起重機(jī)的智能化技術(shù)專利分析

王丹華

摘要：目前，隨著現(xiàn)代化技術(shù)的發(fā)展，起重機(jī)作為一種不可缺少的搬運(yùn)、裝卸設(shè)備，使用者對其性能的要求越來越高，尤其是對起重機(jī)智能化作業(yè)方面的要求越來越高，突破復(fù)雜環(huán)境下的人工智能、自動識別作業(yè)環(huán)境、復(fù)雜設(shè)備的壽命周期管理、故障診斷報警等智能化技術(shù)，最終開發(fā)出具有高度自動化水平、自帶安全管理系統(tǒng)、可以實(shí)現(xiàn)遠(yuǎn)程監(jiān)測控制的智能裝備也逐漸成為起重機(jī)智能化發(fā)展的研究熱點(diǎn)。本文從相關(guān)專利文獻(xiàn)的角度對起重機(jī)的智能化技術(shù)進(jìn)行了統(tǒng)計分析，包括專利申請的趨勢、專利申請分布情況和重要申請人信息，并具體對技術(shù)組成和具有代表性的專利進(jìn)行了分析。

關(guān)鍵詞：起重機(jī);智能化;自動識別;安全管理系統(tǒng);故障診斷

中圖分類號：TU61;G306文獻(xiàn)標(biāo)識碼：A 文章編號：1003-5168（2020）27-0153-05

1 引言

公元前10年，古羅馬建筑師維特魯維斯曾在其建筑手冊里描述了一種起重機(jī)械，這種機(jī)械有一根桅桿，桿頂裝有滑輪，由牽索固定桅桿的位置，用絞盤拉動繞過滑輪的纜索，以吊起重物，但起升幅度很小，操作也十分吃力。到了15世紀(jì)，意大利科學(xué)家發(fā)明了轉(zhuǎn)臂式起重機(jī)，才解決這些問題。1805年，格蘭工程師倫尼為倫敦船塢建造了第一批蒸汽起重機(jī)。20世紀(jì)初期，歐洲開始使用塔式起重機(jī)，隨著起重機(jī)的發(fā)展，起升機(jī)構(gòu)、運(yùn)行機(jī)構(gòu)、變幅機(jī)構(gòu)、回轉(zhuǎn)機(jī)構(gòu)和金屬結(jié)構(gòu)等成為了起重機(jī)設(shè)備不可缺少的重要結(jié)構(gòu)部件。直到現(xiàn)在，各行業(yè)生產(chǎn)規(guī)模的擴(kuò)大，生產(chǎn)自動化程度的提高以及科學(xué)技術(shù)的發(fā)展，推動了現(xiàn)代設(shè)計和制造能力的提高，起重機(jī)作為各領(lǐng)域物料搬運(yùn)的主要設(shè)備，各行業(yè)對起重機(jī)的安全性、便捷性、智能化的要求也越來越高，其中智能化也逐步成為起重機(jī)未來的發(fā)展趨勢之一[1]。

起重機(jī)在特定的范圍下進(jìn)行水平方向移動和垂直方向起升物體，主要用來搬運(yùn)物料，其動作特點(diǎn)具有動作間歇性和作業(yè)循環(huán)性[2]。起重機(jī)被廣泛應(yīng)用于廠房、搬運(yùn)場地、倉庫、港口等，在生產(chǎn)活動中是不可或缺的。起重機(jī)具有多個不同的類型，按照用途可以分為通用起重機(jī)、建筑起重機(jī)、冶金起重機(jī)、鐵路起重機(jī)、港口起重機(jī)、造船起重機(jī)、甲板起重機(jī)等，按照結(jié)構(gòu)不同可劃分為橋式起重機(jī)、龍門起重機(jī)、流動起重機(jī)、懸臂起重機(jī)、塔式起重機(jī)、纜索起重機(jī)、船式起重機(jī)、運(yùn)載橋等[3]。

