1.1 起重裝備發(fā)展趨勢及其特點(diǎn)

復(fù)雜起重裝備是現(xiàn)代工業(yè)生產(chǎn)、城市發(fā)展、人民生活必不可少的基礎(chǔ)設(shè)施，是主要工業(yè)行業(yè)的“骨干”，廣泛應(yīng)用于冶金、電力、港口、物流、機(jī)械制造、建筑業(yè)和海洋工程等國民經(jīng)濟(jì)各行業(yè)中。2015年12月統(tǒng)計，我國起重運(yùn)輸（物料搬運(yùn)）機(jī)械制造業(yè)規(guī)模以上企業(yè)達(dá)1193家，其中大型企業(yè)10家、中型企業(yè)132家、小型企業(yè)1051家，行業(yè)從業(yè)人數(shù)28.5萬人。“十二五”期間，我國起重裝備行業(yè)發(fā)展勢頭強(qiáng)勁，截止到2017年底，我國起重機(jī)械保有量達(dá)到223.75萬臺。

1.我國起重裝備向大型化、高參數(shù)化方向發(fā)展，對起重裝備傳統(tǒng)設(shè)計、制造、運(yùn)維管理模式提出了新挑戰(zhàn)和更高要求

1）我國港口起重裝備正在向大型化、高參數(shù)化方向發(fā)展。世界經(jīng)濟(jì)全球化促進(jìn)了國際貿(mào)易的迅速發(fā)展，而其中90%以上的國際貿(mào)易量是通過水路運(yùn)輸來完成的。我國擁有1.8萬km的海岸線，11萬km的內(nèi)河航道，承擔(dān)著9%的國內(nèi)貿(mào)易運(yùn)輸和85%以上的外貿(mào)貨物運(yùn)輸，沿海沿江有1460多個商港。到2010年，全國規(guī)模以上港口（含內(nèi)河）完成貨物吞吐量80.2億t，港口集裝箱吞吐量14 500萬標(biāo)準(zhǔn)箱，且每年均保持增長趨勢。為適應(yīng)船舶大型化、貨物裝卸散裝化和集裝化發(fā)展需要，我國港口起重裝備，如港口岸邊集裝箱起重機(jī)、輪胎龍門起重機(jī)、正面吊運(yùn)機(jī)、高生產(chǎn)率的抓斗卸船機(jī)等，均向大型化、專用化的裝卸起重機(jī)械發(fā)展。由上海振華重工集團(tuán)有限公司設(shè)計制造的岸橋起重機(jī)最大起重量可達(dá)150t，前伸距長達(dá)70m；輪式起重機(jī)最大起重量達(dá)到5000t，均居世界第一。

2）我國海洋工程起重裝備向大型化、高參數(shù)化方向發(fā)展。世界經(jīng)濟(jì)的快速增長形成了對能源的巨大需求，能源供應(yīng)的日趨緊張促使各國向海洋，尤其是深海進(jìn)行資源開發(fā)。截至2011年，我國在近海發(fā)現(xiàn)31個油氣田，已投產(chǎn)的海上油氣田有15個。我國南中國海油氣資源量的總體估計為1050億桶，天然氣2000萬億m³。自20世紀(jì)80年代末以來，我國在南中國海聯(lián)合勘探和生產(chǎn)水深范圍從100m不斷向500～2000m水深海域拓展，這不僅需要深海油氣勘探技術(shù)的提高，同時還需要大量海上工程配套設(shè)備的供應(yīng)。起重裝備作為海洋石油開發(fā)、大型海上工程、沿海風(fēng)電設(shè)備安裝等不可缺少的工程機(jī)械，對其需求將迅猛增加，而且不斷向大型化發(fā)展。上海振華重工集團(tuán)有限公司作為我國目前主要的大型海洋工程起重機(jī)生產(chǎn)廠家之一，2006年就為廣州打撈局“華天龍”號起重船制造了起重量4000t的起重機(jī)，2008年又為海油工程制造了“藍(lán)鯨”號起重機(jī)，噸位達(dá)到了7500t。2011年武橋重工集團(tuán)股份有限公司制造的海上平臺起重機(jī)，最大吊重更是達(dá)到了22 000t。隨著深海開發(fā)需求的日益增加，同時為了滿足對到期或廢舊海洋工程的維修、拆卸和回收利用的需要，全球幾大海洋工程公司又提出了海洋工程超大型起重系統(tǒng)，其起重能力可以達(dá)到30 000t。

