智能起重机在冶金行业的应用现状与发展前景

2023-12-12李福森林卫国贾华龙滕启斯张时光

起重运输机械 2023年22期

李福森林卫国贾华龙滕启斯张时光

北京科正平工程技术检测研究有限公司北京 100007

1 基本情况

起重机械广泛应用于港口码头、工矿企业、航空航天、建筑工地、海洋开发等领域，是国民经济中不可或缺的重要部分，关系到人民生命财产安全、国家经济运行安全和社会稳定。随着经济的快速发展和转型升级，起重机械在不断向大型化、复杂化和智能化方向发展，制造规模和保有量亦持续增长。

据统计，截止到2022年底，我国现有起重机械约279万台（见图1），起重机械的在用数量及产量均居于世界第一位。我国起重机不仅使用数量在不断增长，同时也正在向大型化、高速化、自动化和智能化方向发展。

图1 历年起重机械数量统计图

冶金行业是重工业领域的重要组成部分，需要大量的起重作业，如熔炼、铸造、轧制等。传统的起重机设备存在一些局限性，如操作不灵活、效率低下、安全性较低等问题，智能起重机的应用可有效地解决这些问题，提高生产效率，减少人员伤亡事故的发生，降低生产成本。同时，智能起重机还具有自适应、自动化、智能化等特点，可根据具体的作业要求进行智能调节和合理优化，进一步提高设备的运行稳定性和精度，故智能起重机在冶金行业的应用前景非常广阔。

2 智能起重机的应用现状

在当前的大数据时代背景下，随着智能制造的大力推进，冶金行业智能起重机采用了大量人机交互、无线通讯、网络技术、数据分析、软件工程、人工智能等现代新技术。然而，涉及到智能起重机安全的法规和标准目前严重缺失，如防止电磁干扰的起重机电磁兼容要求、保证智能起重机运行安全的区域保护要求、有利于各种起重机数据共享的通讯协议规则、针对起重机远程操作的安全要求、确保起重机智能抓取安全的自动化吊具要求、保证智能起重机安全运行的系统本质安全要求等，这些都应尽快开展研究并着手制定。

智能起重机在智能车间中承担着非常重要的智能物料搬运功能，这些起重机的长期安全可靠运行是极其重要的。目前，智能起重机在冶金行业的应用已逐渐得到普及。一些大型钢铁企业和冶金公司纷纷引进了智能起重机设备，并取得了良好效果。这些设备在生产中可以实现智能化的控制和调节，能够更好地适应生产要求，提高生产效率和产品质量。同时，智能起重机还能够实现自动化操作，减少人员的介入，降低劳动强度和人为误操作的风险。总之，智能起重机在冶金行业的应用现状非常积极，未来还有很大的发展空间。

3 智能起重机发展趋势

2016年～2020年，智能起重机械市场规模由499.1亿元增长至1 087.2亿元，年复合增长率达21.4%，其中移动式起重机年复合增长率较高达到340%，预计未来5年智能起重机械市场规模增长率将持续增高。智能起重机在冶金行业的应用趋势主要体现在以方面：

1）智能化程度不断提高

随着人工智能和物联网等技术的不断发展，智能起重机在冶金行业的应用将越来越智能化，具有更强的自主学习和自适应能力。

2）多功能化趋势明显

智能起重机在冶金行业的应用将不再局限于单一的起重作业，而是将更加多功能化，具备更广泛的应用场景，如搬运、缩短生产周期等。

3）安全性得到提升

随着智能起重机技术的不断发展，其安全性得到了极大的提升。在冶金行业，智能起重机的应用将大大减少人为因素对作业过程的影响，提高了作业的安全性。

4）节能降耗成为主流

在智能起重机应用于冶金行业时，节能降耗是其不可忽视的优势。通过智能调节和优化，可以最大限度地减少能源的消耗，大大降低了生产成本。

4 智能起重机关键技术技术特征介绍及行业分析

4.1 智能起重机的定义

智能起重机亦称为无人化起重机、全自动起重机、起重机器人等，可自动实现起重、装卸、搬运、堆码、存储等作业，是具有对物料进行识别、计量、跟踪、管理并具备自动化、信息化、智能化功能的搬运机器人。起重机智能控制包含自动控制操作和智能监控2个阶段，具有自动检测（货物检测、位置检测等）、柔性吊具防摇摆、路径规划、数据传输、任务调度、多机协同、人机交互等技术。智能起重机是通过传感器和智能决策软件代替人的体力劳动和脑力劳动，代替人的视觉、听觉、肢体等感知器官，代替人的主观判断和决策，实现人—机—物的交互融合。在监控的数据采集、传递、分析、反馈、决策、执行全过程中，实现自动感知、自主分析、自我决策、自动执行。