通常，智能起重機(jī)是將某些智能技術(shù)整合到起重機(jī)中，使起重機(jī)可以有效完成自身的起重任務(wù)，并可通過編程自動控制操作和移動，也可以全面識別外界環(huán)境，對人的操作進(jìn)行模擬，起升吊運(yùn)物體[4]。無需很多專業(yè)人員，僅需一名操作人員在中央控制室便可以監(jiān)控多臺起重機(jī)按照生產(chǎn)需求進(jìn)行規(guī)范作業(yè)，因此，智能起重機(jī)也被稱為無人起重機(jī)或起重機(jī)器人，因此，智能起重機(jī)可以大大縮減人力需求，大幅度改善工作效率[5]。

2 起重機(jī)智能化技術(shù)的專利現(xiàn)狀分析

本文主要采用incopat數(shù)據(jù)庫，針對去噪后的起重機(jī)智能化技術(shù)在全球的970件專利文獻(xiàn)進(jìn)行申請趨勢分析，其中，由于專利文獻(xiàn)從提出申請到向公眾公開有時間的延后，因此，2019年及2020年的樣本會不完整，所以，對于申請量趨勢圖中2019年和2020年申請量下降的趨勢不排除是由于樣本數(shù)據(jù)量的不完整性造成的。排除了2019—2020年部分尚未公開的專利，可以看出，起重機(jī)智能化技術(shù)專利文獻(xiàn)的申請量從2005年開始呈現(xiàn)上升態(tài)勢，而從2009年開始該技術(shù)的專利文獻(xiàn)申請量進(jìn)入了明顯增長階段，這也與各起重廠家和研究單位對起重機(jī)行業(yè)智能化技術(shù)的關(guān)注程度變化相一致。

2.1 專利申請量趨勢分析

圖1示出了起重機(jī)的智能化技術(shù)的全球?qū)＠暾堏厔轄顟B(tài)。由圖1可以看出，該技術(shù)專利最早出現(xiàn)在1989年，其技術(shù)發(fā)展趨勢按照專利申請量的情況主要分為3個階段：

階段1：申請起步階段（2006年之前）

1989年—2006年，這一時期起重機(jī)的智能化技術(shù)的專利申請量較少，1989年出現(xiàn)了第一項(xiàng)涉及起重機(jī)智能化技術(shù)的相關(guān)專利申請，隨后的一段時期內(nèi)，申請量一直維持在較低的水平，沒有明顯的增幅，直到2006年專利申請量達(dá)到5項(xiàng)，相比2005年申請量開始出現(xiàn)了有史以來第一次明顯的增加。這段時期由于產(chǎn)業(yè)化水平以及起重廠家和科研單位對智能化起重機(jī)的關(guān)注程度相對較低，導(dǎo)致起重機(jī)的智能化技術(shù)相關(guān)專利申請量較少。

階段2：緩慢發(fā)展階段（2007年—2009年）

2007年—2009年，起重機(jī)的智能化技術(shù)相關(guān)專利申請數(shù)量開始出現(xiàn)增長，但增長速度較慢，這也標(biāo)志著起重機(jī)的智能化技術(shù)進(jìn)入了初步發(fā)展階段，同時，該技術(shù)的生命周期也進(jìn)入成長期，標(biāo)示著起重機(jī)的智能化技術(shù)的專利研究開始受到相關(guān)領(lǐng)域的廣泛關(guān)注，使該技術(shù)的相關(guān)專利申請量處于緩慢平穩(wěn)增長狀態(tài)。

階段3：快速發(fā)展階段（2010年—2018年）

從2010年開始，起重機(jī)智能化技術(shù)的相關(guān)專利申請量呈現(xiàn)出迅速增長的態(tài)勢，直到2018年申請量達(dá)到214件，這說明該技術(shù)已廣泛受到關(guān)注，且該技術(shù)領(lǐng)域主體對起重機(jī)智能化技術(shù)的創(chuàng)新研發(fā)和對專利的重視程度大大提高，并逐漸開始重視專利布局。