進(jìn)入21世紀(jì)以來，我國的造船工業(yè)進(jìn)入了快速發(fā)展時期，各大主力船廠承接的船舶噸位從幾萬噸發(fā)展到幾十萬噸，年造船能力也普遍躍升到百萬噸水平，造船模式也相繼從船臺造船到船塢造船，大型造船門式起重機(jī)的需求也大幅增加。隨著中船江南長興造船基地、廣州中船龍穴造船有限公司、青島海西灣造修船基地、舟山金海灣船業(yè)有限公司、新時代造船有限公司、太平洋造船集團(tuán)有限公司、揚(yáng)州大洋造船有限公司等大型國營和民營造船基地的建設(shè)，大型造船門式起重機(jī)也進(jìn)入到一個集中建造的黃金時期，起重機(jī)的提升從600t上升到900t，跨度從170m增加到239m，已經(jīng)建成的或在建的大型造船起重機(jī)有上百臺。門式起重機(jī)作為一種重要的物料搬運(yùn)設(shè)備，在造船領(lǐng)域的重要作用日益顯現(xiàn)。從20世紀(jì)后期開始，國際上門式起重機(jī)向大型化、多功能化、專用化和自動化方向發(fā)展。

另外，冶金起重機(jī)作為冶金行業(yè)安全、正常生產(chǎn)必不可少的關(guān)鍵和重要設(shè)備，其主要趨勢之一是起重量大型化、工作高速化。隨著社會的發(fā)展，對冶金企業(yè)的要求也在逐步提高，這不僅表現(xiàn)在對冶金產(chǎn)品的數(shù)量要求上，更重要的是表現(xiàn)在對冶金產(chǎn)品的質(zhì)量和品種方面，社會需求的增加推動和促進(jìn)了冶金企業(yè)的技術(shù)改造和技術(shù)進(jìn)步，大型轉(zhuǎn)爐、連鑄、連軋技術(shù)的應(yīng)用，對冶金起重機(jī)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設(shè)計制造的冶金起重機(jī)，最大噸位已達(dá)到480t，居于世界首位。

起重裝備的大型化、高參數(shù)化發(fā)展必然對起重裝備的設(shè)計、制造和運(yùn)維等管理模式提出新的挑戰(zhàn)和更高要求。這種挑戰(zhàn)和要求主要體現(xiàn)在：

1）起重裝備新產(chǎn)品的不斷涌現(xiàn)，對設(shè)計、制造、運(yùn)維等全生命周期數(shù)據(jù)統(tǒng)一模型提出了新挑戰(zhàn)和更高要求。

2）起重裝備大型化、高參數(shù)化，對運(yùn)行過程安全檢測技術(shù)、健康監(jiān)測技術(shù)等提出了新挑戰(zhàn)和更高要求。

3）起重裝備大型化、高參數(shù)化，對故障與效率的關(guān)系以及關(guān)聯(lián)數(shù)據(jù)分析技術(shù)等提出了新挑戰(zhàn)和更高要求。

4）起重裝備大型化、高參數(shù)化，對設(shè)計、制造和運(yùn)維等產(chǎn)品全壽命周期數(shù)據(jù)集成管理提出了新挑戰(zhàn)和更高要求。

