智能塔式起重機(jī)關(guān)鍵特征與遠(yuǎn)程遙控系統(tǒng)技術(shù)分析

伍步勝

（中海石油（中國(guó)）有限公司深圳分公司惠州作業(yè)公司，廣東 深圳 518000）

起重機(jī)廣泛應(yīng)用于廠房、車站、倉(cāng)庫(kù)、高層建筑、海港碼頭、海洋石油鉆井開采等場(chǎng)合，并呈現(xiàn)出大噸位、高效、自動(dòng)化和多用途的發(fā)展趨勢(shì)。與此同時(shí)，人們對(duì)其工作穩(wěn)定性、運(yùn)行安全性、智能化水平、動(dòng)作安全可靠性、機(jī)械設(shè)備故障監(jiān)測(cè)檢測(cè)水平等方面的需求也在不斷提升。智能工程機(jī)械涉及機(jī)、電、水，聲、光等領(lǐng)域，以機(jī)器科學(xué)技術(shù)、現(xiàn)代微電子科學(xué)技術(shù)、感應(yīng)器科學(xué)技術(shù)等為基礎(chǔ)，與各種信息技術(shù)結(jié)合，實(shí)現(xiàn)機(jī)器內(nèi)部的信息處理功能，而智能起重機(jī)屬自動(dòng)化施工機(jī)械設(shè)備中的一類，對(duì)現(xiàn)代智能起重機(jī)控制系統(tǒng)開展深入研究有著重大的研究?jī)r(jià)值和意義。

1 智能塔式起重機(jī)的特征及優(yōu)勢(shì)

智能塔式起重機(jī)則是指塔式起重機(jī)具備高靈敏度的智能化操作體系，所有工作能夠?qū)崿F(xiàn)高度自動(dòng)控制的設(shè)備，具有機(jī)械動(dòng)作和運(yùn)動(dòng)特性、可編程功能、人機(jī)交互能力以及自檢測(cè)能力。智能塔式起重機(jī)主要由起重機(jī)基本動(dòng)作層、傳感器層，信息采集與執(zhí)行層，控制系統(tǒng)層以及人機(jī)交互技術(shù)層等構(gòu)成。隨著人工智能的發(fā)展，智能起重機(jī)還具有認(rèn)知能力，計(jì)算技術(shù)、運(yùn)動(dòng)能力、協(xié)調(diào)能力，認(rèn)知能力和決策控制功能等。

與傳統(tǒng)起重機(jī)相比，智能起重機(jī)主要具備以下幾大優(yōu)勢(shì)。（1）可視化及遠(yuǎn)程控制技術(shù)?？梢暬梢詫?duì)裝置工作狀況進(jìn)行即時(shí)觀測(cè)，采用了無(wú)線通信技術(shù)和硬線聯(lián)網(wǎng)方法，協(xié)助作業(yè)人員完成遠(yuǎn)程管理，做出正確判斷與動(dòng)作。（2）完備的數(shù)據(jù)采集與故障記錄技術(shù)。起重機(jī)上的各項(xiàng)參數(shù)十分繁雜，智能塔式起重機(jī)通過(guò)微處理器、大容量存儲(chǔ)器技術(shù)和圖形液晶顯示屏技術(shù)等，迅速搜集數(shù)據(jù)并進(jìn)行分類處理，幫助作業(yè)人員迅速完成對(duì)設(shè)備狀態(tài)的評(píng)估。（3）防搖擺技術(shù)。起重機(jī)工作過(guò)程中，吊鉤的擺動(dòng)直接影響著作業(yè)安全與作業(yè)質(zhì)量。智能控制系統(tǒng)能夠通過(guò)監(jiān)測(cè)貨物的位移狀況，并通過(guò)加速度、減速度等對(duì)系統(tǒng)做出補(bǔ)充修正，以防止或者降低貨物的搖晃，讓作業(yè)更高精準(zhǔn)。（4）智能化的電動(dòng)機(jī)拖動(dòng)系統(tǒng)。使用更可靠的變頻調(diào)速控制器，達(dá)到對(duì)力矩更迅捷的反饋和對(duì)旋轉(zhuǎn)頻率的準(zhǔn)確監(jiān)控。