2.2主要國家/地區(qū)/組織專利申請量分析

專利申請具有地域性，某一特定技術(shù)領(lǐng)域的專利申請的地域分布可以反映出該技術(shù)領(lǐng)域的發(fā)展?fàn)顟B(tài)。經(jīng)過對起重機(jī)智能化技術(shù)相關(guān)專利申請的地域分布進(jìn)行統(tǒng)計分析（如圖2所示），可以看出，中國、韓國、世界知識產(chǎn)權(quán)組織的相關(guān)專利申請量排在前三位，其中，中國的申請量占據(jù)第一位，占全部申請量的95.97%，遙遙領(lǐng)先其他國家或組織。由此可以反映出中國在起重機(jī)的智能化技術(shù)上具備較強(qiáng)的技術(shù)儲備和研發(fā)能力，同時也展現(xiàn)了中國的相關(guān)企業(yè)和科研單位在起重機(jī)的智能化技術(shù)上的優(yōu)勢。

2.3 全球主要申請人分析

由圖3可知，全球排名比較靠前的申請人大多數(shù)是中國的企業(yè)、高校及科研單位。其中，徐州重型機(jī)械有限公司、武漢理工大學(xué)、長沙桑尼重工機(jī)械有限公司排在前三位，申請量相差不多，均具有較強(qiáng)的技術(shù)研發(fā)能力，另外，排在第四位和第五位的分別是中聯(lián)重科股份有限公司和太原科技大學(xué)，也具有較多的申請量，技術(shù)能力同樣不可小覷。排名第六位到第十九位的申請人擁有幾乎相同數(shù)量的專利申請量，由此可見，本技術(shù)領(lǐng)域的專利分布并非一枝獨(dú)秀，相反，分布比較廣泛，呈現(xiàn)遍地開花的景象，這一現(xiàn)象也對該技術(shù)的進(jìn)一步發(fā)展大有裨益。

對于中國申請人，由圖4可見，主要申請人為企業(yè)、個人、大專院校、科研單位以及機(jī)關(guān)團(tuán)體，其中，起重企業(yè)的申請量最大，包括徐州重型機(jī)械有限公司、長沙桑尼重工機(jī)械有限公司、中聯(lián)重科股份有限公司等在內(nèi)的一些企業(yè)，其申請量具有絕對優(yōu)勢，例如，徐州重型機(jī)械有限公司于2016年申請了一種起重機(jī)吊鉤擺動的監(jiān)控系統(tǒng)及方法（CN201610679199.4），通過控制器實(shí)時讀取回轉(zhuǎn)編碼器檢測的回轉(zhuǎn)角度信號，計算出當(dāng)前回轉(zhuǎn)速度及加速度，結(jié)合當(dāng)前車身姿態(tài)參數(shù)計算出吊鉤擺動角度、幅度，并發(fā)送給顯示器，顯示器將吊鉤擺動角度、幅度在人機(jī)界面上進(jìn)行顯示;控制器通過讀取力矩限制器發(fā)送的吊重量信息，結(jié)合吊鉤擺動角度、吊鉤擺動幅度、繩長信息，實(shí)時計算出吊鉤擺動引起的臂架側(cè)向載荷力，并發(fā)送給顯示器進(jìn)行顯示。同時本發(fā)明將吊鉤擺動系統(tǒng)相關(guān)的動態(tài)數(shù)據(jù)在人機(jī)交互界面上形象化展示，當(dāng)擺角及臂架側(cè)向力過大時，進(jìn)行智能報警提醒，對手柄操作快慢智能評價并提醒，引導(dǎo)操作者安全作業(yè)。