面對起重裝備的大型化、高參數(shù)化發(fā)展對其設(shè)計、制造和運(yùn)維等管理模式提出新的挑戰(zhàn)和更高要求。目前，我國起重裝備無論在設(shè)計、制造、運(yùn)維方法、標(biāo)準(zhǔn)法規(guī)方面，還是在生命周期數(shù)據(jù)集成管理、一體化管理等方面，都存在嚴(yán)重的不足。因此，建立起適合我國國情的，與國際發(fā)展趨勢充分接軌的復(fù)雜起重裝備全生命周期數(shù)據(jù)統(tǒng)一模型和管理系統(tǒng)，盡快開展這一項目的研究工作，已經(jīng)成為當(dāng)務(wù)之急。

2.我國起重裝備設(shè)計、制造、運(yùn)維“先天不足、后天失調(diào)”問題突出，導(dǎo)致事故頻發(fā)

我國起重裝備制造業(yè)是新中國成立以后才逐漸形成的。經(jīng)過60多年的努力，我國已成為世界起重裝備制造大國，但還不是制造強(qiáng)國。與國際發(fā)達(dá)國家相比，我國起重裝備設(shè)計、制造、運(yùn)維“先天不足、后天失調(diào)”問題突出，總體上仍存在10～15年的階段性差距，主要表現(xiàn)在以下幾個方面：

1）面向運(yùn)維的起重裝備設(shè)計水平不高，產(chǎn)品開發(fā)能力差。目前國內(nèi)起重機(jī)的設(shè)計方法主要采用許用應(yīng)力法，這種方法與國外已經(jīng)采用的極限狀態(tài)法和近期采用的概率設(shè)計法相比，無論在設(shè)計參數(shù)取值和安全系數(shù)選取上均與實(shí)際使用情況有較大出入，而且采用的設(shè)計理論（彈性理論和勻質(zhì)材料）也比較落后，許多零部件及構(gòu)造的細(xì)部設(shè)計也還存在不少問題，根據(jù)起重機(jī)可靠性考核結(jié)果，近15%的故障與設(shè)計缺陷有關(guān)。

2）起重裝備產(chǎn)品檢測水平不高，產(chǎn)品安全性差。主要表現(xiàn)在長期以來只能對起重機(jī)的短期性能指標(biāo)（出廠性能）做全面考核，而對產(chǎn)品的可靠性，如平均故障時間（Mean Time Between Failure，MTBF）、平均首次出故障時間（Mean Time To First Failure，MTTFF）、使用可用度等一系列長期性能指標(biāo)極少涉及，對起重機(jī)故障模式、故障率、故障原因缺乏深入了解，缺乏量的概念，致使國內(nèi)的起重機(jī)故障多、壽命短、信譽(yù)差，難以占領(lǐng)國際市場。

3）起重裝備生產(chǎn)工藝落后，產(chǎn)品性能不穩(wěn)定。分析我國起重機(jī)產(chǎn)品和零部件質(zhì)量差、技術(shù)經(jīng)濟(jì)性能落后的主要原因是生產(chǎn)工藝落后。例如，缺乏高精度制造設(shè)備，電氣元器件可靠性低、性能差，熱制造技術(shù)落后，鑄、鍛件質(zhì)量低，焊接件外觀差，缺乏檢測儀器設(shè)備等。產(chǎn)品性能不穩(wěn)定是設(shè)計、制造、安裝和使用存在問題的綜合反映。多種零部件性能與質(zhì)量不過關(guān)，難以使整機(jī)水平提高。電氣控制功能少、性能不高、可靠性低，頻繁使用經(jīng)常發(fā)生故障。起制動性能不好，影響操作。傳動部件噪聲大、壽命短、缺乏自動保護(hù)與維護(hù)功能。產(chǎn)品裝配質(zhì)量不過關(guān)，根據(jù)可靠性考核結(jié)果，近30%的故障是由裝配質(zhì)量問題引發(fā)的。

4）起重裝備事故頻發(fā)，傷亡巨大。由于起重機(jī)設(shè)計制造水平參差不齊，造成部分起重機(jī)帶有一些安全隱患。由于缺乏對起重機(jī)運(yùn)行過程中有效的原維護(hù)和檢修，造成起重機(jī)安全事故時有發(fā)生，而且往往伴隨人身傷亡事故。從原國家質(zhì)量監(jiān)督檢驗檢疫總局全國特種設(shè)備安全狀況統(tǒng)計中可以看出，特種設(shè)備事故中起重裝備引起的事故比例近3年分別占22.7%、33%、18%，其比例均位居8類特種設(shè)備中事故率首位。

