1.1 起重装备发展趋势及其特点

复杂起重装备是现代工业生产、城市发展、人民生活必不可少的基础设施，是主要工业行业的“骨干”，广泛应用于冶金、电力、港口、物流、机械制造、建筑业和海洋工程等国民经济各行业中。2015年12月统计，我国起重运输（物料搬运）机械制造业规模以上企业达1193家，其中大型企业10家、中型企业132家、小型企业1051家，行业从业人数28.5万人。“十二五”期间，我国起重装备行业发展势头强劲，截止到2017年底，我国起重机械保有量达到223.75万台。

1.我国起重装备向大型化、高参数化方向发展，对起重装备传统设计、制造、运维管理模式提出了新挑战和更高要求

1）我国港口起重装备正在向大型化、高参数化方向发展。世界经济全球化促进了国际贸易的迅速发展，而其中90%以上的国际贸易量是通过水路运输来完成的。我国拥有1.8万km的海岸线，11万km的内河航道，承担着9%的国内贸易运输和85%以上的外贸货物运输，沿海沿江有1460多个商港。到2010年，全国规模以上港口（含内河）完成货物吞吐量80.2亿t，港口集装箱吞吐量14 500万标准箱，且每年均保持增长趋势。为适应船舶大型化、货物装卸散装化和集装化发展需要，我国港口起重装备，如港口岸边集装箱起重机、轮胎龙门起重机、正面吊运机、高生产率的抓斗卸船机等，均向大型化、专用化的装卸起重机械发展。由上海振华重工集团有限公司设计制造的岸桥起重机最大起重量可达150t，前伸距长达70m；轮式起重机最大起重量达到5000t，均居世界第一。

2）我国海洋工程起重装备向大型化、高参数化方向发展。世界经济的快速增长形成了对能源的巨大需求，能源供应的日趋紧张促使各国向海洋，尤其是深海进行资源开发。截至2011年，我国在近海发现31个油气田，已投产的海上油气田有15个。我国南中国海油气资源量的总体估计为1050亿桶，天然气2000万亿m³。自20世纪80年代末以来，我国在南中国海联合勘探和生产水深范围从100m不断向500～2000m水深海域拓展，这不仅需要深海油气勘探技术的提高，同时还需要大量海上工程配套设备的供应。起重装备作为海洋石油开发、大型海上工程、沿海风电设备安装等不可缺少的工程机械，对其需求将迅猛增加，而且不断向大型化发展。上海振华重工集团有限公司作为我国目前主要的大型海洋工程起重机生产厂家之一，2006年就为广州打捞局“华天龙”号起重船制造了起重量4000t的起重机，2008年又为海油工程制造了“蓝鲸”号起重机，吨位达到了7500t。2011年武桥重工集团股份有限公司制造的海上平台起重机，最大吊重更是达到了22 000t。随着深海开发需求的日益增加，同时为了满足对到期或废旧海洋工程的维修、拆卸和回收利用的需要，全球几大海洋工程公司又提出了海洋工程超大型起重系统，其起重能力可以达到30 000t。

进入21世纪以来，我国的造船工业进入了快速发展时期，各大主力船厂承接的船舶吨位从几万吨发展到几十万吨，年造船能力也普遍跃升到百万吨水平，造船模式也相继从船台造船到船坞造船，大型造船门式起重机的需求也大幅增加。随着中船江南长兴造船基地、广州中船龙穴造船有限公司、青岛海西湾造修船基地、舟山金海湾船业有限公司、新时代造船有限公司、太平洋造船集团有限公司、扬州大洋造船有限公司等大型国营和民营造船基地的建设，大型造船门式起重机也进入到一个集中建造的黄金时期，起重机的提升从600t上升到900t，跨度从170m增加到239m，已经建成的或在建的大型造船起重机有上百台。门式起重机作为一种重要的物料搬运设备，在造船领域的重要作用日益显现。从20世纪后期开始，国际上门式起重机向大型化、多功能化、专用化和自动化方向发展。

