塔機(jī)智能化發(fā)展之路

尚立強(qiáng)，張 均

（陜西建設(shè)機(jī)械股份有限公司，陜西 西安 710200）

全球第1臺(tái)塔機(jī)1905年誕生于歐洲，與1902年首次出現(xiàn)的飛機(jī)屬于同年代的產(chǎn)品?？v觀飛機(jī)的百年歷史，無(wú)論從外形、動(dòng)力系統(tǒng)、操控系統(tǒng)都發(fā)生了翻天覆地的變化，然而塔機(jī)歷經(jīng)百余年卻幾乎保持著原樣，在智能化、自動(dòng)化方面沒有實(shí)質(zhì)性的進(jìn)步。

20世紀(jì)以來(lái)，人類科技的進(jìn)步日新月異，通訊技術(shù)、遙感技術(shù)、計(jì)算機(jī)技術(shù)乃至航天技術(shù)都得到了跨越式發(fā)展。傳統(tǒng)機(jī)械與這些技術(shù)相結(jié)合，出現(xiàn)了無(wú)人駕駛汽車、集裝箱碼頭無(wú)人化自動(dòng)裝卸等，甚至連居所也實(shí)現(xiàn)了智能化。而在全球建設(shè)項(xiàng)目中不可或缺的塔機(jī)，卻為何沒有與時(shí)俱進(jìn)呢？近30年來(lái)中國(guó)基

建規(guī)模不斷擴(kuò)大，在市政建設(shè)、交通建設(shè)、工業(yè)建設(shè)、商業(yè)與民用地產(chǎn)建設(shè)項(xiàng)目中塔機(jī)的應(yīng)用越來(lái)越廣泛，目前國(guó)內(nèi)市場(chǎng)存量已超過40萬(wàn)臺(tái)。5G時(shí)代的到來(lái)，會(huì)給塔機(jī)帶來(lái)何種變化？

1 塔機(jī)1.0

本文借鑒軟件版本升級(jí)的模式，把傳統(tǒng)的塔機(jī)定義為塔機(jī)1.0。

典型的塔機(jī)由塔身、前臂（起重臂）、后臂（平衡臂）、駕駛艙和頂升系統(tǒng)等構(gòu)成。駕駛員位于塔身上部的駕駛倉(cāng)中，聽從對(duì)講機(jī)傳來(lái)的指揮人員的語(yǔ)音指令，操作機(jī)械式手柄控制前后臂的旋轉(zhuǎn)、鋼絲繩的收放來(lái)完成構(gòu)件的吊裝任務(wù)。

傳統(tǒng)的塔機(jī)幾乎是純機(jī)械構(gòu)造，依靠齒輪傳動(dòng)來(lái)?yè)Q擋調(diào)速，僅具有簡(jiǎn)單的電器系統(tǒng)，發(fā)展到近年才出現(xiàn)了變頻控制，但仍不屬于換代的變化。

塔機(jī)最普遍的應(yīng)用場(chǎng)景就是立在建筑工地，負(fù)責(zé)將鋼筋、模板、鋼結(jié)構(gòu)部件等從地面吊至施工所需的樓層和部位。絕大多數(shù)時(shí)候?qū)ζ鸬觞c(diǎn)和落點(diǎn)的精度要求很低，只需在大致范圍內(nèi)即可。

2 塔機(jī)2.0

2015年后，國(guó)家提出建筑產(chǎn)業(yè)化概念，并大力推行裝配式建筑，對(duì)建筑施工帶來(lái)了革命性的變化，塔機(jī)也從傳統(tǒng)的2t以內(nèi)的散件吊裝變成對(duì)4～15t集成構(gòu)件的整體吊運(yùn)。重要的是，裝配式構(gòu)件拼裝需要毫米級(jí)的高精度，而傳統(tǒng)塔機(jī)從設(shè)計(jì)到操控都是無(wú)法滿足的。市場(chǎng)需求是最大的推動(dòng)力，塔機(jī)2.0應(yīng)運(yùn)而生。以2017年面世的STC7528智能型塔機(jī)為代表機(jī)型，屬全球首創(chuàng)。