近十幾年來，全國起重裝備事故呈高發(fā)態(tài)勢，一些與起重裝備有關(guān)的特別重大事故造成了惡劣的社會影響。如2001年7月17日，上海滬東中華造船（集團(tuán)）有限公司大型龍門吊在吊裝過程中，突然發(fā)生整體倒塌事故，3000多t的質(zhì)量在十幾秒中砸向地面，造成36人死亡，3人受傷，死者中，包括同濟(jì)大學(xué)5位教師和2位博士后。2007年4月18日發(fā)生在遼寧省鐵嶺市清河特殊鋼有限公司的一起起重機(jī)事故造成32人死亡、6人重傷。

3.開展基于故障知識庫的起重裝備設(shè)計、制造和運(yùn)維數(shù)據(jù)集成管理是提高我國大型起重裝備產(chǎn)品質(zhì)量和可靠性的重要手段

起重裝備制造質(zhì)量和運(yùn)行可靠性的高低直接取決于對起重裝備設(shè)計、制造和運(yùn)維等各個環(huán)節(jié)的數(shù)據(jù)管理和質(zhì)量控制，受傳統(tǒng)運(yùn)作模式的影響，多數(shù)起重裝備企業(yè)的產(chǎn)品數(shù)據(jù)管理還是局限于產(chǎn)品設(shè)計和生產(chǎn)階段，其他階段的數(shù)據(jù)管理能力薄弱，缺乏有效的數(shù)據(jù)獲取和處理機(jī)制，不能建立產(chǎn)品全生命周期信息庫，無法真正實(shí)現(xiàn)產(chǎn)品數(shù)據(jù)的無縫集成，以及新數(shù)據(jù)的快速獲取和舊數(shù)據(jù)的高效復(fù)用，阻礙了產(chǎn)品創(chuàng)新和服務(wù)的發(fā)展。

目前我國大型起重裝備制造的主要關(guān)注點(diǎn)是結(jié)構(gòu)性能及工藝性能的保證，而對產(chǎn)品的工作性能及維修維護(hù)性能考慮不足，產(chǎn)品在使用和維護(hù)階段的信息化并未得到充分的重視，使得大型起重裝備在可靠性、可維護(hù)性方面和西方發(fā)達(dá)國家相比仍然相對滯后。

復(fù)雜起重裝備產(chǎn)品綜合性能包括前期結(jié)構(gòu)和工藝制造性能，也包括后期的可靠性、維修性、保障性等。對產(chǎn)品綜合性能的設(shè)計需要考慮產(chǎn)品后期運(yùn)行過程中的故障信息，需要將產(chǎn)品生命周期后期維修和維護(hù)數(shù)據(jù)反饋于生命周期前期階段，以指導(dǎo)前期的結(jié)構(gòu)設(shè)計和制造工藝設(shè)計，實(shí)現(xiàn)滿足設(shè)計全生命周期綜合性能需求的設(shè)計方案。因此，需要對面向MRO （Maintenance，Repair&Operations）的復(fù)雜起重裝備產(chǎn)品綜合性能設(shè)計方法、體系及相關(guān)系統(tǒng)進(jìn)行研究。

目前，在運(yùn)用故障模式與影響分析（Failure Mode and Effects Analysis，F(xiàn)MEA）對起重裝備進(jìn)行故障分析，并在起重裝備設(shè)計、制造和運(yùn)維環(huán)節(jié)進(jìn)行應(yīng)用時，存在的共性問題如下：

1）缺乏故障模式的數(shù)據(jù)積累，不能列出全部故障模式，也難以確定故障模式的發(fā)生頻率。原因是缺乏行之有效的故障信息管理機(jī)制和方法，沒有形成企業(yè)自己的故障模式庫。

