利用流程優化產品開發交付流程，加速上線時間；應用質量管理體系提高產品質量和穩定性。通過提升效率實現生產力的差異化，通過數字化能力建設實現創新力的差異化，通過思維模式轉變實現戰略的差異化，通過數字化工具賦能實現客戶服務的差異化。然而，研發設計的終極價值并不是為了創造新產品，而是為了知識的進化，產品只是研發設計知識進化的載體。研發設計過程是基于舊知識創造新知識的過程，是人類所從事活動中知識密度最高的過程。智慧研發設計的本質就是將研發設計過程的海量知識經過增值加工形成大量的智能知識插件，并嵌回到研發設計過程中。信息化和數字化迭代遞歸形成知識，知識經過增值加工后，終將在產品數字化進程中發揮效益。

研發設計數字化以產品全品類數據和模型為基礎，加速產品領域內和跨領域循環驗證，提供實物產品與數字產品的交付能力，支撐工程研制和科研生產一體化管控，保證產品方案、產品設計和產品制造的一次成功以及數據驅動的研發設計精細化管控，也是支撐數字化交付、數字化驗證等數字化新形態的基礎。

2.2 數字化交付系統

數字化交付是應用信息技術將裝備設計、制造及竣工后等各類信息進行數字量化并建立模型，轉變為信息系統軟件工具可識別、可存儲、可計算的數字化方式交付給相關方，交付物包括三維模型、數據、文檔等，具體表現為圖紙、模型、數據表、計算書、隨機資料等設計、制造、使用、維修過程中常用的靜態數據及動態修改過程。三維模型包括實體模型和仿真模型，是物理裝備的虛擬可視化表達，并與交付的數據相關聯，與交付的文檔相對應，與交付的實物裝備相映射。核心是模型與數據、文檔之間及交付物與實物裝備之間的完整性、準確性、一致性。特征是三維可視化、交付物與實體裝備完全一致及通過各方一致的數字化交付平臺完成交付過程。交付物是基于數據、文檔、三維模型及其與實物裝備一致的數字孿生裝備，具有數字原生屬性，既包括裝備設計、制造、檢驗等靜態信息，也包括裝備運行、運維、改進等動態信息，可提高設計效率和設計質量，奠定數字裝備、數字運維直至數字化工廠、工程的基礎。

2.3 數字化驗證系統

現有的研發設計模式只能依據經驗和有限的仿真，不足以保證產品設計的正確性、安全性和完整性，只能通過概念驗證、樣機驗證、中試以及小批量生產等方式加以驗證。數字化驗證是利用數字化模型復現實體裝備發生的某些本質過程，通過對模型的實驗研究、分析、改進實際存在或尚處于設計階段的裝備的活動。在裝備可用前，通過虛實融合、虛實映射，進行配置參數驗證，持續改進產品的性能，提高產品運行的安全性、可靠性、穩定性，提升產品運行的健康度，從而提升產品在市場上的競爭力；亦可通過建立企業實體業務的多維模型，實現對業務數據的實時分析，并基于業務動因實時預測業務結果，預警風險并及時調整，實現數據采集、建模仿真、分析預警、決策支持的實時一體化，全面提升企業智能化設計、制造、服務水平，縮短產品研制周期，提高生產效率，降低運營成本和產品不良品率。通過建立與物理產品實時互動的數字孿生體，隨時設計、隨時驗證和逐步細化，利用數字孿生體持續進化的生命體特征持續提升物理產品的智能化特征，實現數字世界多次迭代，物理世界一次成功。

在數字化研制模式下，以數據和模型為基礎，覆蓋與產品研制緊密相關的基于數字模型的系統設計、基于數字鏡像的產品設計、基于數字孿生的產品樣機，預見設計質量和制造過程，推進設計與制造高效協同，確保設計和制造準確執行。

2.4 數字化管理系統

起重裝備交付體現為單件產品供貨或系統集成總包，因而在管理上體現為制造過程或裝備工程管理，前者出廠即可，后者則包含運輸、安裝、調試、驗收、取證甚至是運維全過程。二者涉及產品的廣度和深度迥異，數字化模式和數字要素差異更大。