其次申請量較多的大專院校包括武漢理工大學(xué)、太原科技大學(xué)、上海海事大學(xué)以及大連理工大學(xué)等，且這些大專院校的相關(guān)專利申請的專利價值較高，例如武漢理工大學(xué)于2018年申請了一種起重機(jī)開環(huán)優(yōu)化防搖控制方法（CN201810222004.2），針對起重機(jī)開環(huán)防搖加速防搖和減速防搖運(yùn)行距離過大的問題，本發(fā)明基于起重機(jī)動力學(xué)原理，利用起重機(jī)運(yùn)行狀態(tài)參數(shù)作為邊界約束條件，實(shí)現(xiàn)起重機(jī)運(yùn)行距離最小、加速或減速運(yùn)行時間最短和運(yùn)行軌跡最優(yōu)的防搖控制，可有效抑制和消除負(fù)載偏擺，提高起重機(jī)運(yùn)行穩(wěn)定性;同時基于數(shù)值分析和計算機(jī)模擬技術(shù)，建立起重機(jī)運(yùn)行速度、運(yùn)行時間和起吊繩長之間的數(shù)學(xué)模型，提高了起重機(jī)開環(huán)防搖控制方法的適應(yīng)性和工程應(yīng)用性。武漢理工大學(xué)于2017年申請了一種基于模糊PID控制的起重機(jī)智能防搖控制系統(tǒng)及方法（CN201710637772.X），根據(jù)起重機(jī)系統(tǒng)動力學(xué)方程，采用位移PID和角度PID的雙閉環(huán)反饋控制策略，即實(shí)現(xiàn)起重機(jī)系統(tǒng)大、小車位移的PID閉環(huán)反饋控制和負(fù)載偏擺角度的PID閉環(huán)反饋控制，實(shí)現(xiàn)起重機(jī)大、小車移動位移的精確控制和負(fù)載偏擺角度的有效抑制。同時，利用模糊控制器實(shí)現(xiàn)PID控制器參數(shù)的自適應(yīng)調(diào)節(jié)，提高防搖系統(tǒng)抵抗外界干擾的能力，增加防搖系統(tǒng)對系統(tǒng)參數(shù)變化的適應(yīng)性和魯棒性。防搖控制系統(tǒng)利用絕對值編碼器采集大、小車位移，并反饋至大、小車位移輸入端，有效提高了大、小車位移的控制精確性;同時，利用工業(yè)相機(jī)實(shí)時采集負(fù)載偏擺圖像，絕對值編碼器實(shí)時采集負(fù)載起升高度，并均將其數(shù)據(jù)傳遞給工控機(jī)，工控機(jī)基于圖像處理算法，根據(jù)負(fù)載起升高度得到負(fù)載偏擺角度反饋至負(fù)載偏擺角度輸入端，并且采用人機(jī)交互技術(shù)，實(shí)現(xiàn)防搖系統(tǒng)的實(shí)時監(jiān)控。

2.4 專利技術(shù)構(gòu)成分析

通過對所分析的專利進(jìn)行權(quán)利要求書和說明書的人工標(biāo)引和具體解讀，將起重機(jī)的智能化相關(guān)專利技術(shù)主題劃分為5類，包括：一是定位識別技術(shù)，例如起重機(jī)的自動定位系統(tǒng)，物料的識別技術(shù)，吊具定位技術(shù)，智能避障技術(shù)，身份識別技術(shù)等;二是智能監(jiān)測技術(shù)，例如遠(yuǎn)程監(jiān)測系統(tǒng)，工況監(jiān)測系統(tǒng)，運(yùn)行速度監(jiān)測系統(tǒng)，智能監(jiān)測方法的優(yōu)化，故障自診斷，智能防撞等;三是安全控制技術(shù)，例如安全吊裝方法，不安全行為智能識別技術(shù)，防勾連技術(shù)，安全信息輸入，防搖擺技術(shù)，安全距離監(jiān)測，防墜落及報警技術(shù)等;四是智能管理技術(shù)，例如智能運(yùn)行管理技術(shù)，安全監(jiān)控管理系統(tǒng)，自動循環(huán)工作管理，實(shí)時數(shù)據(jù)收集管理，智能管理方式及算法等;五是結(jié)構(gòu)優(yōu)化，例如電氣系統(tǒng)優(yōu)化，部件配置方式，梁結(jié)構(gòu)，構(gòu)件連接關(guān)系優(yōu)化等。

對于定位識別技術(shù)的研究，從所分析的專利文件來看，其中中國專利CN109231011B涉及一種基于二維碼的起重機(jī)運(yùn)行機(jī)構(gòu)定位裝置及定位方法，通過分別設(shè)置在起重機(jī)大車運(yùn)行方向和小車運(yùn)行方向上的二維碼和設(shè)置在大車與小車上的二維碼識別裝置，接收小車二維碼識別裝置識別的第一識別信號和大車二維碼識別裝置識別的第二識別信號，再根據(jù)第一識別信號和第二識別信號計算獲得起重機(jī)小車的位置信息和大車的位置信息，實(shí)現(xiàn)了對起重機(jī)運(yùn)行機(jī)構(gòu)的定位，為起重機(jī)的智能化、自動化運(yùn)行提供了有利條件。此外，其他涉及起重機(jī)定位識別的專利技術(shù)還包括傳感器技術(shù)、RFID射頻識別技術(shù)、紅外線等。