2）缺乏專業(yè)的技術(shù)團(tuán)隊對故障進(jìn)行分析，導(dǎo)致分析膚淺，且故障數(shù)據(jù)表達(dá)不嚴(yán)謹(jǐn)。

3）產(chǎn)品運(yùn)行過程發(fā)生的故障，無法有效地反饋到產(chǎn)品設(shè)計、制造、運(yùn)維等全生命周期的管理過程中，進(jìn)行有效的改進(jìn)和控制。

4）企業(yè)對FMEA的運(yùn)用多停留在形式上，和實(shí)際產(chǎn)品脫節(jié)，企業(yè)缺乏產(chǎn)品全生命周期數(shù)據(jù)集成管理系統(tǒng)進(jìn)行支撐。

因此，開展起重裝備設(shè)計、制造和運(yùn)維全生命周期數(shù)據(jù)集成管理與應(yīng)用是提升我國起重裝備產(chǎn)品質(zhì)量，提高產(chǎn)品運(yùn)行可靠性的重要手段，需求非常迫切。

4.開展起重裝備設(shè)計、制造和運(yùn)維數(shù)據(jù)集成管理是提高我國起重裝備制造業(yè)信息化管理水平的需要

我國起重裝備制造業(yè)信息化管理水平整體上比較低，將信息技術(shù)、現(xiàn)代管理技術(shù)和制造技術(shù)相結(jié)合，并應(yīng)用于企業(yè)產(chǎn)品全生命周期（從市場需求分析到最終報廢處理）的各個階段更是存在不足，嚴(yán)重制約了我國現(xiàn)代起重裝備制造業(yè)的發(fā)展。隨著我國經(jīng)濟(jì)快速發(fā)展和改革開放不斷推進(jìn)，我國起重裝備制造業(yè)也不斷認(rèn)識到了信息技術(shù)對企業(yè)發(fā)展的重大作用，也相繼引進(jìn)或自主開發(fā)了CAX、PDM（產(chǎn)品數(shù)據(jù)管理）、ERP（企業(yè)資源計劃）、SCM（軟件配置管理）、MRO等系統(tǒng)。但是現(xiàn)有的這些系統(tǒng)，主要是針對產(chǎn)品全生命周期中某些階段的解決方案，還缺少通貫全局的系統(tǒng)集成，還缺少對整個企業(yè)跨任務(wù)的數(shù)據(jù)流進(jìn)行不間斷的控制。因此，制造企業(yè)普遍存在信息孤島，許多系統(tǒng)之間不能集成，造成大量的信息需要重復(fù)錄入，大大降低了信息系統(tǒng)的使用效率，影響了企業(yè)信息系統(tǒng)整體效力的發(fā)揮。

提高產(chǎn)品質(zhì)量、降低產(chǎn)品成本、縮短產(chǎn)品開發(fā)周期成為我國起重裝備制造業(yè)生存和發(fā)展的關(guān)鍵。為消除企業(yè)“信息孤島”，提高企業(yè)信息化管理水平，迫切需要建立產(chǎn)品生命周期管理（Product Lifecycle Management，PLM）系統(tǒng)，在統(tǒng)一的集成資源環(huán)境下對產(chǎn)品整個生命周期中的各種活動所涉及的產(chǎn)品信息進(jìn)行統(tǒng)一描述和管理。

