智能起重機在冶金行業的應用現狀與發展前景

李福森 林衛國 賈華龍 滕啟斯 張時光

北京科正平工程技術檢測研究有限公司 北京 100007

1 基本情況

起重機械廣泛應用于港口碼頭、工礦企業、航空航天、建筑工地、海洋開發等領域，是國民經濟中不可或缺的重要部分，關系到人民生命財產安全、國家經濟運行安全和社會穩定。隨著經濟的快速發展和轉型升級，起重機械在不斷向大型化、復雜化和智能化方向發展，制造規模和保有量亦持續增長。

據統計，截止到2022年底，我國現有起重機械約279萬臺（見圖1），起重機械的在用數量及產量均居于世界第一位。我國起重機不僅使用數量在不斷增長，同時也正在向大型化、高速化、自動化和智能化方向發展。

圖1 歷年起重機械數量統計圖

冶金行業是重工業領域的重要組成部分，需要大量的起重作業，如熔煉、鑄造、軋制等。傳統的起重機設備存在一些局限性，如操作不靈活、效率低下、安全性較低等問題，智能起重機的應用可有效地解決這些問題，提高生產效率，減少人員傷亡事故的發生，降低生產成本。同時，智能起重機還具有自適應、自動化、智能化等特點，可根據具體的作業要求進行智能調節和合理優化，進一步提高設備的運行穩定性和精度，故智能起重機在冶金行業的應用前景非常廣闊。

2 智能起重機的應用現狀

在當前的大數據時代背景下，隨著智能制造的大力推進，冶金行業智能起重機采用了大量人機交互、無線通訊、網絡技術、數據分析、軟件工程、人工智能等現代新技術。然而，涉及到智能起重機安全的法規和標準目前嚴重缺失，如防止電磁干擾的起重機電磁兼容要求、保證智能起重機運行安全的區域保護要求、有利于各種起重機數據共享的通訊協議規則、針對起重機遠程操作的安全要求、確保起重機智能抓取安全的自動化吊具要求、保證智能起重機安全運行的系統本質安全要求等，這些都應盡快開展研究并著手制定。

智能起重機在智能車間中承擔著非常重要的智能物料搬運功能，這些起重機的長期安全可靠運行是極其重要的。目前，智能起重機在冶金行業的應用已逐漸得到普及。一些大型鋼鐵企業和冶金公司紛紛引進了智能起重機設備，并取得了良好效果。這些設備在生產中可以實現智能化的控制和調節，能夠更好地適應生產要求，提高生產效率和產品質量。同時，智能起重機還能夠實現自動化操作，減少人員的介入，降低勞動強度和人為誤操作的風險。總之，智能起重機在冶金行業的應用現狀非常積極，未來還有很大的發展空間。

3 智能起重機發展趨勢

2016年～2020年，智能起重機械市場規模由499.1億元增長至1 087.2億元，年復合增長率達21.4%，其中移動式起重機年復合增長率較高達到340%，預計未來5年智能起重機械市場規模增長率將持續增高。智能起重機在冶金行業的應用趨勢主要體現在以方面：