2 目前智能起重機(jī)遠(yuǎn)程遙控系統(tǒng)的發(fā)展現(xiàn)狀

2.1 智能起重機(jī)應(yīng)用領(lǐng)域不斷增大

隨著自動(dòng)化碼頭的興建，龍門起重機(jī)、軌道車等應(yīng)用越來(lái)越多，智能起重機(jī)可以說(shuō)無(wú)處不在。從中國(guó)第一個(gè)自動(dòng)散貨港口上海羅東岡，到韓國(guó)釜山新港的73臺(tái)智能化無(wú)人軌道起重機(jī)裝置和19臺(tái)岸邊電動(dòng)手推車，再到臺(tái)灣臺(tái)北港區(qū)的40個(gè)智能化無(wú)人軌道手推車裝置、港口全自動(dòng)卸船機(jī)械、全自動(dòng)堆取料機(jī)和全自動(dòng)裝船機(jī)械，都能夠使用遠(yuǎn)程中央監(jiān)控來(lái)實(shí)現(xiàn)無(wú)人化和自動(dòng)化作業(yè)。

大型貨倉(cāng)中的智能起重機(jī)數(shù)量也越來(lái)越多，通過(guò)無(wú)人駕駛的高架起重機(jī)來(lái)自行存取負(fù)物。比如，河鋼唐鋼集團(tuán)和韓國(guó)Posco集團(tuán)合作開發(fā)的唐鋼高強(qiáng)度汽車面板項(xiàng)目軋后倉(cāng)庫(kù)無(wú)人值守天車管理系統(tǒng)，已經(jīng)完成了調(diào)試。寶鋼寶信和運(yùn)輸處附近的21座碼頭自動(dòng)化庫(kù)，已經(jīng)實(shí)現(xiàn)了全自動(dòng)化的無(wú)人倉(cāng)庫(kù)控制。

2.2 智能起重機(jī)遠(yuǎn)程遙控系統(tǒng)不斷創(chuàng)新

智能起重機(jī)的遠(yuǎn)程遙控系統(tǒng)是其在特點(diǎn)環(huán)境中完成作業(yè)任務(wù)的必要條件。在易塌方區(qū)、易燃爆區(qū)、環(huán)境惡劣作業(yè)區(qū)、視野不佳作業(yè)區(qū)，都需要通過(guò)無(wú)線遙控裝置機(jī)器設(shè)備和儀器進(jìn)行精確控制，完成相應(yīng)的機(jī)械操作便捷化。目前，世界經(jīng)濟(jì)強(qiáng)國(guó)對(duì)遠(yuǎn)程遙控技術(shù)進(jìn)行大力研究，在微動(dòng)控制、復(fù)合動(dòng)作、工作范圍、可視化遙控等方面取得了很大進(jìn)展。我國(guó)雖然工業(yè)遠(yuǎn)程遙控系統(tǒng)的研究起步較晚，但隨著經(jīng)濟(jì)與技術(shù)的發(fā)展，很多工程機(jī)械廠商和高校、科研所展開合作，在智能起重機(jī)遠(yuǎn)程遙控系統(tǒng)開發(fā)方面，也取得了越來(lái)越多的研究成果。目前，國(guó)內(nèi)外比較有代表性的遠(yuǎn)程遙控系統(tǒng)裝置如表1所示。

表1 智能起重機(jī)無(wú)線遙控系統(tǒng)

3 智能塔式起重機(jī)遠(yuǎn)程遙控系統(tǒng)設(shè)計(jì)與關(guān)鍵技術(shù)分析

3.1 遠(yuǎn)程遙控系統(tǒng)總體方案

塔式起重機(jī)遠(yuǎn)程遙控系統(tǒng)的設(shè)計(jì)，主要包括三大機(jī)構(gòu)動(dòng)作控制系統(tǒng)、安全監(jiān)控系統(tǒng)和人機(jī)交互界面設(shè)計(jì)。