智能起重机械通过传感器和智能决策软件与起重机形成集成网络，实现感知、分析、推理、决策和控制功能，从而实现人机物的交互融合，代替人工进行感知、决策和执行，使起重机能适应工作环境的变化。其工作流程与通用起重机相同，但增加的智能控制能代替人的视觉、听觉、肢体等感知器官，代替操作员判所作出对应的动作，完成在起重机工作过程中的识别、感知操作和管理等。

4.2 智能起重机在冶金行业的发展历程

智能起重机在冶金行业的发展历程可分为起步、智能化、多功能化和智能化升级等4个阶段。

1）起步阶段

智能起重机在冶金行业的应用起步较早，主要应用于大型钢厂的生产线，这些起重机主要用于搬运钢材、铁水等重物，能提升生产效率，主要特点是依靠人工进行信息传递及行车操作。

2）自动化阶段

随着计算机技术和智能控制技术的发展，智能起重机开始具备自主学习和自适应能力，能根据不同工况自动调整吊臂位置和吊具，减少人为操作，提高生产效率和安全性。实现了精确的位置定位，起重机司机即可通过车载终端接收指令及查看信息。主要特点是库区管理实现信息传递自动化起重机司机根据指令操控起重机。起重机司机能够通过车载终端接收吊运指令，并根据指令提示进行起重机的操作，实现了起重机上有人，地面无人的运行模式。

3）多功能化阶段

智能起重机在冶金行业的应用开始多元化，不再局限于单一的起重作业，如智能起重机可通过装载不同的吊具实现搬运、装卸、倾倒、翻转等多种操作，提高了生产的灵活性和效率。

4）智能化升级阶段

随着物联网技术的普及，智能起重机开始实现与其他设备的联动和数据交互，通过实时数据分析和优化，进一步提高了生产效率和安全性。同时，智能起重机逐渐向云端智能化发展，可实现远程控制和智能诊断，为冶金行业的数字化转型提供了有力支撑。

4.3 智能起重机的行业政策分析

2017年11月，《国务院关于深化“互联网﹢先进制造业”发展工业互联网的指导意见》正式印发，成为我国工业互联网发展的纲领性文件，为开创我国工业互联网发展新局面指明了方向。近年来，我国工业互联网发展蹄疾步稳，成为加快制造业数字化转型和支撑经济高质量发展的重要力量，为“中国智造2025”打下坚实基础，也为智能起重机的发展创造了条件。同时，我国在2021年标准化工作重点中明确启动编制钢铁、电力装备等行业智能制造标准体系建设指南的工作，推动了行业智能制造的发展。

我国多个相关部门多次颁布智能起重机机械行业利好政策，从宏观规划、总体布局等方面进一步推动智能起重机械行业的快速发展，智能起重机械行业的红利政策不断出台的情形释放了行业发展的潜力，并推动行业朝着着智能化和数字化的深度趋势发展。政策主要集中在工业大数据、物联网、云计算以及人工智能等方面。在政策的持续驱动下，预计2023年～2025年智能起重机械行业将快速发展。总结国家对智能起重机行业的政策主要包括以下方面：

1）支持政策

国家大力支持智能起重机的发展，鼓励企业加强技术创新，提高产品质量和技术水平。政府还出台了一系列相关政策，如提供财政补贴、降低税收负担、优化融资环境等，以促进智能起重机行业的快速发展。

2）安全监管政策

智能起重机作为一种高风险设备，其安全性至关重要。因此，政府对智能起重机的安全监管非常重视，出台了严格的法律法规，要求企业加强安全管理、建立完善的安全制度、加强人员培训等，确保智能起重机的安全运行。

3）环保政策

智能起重机的使用会产生一定的噪声、振动和废气等，对环境造成一定的影响。因此，政府要求企业使用符合环保要求的智能起重机，加强环保管理，减少对环境的污染。

5 当前国内智能起重机存在的主要问题

智能起重机在操作控制过程中，不仅操作设备完成预定的工作流程，也是自主感知、随时发现意外情况而予以应对。智能化技术的重点不在于自动完成预定的动作或工艺流程，更重要的是代替人的感知。相对于其他设备，起重机智能化的难点在于智能化吊具、三维精确定位（多数定位及起重机本体，与柔性连接的吊具或物品之间）、故障安全技术（意外情况感知能力）这3方面的主要内容，具体存在的问题和隐患如下：

1）设备自动化协同性不足

设备自动化设计主要考虑设备内部需求，对外相对封闭，特别是部分高端设备由国外供应商提供，存在核心技术保护和扩展性、兼容性受限等制约因素，整个生产过程存在许多信息孤岛。