5.開展起重裝備設(shè)計、制造和運(yùn)維數(shù)據(jù)集成管理是增強(qiáng)我國起重裝備國際競爭力的有效途徑

全球化的競爭、越來越短的產(chǎn)品生命周期以及多樣化的客戶需求使得我國起重裝備制造企業(yè)面臨著越來越嚴(yán)峻的生存環(huán)境。在這樣的環(huán)境下，企業(yè)往往很難獲得足夠的利潤，這就迫使企業(yè)改變經(jīng)營策略，從用戶需求分析，功能設(shè)計，直到制造、銷售、服務(wù)和報廢的整個產(chǎn)品生命周期的角度挖掘最大化的產(chǎn)品利潤。在這種情況下，原有的產(chǎn)品數(shù)據(jù)管理系統(tǒng)已經(jīng)很難滿足企業(yè)的需求，因此人們也越來越關(guān)注PLM的研究。近年來，我國起重裝備制造業(yè)正處于快速發(fā)展期，利用世界范圍內(nèi)勞動力分工大轉(zhuǎn)移的機(jī)遇，我國有機(jī)會真正成為世界工廠和制造強(qiáng)國。我國起重裝備制造企業(yè)應(yīng)該采用先進(jìn)的信息技術(shù)，提升制造水平，成為世界級制造企業(yè)。在這個過程中，PLM可以發(fā)揮很大的作用。

1）加快新型起重裝備產(chǎn)品上市。在今天的競爭環(huán)境中，新產(chǎn)品上市的速度對企業(yè)的影響是至關(guān)重要的。PLM系統(tǒng)打破了限制產(chǎn)品設(shè)計者、制造者、銷售者和使用者之間進(jìn)行溝通的技術(shù)桎梏，通過互聯(lián)網(wǎng)的協(xié)作和協(xié)同設(shè)計，可以讓客戶和供應(yīng)商及早參與產(chǎn)品開發(fā)過程，避免后期的修改或返工。同時，采用標(biāo)準(zhǔn)化的零部件，也可以極大地加快產(chǎn)品開發(fā)速度，縮短產(chǎn)品研發(fā)周期，加速新品上市，并且以“正確的產(chǎn)品”獲得最有利的競爭地位。

2）降低起重裝備制造成本。PLM允許后期的參與者在最早的階段就參與進(jìn)來，從而有效地控制產(chǎn)品的成本。在企業(yè)內(nèi)部，人們發(fā)現(xiàn)，如果在產(chǎn)品設(shè)計階段的用戶需求沒有得到充分的考慮，它的成本將在產(chǎn)品生命周期的后續(xù)階段體現(xiàn)出來。類似的，那些沒有考慮到生產(chǎn)制造問題的設(shè)計，通常也不得不經(jīng)常性地進(jìn)行昂貴的返工。PLM和企業(yè)的制造系統(tǒng)之間的無縫集成，使得企業(yè)能夠在所有的產(chǎn)品配置中，數(shù)字化地優(yōu)化和驗證任何制造工藝和流程，從而有效地降低制造成本。

3）生產(chǎn)出超越客戶期望的起重裝備。PLM在起重裝備產(chǎn)品概念設(shè)計階段和規(guī)劃階段就讓客戶參與，確保最終的產(chǎn)品符合客戶期望。作為面對用戶的起重裝備設(shè)計制造企業(yè)，協(xié)同設(shè)計系統(tǒng)可以讓企業(yè)與自己的用戶保持對產(chǎn)品設(shè)計更改的同步。由于PLM可以對產(chǎn)品整個生命周期進(jìn)行監(jiān)控，有效改善產(chǎn)品質(zhì)量。所以應(yīng)用PLM系統(tǒng)也是客戶所希望的。

綜上所述，我國起重裝備制造業(yè)以及產(chǎn)品正向大型化、高參數(shù)化方向發(fā)展，運(yùn)行風(fēng)險和不可預(yù)見因素增加，設(shè)計、制造、維護(hù)和檢驗難度越來越大。由于產(chǎn)品的零部件、元器件和整機(jī)的故障率較多，可靠性和安全性差，壽命短，因而絕大部分品種的起重裝備至今尚未占領(lǐng)國際市場，這與我國當(dāng)前的發(fā)展形勢和國際地位是不適應(yīng)的，與國家科技工作的指導(dǎo)方針是相違背的。因此，迫切需要開展復(fù)雜起重裝備產(chǎn)品全生命周期數(shù)據(jù)集成管理與應(yīng)用技術(shù)研究，以全面提升我國起重裝備產(chǎn)品質(zhì)量、可靠性和產(chǎn)品全生命周期數(shù)據(jù)集成管理水平，增強(qiáng)我國起重裝備制造業(yè)的國際競爭力。