PTC ASIA 2021 高新技术展区现场技术报告

中国工程起重机国际化发展前瞻

——据大连理工大学专家高顺德报告录音整理

首先感谢中国液压气动密封件协会的邀请，今天-有机会向液压领域的各位专家做个汇报。我主要从事起重机的设计工作，液压、电控、结构、传动，我都不是很精通，只会用，你们都做好了，我攒到一起去。下面按照会议的安排，我向大家汇报一下我40年来对起重机的认识，同时跟大家谈一下起重机的历史和未来。

分五个方面。一是行业发展情况；二是亟待解决问题；三是数字孪生助力新发展，这是这两年来，我和王长江副主任一起经常探讨的问题，特别是最近2个月，有些实质性的工作；第四讲一下行业平台的搭建；第五是起重机的未来。

行业发展情况

起重机的历史。自人类诞生以来，或者说自人类从事劳动以来，就已经有了起重机的原始形态（见图1），简单地说，就是一个杠杆原理，这是一个卷扬机构，代表了起重机的核心机构。图1描绘的是4600年前到520年前的劳动场景，应该说是代表了全人类的古代起重机的历史，我想我们中国人对2、4、6这3张图应该是见到过。

图1 起重机的原始形态

1755～1907年，这一百多年，起重机在西方工业领域有了很好的应用，起重机伴随着工业化一起成长（见图2）。

图2 起重机近代的发展

古代原始起重机经过5000年的发展，近代起重机经过近三百年的发展，不论从驱动、外形、构造、功能、效率和控制等方面都发生了翻天覆地的变化，起重机在工业生产中依然起着不可替代的作用。

图3是我国从1949年新中国成立以后，各个产品领域No.1的产品。

图3 新中国起重机发展

图4是新中国发展到今天，我们的起重机之最，这些各个领域的起重机，都是全球的No.1。我们在宣传大国重器的时候，里面有几个起重机的产品，确确实实我们在大型的、各个类型的起重机领域都已经是领先的。和我有关的，大起、太重、徐工、三一、中联、振华港机，这类产品都和我的专业设计产品相关。昨天在中联下线的12000吨米、起重量450吨的全人类最大的塔式起重机刚刚下线，用于常泰大桥，还有一个是徐工中标的15000吨米，起重量是600吨的正在研制。

图4 起重机之“最”

图5介绍了世界工程机械的排名，我们已经占据了第3、4、5名，也就是说在这个跑道上，前8名的选手我们已经有了3位，在不久的未来，我们就会攀升到第二，应该是在2025年，我们会达到领跑的位置。右上角这个“龙行微控”的logo，是王大爷（王长江副主任）注册的，中国行走机械的控制，这是王大爷对未来的期盼。

图5 世界工程机械2021年排名

据海关数据整理， 2020年1至11月我国工程机械进出口贸易额为223.2亿美元，同比下降13.9%。其中进口金额34.26亿美元，同比下降7.72%；出口金额188.94亿美元，同比下降15%。2020年出口总额188.9亿美元占世界市场的12.6%，产品出口大多是发展中国家。中国是个工程机械大国，但占领世界市场的百分比远小于美国、日本、欧洲。

出口总额只占了世界市场的12.6%，这就是我们在世界市场的情况。未来我们要达到50%，就是说我们还有37%的巨大成长和发展空间，所以我坚信不管是主机，还是我们的配套件企业，未来十年前景是非常广阔的。特别是看了我们今天的PTC展会，我的第一感觉是我们配套件的技术水平在飞速发展。王大爷刚才讲了4点，特别是一致性、通用性，技术的进步已经到了可以和进口品牌同台竞争，但是我们在这里面依然还是用性价比来营销，这是我们要改变思想的一个时间节点。

最近王大爷和我用2个月的时间走访了11个城市、15个单位，进行调研，普遍就是我们在低价内卷式竞争，这样的行业生态是不健康的。王大爷提出来要把我们整个配套元器件进行电子化升级，通过电子化实现未来起重机的新技术提升，真正让我们国内的产品在世界市场上具有很好的竞争力，这就需要我们共同努力。这个12.6%到50%的空间，希望我们的液压协会对会员企业给予助力，让他们树立坚定的信念，让他们的产品陪同我们的主机走向世界。

国际化发展的3个关键因素，一个是超大型化，一个机器人化，一个是专用属具化。

超大型化

图6体现了在重大工程领域超大型起重机的优势，对大型工程的建设，需要大型起重机，这个图片里面最突出的就是中间这个超大环轨起重机，它的起重量已经达到了8000～10000吨，它的作业起重力矩已经达到了50万吨米，我们现在正在开发这个产品。