對于起重機(jī)的智能監(jiān)測技術(shù)的研究，韓國專利KR102115584B1涉及一種起重機(jī)的智能化終端系統(tǒng)，卷揚(yáng)機(jī)的負(fù)載監(jiān)測單元將監(jiān)測到的負(fù)載信息發(fā)送到智能終端的負(fù)載接收單元，智能終端對接收的負(fù)載信息進(jìn)行計算分析并將計算結(jié)果發(fā)送給控制命令發(fā)送單元，從而根據(jù)負(fù)載信息控制卷揚(yáng)機(jī)的起升作業(yè)，另一方面，操作者還可通過智能電話之類的移動設(shè)備與用戶終端進(jìn)行通話，以便用戶及時發(fā)現(xiàn)并處理起重作業(yè)的報警故障，即實(shí)現(xiàn)了起重機(jī)的智能化作業(yè)，又提高了安全性。

對于安全控制技術(shù)的研究，中國專利CN105883615B涉及一種多段勻變速起重機(jī)智能防搖擺控制方法，根據(jù)起重機(jī)的實(shí)際使用情況，預(yù)先輸入負(fù)載的最大允許擺幅和運(yùn)行機(jī)構(gòu)的各檔位的速度，包括最大運(yùn)行速度。編碼器實(shí)時測量起升繩長，并將測量信息傳遞給控制中心和上位機(jī)?？刂浦行母鶕?jù)編碼器測量的起升繩長和預(yù)設(shè)負(fù)載的最大允許擺幅，基于起重機(jī)系統(tǒng)動力學(xué)分析規(guī)律，計算運(yùn)行機(jī)構(gòu)加速度和負(fù)載偏擺周期，并根據(jù)輸入整形控制算法輸出控制信號，最終通過改變變頻器頻率控制運(yùn)行機(jī)構(gòu)的多段勻變速運(yùn)行來抑制負(fù)載的偏擺。同時，控制中心將運(yùn)行機(jī)構(gòu)運(yùn)行參數(shù)通過無線發(fā)送至上位機(jī)進(jìn)行監(jiān)測并顯示。該防搖擺控制方法采用負(fù)載的最大允許擺幅作為控制輸入量，根據(jù)負(fù)載偏擺周期將小車加速或減速過程分為多段勻加速或多段勻減速過程，即在起重機(jī)啟動時，通過控制起重機(jī)小車多段勻加速運(yùn)行，或者在起重機(jī)制動時，通過控制起重機(jī)小車多段勻減速運(yùn)行，來減小和消除起重機(jī)運(yùn)行過程中負(fù)載偏擺，提高了起重機(jī)的智能化水平和控制精度。

對于智能管理技術(shù)的研究，中國專利CN205545375U涉及一種起重機(jī)械安全監(jiān)控管理系統(tǒng)，通過采用信息采集模塊、視頻轉(zhuǎn)換模塊、存儲單元、輸出模塊、網(wǎng)絡(luò)模塊、顯示單元、通信模塊和識別模塊對起重機(jī)分部件進(jìn)行探測以及對工作環(huán)境進(jìn)行監(jiān)測，實(shí)現(xiàn)對于起重機(jī)運(yùn)行狀況的實(shí)時了解，及時處理起重機(jī)械各部件發(fā)生的故障，避免引起重大的安全事故，同時在起重機(jī)械工作現(xiàn)場安裝有現(xiàn)場攝像頭，可以使得指揮人員以及操作人員同步掌握現(xiàn)場的情況，配合更加的默契，另外，采用的指紋識別機(jī)和作業(yè)卡識別器可以實(shí)現(xiàn)專人專機(jī)的操作，提高對于起重機(jī)械操作的監(jiān)管，而且設(shè)置有通信模塊直接通過GPRS信號將現(xiàn)場的信息傳遞到遠(yuǎn)程值班人員手機(jī)中，也可以傳遞到主管人員的手機(jī)中，實(shí)現(xiàn)遠(yuǎn)程實(shí)時一體化的管理，提升管理的效率，信號采集模塊將起重機(jī)械的運(yùn)行信息經(jīng)過加密后存儲到存儲單元，這樣有利于后續(xù)針對故障的排查和后期的維護(hù)，智能化程度較高。

