起重机械智能化发展及标准需求分析

岳文翀 张 培 赵丽媛

北京起重运输机械设计研究院有限公司 北京 100007

0 引言

近年来我国智能制造业发展呈现良好态势，其中，起重机械作为工业设施中在特定场合应用的物料搬运设备，其智能化转型和发展的需求愈发迫切。当前，起重机械智能化尚处于起步阶段，一方面需要加大技术创新力度，加快智能化发展水平；另一方面，应持续加强起重机械使用安全，减少安全事故发生，保证操作人员安全，满足起重机械行业健康可持续发展。

本文针对起重机械智能化的发展趋势和发展现状进行分析，提出了起重机械智能化发展的标准需求，主要包括基础共性标准、关键技术标准2大类，以此指导和约束起重机械智能化的健康、可持续发展。

1 国内外发展现状

起重机械发展至今，早已成为工业生产中重要的搬运设备。随着人口红利降低，自动化工厂、智慧工厂的快速发展，客户对起重机的性能要求越来越高，起重机械面临着向自动化、智能化高端设备的快速转变。

以科尼、利勃海尔、马尼托瓦克和神钢等公司为代表的国外大型起重机械厂商，在智能化方面较为突出，市场占有率较高。科尼公司以桥式起重机为主的智能起重机，自动化水平较高，占据着部分高端市场。利勃海尔公司的产品系列较全，技术先进，其生产的履带式起重机最大起重量已达到1 200 t。马尼托瓦克公司主打31000型履带式起重机，与使用普通的吊运能力增强附件相比，可大量减少所需的地面准备工作。神钢公司开发的起重机系列化程度高、性价比高，推广力度较强。

当前国内起重机械智能化在各行各业发展如火如荼。以岸边集装箱起重机和集装箱门式起重机为代表的港口起重机，实现了传统码头向自动化码头和“无人港口”的转变。智能桥式起重机在钢铁、运输、水泥、垃圾焚烧、造酒等行业，配合多种智能化吊具广泛应用。

总体来说，国内外起重机械大型化、人性化设计以及智能化发展的趋势非常明显。智能化发展趋势体现在：1）网络控制的应用，提高监控水平，保障安全措施，提升智能系统控制的创新技术研发；2）将机械技术与电子技术相结合，实现起重机的自动化和智能化。

目前，起重机械行业自动化较多仍以人工干预关键工艺节点为主要操作方式，完全脱离人工，实现完全自动化运行的起重机械占比较少。因此，在完全自动化的基础上向智能化方向发展，还有比较长的一段路要走。

作为特种设备，起重机械智能化不仅仅是技术上的突破，还有标准和监管方面的完善。目前，国内外起重机械智能化的开发和应用还处于发展阶段，都没有相关标准可参考，不利于行业高质量发展。因此，在研究起重机械智能化的同时，也需要制定相关标准，约束关键技术条件，保障人员和设备安全，引领行业健康发展。

2 起重机械智能化功能分析

从传统手动起重机、自动化起重机、到智能化起重机的发展历程中，是技术的一代代更新与变革。

起重机械智能化依托自动化、信息化技术实现，代替或辅助人工劳动。即通过将感知与控制系统同起重机集成，使其具有定位与路径规划、环境感知、任务选择与执行控制功能，实现人、机、物的交互、融合。其核心功能主要有感知功能、决策功能和执行功能。感知包括环境感知、空间感知、搬运目标对象感知。决策是其最核心的功能，是其具有人的思考力、判断力的体现，其通过从本机数据管控系统获取信息或通过DCS、ERP、MES、MIS、SAP接收上级管理系统的指令，做出综合判断，最终由执行机构执行。执行机构主要由驱动装置组成，要求安全、可靠、高效、精准。智能化的基础功能主要包括信息管理、安全防护等。起重机械智能化功能层框图如图1所示。

图1 起重机械智能化功能层框图

3 起重机械智能化相关标准现状及需求分析

起重机械智能化近年来发展迅速，应用日趋广泛，但相关标准研制滞后，目前行业内现行标准中，起重机械智能化从设计、制造、安装、调试到验收等各个环节，严重缺失，导致技术要求难以统一，影响了产业的快速发展。标准是产业发展和质量保障、技术发展的核心要素，在产业发展中具有基础性和引导性作用。因此，应充分调动起重机械智能化产业生态链的各方力量，体系化开展国家和行业标准的制定，重点开展产业亟需标准研制，推动标准试验验证平台的建设和完善，为标准的制定提供技术支撑和保障。