現有的管理機制多為經驗決策，即企業在面對問題和挑戰時，主要依靠管理者的經驗、直覺和個人喜好來進行決策。這種決策方式在很多情況下可能有效，但由于缺乏科學依據和客觀標準，容易受到主觀因素的影響，導致決策失誤。數字化管理則依據數據決策，即企業在進行決策時，主要依賴于大量的數據分析和挖掘，以便找出最佳的解決方案。這種決策方式具有較強的客觀性和科學性，能夠幫助企業更準確地評估各種風險和機會，從而做出更明智的決策。

產品生產過程數字化是通過實現生產過程控制的數字化、自動化和智能化，提高企業生產過程自動化水平。系統工程管理數字化是實現企業內部及外部管理（安裝、監理、監管等）的數字化、定量化和最優化，提高企業管理效益和水平。后者包含前者，二者均包含生產制造裝備數字化，即通過實現制造裝備的數字化、自動化和精密化，提高產品的精度和加工裝配的效率。

數字化管理包含計劃決策、調度優化、自主控制等環節，是通過數字化技術，實現業務過程的實時監測、全局優化和快速調整，同時通過數據分析和人工智能等技術，能夠更好地預測和應對市場變化和客戶需求，提高生產效率和降低成本。建立完善的數據管理體系，提高數據分析能力，引入先進的數據分析工具和技術，培養數據驅動的文化，促進從經驗決策轉向數據決策，提高決策質量、提升管理效率、促進創新和發展、增強競爭力。

2.5 數字化運維系統

在役起重裝備基本上是定期維修和故障搶修模式，主要以人的視覺、聽覺、嗅覺、肢體等感官進行主觀判斷和決策。數字化運維系統將在起重裝備的本質安全基礎上加裝智能傳感、視覺識別等新技術手段，對在役設備進行異常檢測、異常定位、異常自愈、根因分析和異常預測，代替人的體力和腦力勞動，實現人、機、物的交互融合，通過數據采集、傳遞、分析、反饋、決策、執行等過程實現自動感知、自主分析、自我決策、自動執行，使定期檢修、故障搶修、預防性定期更換逐步實現基于狀態的預知性維修、預防性更換。

數字化運維系統采用云、邊、端技術架構，應用多場景智維物聯采集技術、海量高頻數據邊緣處理技術、低時延加密數據傳輸技術、區塊鏈存儲技術、多源多維異構數據融合應用技術、機理與數據驅動相結合的設備故障診斷技術、多維度數據協同的設備綜合決策技術等數字化技術提供基于知識、機理模型、數據驅動、多元統計等過程監測方法，構建具備安全狀態監測、健康評價、遠程診斷與預警，面向狀態變化趨勢決策的智能運維專家系統。

數字化運維方式擺脫地域、時間、經驗等因素的限制，以期達到同樣的事要求都一樣、任何人作結果都一樣、任何時間作結果都一樣、任何地方作結果都一樣的效果，實現規模化快速復制和高效運維，構建面向服務一致性的設備智能運維標準體系，以超越客戶期望、追求客戶感動的服務理念，推動企業從被動響應到主動服務、預測性服務的服務能力升級，擴展服務對象、延伸服務價值、變革服務模式.

2.6 數字化健康評估系統

數字化健康評估系統以云平臺+數據資源+評價預警+工業應用的智能運維模式實現質量追蹤、備件規劃、剩余壽命評估。裝備健康管理評估服務融合智能檢測、診斷、預測技術和物聯網的大數據應用，根據產品動態運行參數、設備疲勞度、歷史故障、歷史工況數據等大數據對產品的健康狀態進行評估，以全面狀態監測、精準故障診斷與預測、深度大數據管理與分析挖掘等為核心，采取動態感知+實時監控+指標預警模式建立內部互聯、內外互聯、虛實互聯，實現信息感知、智能監測與智慧決策，提供一整套裝備健康管理解決方案與個性化定制服務。裝備健康評估系統主要功能包括實現對監測產品集群的整體健康監測、質量跟蹤、趨勢分析；單臺產品的狀態監測、故障診斷、壽命預測以及用戶使用分析；從時間、設計、試驗、供應商、制造、使用和維護等維度進行質量分析，得到產品質量的當前狀態、歷史過程、問題歸屬和風險預測的結果，增強起重裝備的感知、監測、預警、處置和評估能力，加速設備安全從靜態分析向動態感知、事后應急向事前預防、單點防控向全局聯防的轉變，提升起重裝備本質安全水平，實現由感官判斷、經驗決策到數據判斷、知識決策的演變，支持設備健康狀態的精準把握、運維過程的高效運營和知識傳承，推動起重裝備邁入可感知、可定量、可計算、可調控和可預測的智慧管理、監測、運維、評估階段。