另外，冶金起重机作为冶金行业安全、正常生产必不可少的关键和重要设备，其主要趋势之一是起重量大型化、工作高速化。随着社会的发展，对冶金企业的要求也在逐步提高，这不仅表现在对冶金产品的数量要求上，更重要的是表现在对冶金产品的质量和品种方面，社会需求的增加推动和促进了冶金企业的技术改造和技术进步，大型转炉、连铸、连轧技术的应用，对冶金起重机的大型化和高速化提出了更高的要求。由太原重工股份有限公司设计制造的冶金起重机，最大吨位已达到480t，居于世界首位。

起重装备的大型化、高参数化发展必然对起重装备的设计、制造和运维等管理模式提出新的挑战和更高要求。这种挑战和要求主要体现在：

1）起重装备新产品的不断涌现，对设计、制造、运维等全生命周期数据统一模型提出了新挑战和更高要求。

2）起重装备大型化、高参数化，对运行过程安全检测技术、健康监测技术等提出了新挑战和更高要求。

3）起重装备大型化、高参数化，对故障与效率的关系以及关联数据分析技术等提出了新挑战和更高要求。

4）起重装备大型化、高参数化，对设计、制造和运维等产品全寿命周期数据集成管理提出了新挑战和更高要求。

面对起重装备的大型化、高参数化发展对其设计、制造和运维等管理模式提出新的挑战和更高要求。目前，我国起重装备无论在设计、制造、运维方法、标准法规方面，还是在生命周期数据集成管理、一体化管理等方面，都存在严重的不足。因此，建立起适合我国国情的，与国际发展趋势充分接轨的复杂起重装备全生命周期数据统一模型和管理系统，尽快开展这一项目的研究工作，已经成为当务之急。

2.我国起重装备设计、制造、运维“先天不足、后天失调”问题突出，导致事故频发

我国起重装备制造业是新中国成立以后才逐渐形成的。经过60多年的努力，我国已成为世界起重装备制造大国，但还不是制造强国。与国际发达国家相比，我国起重装备设计、制造、运维“先天不足、后天失调”问题突出，总体上仍存在10～15年的阶段性差距，主要表现在以下几个方面：

1）面向运维的起重装备设计水平不高，产品开发能力差。目前国内起重机的设计方法主要采用许用应力法，这种方法与国外已经采用的极限状态法和近期采用的概率设计法相比，无论在设计参数取值和安全系数选取上均与实际使用情况有较大出入，而且采用的设计理论（弹性理论和匀质材料）也比较落后，许多零部件及构造的细部设计也还存在不少问题，根据起重机可靠性考核结果，近15%的故障与设计缺陷有关。

2）起重装备产品检测水平不高，产品安全性差。主要表现在长期以来只能对起重机的短期性能指标（出厂性能）做全面考核，而对产品的可靠性，如平均故障时间（Mean Time Between Failure，MTBF）、平均首次出故障时间（Mean Time To First Failure，MTTFF）、使用可用度等一系列长期性能指标极少涉及，对起重机故障模式、故障率、故障原因缺乏深入了解，缺乏量的概念，致使国内的起重机故障多、寿命短、信誉差，难以占领国际市场。

3）起重装备生产工艺落后，产品性能不稳定。分析我国起重机产品和零部件质量差、技术经济性能落后的主要原因是生产工艺落后。例如，缺乏高精度制造设备，电气元器件可靠性低、性能差，热制造技术落后，铸、锻件质量低，焊接件外观差，缺乏检测仪器设备等。产品性能不稳定是设计、制造、安装和使用存在问题的综合反映。多种零部件性能与质量不过关，难以使整机水平提高。电气控制功能少、性能不高、可靠性低，频繁使用经常发生故障。起制动性能不好，影响操作。传动部件噪声大、寿命短、缺乏自动保护与维护功能。产品装配质量不过关，根据可靠性考核结果，近30%的故障是由装配质量问题引发的。

