李福森 林衛(wèi)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(yè)、航空航天、建筑工地、海洋開發(fā)等領域，是國民經(jīng)濟中不可或缺的重要部分，關系到人民生命財產(chǎn)安全、國家經(jīng)濟運行安全和社會穩(wěn)定。隨著經(jīng)濟的快速發(fā)展和轉(zhuǎn)型升級，起重機械在不斷向大型化、復雜化和智能化方向發(fā)展，制造規(guī)模和保有量亦持續(xù)增長。

據(jù)統(tǒng)計，截止到2022年底，我國現(xiàn)有起重機械約279萬臺（見圖1），起重機械的在用數(shù)量及產(chǎn)量均居于世界第一位。我國起重機不僅使用數(shù)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(fā)展。

圖1 歷年起重機械數(shù)量統(tǒng)計圖

冶金行業(yè)是重工業(yè)領域的重要組成部分，需要大量的起重作業(yè)，如熔煉、鑄造、軋制等。傳統(tǒng)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(chǎn)效率，減少人員傷亡事故的發(fā)生，降低生產(chǎn)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(jù)具體的作業(yè)要求進行智能調(diào)節(jié)和合理優(yōu)化，進一步提高設備的運行穩(wěn)定性和精度，故智能起重機在冶金行業(yè)的應用前景非常廣闊。

2 智能起重機的應用現(xiàn)狀

在當前的大數(shù)據(jù)時代背景下，隨著智能制造的大力推進，冶金行業(yè)智能起重機采用了大量人機交互、無線通訊、網(wǎng)絡技術、數(shù)據(jù)分析、軟件工程、人工智能等現(xiàn)代新技術。然而，涉及到智能起重機安全的法規(guī)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(qū)域保護要求、有利于各種起重機數(shù)據(jù)共享的通訊協(xié)議規(guī)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(tǒng)本質(zhì)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(yè)的應用已逐漸得到普及。一些大型鋼鐵企業(yè)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(chǎn)中可以實現(xiàn)智能化的控制和調(diào)節(jié)，能夠更好地適應生產(chǎn)要求，提高生產(chǎn)效率和產(chǎn)品質(zhì)量。同時，智能起重機還能夠?qū)崿F(xiàn)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?？傊?，智能起重機在冶金行業(yè)的應用現(xiàn)狀非常積極，未來還有很大的發(fā)展空間。

3 智能起重機發(fā)展趨勢

2016年～2020年，智能起重機械市場規(guī)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(guī)模增長率將持續(xù)增高。智能起重機在冶金行業(yè)的應用趨勢主要體現(xiàn)在以方面：

1）智能化程度不斷提高

隨著人工智能和物聯(lián)網(wǎng)等技術的不斷發(fā)展，智能起重機在冶金行業(yè)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(yè)的應用將不再局限于單一的起重作業(yè)，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(chǎn)周期等。

3）安全性得到提升

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

4）節(jié)能降耗成為主流

在智能起重機應用于冶金行業(yè)時，節(jié)能降耗是其不可忽視的優(yōu)勢。通過智能調(diào)節(jié)和優(yōu)化，可以最大限度地減少能源的消耗，大大降低了生產(chǎn)成本。

4 智能起重機關鍵技術技術特征介紹及行業(yè)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(xiàn)起重、裝卸、搬運、堆碼、存儲等作業(yè)，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(jiān)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(guī)劃、數(shù)據(jù)傳輸、任務調(diào)度、多機協(xié)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(xiàn)人—機—物的交互融合。在監(jiān)控的數(shù)據(jù)采集、傳遞、分析、反饋、決策、執(zhí)行全過程中，實現(xiàn)自動感知、自主分析、自我決策、自動執(zhí)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(wǎng)絡，實現(xiàn)感知、分析、推理、決策和控制功能，從而實現(xiàn)人機物的交互融合，代替人工進行感知、決策和執(zhí)行，使起重機能適應工作環(huán)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(yè)的發(fā)展歷程

智能起重機在冶金行業(yè)的發(fā)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(yè)的應用起步較早，主要應用于大型鋼廠的生產(chǎn)線，這些起重機主要用于搬運鋼材、鐵水等重物，能提升生產(chǎn)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(fā)展，智能起重機開始具備自主學習和自適應能力，能根據(jù)不同工況自動調(diào)整吊臂位置和吊具，減少人為操作，提高生產(chǎn)效率和安全性。實現(xiàn)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(qū)管理實現(xiàn)信息傳遞自動化起重機司機根據(jù)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(jù)指令提示進行起重機的操作，實現(xiàn)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(yè)的應用開始多元化，不再局限于單一的起重作業(yè)，如智能起重機可通過裝載不同的吊具實現(xiàn)搬運、裝卸、傾倒、翻轉(zhuǎn)等多種操作，提高了生產(chǎn)的靈活性和效率。