裝備健康評估技術的關鍵是集成千千萬萬個數理化先賢、領域專家、行業翹楚和專業人士的知識和裝備自身產生的數據要素，支持專家經驗的簡潔實現，使專家知識與裝備數據雙輪快速驅動，專家經驗與大數據快速融合迭代；在人機交互過程中，不斷發生知識的交叉與融合、解構和重構，既發生物理反應，也發生化學反應，在原有存量知識的基礎上生成增量知識，持續豐富、補充評估系統的知識體系。

2.7 數字化檢驗檢測系統

特種設備特有的起重裝備檢驗檢測管理系統可提供客戶報檢、報檢受理、檢驗方案、檢驗記錄、意見通知書、報告審核、報告計費、客戶繳費、報告領取等核心業務功能，還可提供任務登記、檢驗儀器管理、電子報告、查詢統計等支撐功能，以滿足檢驗機構的業務和發展需求。在系統框架上，檢驗管理系統包括面向客戶的服務平臺、面向檢驗機構的業務平臺以及面向其他信息化系統進行數據交互的數據平臺等。

客戶服務平臺主要面向客戶，提供在線報檢、意見通知書查看、在線繳費、電子報告等功能，可大幅提升客戶的服務體驗和便利化水平。檢驗業務平臺主要面向檢驗機構內部人員，具有項目管理、人員管理、設備管理、檢測記錄實時錄入、報告自動生成和批量修改、遠程審核和簽章、數字化存檔、記錄溯源、電子簽章和報告真偽驗證等功能，能實現從報檢受理、任務分配、檢驗方案、電子記錄到報告審核的全部業務流程和電子化的流轉，以信息化手段提高檢驗過程的質量和效率，實現檢驗檢測的數字化、精細化管理。其中，檢驗人員可在現場直接以信息化方式進行現場檢驗記錄，檢驗報告將根據記錄內容自動生成，檢驗人員僅需進行1 次編輯工作即可完成從記錄到報告的全部流程，避免因紙質記錄抄寫導致的錯誤。同時，檢驗人員可上傳現場照片、視頻等多媒體文件，作為現場記錄的參考和佐證。

便捷、高效、智能的檢驗檢測管理系統可有效提升客戶體驗和服務質量，減輕檢驗人員工作量，提高檢驗質量和效率，提升檢驗機構的競爭力。

2.8 數字化監管系統

通過感知數據的統一集中管理、海量信息的智能化處理，構建一個面向特種設備的監管服務平臺，實現特種設備運行要素實時監控、風險隱患智能分析、運營安全智慧管理、應急協同指揮、培訓教育考核一體化的互聯網+大數據管理創新模式，將監督部門的防、管、控3 大業務功能于一體，為設備安全和政府部門監督管理提供高效實時的智能應用和服務。根據相應的法律法規、標準規范，對設備全生命周期的致險因素（如人的因素、設備設施（含貨物）因素、環境因素、管理因素等）加以辨識和管控，構建特種設備智慧監管系統，集數據采集、風險預警、應急管理等功能于一體，形成以數據歸集與智能分析為核心的特種設備監察體系。實現動態信息隨時調取、執法過程便捷可溯、應急處置快捷可視、事故規律科學可循，全面提升監管信息化效能，有效防范和遏制重大風險的發生。

