履带起重机智能化关键技术及在安全监控系统的应用

刘林山 毕文香

1

2

1吉林电子信息职业技术学院 吉林 132021 2唐山海港港兴监理咨询有限公司 唐山 063611

摘 要：随着国家重大工程建设快速发展，作为模块化吊装首选设备，大吨位履带起重机智能化需求日益迫切。为确保安全、智能、绿色吊装结构件，提升履带起重机智能化水平需要突破的关键技术包括：安全监控和自我诊断技术、精准定位和防摆技术、人机和多机协同技术、回转和行驶技术、环境自识别和决策技术、节能技术等，并以安全监控系统为例探讨智能化关键技术的应用。关键词：履带起重机；智能化；关键技术；安全监控；应用

中图分类号：TH213.7:TP277 文献标识码：A 文章编号：1001-0785（2019）07-0069-04

Abstract: With the rapid development of major national projects, the intelligent demand for large-tonnage crawler cranes (the first

choice for modular hoisting equipment) is increasingly rapidly. In order to ensure safe, intelligent and green hoisting of structural components, the key technologies that need to be broken through to improve the intelligent level of crawler cranes include: safety monitoring and self-diagnosis technology, precise positioning and anti-swing technology, man-machine and multi-machine cooperation technology, rotation and driving technology, environment self-identification and decision-making technology, energy-saving technology, etc. Taking safety monitoring system as an example, the applications of intelligent key technologies are discussed.

Keywords: crawler crane; intelligence; key technologies; safety monitoring; application

0 引言

随着我国“十三五”规划，诸如东北振兴、西部开发、粤港澳大湾区等进入实施阶段，在交通、电力、水利、建筑和科学研究等领域一批重大工程、超级工程开始建设，承担吊装任务的起重运输机械面临极大的机遇和极大的挑战。例如：构建港珠澳大桥海底隧道的33节沉管，每节长度超过100 m、有四层楼高、质量达7、8万t。核电CAP1400钢制安全壳筒体模块也具有体积大、质量重、壁厚薄、安装精度苛刻的特点，这些都给起重机械吊装增加了难度。履带起重机（以下简称履带吊）是重大工程、超级工程的首选设备，作用愈来愈大，也是工况最复杂、施工危险性最大的产品门类之一。吊装结构件体积大、质量重、安装精度苛刻等越来越高的要求以及我国提出“中国制造2025”、“互联网+”行动计划、

新一代人工智能发展计划促使履带吊进入崭新的发展阶段。履带吊本体朝着大吨位、智能化方向发展，例如：徐工集团已经设计、制造出已用于中国石化和将用于中国大型核电工程建设的XGC8800-4000 t履带吊。其结构和技术性能经历自动化、数字化，向信息化、智能化方向发展。我国“十三五”规划对起重机械行业指导方针是“安全、智能、绿色”，研究履带吊智能化的新内涵、突破关键技术提升智能化水平及广泛应用具有重要的意义。