4）智能化升級階段

隨著物聯(lián)網(wǎng)技術的普及，智能起重機開始實現(xiàn)與其他設備的聯(lián)動和數(shù)據(jù)交互，通過實時數(shù)據(jù)分析和優(yōu)化，進一步提高了生產(chǎn)效率和安全性。同時，智能起重機逐漸向云端智能化發(fā)展，可實現(xiàn)遠程控制和智能診斷，為冶金行業(yè)的數(shù)字化轉(zhuǎn)型提供了有力支撐。

4.3 智能起重機的行業(yè)政策分析

2017年11月，《國務院關于深化“互聯(lián)網(wǎng)﹢先進制造業(yè)”發(fā)展工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)的指導意見》正式印發(fā)，成為我國工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)發(fā)展的綱領性文件，為開創(chuàng)我國工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)發(fā)展新局面指明了方向。近年來，我國工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)發(fā)展蹄疾步穩(wěn)，成為加快制造業(yè)數(shù)字化轉(zhuǎn)型和支撐經(jīng)濟高質(zhì)量發(fā)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(fā)展創(chuàng)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(yè)智能制造標準體系建設指南的工作，推動了行業(yè)智能制造的發(fā)展。

我國多個相關部門多次頒布智能起重機機械行業(yè)利好政策，從宏觀規(guī)劃、總體布局等方面進一步推動智能起重機械行業(yè)的快速發(fā)展，智能起重機械行業(yè)的紅利政策不斷出臺的情形釋放了行業(yè)發(fā)展的潛力，并推動行業(yè)朝著著智能化和數(shù)字化的深度趨勢發(fā)展。政策主要集中在工業(yè)大數(shù)據(jù)、物聯(lián)網(wǎng)、云計算以及人工智能等方面。在政策的持續(xù)驅(qū)動下，預計2023年～2025年智能起重機械行業(yè)將快速發(fā)展。總結國家對智能起重機行業(yè)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(fā)展，鼓勵企業(yè)加強技術創(chuàng)新，提高產(chǎn)品質(zhì)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(yōu)化融資環(huán)境等，以促進智能起重機行業(yè)的快速發(fā)展。

2）安全監(jiān)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(jiān)管非常重視，出臺了嚴格的法律法規(guī)，要求企業(yè)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(huán)保政策

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

5 當前國內(nèi)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(fā)現(xiàn)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(shù)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(nèi)容，具體存在的問題和隱患如下：

1）設備自動化協(xié)同性不足

設備自動化設計主要考慮設備內(nèi)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(chǎn)過程存在許多信息孤島。

2）企業(yè)信息化集成性不足

企業(yè)信息化建設和應用水平參差不齊，部分企業(yè)雖然在采購、生產(chǎn)、銷售、研發(fā)等過程中普遍采用信息化技術，但各個環(huán)節(jié)信息資源難以實現(xiàn)縱向集成，導致企業(yè)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(yè)總體處于“工業(yè) 3.0”普及階段，對以數(shù)字化智能化為主體的“工業(yè) 4.0”系統(tǒng)性復雜性認識不足，片面地將高端數(shù)控設備自動化理解為智能化，相應配套軟件系統(tǒng)開發(fā)利用滯后。數(shù)字化轉(zhuǎn)型存在諸多制約因素，產(chǎn)業(yè)數(shù)字化起步較晚，缺乏權威的數(shù)據(jù)標準，數(shù)據(jù)格式差異大，兼容性不足。數(shù)據(jù)安全保障能力不足，企業(yè)顧慮較大。創(chuàng)新能力較低，信息基礎設施和制造業(yè)數(shù)字化轉(zhuǎn)型的基礎相對薄弱。認知能力和經(jīng)營管理水平有待提高，對數(shù)字化轉(zhuǎn)型帶來的管理扁平化、生產(chǎn)經(jīng)營透明化等轉(zhuǎn)變存在一定抵觸心理和較強的畏難情緒。

4）法規(guī)、標準相對滯后

目前，起重機在我國被列入特種設備予以監(jiān)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(guī)，各地特檢部門無法可依，僅按現(xiàn)有的條例檢查傳統(tǒng)的安全措施，自動化、智能化功能多由業(yè)主根據(jù)技術協(xié)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(fā)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(xiàn)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(fā)和生產(chǎn)成本較高，導致產(chǎn)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(yè)企業(yè)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(guī)范化 智能起重機行業(yè)發(fā)展較為快速，但相關標準和規(guī)范還未完善，導致產(chǎn)品之間存在差異和不同等問題。