采取數字身份一碼串聯架構，建立單位庫、設備庫、人員庫之間的業務關系，生成制造單位、新增設備、操作人員在數據庫中的唯一代碼，一品一碼、一碼貫通。以數字化賦碼為主線，實現起重裝備生產、安裝、使用、管理、維保、檢驗、監管和社會監督等信息的接入統一平臺，滿足制造企業從生產、經營、使用全生命周期相關信息可追溯的需求，提升企業數字化管理水平。對于安裝人員、管理人員、檢驗人員、監察人員和社會公眾等不同主體，分別賦予不同的查詢、操作權限，通過一碼實現查詢設備信息、辦理設備告知、開展設備管理、日常設備巡查、作業信息記錄、設備檢驗、故障上報等功能。用物防、技防、人防并重的數字化監管模式，實現特種設備全國統一的信息公示查詢和全生命周期可追溯管理，變事后為事前，變被動為主動，變人防為技防，打造立體監測、智能感知、精準識別、快速響應的裝備交付與服務體系，促進裝備制造與檢驗檢測業務互聯互通，推動在線檢測、風險預警、事故精準追溯、快速評估與高效應急處置等技術應用，構建智慧監管和追溯體系平臺，可以實現一碼全程覆蓋、一圖全面感知、一網數據融合、一鍵全局可知、一心決策智能等，建成現場看得見、網上查得實、數據監得到、要素管得住、決策有支撐的高質量發展數字化管控平臺。監管模式從經驗管理到信息管理、從事后追責到事前預防，實現全場景覆蓋、全領域共享、全時空可用、全過程可控、全周期可溯，構建監管動態化、智能化、可視化的實時動態管理體系。

3 結語

產業數字化是數字經濟發展的重要特征，而裝備數字化則是產業數字化的基礎。裝備數字化的特點是以數字科技變革傳統裝備，以數據資源為關鍵要素，以數字內容重構產品結構，以信息網絡為市場配置紐帶，以服務平臺為產業生態載體，以數字治理為發展機制條件。

本文聚焦于數字化轉型的時代背景，將數字技術加持、數據要素治理視為起重裝備數字價值創造的重要方式，利用諸如云計算、大數據、工業互聯網、人工智能、預測性維護等新一代工業和信息技術及以人為本思想，將員工從重復、繁重、有害的工作中解放出來，構建基于設計、交付、驗證、運維、評估、監管全生命周期和全要素數據的起重裝備數字化技術路線，實現數字化研發、數字化生產、數字化管理、數字化服務等，減少試制次數，降低廢品率，減少物資浪費，降低碳排放等，實現低碳、綠色、人與環境友好的研發、生產與服務。

起重裝備數字化的實現路徑以價值創造為目的，以提升效率和效益為導向，激發數據要素創新驅動潛能，用數字技術驅動業務變革，統籌運用數字化思維、數字化認知、數字化技術，實現體制機制創新、組織架構優化，對開展業務的方式流程和手段工具進行全方位、系統性重塑，運用數字化思維和手段對各項工作進行賦能，助力起重裝備向高端化、數字化、低碳化、服務化轉型。構建全生命周期、全產品種類、全服務場景、全業務過程、全智能監管、全處置解決的整體方案，實現產品研制中的知識復用，技術創新中知識推動，人才培養中知識共享，為起重裝備產業各項業務提供數據全面、數量準確、數值可信的決策信息，打造全在線、全鏈接、全協同的數字化環境，推進產業數字化、數字產業化、運營平臺化，增強企業競爭力、創新力、控制力、影響力、抗風險能力，促進起重裝備產業數字化轉型。

從裝備企業角度，數字化應用或數字化轉型就是在不同階段、不同業務，用不同的工具解決發展中的問題，即技術驅動+業務驅動。當數字化應用進入企業生產的每一個環節，不僅成為解決眼前局部問題的工具，還將成為智慧系統革命性的升級，也是對戰略思想、管理理念、管理運營規劃、研發創新、決策執行等解決方案的凝練和有機結合，使裝備企業享受效率提升帶來的絕對優勢、創新能力增強帶來的顛覆性能力和模式創新帶來的結構性變化，為其進步提供巨大的空間，將在高水平上重塑企業，必將成為起重裝備企業又一次跨越式發展的機會。而本文所屬各數字化系統或平臺的構建還需具備一定的行業壟斷能力和人才培養，才能充分利用整個行業的數據資源和知識積累，推進數據、信息、知識向智慧轉化，發揮數據要素價值，持續賦能優化產業，使之不斷迭代升級。