4）起重装备事故频发，伤亡巨大。由于起重机设计制造水平参差不齐，造成部分起重机带有一些安全隐患。由于缺乏对起重机运行过程中有效的原维护和检修，造成起重机安全事故时有发生，而且往往伴随人身伤亡事故。从原国家质量监督检验检疫总局全国特种设备安全状况统计中可以看出，特种设备事故中起重装备引起的事故比例近3年分别占22.7%、33%、18%，其比例均位居8类特种设备中事故率首位。

近十几年来，全国起重装备事故呈高发态势，一些与起重装备有关的特别重大事故造成了恶劣的社会影响。如2001年7月17日，上海沪东中华造船（集团）有限公司大型龙门吊在吊装过程中，突然发生整体倒塌事故，3000多t的质量在十几秒中砸向地面，造成36人死亡，3人受伤，死者中，包括同济大学5位教师和2位博士后。2007年4月18日发生在辽宁省铁岭市清河特殊钢有限公司的一起起重机事故造成32人死亡、6人重伤。

3.开展基于故障知识库的起重装备设计、制造和运维数据集成管理是提高我国大型起重装备产品质量和可靠性的重要手段

起重装备制造质量和运行可靠性的高低直接取决于对起重装备设计、制造和运维等各个环节的数据管理和质量控制，受传统运作模式的影响，多数起重装备企业的产品数据管理还是局限于产品设计和生产阶段，其他阶段的数据管理能力薄弱，缺乏有效的数据获取和处理机制，不能建立产品全生命周期信息库，无法真正实现产品数据的无缝集成，以及新数据的快速获取和旧数据的高效复用，阻碍了产品创新和服务的发展。

目前我国大型起重装备制造的主要关注点是结构性能及工艺性能的保证，而对产品的工作性能及维修维护性能考虑不足，产品在使用和维护阶段的信息化并未得到充分的重视，使得大型起重装备在可靠性、可维护性方面和西方发达国家相比仍然相对滞后。

复杂起重装备产品综合性能包括前期结构和工艺制造性能，也包括后期的可靠性、维修性、保障性等。对产品综合性能的设计需要考虑产品后期运行过程中的故障信息，需要将产品生命周期后期维修和维护数据反馈于生命周期前期阶段，以指导前期的结构设计和制造工艺设计，实现满足设计全生命周期综合性能需求的设计方案。因此，需要对面向MRO （Maintenance，Repair&Operations）的复杂起重装备产品综合性能设计方法、体系及相关系统进行研究。

目前，在运用故障模式与影响分析（Failure Mode and Effects Analysis，FMEA）对起重装备进行故障分析，并在起重装备设计、制造和运维环节进行应用时，存在的共性问题如下：

1）缺乏故障模式的数据积累，不能列出全部故障模式，也难以确定故障模式的发生频率。原因是缺乏行之有效的故障信息管理机制和方法，没有形成企业自己的故障模式库。

2）缺乏专业的技术团队对故障进行分析，导致分析肤浅，且故障数据表达不严谨。

3）产品运行过程发生的故障，无法有效地反馈到产品设计、制造、运维等全生命周期的管理过程中，进行有效的改进和控制。

4）企业对FMEA的运用多停留在形式上，和实际产品脱节，企业缺乏产品全生命周期数据集成管理系统进行支撑。

因此，开展起重装备设计、制造和运维全生命周期数据集成管理与应用是提升我国起重装备产品质量，提高产品运行可靠性的重要手段，需求非常迫切。

4.开展起重装备设计、制造和运维数据集成管理是提高我国起重装备制造业信息化管理水平的需要

我国起重装备制造业信息化管理水平整体上比较低，将信息技术、现代管理技术和制造技术相结合，并应用于企业产品全生命周期（从市场需求分析到最终报废处理）的各个阶段更是存在不足，严重制约了我国现代起重装备制造业的发展。随着我国经济快速发展和改革开放不断推进，我国起重装备制造业也不断认识到了信息技术对企业发展的重大作用，也相继引进或自主开发了CAX、PDM（产品数据管理）、ERP（企业资源计划）、SCM（软件配置管理）、MRO等系统。但是现有的这些系统，主要是针对产品全生命周期中某些阶段的解决方案，还缺少通贯全局的系统集成，还缺少对整个企业跨任务的数据流进行不间断的控制。因此，制造企业普遍存在信息孤岛，许多系统之间不能集成，造成大量的信息需要重复录入，大大降低了信息系统的使用效率，影响了企业信息系统整体效力的发挥。