1 履带吊自动化、数字化、信息化和智能化新内涵及相互关系

随着计算机的广泛应用，从广义上讲，自动化是指机器设备、系统或生产、管理过程，在没有人直接参与

*基金项目：吉林省教育厅“十二五”科学规划课题（2014592）、吉林省科技厅发展计划项目（20180805006HJ）

引　用　格　式刘林山,毕文香.履带起重机智能化关键技术及在安全监控系统应用[J]. 起重运输机械，2019（7）：69-72.2019年第7期 /

69

设备技术EQUIPMENT TECHNOLOGY

情况下，经过自动检测、信息处理达到操作者预期目标的过程。数字化一般是指利用计算机信息处理技术将声、光、电等连续变化的信号转换成数字信号，用于传输和处理。按照官方给出的定义，信息化则是指充分利用信息技术，开发利用信息资源，促进信息交流和知识共享，提高经济增长质量，推动经济社会发展转型的历史进程[1，2]。目前，智能化尚缺乏明确的、公认的、科学的定义，可理解为由现代通信与信息技术、计算机网络技术、行业技术、智能控制技术汇集而成针对某一方面的应用。从感觉到记忆、再到思维视为智慧；行为和语言的表达过程视为能力，智慧和能力二者的结合称为智能，具有感知能力、记忆和思维能力、学习能力和自适应能力、行为决策能力。智能化包含人工智能的理论、方法和具有“拟人智能”的特性或功能两层含义。履带吊智能化是指利用各类传感器采集到的大数据，利用学习算法、智能决策等人工智能理论、方法与履带吊模拟人类感知、决策和执行过程的拟人智能集成。智能化使起重机具有人工智能，具有自组织、自学习、自诊断和自适应的柔性，又称为起重机器人、无人起重机[3，4]。

从技术角度看，自动化是数字化的基础，数字化使自动化从连续型的模拟化进入到离散型的数字化。数字化是信息化、智能化的基础，信息化越来越多地呈现数字化特征并带动自动化，智能化是信息化发展的必然趋势，自动化促进信息化并从智能化寻求升级。履带吊的发展必然经历从自动化、数字化到信息化，未来属于智能化的趋势。

2 关键技术

起重机属于一类工程机械，智能化起重机不仅在中国，而且在德国、美国、英国、日本都符合国家战略，均投入大量的财力、物力、人力对其关键技术进行研究。工厂级门式起重机、岸边集装箱起重机的智能化需要突破物品识别与信息存储、空间定位技术、智能吊具、路径规划和电子防摆技术、检测和故障自诊断技术、自动控制和管理软件开发等

[5]

。

大吨位履带吊不同于工厂级门式起重机、岸边集装

70

/ 2019年第7期

箱起重机，需要经常工作于地形复杂、露天场所，起重机本体资源少、动臂旋转、可移动、需要运输。为提升智能化水平确保安全、智能、绿色吊装，履带吊智能化需要突破安全监控和自我诊断技术、精准定位与防摆技术、人机和多机协作技术、回转和行驶技术、环境自识别能力和自主决策技术、节能技术等。

2.1 安全监控和自我诊断技术

1）安全监控

履带吊的吊装结构件正向大体积、大质量、高精度发展，智能化首先要求起重机要具有自我安全意识，从而大大降低起重机故障、人员伤亡等事故的发生率。其次，单台起重机已很难满足吊装物要求，需要增加多台起重机协同作业，智能化要求起重机相互之间能够监控协同作业情况。

按照《大型起重机械安装安全监控管理系统实施方案》（国质检特联[2011]137号），国家强制要求100 t以上的起重机安装安全监控管理系统。GB/T 282－2012《起重机械安全监控管理系统》规定对运行中的起重机械工作过程汇总进行监控，要求能够对起重机重要运行参数和安全状态进行记录并管理。自我安全意识和多机协作需要起重机能够利用本机和多台起重机实际运行产生的数据，通过数据采集、数据处理和数据分析等大数据技术进行自学习确保吊装过程安全、稳定、准确。同时，通过对起重机大量的来自于作业现场完整可靠的数据，利用大数据技术（例如数据挖掘、深度学习）为优化起重机设计提供新方案。此外，大型结构件安装，露天作业起重机操作室工作人员视野遮挡、摄像头视角有限，无人机技术也可应用到整个吊装过程，通过无人

机将多角度、实时采集到的缆绳、偏斜度、风向、水平度、运行行程等数据发送给吊装工作人员，为吊装实施决策提供辅助帮助。

2）自我诊断

类似于人类免疫力的自我保护作用，履带吊智能化需要开发一套自我诊断系统，该系统能完成起重机本体电气系统、机械系统的诊断功能。各传感器、机械结构件的受损程度、网络摄像机、网络视频传输线路、故障