（1）三大機(jī)構(gòu)動(dòng)作控制系統(tǒng)。采用PLC控制器完成對(duì)三大機(jī)構(gòu)的智能控制，通過(guò)變頻器控制減少機(jī)械損耗，提高工作效率。采用CAN總線的通信方式實(shí)現(xiàn)對(duì)PLC和變頻器的連接。通過(guò)這種方案能夠?qū)崿F(xiàn)在線編程和故障診斷，還便于后期多個(gè)變頻器的共同作用。

圖1 三大機(jī)構(gòu)控制設(shè)計(jì)

（2）安全監(jiān)控系統(tǒng)。安全控制系統(tǒng)是采用計(jì)算機(jī)技術(shù)、自動(dòng)控制技術(shù)、傳感器技術(shù)等，來(lái)采集數(shù)據(jù)，進(jìn)行數(shù)據(jù)處理。安全監(jiān)控系統(tǒng)的作用包括對(duì)起重機(jī)的重量、吊鉤幅度、回轉(zhuǎn)機(jī)構(gòu)以及風(fēng)速等進(jìn)行監(jiān)控，將計(jì)算結(jié)果反饋操作者；通過(guò)遠(yuǎn)程監(jiān)控平臺(tái)，實(shí)現(xiàn)對(duì)起重機(jī)實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)的獲取，對(duì)其進(jìn)行相應(yīng)控制。

圖2 塔式起重機(jī)監(jiān)控系統(tǒng)設(shè)計(jì)

（3）人機(jī)交互界面設(shè)計(jì)。很多廠商的智能起重機(jī)都是利用工業(yè)觸摸顯示器作為信息交互平臺(tái)，來(lái)完成控制系統(tǒng)與設(shè)備的信息雙向交互。通過(guò)主界面和系統(tǒng)設(shè)置，進(jìn)行系統(tǒng)查詢和控制交互，交互內(nèi)容包括重量、幅度、力矩、額定重量、風(fēng)速、等安全相關(guān)的參數(shù)，以及設(shè)備運(yùn)行速度、頻率等相關(guān)的參數(shù)，還包括動(dòng)作邏輯、保養(yǎng)維護(hù)、故障預(yù)警等專家診斷相關(guān)的參數(shù)。

圖3 人機(jī)交互界面設(shè)計(jì)

3.2 遠(yuǎn)程遙控系統(tǒng)關(guān)鍵技術(shù)分析

（1）人工智能技術(shù)。起重機(jī)的智能控制分為模糊推理、神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)操控與人工智能駕馭技術(shù)的融入，具體如模糊操控和變結(jié)構(gòu)操控的集成；神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)與變結(jié)構(gòu)操控的融入：模糊操控和神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)操控的融入；各種智能計(jì)算方法的融入等。各種機(jī)器學(xué)習(xí)算法的誕生，推動(dòng)著現(xiàn)代計(jì)算機(jī)的進(jìn)步發(fā)展，該類技術(shù)在遠(yuǎn)程遙控系統(tǒng)中的應(yīng)用也越來(lái)越多。比如，強(qiáng)化機(jī)器學(xué)習(xí)、蟻群計(jì)算、粒子群算法、遺傳算法等，可廣泛應(yīng)用于智能啟動(dòng)設(shè)備系統(tǒng)，使系統(tǒng)產(chǎn)生近似人體或哺乳動(dòng)物的自主學(xué)習(xí)智能，以應(yīng)對(duì)越來(lái)越復(fù)雜、不明確和非結(jié)構(gòu)化的環(huán)境。

（2）多傳感器信息融合技術(shù)。高性能傳感器的研制與發(fā)展對(duì)智能起重機(jī)可以應(yīng)對(duì)不同的條件而進(jìn)行靈活的工作必不可少。在人工智能過(guò)程中，增強(qiáng)和改善傳感器特性是增強(qiáng)人工智能的關(guān)鍵部分。但是，怎樣與來(lái)自傳感器的數(shù)據(jù)，包括傳感器的數(shù)據(jù)集成，成為一項(xiàng)非常重大的問(wèn)題。多功能傳感器的集成在起重機(jī)的智能實(shí)現(xiàn)中起著重要作用。