图6 起重机的超大型化

机器人化

未来的起重机为了提高性能，就要向机器人化的方向发展，机器人化就要在精准操控、人机交互、故障自诊断、协同作业、环境自识别这五个方面进行技术提升。

专用属具化

从起吊对象角度出发！从实际工况角度出发！从精细化作业角度出发！从专业化作业角度出发！从这四个方面做好个性化、专用属具化的起重设备。

要知己知彼，对标国际工程起重机领先企业的产品，我们的差距主要表现在这五个方面：排放、节能、技术、服务、网络，下一步我们要重点突破。

亟待解决的问题

起重机急需解决的几项技术：①柴油机与液压系统实现环保达标，②图像、音频、运动控制等信息传递的实时性与同步性，③起重机的集群控制，④起重机重要环节作业安全性的提高。特别是最后一条，要求我们前三条以安全性为准则。

实现环保达标

习近平总书记提出，我们国家碳排放目标在2030年碳达峰，2060年碳中和。为了实现这个目标，我们行业，不管是主机还是配套件都要紧紧围绕如何达到这个目标，降低设备自重是减碳，降低设备运行的消耗也是减碳，我们都要在全产业链上进行精细的设计来实现碳排放的目标。

图7是碳达标下柴油机使用者的责任。现在发动机有效功率仅仅是50%左右，如果我们在发动机使用过程当中，采用高压高能级的元器件，也是减排的一个手段。

图7 碳达标下柴油机使用者的责任

信息传递的实时性与同步性

要实现起重机AI（人工智能）的发展目标，就要在图8的6个方面做技术性的攻关，需要专业技术人员做大型集控。今年十大高校参加PTC展会，我也看到了很多技术对我们整机的发展提供了很好的前沿技术提升的支持，不管是硬件、软件还是测试仪器。我们要做起重机机器人化，要赋予它智能的软件、智能的工业模式。

图8 起重机AI要做的技术性攻关

要推出数字孪生，就迫使我们在未来必须要尽快解决远程控制、数据采集问题，同时在辨识方面提升产品智能化的水平。我们起重机械常遇到的控制问题有：起重机避障、防过载、准确定位、防冲击、信号精准传递、防倾覆稳定、实时数据传输，要解决这些问题，也需要各种信息传递总线的实时性和同步性。

起重机集群控制

多机协同作业（见图9），合理安排多台起重机的站位姿态、动作序列、动作速度等，使被吊物按照预定轨迹从初始站位位置安全到达就位位置。4台起重机抬吊、3台起重机抬吊，这种成组性的控制技术可以解决大型载荷，用多机抬吊的精细性、可靠性、安全性，让起重机的发挥更充分、更节能、更具有一系列的优势，当然要赋予它们智能化。

图9 多机协同作业

集群吊装需要解决的问题：工程分析、作业方案、责任分工、模拟演练、全程网络控制、全程网络监测、全程信息采集记录。这就要求做到节能高效、精准作业、安全可靠、集群控制的综合管理。

提高起重机作业安全性

起重机作业提高安全性，需要提升5个方面：①智能数据存储，以作分析和相应的改进；②智能姿态趋势实时分析和应急措施；③防倾覆等危险状态的监测和自动控制；④制动器、离合器在线监测；⑤结构状态在线监测。

数字孪生助力新发展

数字孪生是充分利用物理模型、传感器、控制器的更新、运行历史等数据，集成多学科、多物理量、多尺度、多概率的仿真过程，在虚拟空间中完成映射，从而反映相对应的实体装备的全生命周期过程。数字孪生是一种超越现实的概念，可以被视为一个或多个重要的、彼此依赖的装备系统的数字映射系统。

数字孪生技术加快工程机械迭代发展。用数字孪生技术可以实现产品迭代发展、实现电子控制软件、实现自动控制，数字孪生技术需要用经济杠杆来撬动。

仿真技术对产品的设计有着无可估量的作用，它可以提供设计的决策方向，提供真实设计的定性，提供真实设计的量化，提供产品各部位、各功能、各系统、迭代的真实数据定量。但是前三十年我们通常都是用商业软件在进行虚拟仿真，纸上谈兵，对照产品进行修改我们仿真的结果，仿真跟实际样机进行后对比。

数字孪生技术包括7个方面：结构动力学仿真、运动仿真、液压系统仿真、电子控制仿真、运动合成解耦仿真、钢丝绳受力仿真、多机同步运行仿真。比如帮助我们在IOP（网络平台）上实现虚拟起重机与现实起重机的数字孪生，实时校对，不断迭代；再比如让平衡阀等元件在物理样机上、在液压IOP平台上，元件进行仿真。（见图10）。

图10 数字孪生技术应用

解决数字孪生技术的现实工作，需要重点解决5个方面的问题：①仿真平台；②给出系统数学模型；③给出系统物理模型；④给出软件运行结果；⑤控制软件。

最近华为提出：“端云协同 控制归一”。2021年7月13日，工信部、中央网信办、国家发改委等十部门印发《5G应用“扬帆”行动计划（2021-2023年）》，《行动计划》提出：到2023年要实现5G在大型工业企业渗透率达到35%、每个重点行业5G示范应用标杆数达到100个、5G物联网终端用户数年均增长率达到200%三大指标。