1）智能化程度不斷提高

隨著人工智能和物聯網等技術的不斷發展，智能起重機在冶金行業的應用將越來越智能化，具有更強的自主學習和自適應能力。

2）多功能化趨勢明顯

智能起重機在冶金行業的應用將不再局限于單一的起重作業，而是將更加多功能化，具備更廣泛的應用場景，如搬運、縮短生產周期等。

3）安全性得到提升

隨著智能起重機技術的不斷發展，其安全性得到了極大的提升。在冶金行業，智能起重機的應用將大大減少人為因素對作業過程的影響，提高了作業的安全性。

4）節能降耗成為主流

在智能起重機應用于冶金行業時，節能降耗是其不可忽視的優勢。通過智能調節和優化，可以最大限度地減少能源的消耗，大大降低了生產成本。

4 智能起重機關鍵技術技術特征介紹及行業分析

4.1 智能起重機的定義

智能起重機亦稱為無人化起重機、全自動起重機、起重機器人等，可自動實現起重、裝卸、搬運、堆碼、存儲等作業，是具有對物料進行識別、計量、跟蹤、管理并具備自動化、信息化、智能化功能的搬運機器人。起重機智能控制包含自動控制操作和智能監控2個階段，具有自動檢測（貨物檢測、位置檢測等）、柔性吊具防搖擺、路徑規劃、數據傳輸、任務調度、多機協同、人機交互等技術。智能起重機是通過傳感器和智能決策軟件代替人的體力勞動和腦力勞動，代替人的視覺、聽覺、肢體等感知器官，代替人的主觀判斷和決策，實現人—機—物的交互融合。在監控的數據采集、傳遞、分析、反饋、決策、執行全過程中，實現自動感知、自主分析、自我決策、自動執行。

智能起重機械通過傳感器和智能決策軟件與起重機形成集成網絡，實現感知、分析、推理、決策和控制功能，從而實現人機物的交互融合，代替人工進行感知、決策和執行，使起重機能適應工作環境的變化。其工作流程與通用起重機相同，但增加的智能控制能代替人的視覺、聽覺、肢體等感知器官，代替操作員判所作出對應的動作，完成在起重機工作過程中的識別、感知操作和管理等。

4.2 智能起重機在冶金行業的發展歷程

智能起重機在冶金行業的發展歷程可分為起步、智能化、多功能化和智能化升級等4個階段。

1）起步階段

智能起重機在冶金行業的應用起步較早，主要應用于大型鋼廠的生產線，這些起重機主要用于搬運鋼材、鐵水等重物，能提升生產效率，主要特點是依靠人工進行信息傳遞及行車操作。

2）自動化階段

隨著計算機技術和智能控制技術的發展，智能起重機開始具備自主學習和自適應能力，能根據不同工況自動調整吊臂位置和吊具，減少人為操作，提高生產效率和安全性。實現了精確的位置定位，起重機司機即可通過車載終端接收指令及查看信息。主要特點是庫區管理實現信息傳遞自動化起重機司機根據指令操控起重機。起重機司機能夠通過車載終端接收吊運指令，并根據指令提示進行起重機的操作，實現了起重機上有人，地面無人的運行模式。

3）多功能化階段

智能起重機在冶金行業的應用開始多元化，不再局限于單一的起重作業，如智能起重機可通過裝載不同的吊具實現搬運、裝卸、傾倒、翻轉等多種操作，提高了生產的靈活性和效率。

4）智能化升級階段

隨著物聯網技術的普及，智能起重機開始實現與其他設備的聯動和數據交互，通過實時數據分析和優化，進一步提高了生產效率和安全性。同時，智能起重機逐漸向云端智能化發展，可實現遠程控制和智能診斷，為冶金行業的數字化轉型提供了有力支撐。

4.3 智能起重機的行業政策分析

2017年11月，《國務院關于深化“互聯網﹢先進制造業”發展工業互聯網的指導意見》正式印發，成為我國工業互聯網發展的綱領性文件，為開創我國工業互聯網發展新局面指明了方向。近年來，我國工業互聯網發展蹄疾步穩，成為加快制造業數字化轉型和支撐經濟高質量發展的重要力量，為“中國智造2025”打下堅實基礎，也為智能起重機的發展創造了條件。同時，我國在2021年標準化工作重點中明確啟動編制鋼鐵、電力裝備等行業智能制造標準體系建設指南的工作，推動了行業智能制造的發展。

我國多個相關部門多次頒布智能起重機機械行業利好政策，從宏觀規劃、總體布局等方面進一步推動智能起重機械行業的快速發展，智能起重機械行業的紅利政策不斷出臺的情形釋放了行業發展的潛力，并推動行業朝著著智能化和數字化的深度趨勢發展。政策主要集中在工業大數據、物聯網、云計算以及人工智能等方面。在政策的持續驅動下，預計2023年～2025年智能起重機械行業將快速發展。總結國家對智能起重機行業的政策主要包括以下方面：