总体来说，起重机械智能化标准由基础共性和关键技术2个层次的标准构成。基础共性标准主要包括通用、安全、可靠性、检测、维护、评价等部分，主要用于统一相关概念，解决基础共性问题。关键技术标准主要包括物品识别、信息管控、空间感知、控制系统、安全防护等部分，主要规范关键技术指标，促进行业健康发展。

3.1 制定起重机械智能化相关的基础共性标准

制定起重机械智能化基础共性标准，首先要制定术语和分级等通用基础标准，为其他标准的制定提供支撑。

目前，市场上已经存在大量智能起重机械,国内外也有不少学者和工程技术人员在深入研究智能起重机，但什么是智能起重机,智能起重机与自动化起重机有什么区别，具备什么功能或者关键技术条件，才能被称为智能起重机，目前国内外没有相关的标准文件对这些内容进行明确定义。行业内关于智能起重机的相关术语使用也较为混乱，如防摇、减摆，无人值守、无人驾驶、无人操作、本地控制、远程控制等。由于没有术语界定，造成用户和制造商不在同一个平台上沟通，技术和服务不对等。

因不同行业、不同机型、不同作业工艺，起重机差别较大，如何在同一个维度下，评价起重机的智能化水平，是目前需要解决的难题。技术较先进的其他行业，如城市轨道交通行业、汽车行业，在自动驾驶方面发展迅速、水平较高、投入较大、竞争激烈。在标准方面，各类城市轨道交通系统的无人驾驶或无人干预的自牵引列车适用的标准GB/T 32588.1—2016《轨道交通 自动化的城市轨道交通 安全要求》，将自动化等级分为5级。在汽车行业，GB/T 40429—2021《汽车驾驶自动化分级》以美国SAE J3016作为主要参考文件进行编制，建立符合中国国情的驾驶自动化分级定义，该标准将自动驾驶分为6级。起重机械与轨道交通、汽车有一定的相似性，可相互借鉴，行业内目前对起重机械智能化分级的必要性已达成共识，但如何划分还需要进一步的研究。

3.2 制定智能起重机的关键技术指标标准

在远程控制技术中，涉及到远程控制方式和远程控制台等关键技术。远程控制台未安装在起重机械上，而是安装在建筑物的控制室中，操作人员不能直视到起重机械，通过辅助设备，如视频监控系统对起重机械进行操作；通过远程控制台进行作业的起重机械的智能化控制，需要对其中涉及到的关键技术和关键指标在相关标准中明确和约束。制定电磁干扰标准，用于客观评价电子电气元器件的起重机械零部件、整机和系统的电磁兼容性能。对于其他一些涉及设备安全、人员安全、创新发展等关键技术，如运行机构定位偏差和起升机构定位偏差，需要考虑器件自身的精度、实际检测的偏差、精准程度等，进一步通过标准进行指标约束。

4 展望

在未来“智慧工厂”架构中，起重机械不再是一个独立个体设备，而是作为其中的一个执行机构，其数据交互系统接收上级控制系统发来的指令，通过起重机本体的判断，做出决策，执行任务，实现起重机械的自动路径规划、全面感知及决策控制，保证起重机械设备的操作更加精准平稳、更舒适便捷。在物品识别、数据传输、数据分析、空间感知、安全防护、故障诊断、智能运维等方面，结合应用大数据、云计算、数字孪生等新兴技术,进一步提升起重机械的智能化水平，是未来起重机械智能化技术发展方向。

起重机械智能化健康发展离不开创新技术的推动和相关标准的规范和约束。一方面是向具备环境识别能力并具有安全防护意识的方向发展。未来起重机械大型化发展趋势明显，起重设备在协同工作过程中，吊装作业效率低，安全隐患大。需要发展环境感知及实时监测技术及相关标准规范，满足多机协同控制及自主安全防护需求；另一方面，需要具备更加精准灵活的操作并配合相关标准规范的约束，使设备运行更安全可靠。

起重机械智能化对用户也将提出较高的要求，操作者通过培训以及自身学习，掌握智能控制方面使用技能，且具备综合判断处理能力，才能更好地应用起重机械。管理者需要建立清晰合理的工艺流程，完善的安全管理制度，才能使起重机械智能化更好地发挥作用。

5 结语

本文总结了起重机械智能化发展现状，分析了智能化的基础功能，展望了智能化未来发展方向，并提出了智能化基础共性标准和关键指标标准需求，从安全管理、科学技术、标准规范上提高起重机械的智能化地安全性、可持续发展性。