2）企业信息化集成性不足

企业信息化建设和应用水平参差不齐，部分企业虽然在采购、生产、销售、研发等过程中普遍采用信息化技术，但各个环节信息资源难以实现纵向集成，导致企业整体管理水平难以提升。

3）智能化应用处在初级阶段

冶金行业总体处于“工业 3.0”普及阶段，对以数字化智能化为主体的“工业 4.0”系统性复杂性认识不足，片面地将高端数控设备自动化理解为智能化，相应配套软件系统开发利用滞后。数字化转型存在诸多制约因素，产业数字化起步较晚，缺乏权威的数据标准，数据格式差异大，兼容性不足。数据安全保障能力不足，企业顾虑较大。创新能力较低，信息基础设施和制造业数字化转型的基础相对薄弱。认知能力和经营管理水平有待提高，对数字化转型带来的管理扁平化、生产经营透明化等转变存在一定抵触心理和较强的畏难情绪。

4）法规、标准相对滞后

目前，起重机在我国被列入特种设备予以监管，但尚未对起重机的自动化、智能化制定相关的标准和法规，各地特检部门无法可依，仅按现有的条例检查传统的安全措施，自动化、智能化功能多由业主根据技术协议自行验收，其智能化性能是否可靠、安全无从判定，不仅带来众多隐患，也严重滞后技术的发展和应用。综合以上总结，当前智能起重机存在的主要问题包括：

①技术难题智能化和自动化是智能起重机的重要特点，但是在实现过程中存在许多技术难题，如传感器的精度、机器学习的算法等。

②安全隐患智能起重机在操作过程中，存在一定的安全隐患，例如机器故障、操作失误等问题，需要加强安全管理和培训。

③成本高昂智能起重机的研发和生产成本较高，导致产品价格较贵，限制了其普及和应用范围。

④应用场景受限智能起重机的应用场景主要集中在大型工业企业和重要基础设施等领域，其他领域的应用还比较有限。

⑤缺乏标准化和规范化智能起重机行业发展较为快速，但相关标准和规范还未完善，导致产品之间存在差异和不同等问题。

6 智能起重机在冶金行业的应用前景展望

智能起重机在冶金行业的应用已取得了显著成效，其应用前景可观。首先，智能起重机可以实现安全、高效、准确、节能的物料搬运作业，大大提高冶金行业的作业效率，可为冶金行业的发展带来巨大利益。其次，由于智能起重机具有自动化控制功能，可以实现实时监控和智能控制，使冶金行业的安全作业得到保障，避免各种意外事故的发生，从而实现安全可靠的工作环境。再次，智能起重机的应用可以实现实时采集和分析作业情况，能够更好地管理和控制冶金行业的生产运行，提高冶金行业的监督管理水平，实现智能化管理。最后，智能起重机的应用可以提高冶金行业的生产精度，减少损失，从而实现更高的效率，也可以大大改善冶金行业的工作环境，减轻劳动强度，实现更高的生产效益。

6.1 提高生产效率与安全性

智能起重机在冶金行业的应用能够显著提高生产效率和安全性。首先，通过自动化技术实现智能化生产，可减少人工操作的误差和风险。随着现代冶金生产规模的扩大，传统的手动操作已无法满足生产需求。智能起重机采用先进的传感器、控制和监测系统，能够实时获取物料的参数和状态，并进行精确控制。这不仅提高了操作的准确性，还能在关键时刻及时做出响应，保障生产的顺利进行。

另外，智能起重机还可通过数据采集和分析实现故障预测和预防，这种智能化维护和管理方式不仅提高了安全性，还大大降低了维护成本和生产停机时间，为冶金企业提供了更高生产效率和经济效益。通过监测起重机的工作状态和运行数据，预测出潜在的故障并提前采取措施进行维修和保养，从而避免了因故障而造成的生产停工和安全事故。

6.2 优化资源利用与能源节约

智能起重机的应用有助于优化资源利用和能源节约。起重机在冶金行业中的使用频率较高，对能源的需求很大；而智能起重机能够通过智能控制系统和节能技术，实现对起重机的能源消耗进行优化和管理。其中，智能控制系统能根据物料的质量和距离实时调整起重机的工作参数，以最小的能量完成任务。智能起重机还可通过智能感知设备和人工智能算法，准确预测物料的质量和运行轨迹，从而降低能源的浪费，确保起重机的工作更加高效和精确。

另外，智能起重机还可通过数据分析和优化调度实现资源的合理利用。基于大数据技术，起重机不仅能根据冶金生产计划进行智能调度，还能通过分析历史数据和实时监测的信息，为冶金企业提供运行建议，优化整个生产过程的资源利用效率，从而降低生产成本和能源消耗。