STC7528塔機(jī)增加了大量的軟硬件投入。硬件方面，除增設(shè)電腦和觸摸屏外，還在塔身關(guān)鍵部位設(shè)置了控制器并加裝了攝像頭及多個(gè)傳感器。軟件方面，通過塔機(jī)原有的PLC控制系統(tǒng)中提取數(shù)字信息并結(jié)合新增硬件的數(shù)據(jù)傳輸，通過編程對(duì)信號(hào)進(jìn)行解讀分析及反饋，最終經(jīng)由電控程序?qū)崿F(xiàn)對(duì)塔機(jī)動(dòng)作的實(shí)時(shí)控制。通過程序的運(yùn)算，機(jī)載電腦將駕駛員的單一動(dòng)作指令解析為無(wú)數(shù)個(gè)快速、細(xì)微的動(dòng)作指令，自動(dòng)控制回轉(zhuǎn)、變幅、起降等協(xié)同聯(lián)動(dòng)，實(shí)現(xiàn)了防搖、防抖動(dòng)、防斷繩、精確就位等前端功能。系統(tǒng)后臺(tái)通過對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行歸類、分析，建立數(shù)據(jù)庫(kù)。通過大數(shù)據(jù)分析軟件形成各類需要的報(bào)告，實(shí)現(xiàn)以下擴(kuò)展功能：

（1）故障預(yù)警及處理[1]。

大數(shù)據(jù)中包括塔機(jī)發(fā)生某一故障時(shí)各系統(tǒng)的動(dòng)作參數(shù)，諸如相關(guān)電流、電壓的數(shù)據(jù)、吊裝狀況等，會(huì)形成一定的概率分布。通過數(shù)據(jù)積累，可在出現(xiàn)相似數(shù)據(jù)情況下，系統(tǒng)提前自動(dòng)給出警示避免故障發(fā)生。即使出現(xiàn)故障，也能迅速反饋出故障代碼和語(yǔ)音提示，指導(dǎo)快速排除故障并加入故障檔案。

（2）事故分析報(bào)告。

通過數(shù)據(jù)庫(kù)的實(shí)時(shí)記錄，最大程度地還原事發(fā)前后的電控?cái)?shù)據(jù)、塔機(jī)動(dòng)作、吊裝數(shù)據(jù)、音視頻數(shù)據(jù)等，經(jīng)過綜合分析，提出分析報(bào)告配合調(diào)查組的人工審查（見圖1）。

（3）設(shè)備履歷。

系統(tǒng)不間斷地記錄單臺(tái)塔機(jī)終生的工作情況，包括日常的吊次、故障及維修、事故等細(xì)節(jié)，形成最客觀完備的設(shè)備履歷，便于評(píng)估。同時(shí)，可根據(jù)所屬型號(hào)對(duì)該型號(hào)的整體產(chǎn)品綜合評(píng)估提供數(shù)據(jù)支持。

圖1 塔機(jī)2.0功能控制圖

（4）操作人員檔案。

操作人員經(jīng)過指紋及面部識(shí)別獲權(quán)操作，同時(shí)也記錄了該操作員在本機(jī)的出勤、操作習(xí)慣、事故、保養(yǎng)等情況，結(jié)合其他設(shè)備的同樣記錄，可形成操作員檔案，據(jù)此出具業(yè)績(jī)和能力的客觀評(píng)估。

（5）易損件更換及配存。

通過大數(shù)據(jù)分析，對(duì)易損件例如鋼絲繩的磨損、更換數(shù)據(jù)形成科學(xué)的更換標(biāo)準(zhǔn)，當(dāng)接近標(biāo)準(zhǔn)時(shí)系統(tǒng)持續(xù)發(fā)出警示或強(qiáng)制更換，避免了以往人工繁瑣檢查及人為錯(cuò)判帶來(lái)的隱患。同時(shí)，根據(jù)易損件更換頻次的概率分析，便于科學(xué)合理地配置隨機(jī)庫(kù)存種類和數(shù)量。

綜上，塔機(jī)2.0具備了初級(jí)的智能化控制系統(tǒng)。

3 塔機(jī)3.0

通過上述分析，展望未來(lái)塔機(jī)3.0的出現(xiàn)，它應(yīng)該具備以下特征或功能：

（1）施工現(xiàn)場(chǎng)三維建模。

通過塔身更多數(shù)量的傳感器及音視頻采集數(shù)據(jù)，結(jié)合建筑物設(shè)計(jì)圖紙及施工現(xiàn)場(chǎng)實(shí)物坐標(biāo)，建立工地整體的實(shí)時(shí)動(dòng)態(tài)三維模型，實(shí)時(shí)輸出到顯示裝置上。