1）支持政策

國家大力支持智能起重機的發展，鼓勵企業加強技術創新，提高產品質量和技術水平。政府還出臺了一系列相關政策，如提供財政補貼、降低稅收負擔、優化融資環境等，以促進智能起重機行業的快速發展。

2）安全監管政策

智能起重機作為一種高風險設備，其安全性至關重要。因此，政府對智能起重機的安全監管非常重視，出臺了嚴格的法律法規，要求企業加強安全管理、建立完善的安全制度、加強人員培訓等，確保智能起重機的安全運行。

3）環保政策

智能起重機的使用會產生一定的噪聲、振動和廢氣等，對環境造成一定的影響。因此，政府要求企業使用符合環保要求的智能起重機，加強環保管理，減少對環境的污染。

5 當前國內智能起重機存在的主要問題

智能起重機在操作控制過程中，不僅操作設備完成預定的工作流程，也是自主感知、隨時發現意外情況而予以應對。智能化技術的重點不在于自動完成預定的動作或工藝流程，更重要的是代替人的感知。相對于其他設備，起重機智能化的難點在于智能化吊具、三維精確定位（多數定位及起重機本體，與柔性連接的吊具或物品之間）、故障安全技術（意外情況感知能力）這3方面的主要內容，具體存在的問題和隱患如下：

1）設備自動化協同性不足

設備自動化設計主要考慮設備內部需求，對外相對封閉，特別是部分高端設備由國外供應商提供，存在核心技術保護和擴展性、兼容性受限等制約因素，整個生產過程存在許多信息孤島。

2）企業信息化集成性不足

企業信息化建設和應用水平參差不齊，部分企業雖然在采購、生產、銷售、研發等過程中普遍采用信息化技術，但各個環節信息資源難以實現縱向集成，導致企業整體管理水平難以提升。

3）智能化應用處在初級階段

冶金行業總體處于“工業 3.0”普及階段，對以數字化智能化為主體的“工業 4.0”系統性復雜性認識不足，片面地將高端數控設備自動化理解為智能化，相應配套軟件系統開發利用滯后。數字化轉型存在諸多制約因素，產業數字化起步較晚，缺乏權威的數據標準，數據格式差異大，兼容性不足。數據安全保障能力不足，企業顧慮較大。創新能力較低，信息基礎設施和制造業數字化轉型的基礎相對薄弱。認知能力和經營管理水平有待提高，對數字化轉型帶來的管理扁平化、生產經營透明化等轉變存在一定抵觸心理和較強的畏難情緒。

4）法規、標準相對滯后

目前，起重機在我國被列入特種設備予以監管，但尚未對起重機的自動化、智能化制定相關的標準和法規，各地特檢部門無法可依，僅按現有的條例檢查傳統的安全措施，自動化、智能化功能多由業主根據技術協議自行驗收，其智能化性能是否可靠、安全無從判定，不僅帶來眾多隱患，也嚴重滯后技術的發展和應用。綜合以上總結，當前智能起重機存在的主要問題包括：