报警控制等，同时应能对检测出来的故障原因分析进行自我修复。自我诊断可利用的技术有CAN总线的方式，这种方式具有通信可靠、总线安全、实施性强、成本低等特点，可应用于恶劣环境。CAN总线智能节点设计至关重要，在诊断过程中利用控制器控制各节点，提高了起重机智能化程度，起重机运行的安全性得到保障。

2.2 精准定位与防摆技术

履带吊常常工作于大区域、露天场所、风速、地形、光线等复杂、恶劣环境，吊装核电工程等结构件需要高精度的定位技术和防摆控制技术。

1）精准定位

在吊装过程中，需要工件定点放置等工况时，起重机应具有良好的微动性能，实现精准定位。核电领域要求起重机综合定位精度为±5 mm，单个方向的定位精度必须控制在±3 mm。常规定位方式有相对认址，在各机构的驱动轴上安装绝对编码盘，控制系统以此判断设备是否到位，由于主动车轮轻微打滑、轨道高低差和轨道质量的影响，这种定位方式无法满足高精度要求。为此，以绝对认址方式引入齿轮齿条式定位系统、拉线编码器、条码定位系统，并采用伺服驱动系统

[6]

。随着

机器视觉、无线通信技术的发展，三维空间定位技术、全球卫星定位系统也可应用于履带吊高精度定位系统中。

2）防摆技术

履带吊在大吨位物件吊装工作过程中，加减速以及负载提升，尤其是二次提升会使负载出现轻微的摆动，不仅影响高精度定位，还会引发事故。防摇摆控制主要有开环控制和闭环控制方法。开环控制主要包括基于输入整形和基于轨迹规划防摆控制；闭环控制包括滑模控制、模糊控制、神经网络控制等智能控制技术。国外防摇摆控制技术主要以带摆角反馈装置、以摆角控制算法和以依靠速度控制算法的变频防摇技术。国内业界尽管已进行大量研究，仍存在较大上升空间。防摇摆技术智能化需开发人工智能算法和解决负载二次提升可能出现重物失控下滑、重物震动和起升不稳定的问题，通过引

EQUIPMENT TECHNOLOGY设备技术入无线通讯技术和增加防爆阀增加智能化程度。

2.3 人机和多机协作技术

从机器人角度来看，大吨位履带吊也可以看成机器人。起重机智能化就是研究智能机器人，智能机器人技术亦可移植到智能起重机，使人机协作、驱控一体完成高精度吊装成为可能。人机协作技术即人发出指令，起重机能够理解指令并按照人的要求完成吊装动作。在人机协作模式下，人员设计并实施吊装工艺，起重机负责繁重的吊装过程。实质上，人类与起重机是一种互助共存的关系，起重机逐步向无人化发展。人机协作关键技术需要解决安全、精度和可靠性。应重点开展人机共融、柔顺驱动和控制、协作设计起重机结构、人机协调自主学习等方面的技术突破。

大吨位结构件吊装需多台起重机协同工作才能完成，起重机与起重机之间有信息共享、相互通话的需求，要求工艺实现标准化。多机协作技术需要突破分布式融合技术、传感器信息融合技术、通信系统设计、任务分配技术、支撑环境的设计与实现、多机协作控制技术。

2.4 回转和行驶技术

履带吊回转系统可实现吊臂转动作业，由回转台、回转支撑装置以及回转驱动机构等部分组成。回转台的参数包括回转半径和幅度。回转驱动机构主要有卧式电动机、圆柱及圆锥齿轮，立式电动机与行星减速器传动等。回转台磨损、回转驱动机构故障都会造成起重机回转晃动，在回转驱动机构电动机选择、控制方式有较大的提升空间。履带吊具有带载行驶功能，GB/T 14560－2011《履带起重机》对载重量、行驶速度、地面坡度等都有规定。起重机在吊装作业时，不能超载、不能斜吊、不能行走，若确实需要短距离行走，吊装物与地面的距离越高并使起重机缓慢行走，对驾驶员的技术要求高，缓慢行驶速度、防止摆动。无人车驾驶技术发展迅速，从无人车角度来看，履带吊可视为无人车，无人车驾驶技术可以引入履带吊实现智能化驾驶，开发自动辅助驾驶技术是履带吊未来发展趋势。