（2）一鍵返航功能。

塔機(jī)的起升、回轉(zhuǎn)、變幅、行走等各系統(tǒng)之間實(shí)現(xiàn)交互功能及數(shù)據(jù)共享，形成單機(jī)數(shù)據(jù)中心，且具備了軌跡記憶能力。在起吊點(diǎn)和終落點(diǎn)之間，自動(dòng)記錄構(gòu)件在三維模型中的行進(jìn)軌跡。批量吊裝任務(wù)時(shí)，操作員在進(jìn)行安全判斷后可利用一鍵返航功能，程序即可按軌跡逆向自動(dòng)操控各系統(tǒng)的動(dòng)作實(shí)現(xiàn)自行返回起吊點(diǎn)，極大地提升工作效率。

（3）可靠的防干擾通訊技術(shù)。

充分利用5G技術(shù)的發(fā)展，通過信號(hào)加密實(shí)現(xiàn)安全可靠且能防止現(xiàn)場(chǎng)各種電磁干擾的通訊能力。

（4）智能屏蔽誤操作。

根據(jù)實(shí)時(shí)三維建模及對(duì)現(xiàn)場(chǎng)各種障礙物和運(yùn)動(dòng)態(tài)物體的實(shí)時(shí)監(jiān)控，塔機(jī)已經(jīng)具備了全視線能力，具有成熟的避障功能。對(duì)來(lái)自操作員視線不及甚至純粹手誤導(dǎo)致的誤操作，能自主識(shí)別并屏蔽該指令，最大程度上杜絕操作員人為因素造成的事故隱患。

（5）無(wú)艙駕駛。

在上述前提下，塔機(jī)駕駛艙可以省略掉，駕駛員可以通過手持設(shè)備在施工現(xiàn)場(chǎng)適當(dāng)?shù)陌踩恢眠M(jìn)行遙控操作。這就極大地改善了駕駛員的工作環(huán)境和上下塔機(jī)的不便，并且徹底地避免了駕駛員在極端狀況下的生命安全之虞（見圖2）。

綜上，塔機(jī)3.0結(jié)構(gòu)上舍去了駕駛艙，但具備了升級(jí)的智能化控制系統(tǒng)，能較大地提高工作效率?；诳萍嫉陌l(fā)展動(dòng)態(tài)，預(yù)計(jì)在2025年前即可面世。

4 塔機(jī)4.0

再升級(jí)的塔機(jī)就不再是僅僅自身范疇的進(jìn)步，而是具備了與環(huán)境交互的能力，并借力于相關(guān)領(lǐng)域的發(fā)展，即完全融入未來(lái)施工現(xiàn)場(chǎng)的智能化框架之中。到達(dá)4.0級(jí)別的塔機(jī)將極大地縮短與其他自動(dòng)化設(shè)備之間的差距，成為屆時(shí)新發(fā)展的建設(shè)項(xiàng)目最需求的利器。

4.1 相關(guān)領(lǐng)域的發(fā)展預(yù)期

（1）機(jī)聯(lián)網(wǎng)。

首先，施工現(xiàn)場(chǎng)所需的各類設(shè)備業(yè)已平行發(fā)展出了智能化技術(shù)，成為施工現(xiàn)場(chǎng)“機(jī)聯(lián)網(wǎng)”中的成員，成員之間實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)共享和實(shí)時(shí)交互。其次，基于高度發(fā)展的互聯(lián)網(wǎng)和通訊技術(shù)的進(jìn)一步升級(jí)，機(jī)聯(lián)網(wǎng)與工地之外的智能化路桿、智能化車輛、氣象設(shè)施等也將實(shí)現(xiàn)互聯(lián)互通，形成工地內(nèi)外的數(shù)據(jù)流。

（2）環(huán)境集成。

屆時(shí)，塔機(jī)4.0已成為數(shù)據(jù)處理中心，對(duì)所有上述數(shù)據(jù)流進(jìn)行“環(huán)境集成”，全面掌握必要范圍內(nèi)的一切狀態(tài)數(shù)據(jù)。