（3）人機(jī)交互技術(shù)。智能人機(jī)接口對(duì)人機(jī)交互技術(shù)的要求正在朝著精細(xì)化、多本地化、高智能化和人性化的方面發(fā)展。遠(yuǎn)程遙控系統(tǒng)的核心問(wèn)題之一就是實(shí)現(xiàn)人機(jī)界面的高可用性和可靠性。根據(jù)高速、精密、數(shù)字化和智能化要求，人機(jī)交互技術(shù)包括檢測(cè)系統(tǒng)與傳感器信息融合技術(shù)、智能管理與遠(yuǎn)程控制、先進(jìn)功能組件、新型數(shù)字驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)、高速和精密的數(shù)據(jù)傳輸機(jī)制、開放式網(wǎng)絡(luò)控制器等先進(jìn)的基本組件與系統(tǒng)。

（4）智能路徑規(guī)劃技術(shù)。最優(yōu)路線設(shè)計(jì)是指基于某些原則或某種最小目標(biāo)(如最小工作成本、最短行走路徑、最短行走時(shí)限等)，從目標(biāo)空間內(nèi)尋找從初始狀態(tài)至最后目標(biāo)階段的最優(yōu)或次優(yōu)路徑，可以用來(lái)避免障礙和提高工作效率。路徑規(guī)劃方式包括全局路徑規(guī)劃和局部整體路徑規(guī)劃。由于原有的路線規(guī)劃方式在路線搜索效能和路線優(yōu)選方面都需要提高。所以，必須根據(jù)不完整或不確定的環(huán)境條件信號(hào)，將遺傳算法、粒子群算法、模糊邏輯和神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)等智慧計(jì)算方法運(yùn)用到路徑規(guī)劃，并研發(fā)出新的智能路徑規(guī)劃方式，以進(jìn)一步提高智能起重機(jī)路線計(jì)劃的避障準(zhǔn)確度和工作效率高，從而更符合現(xiàn)實(shí)應(yīng)用的需求。

（5）智能結(jié)構(gòu)優(yōu)化設(shè)計(jì)技術(shù)。盡管智能起重機(jī)的機(jī)械結(jié)構(gòu)優(yōu)化設(shè)計(jì)問(wèn)題已成為科研的重點(diǎn)，但由于機(jī)械結(jié)構(gòu)優(yōu)化設(shè)計(jì)問(wèn)題的復(fù)雜性、多目標(biāo)功能、多法律約束力、多參數(shù)特性及其機(jī)械優(yōu)化模型的廣泛含義，導(dǎo)致優(yōu)化設(shè)計(jì)問(wèn)題數(shù)學(xué)模型的構(gòu)建與解決造成了極大障礙。所以，需要選擇一個(gè)計(jì)算簡(jiǎn)便、運(yùn)算效率高、容易實(shí)現(xiàn)的新型智能優(yōu)化計(jì)算系統(tǒng)，對(duì)起重機(jī)金屬結(jié)構(gòu)進(jìn)行優(yōu)化設(shè)計(jì)。這是目前智能起重機(jī)結(jié)構(gòu)研發(fā)的一條關(guān)鍵思路，是智能起重機(jī)與無(wú)人起重機(jī)之間的智能協(xié)同設(shè)計(jì)的未來(lái)發(fā)展重點(diǎn)。

4 結(jié)語(yǔ)

智能塔式起重機(jī)的基礎(chǔ)技術(shù)已經(jīng)成熟，應(yīng)用范圍也日益增大，特別是在惡劣環(huán)境如鋼鐵、化工、海上設(shè)施等生產(chǎn)場(chǎng)所，有很大的推廣和應(yīng)用空間。目前，起重機(jī)的智能發(fā)展還需要進(jìn)一步將人工智能的檢測(cè)、管理、控制和結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)技術(shù)進(jìn)行整合，建立基于計(jì)算機(jī)控制的可重構(gòu)模塊化系統(tǒng)。要進(jìn)一步探索其系統(tǒng)的設(shè)計(jì)理論與應(yīng)用技巧，加強(qiáng)運(yùn)動(dòng)學(xué)、動(dòng)力學(xué)、技術(shù)規(guī)劃、控制等方面的研發(fā)，以促進(jìn)智能起重機(jī)的創(chuàng)新發(fā)展。