對于結(jié)構(gòu)優(yōu)化的研究，中國專利CN208561447U涉及一種智能起重吊鉤，因?yàn)榫哂性O(shè)置在所述吊鉤本體上的供電單元能夠供電;具有的應(yīng)變測量單元，固定安裝在所述安裝凹陷上，能夠測量所述彎鉤部分受到的應(yīng)變;數(shù)據(jù)傳輸單元，能夠接收應(yīng)變信號，并將所述應(yīng)變信號傳送給該計算終端，所以本實(shí)用新型的智能起重吊鉤能夠隨時監(jiān)測起吊時的載荷，通過與外部的計算終端的連接來對吊鉤的起吊載荷是否超載、吊鉤的受力是否處于安全范圍進(jìn)行控制和監(jiān)督，從而預(yù)防吊鉤損壞或超負(fù)荷導(dǎo)致的生產(chǎn)事故的發(fā)生，進(jìn)一步還能計算外部某一個智能起重吊鉤起吊的實(shí)際工作量，從而實(shí)現(xiàn)了普通吊鉤的智能化。

3 結(jié)論與建議

通過從專利申請角度全面分析國內(nèi)外對“起重機(jī)智能化技術(shù)”的研究現(xiàn)狀，可以了解到，由于起重機(jī)是一種比較大型且結(jié)構(gòu)復(fù)雜的設(shè)備，即包含機(jī)械部件，又有電器控制元件，因此，起重機(jī)的智能化技術(shù)的研究方向比較多元化，但總的來說，都是以實(shí)現(xiàn)工作環(huán)境自動識別、自動規(guī)劃作業(yè)軌跡、自動避障、遠(yuǎn)程監(jiān)控、故障診斷報警等智能化技術(shù)為目的的，并最終使起重機(jī)設(shè)備具備自動規(guī)劃、全面感知、多機(jī)協(xié)同和決策控制等能力。例如，為了實(shí)現(xiàn)多機(jī)協(xié)同作業(yè)，就需要對遠(yuǎn)程監(jiān)控技術(shù)進(jìn)行研究，以實(shí)現(xiàn)對多臺起重機(jī)進(jìn)行監(jiān)測和控制，使其能夠協(xié)同作業(yè);為了提高起重作業(yè)的安全性，就需要對起重機(jī)的環(huán)境識別能力和安全保護(hù)系統(tǒng)進(jìn)行研究，使其根據(jù)周圍工作環(huán)境自動調(diào)整動作指令，從而大大降低起重機(jī)設(shè)備的故障率以及人員傷亡事故的發(fā)生率。

通過對起重機(jī)的智能化技術(shù)專利的分析研究，雖然不同企業(yè)、大專院校及科研機(jī)構(gòu)等對該技術(shù)的重點(diǎn)研究方向不同，但對多機(jī)協(xié)同作業(yè)技術(shù)的研究還比較少，由于工程項(xiàng)目中吊裝的物件越來越朝著大型化發(fā)展，單臺起重機(jī)的吊裝能力已很難滿足吊裝要求，使用多臺起重機(jī)協(xié)同作業(yè)的需求也相對增加，因此，今后還需進(jìn)一步加強(qiáng)對多機(jī)智能化協(xié)同作業(yè)的研究，例如，可以使用檢測技術(shù)實(shí)時監(jiān)測多臺起重機(jī)的工作參數(shù)，同時使用無線通訊技術(shù)和監(jiān)控終端操控多臺起重機(jī)的精準(zhǔn)動作，以實(shí)現(xiàn)多臺起重機(jī)的協(xié)同控制功能。

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