6 智能起重機在冶金行業(yè)的應用前景展望

智能起重機在冶金行業(yè)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(xiàn)安全、高效、準確、節(jié)能的物料搬運作業(yè)，大大提高冶金行業(yè)的作業(yè)效率，可為冶金行業(yè)的發(fā)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(xiàn)實時監(jiān)控和智能控制，使冶金行業(yè)的安全作業(yè)得到保障，避免各種意外事故的發(fā)生，從而實現(xiàn)安全可靠的工作環(huán)境。再次，智能起重機的應用可以實現(xiàn)實時采集和分析作業(yè)情況，能夠更好地管理和控制冶金行業(yè)的生產(chǎn)運行，提高冶金行業(yè)的監(jiān)督管理水平，實現(xiàn)智能化管理。最后，智能起重機的應用可以提高冶金行業(yè)的生產(chǎn)精度，減少損失，從而實現(xiàn)更高的效率，也可以大大改善冶金行業(yè)的工作環(huán)境，減輕勞動強度，實現(xiàn)更高的生產(chǎn)效益。

6.1 提高生產(chǎn)效率與安全性

智能起重機在冶金行業(yè)的應用能夠顯著提高生產(chǎn)效率和安全性。首先，通過自動化技術實現(xiàn)智能化生產(chǎn)，可減少人工操作的誤差和風險。隨著現(xiàn)代冶金生產(chǎn)規(guī)模的擴大，傳統(tǒng)的手動操作已無法滿足生產(chǎn)需求。智能起重機采用先進的傳感器、控制和監(jiān)測系統(tǒng)，能夠?qū)崟r獲取物料的參數(shù)和狀態(tài)，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(chǎn)的順利進行。

另外，智能起重機還可通過數(shù)據(jù)采集和分析實現(xiàn)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(chǎn)停機時間，為冶金企業(yè)提供了更高生產(chǎn)效率和經(jīng)濟效益。通過監(jiān)測起重機的工作狀態(tài)和運行數(shù)據(jù)，預測出潛在的故障并提前采取措施進行維修和保養(yǎng)，從而避免了因故障而造成的生產(chǎn)停工和安全事故。

6.2 優(yōu)化資源利用與能源節(jié)約

智能起重機的應用有助于優(yōu)化資源利用和能源節(jié)約。起重機在冶金行業(yè)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(tǒng)和節(jié)能技術，實現(xiàn)對起重機的能源消耗進行優(yōu)化和管理。其中，智能控制系統(tǒng)能根據(jù)物料的質(zhì)量和距離實時調(diào)整起重機的工作參數(shù)，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(zhì)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(shù)據(jù)分析和優(yōu)化調(diào)度實現(xiàn)資源的合理利用?；诖髷?shù)據(jù)技術，起重機不僅能根據(jù)冶金生產(chǎn)計劃進行智能調(diào)度，還能通過分析歷史數(shù)據(jù)和實時監(jiān)測的信息，為冶金企業(yè)提供運行建議，優(yōu)化整個生產(chǎn)過程的資源利用效率，從而降低生產(chǎn)成本和能源消耗。

6.3 智能起重機與工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)的融合

智能起重機在冶金行業(yè)的應用與工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)的融合相關。工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)是將信息技術與制造業(yè)相結合，為制造企業(yè)提供智能化、數(shù)字化和網(wǎng)絡化的解決方案。冶金行業(yè)作為傳統(tǒng)制造業(yè)的重要組成部分，需要借助工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)的力量實現(xiàn)轉(zhuǎn)型升級。

智能起重機作為冶金企業(yè)的核心設備之一，可以通過與工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)平臺的連接實現(xiàn)數(shù)據(jù)共享和互通，通過云平臺存儲和處理起重機的運行數(shù)據(jù)實現(xiàn)數(shù)據(jù)共享和協(xié)同，能夠準確分析起重機的工作狀態(tài)和性能，優(yōu)化運行策略，并提供冶金企業(yè)的運行決策依據(jù)。

此外，智能起重機還能與其他生產(chǎn)系統(tǒng)和設備實現(xiàn)無縫連接，實現(xiàn)自動化生產(chǎn)流程和全局協(xié)同。例如，智能起重機可以與冶金熔煉設備、物流輸送系統(tǒng)等相互配合，實現(xiàn)整個冶金生產(chǎn)線的智能化運行。這種整合和協(xié)同的優(yōu)勢，將進一步提高冶金生產(chǎn)的效率和質(zhì)量，實現(xiàn)冶金行業(yè)的智能化轉(zhuǎn)型。

綜上所述，冶金行業(yè)的生產(chǎn)過程需要大量的起重作業(yè)，智能起重機可以提高生產(chǎn)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(xiàn)自動化控制、遠程監(jiān)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(yè)的推廣和智能化水平的提高，智能起重機在該行業(yè)的應用前景將會越來越廣闊。