2019年第7期 /

71

设备技术EQUIPMENT TECHNOLOGY

2.5 环境自识别能力和自主决策技术

履带吊智能化要求自身能够感知和识别所处环境，能检测和识别所吊结构件，能将所吊结构件的信息上传到控制系统，能感知和识别行驶路况信息。通过安装各种复杂的传感器获取环境信息，具有自我感知、自我控制和自主决策的智能化能力。基于激光雷达、视觉深度学习、微波传感、通讯传感环和融合传感的环境感知技术和决策算法能为履带吊赋予环境自识别能力和自主决策。

2.6 节能技术

通常选用的节能技术包括驱动节能、动力节能、变频节能、轻量化技术。智能化要求起重机应具有能感知能耗的硬技术和能耗检测与节能评奖的软技术。

3 安全监控智能化关键技术应用

履带吊100 t以上就要安装安全监控系统，可利用CAN总线、直接I/O口、物联网、无线通信等实现智能化。履带吊安全监控系统拓扑结构由司机室、电气室和无线传感器组成。基本单元包括无线主模块、主臂幅度传感器、高度传感器、回转角度传感器、风速传感器、倾角传感器、触摸屏、视频监控系统和主机柜。视频信号采用网络摄像头、复合网线传输视频信号，主模块通过232通讯线与触摸屏进行双向通讯，在此基础上需增加无人机、多机协同、自动辅助驾驶等接口。

3.1 多传感器信息融合技术应用

安全监控需要采集数据、处理数据、存储数据和传输数据。涉及到多传感器信息融合，可将融合最新技术集成到起重机安全监控系统中，形成成套设备。

3.2 大数据技术应用

履带吊的吊装会产生大量数据，有必要研究新的数据挖掘算法、深度学习算法，使安全监控具有自学习功能，能从已有的吊装工况中提炼知识为改进吊装工艺提供参考，为下一步吊装提供决策。

72

/ 2019年第7期

3.3 无人机协同技术应用

无人机技术已经用于航拍、植保、军事、救援、物流等领域。在起重机吊装过程中，将无人机技术集成到安全监控系统中，利用无人机将多视角拍摄的吊装过程中纲缆、轨道、倾角的图像和视频传给吊装控制人员，研究无人机与起重机的协同技术能够为高精度安全监控提供保障。

4 结语

石化、建筑、交通、核电等行业大吨位、大型化构件对吊装要求精度高、难度大，为确保安全、智能、绿色吊装结构件，大吨位履带吊需要突破安全监控、定位、协作、识别、行驶、节能等关键技术以提升智能化水平。安全监控需要应用多传感器信息融合、大数据技术、无人机技术等智能化关键技术，让起重机能够自身诊断状态、监控运行、优化吊装工艺过程、预知维修状况、寿命评估，提高吊装的本质安全和性能。

参考文献

[1] 林军.“数字化”、“自动化”、“信息化”与“智能 化”的异同及联系[J].电气时代，2008（1）：129-134.[2] 刘卫国.现代化、信息化、数字化、智能化及其相互关系 [J].中国铁路，2011（1）：83-86.

[3] 孙立红，刘海峰，田韶鹏，等.智能无人起重机技术应用 现状及前景[J].河北冶金，2016（3）：74-76.[4] 刘武胜，岳文翀，李力.智能起重机关键技术概论[J]. 起重运输机械，2017（9）：57-59.

[5] 吴昊罡，潘彦宏，步超.智能起重机的控制系统与关键技 术[J].起重运输机械，2018（5）：69-72.

[6] 贾斌.高精度起重机运行定位系统[J].制造业自动化， 2017（1）：153-156.

作 者：刘林山

电子邮箱：liulinshan75@163.com收稿日期：2018-10-16