对于我们工程机械行业来说，数十万台、分布世界各地的行走机械急需通过5G技术实现实时无线 “云地同步”功能，云地同步还可以简化机上控制器。

行业平台搭建

我们的目标就是在通讯技术、机械机构、电液控制这三个领域创建中国新一代工程机械研发手段，建立产品数据库，研发中国新一代工程机械产品，提升行业在国际市场上的竞争力。

新的研发理念就是继承各个专业领域的技术成果，通过跨界网络技术和数字电液集成技术实现数字孪生的迭代发展。

分步骤、分层次、分部件的理念，通过建立液压电子控制IOP（网络平台）、液压系统仿真IOP、机械结构仿真IOP等一系列专业配套IOP平台，实现主机的互联互通。这个IOT（物联网）不是万物的，指的是我们工程机械的IOT，包括挖掘机、装载机等一系列工程机械门类。

行业平台搭建。IOP所具有的功能需要我们共同来构建，通过多个IOP联系在一起，逐渐形成行业的IOT，我们要建立我们的5G平台。这就需要国家有关部委和行业标准委员会、行业协会的培育和支持，全行业都有共同的意识才能把这项工作做好，才能长成大树，才能开花结果（见图11）。

图11 行业平台搭建

我们成立了大连益利亚科技发展有限公司，开发了一个叫做“擎起网”的平台，这里面有八大功能：起重机工况参数查询、起重机工况智能优选、CAD工程图下载、非标准吊装设计、吊装标准查询、行业案例、课程培训、入住专家。

擎起网平台的特点：①专业化：专注吊装设计行业；②标准化：设计规范标准化、设计服务标准化；③智能化：设计工具智能化。擎起网的目的是打造专业化、标准化、智能化的云上吊装设计服务平台，为中小微吊装企业、大型吊装企业、设计公司等平台用户提供案例展示、培训、设计工具、吊装设计、部件设计等服务，构建吊装行业新生态！

图12就是工程机械IOT的拓扑图，我们的原则就是“共建、共享、共赢”，每个模块都可以“共建、共享、共赢”。我们有100多家液压泵、阀、马达厂家，不需要每家都建立液压仿真平台，比如燕山大学的赵静一、姚静老师给做一个，每家都可以针对各自企业的产品进行孪生、仿真，软件和产品能够实现真实的虚拟现实、孪生，包括产品全寿命周期的设计迭代，都要在这个平台上进行、分析，这样就加快了我们产品开发的速度，减轻了我们设计人员的工作强度。现在很多企业都已经超过996了，这是消耗我们生命的一个模式、不可取。所以我们讲“共建、共享、共赢”，就是要降低、减轻人的劳动，减轻人的劳动就是最大的减排。

图12 工程机械IOT的拓扑图

这里面要强调的是，主机厂1 平台、主机厂2 平台、主机厂n平台都是主机厂自己独立的知识产权，每一个模块的、企业的也都是独立的，只是在网上通过流量在进行使用，我们叫共享流量、共享平台的去中心化功能（见图13）。

图13 去中心化

搭建平台就是为了实现这样的理想（见图14）：组建工程机械技术发展共同体，实现可操作性可持续发展机制。

图14 搭建平台的理想

起重机的未来

起重机从自动化向智能化发展，就是要智能机器人化。工业工厂领域这种智能化的机器，现在已经有一定量的生产和定制，一些技术基本成熟，在优化阶段。也就是说智能化技术融入传统起重机需要的这12项技术（见图15），已经在工业领域应用。

图15 智能化技术融入传统起重机

智能化吊具替代传统吊钩。未来的起重机在实现智能化过程当中，它的最重要的元件就是终端元件，不同的作业需要用不同的属具，专用化属具替代传统吊钩可以实现一机多用、一机多能。过去讲的吊钩、吊车，都是这么命名的，以后就不用是“吊”字来命名了。

图16是江苏八达重工生产的双臂救援机器人，这个项目是我参加的。它具有下面这6种功能：双动力（柴油机和电动机）、双臂作业（它的挖掘机有两个臂）、数字化控制（尚未实现）、多自由度协调操控（尚不灵活）、多种底盘驱动形式（有轮子和履带）、多种属具快速更换。

图16 江苏八达重工生产的双臂救援机器人

图17是起重机技术发展的路线：通用起重机→自动化起重机→智能起重机→搬运机器人，我们现在处在自动化起重机→智能起重机发展的阶段，搬运机器人化也已经摆在了我们面前。

图17 起重机技术发展路线 

文章来源于液压气动与密封

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