①技術難題 智能化和自動化是智能起重機的重要特點，但是在實現過程中存在許多技術難題，如傳感器的精度、機器學習的算法等。

②安全隱患 智能起重機在操作過程中，存在一定的安全隱患，例如機器故障、操作失誤等問題，需要加強安全管理和培訓。

③成本高昂 智能起重機的研發和生產成本較高，導致產品價格較貴，限制了其普及和應用范圍。

④應用場景受限 智能起重機的應用場景主要集中在大型工業企業和重要基礎設施等領域，其他領域的應用還比較有限。

⑤缺乏標準化和規范化 智能起重機行業發展較為快速，但相關標準和規范還未完善，導致產品之間存在差異和不同等問題。

6 智能起重機在冶金行業的應用前景展望

智能起重機在冶金行業的應用已取得了顯著成效，其應用前景可觀。首先，智能起重機可以實現安全、高效、準確、節能的物料搬運作業，大大提高冶金行業的作業效率，可為冶金行業的發展帶來巨大利益。其次，由于智能起重機具有自動化控制功能，可以實現實時監控和智能控制，使冶金行業的安全作業得到保障，避免各種意外事故的發生，從而實現安全可靠的工作環境。再次，智能起重機的應用可以實現實時采集和分析作業情況，能夠更好地管理和控制冶金行業的生產運行，提高冶金行業的監督管理水平，實現智能化管理。最后，智能起重機的應用可以提高冶金行業的生產精度，減少損失，從而實現更高的效率，也可以大大改善冶金行業的工作環境，減輕勞動強度，實現更高的生產效益。

6.1 提高生產效率與安全性

智能起重機在冶金行業的應用能夠顯著提高生產效率和安全性。首先，通過自動化技術實現智能化生產，可減少人工操作的誤差和風險。隨著現代冶金生產規模的擴大，傳統的手動操作已無法滿足生產需求。智能起重機采用先進的傳感器、控制和監測系統，能夠實時獲取物料的參數和狀態，并進行精確控制。這不僅提高了操作的準確性，還能在關鍵時刻及時做出響應，保障生產的順利進行。

另外，智能起重機還可通過數據采集和分析實現故障預測和預防，這種智能化維護和管理方式不僅提高了安全性，還大大降低了維護成本和生產停機時間，為冶金企業提供了更高生產效率和經濟效益。通過監測起重機的工作狀態和運行數據，預測出潛在的故障并提前采取措施進行維修和保養，從而避免了因故障而造成的生產停工和安全事故。

6.2 優化資源利用與能源節約

智能起重機的應用有助于優化資源利用和能源節約。起重機在冶金行業中的使用頻率較高，對能源的需求很大；而智能起重機能夠通過智能控制系統和節能技術，實現對起重機的能源消耗進行優化和管理。其中，智能控制系統能根據物料的質量和距離實時調整起重機的工作參數，以最小的能量完成任務。智能起重機還可通過智能感知設備和人工智能算法，準確預測物料的質量和運行軌跡，從而降低能源的浪費，確保起重機的工作更加高效和精確。

另外，智能起重機還可通過數據分析和優化調度實現資源的合理利用。基于大數據技術，起重機不僅能根據冶金生產計劃進行智能調度，還能通過分析歷史數據和實時監測的信息，為冶金企業提供運行建議，優化整個生產過程的資源利用效率，從而降低生產成本和能源消耗。

6.3 智能起重機與工業互聯網的融合

智能起重機在冶金行業的應用與工業互聯網的融合相關。工業互聯網是將信息技術與制造業相結合，為制造企業提供智能化、數字化和網絡化的解決方案。冶金行業作為傳統制造業的重要組成部分，需要借助工業互聯網的力量實現轉型升級。

智能起重機作為冶金企業的核心設備之一，可以通過與工業互聯網平臺的連接實現數據共享和互通，通過云平臺存儲和處理起重機的運行數據實現數據共享和協同，能夠準確分析起重機的工作狀態和性能，優化運行策略，并提供冶金企業的運行決策依據。

此外，智能起重機還能與其他生產系統和設備實現無縫連接，實現自動化生產流程和全局協同。例如，智能起重機可以與冶金熔煉設備、物流輸送系統等相互配合，實現整個冶金生產線的智能化運行。這種整合和協同的優勢，將進一步提高冶金生產的效率和質量，實現冶金行業的智能化轉型。

綜上所述，冶金行業的生產過程需要大量的起重作業，智能起重機可以提高生產效率、降低工人勞動強度和事故風險。同時，智能起重機還可實現自動化控制、遠程監測和預測性維護等功能，提高設備的智能化水平。隨著冶金行業的推廣和智能化水平的提高，智能起重機在該行業的應用前景將會越來越廣闊。