提高产品质量、降低产品成本、缩短产品开发周期成为我国起重装备制造业生存和发展的关键。为消除企业“信息孤岛”，提高企业信息化管理水平，迫切需要建立产品生命周期管理（Product Lifecycle Management，PLM）系统，在统一的集成资源环境下对产品整个生命周期中的各种活动所涉及的产品信息进行统一描述和管理。

5.开展起重装备设计、制造和运维数据集成管理是增强我国起重装备国际竞争力的有效途径

全球化的竞争、越来越短的产品生命周期以及多样化的客户需求使得我国起重装备制造企业面临着越来越严峻的生存环境。在这样的环境下，企业往往很难获得足够的利润，这就迫使企业改变经营策略，从用户需求分析，功能设计，直到制造、销售、服务和报废的整个产品生命周期的角度挖掘最大化的产品利润。在这种情况下，原有的产品数据管理系统已经很难满足企业的需求，因此人们也越来越关注PLM的研究。近年来，我国起重装备制造业正处于快速发展期，利用世界范围内劳动力分工大转移的机遇，我国有机会真正成为世界工厂和制造强国。我国起重装备制造企业应该采用先进的信息技术，提升制造水平，成为世界级制造企业。在这个过程中，PLM可以发挥很大的作用。

1）加快新型起重装备产品上市。在今天的竞争环境中，新产品上市的速度对企业的影响是至关重要的。PLM系统打破了限制产品设计者、制造者、销售者和使用者之间进行沟通的技术桎梏，通过互联网的协作和协同设计，可以让客户和供应商及早参与产品开发过程，避免后期的修改或返工。同时，采用标准化的零部件，也可以极大地加快产品开发速度，缩短产品研发周期，加速新品上市，并且以“正确的产品”获得最有利的竞争地位。

2）降低起重装备制造成本。PLM允许后期的参与者在最早的阶段就参与进来，从而有效地控制产品的成本。在企业内部，人们发现，如果在产品设计阶段的用户需求没有得到充分的考虑，它的成本将在产品生命周期的后续阶段体现出来。类似的，那些没有考虑到生产制造问题的设计，通常也不得不经常性地进行昂贵的返工。PLM和企业的制造系统之间的无缝集成，使得企业能够在所有的产品配置中，数字化地优化和验证任何制造工艺和流程，从而有效地降低制造成本。

3）生产出超越客户期望的起重装备。PLM在起重装备产品概念设计阶段和规划阶段就让客户参与，确保最终的产品符合客户期望。作为面对用户的起重装备设计制造企业，协同设计系统可以让企业与自己的用户保持对产品设计更改的同步。由于PLM可以对产品整个生命周期进行监控，有效改善产品质量。所以应用PLM系统也是客户所希望的。

综上所述，我国起重装备制造业以及产品正向大型化、高参数化方向发展，运行风险和不可预见因素增加，设计、制造、维护和检验难度越来越大。由于产品的零部件、元器件和整机的故障率较多，可靠性和安全性差，寿命短，因而绝大部分品种的起重装备至今尚未占领国际市场，这与我国当前的发展形势和国际地位是不适应的，与国家科技工作的指导方针是相违背的。因此，迫切需要开展复杂起重装备产品全生命周期数据集成管理与应用技术研究，以全面提升我国起重装备产品质量、可靠性和产品全生命周期数据集成管理水平，增强我国起重装备制造业的国际竞争力。