（3）吊具標(biāo)準(zhǔn)化。

如同物流行業(yè)的零擔(dān)與標(biāo)準(zhǔn)箱，統(tǒng)一化的標(biāo)準(zhǔn)吊具分為A、B組件。塔機(jī)吊鉤被組件A取代，千斤繩由滑輪組與組件A之間自動(dòng)伸縮器取代，構(gòu)件單體或散件裝箱的頂部為組件B。組件A、B靠近后，類似航天器自動(dòng)對(duì)接，實(shí)現(xiàn)可靠的電磁吸合和機(jī)械鎖定。這樣不僅節(jié)省了司索的人工、千斤繩的更換，而且大量節(jié)省了綁扎入鉤的時(shí)間，安全性和工作效率均得到進(jìn)一步提升（見圖3）。

圖2 塔機(jī)3.0功能邏輯圖

圖3 塔機(jī)4.0功能控制圖

4.2 塔機(jī)4.0具備的功能和特征

（1）自動(dòng)尋址。

經(jīng)過環(huán)境集成的機(jī)載控制中心，知曉任一吊件在施工現(xiàn)場(chǎng)的位置三維坐標(biāo)。吊件的組件B上有該吊件的識(shí)別編碼和冗余定位信息，組件A（即“吊鉤”）由機(jī)載控制中心指令運(yùn)行至吊件附件，即可根據(jù)上述識(shí)別信息進(jìn)行確認(rèn)及準(zhǔn)確就位、完成對(duì)接。

（2）三維導(dǎo)航。

在3.0的一鍵返航功能基礎(chǔ)上，基于環(huán)境集成技術(shù)的實(shí)現(xiàn)，塔機(jī)4.0可在起吊與落點(diǎn)坐標(biāo)之間實(shí)現(xiàn)三維導(dǎo)航和自動(dòng)運(yùn)行到位。

（3）任務(wù)單模式。

如同當(dāng)今執(zhí)行可編程的數(shù)控加工設(shè)備，塔機(jī)4.0接收到編程的吊裝任務(wù)清單，會(huì)根據(jù)清單內(nèi)容與相關(guān)作業(yè)面的智能信息進(jìn)行溝通，根據(jù)各作業(yè)面的進(jìn)度和需求實(shí)時(shí)計(jì)算出最佳的吊裝各構(gòu)件的先后順序，自動(dòng)運(yùn)行到吊件的正確坐標(biāo)位置，核實(shí)后進(jìn)行對(duì)接。之后按照任務(wù)清單上的三維坐標(biāo)數(shù)據(jù)，實(shí)時(shí)計(jì)算和調(diào)整最佳路徑到達(dá)卸落點(diǎn)。同樣卸落點(diǎn)也無(wú)需指揮工和司索工，安裝人員中事先指定授權(quán)的人員發(fā)出語(yǔ)音指令，經(jīng)核實(shí)確認(rèn)即可自行解除對(duì)接，并更新任務(wù)清單后執(zhí)行下一吊裝任務(wù)。

（4）無(wú)人駕駛[2]。

任務(wù)單模式使得塔機(jī)4.0擺脫了傳統(tǒng)的機(jī)械手柄指令、遙控器具體動(dòng)作指令，因此操作員無(wú)需出現(xiàn)在工地，只需在設(shè)備提供商自身的操控中心。1個(gè)遠(yuǎn)程控制員可以監(jiān)控多臺(tái)塔機(jī)的運(yùn)行，特殊情況下接到塔機(jī)發(fā)出請(qǐng)求信號(hào)之后進(jìn)行必要的操作，除此之外基本無(wú)需干預(yù)。

綜上，塔機(jī)4.0的應(yīng)用現(xiàn)場(chǎng)免去了操作員、指揮工、司索工和千斤繩及綁扎、掛鉤等人力和工序，將極大提升工作效率，降低施工成本。但這一步的實(shí)現(xiàn)需要相關(guān)領(lǐng)域的協(xié)同作用，期待在2030年左右或可實(shí)現(xiàn)。

5 結(jié)束語(yǔ)

科學(xué)和技術(shù)的發(fā)展無(wú)止境，本文基于業(yè)界的現(xiàn)狀做了有限的展望。塔機(jī)的智能化發(fā)展是確定無(wú)疑的發(fā)展方向，我們相信，隨著科技的進(jìn)一步發(fā)展和業(yè)界的共同努力，今天的展望終將成為現(xiàn)實(shí)。