Capacidade de P&D da Kelude: otimização de pontes rolantes e IA

Por trás de cada guindaste, do projeto à entrega, existe um ecossistema tecnológico completo. A Kelude Indústrias Pesadas (KRUID CRANE) construiu, ao longo de quinze anos, uma cadeia tecnológica integral que vai da otimização clássica da mecânica estrutural ao desenvolvimento próprio de algoritmos de IA — não se trata de uma simples linha tecnológica, mas de uma matriz de P&D interdisciplinar que abrange mecânica computacional, engenharia elétrica, comunicação IoT e inteligência artificial. Este artigo apresenta a capacidade de P&D da Kelude sob quatro perspetivas — evolução tecnológica, arquitetura organizacional, equipamento principal e roteiro estratégico — e revela como esta empresa chinesa de equipamentos industriais conseguiu a transição de "seguidor" para "líder" na vaga da inteligência artificial.

Evolução tecnológica: quatro marcos da otimização estrutural ao desenvolvimento próprio de IA

A evolução tecnológica da Kelude pode ser dividida em quatro fases distintas, cada uma correspondendo a um salto em capacidade técnica central e a uma compreensão mais profunda da essência dos guindastes.

2010: Fundação da otimização estrutural. Este foi o ponto de partida do sistema de P&D da Kelude. A empresa adotou a plataforma ANSYS Workbench e estabeleceu a capacidade de análise de elementos finitos (FEA). A equipa de P&D iniciou a otimização topológica baseada em densidade na viga principal da ponte rolante tipo QD, com o objetivo de minimizar o peso próprio, garantindo a capacidade de carga. O foco central desta fase foi a "precisão do cálculo" — através de um processo CAE em três etapas (otimização topológica → otimização de forma → otimização dimensional), foi alcançada uma redução de 12% a 18% no peso dos principais componentes estruturais, assegurando que todos os projetos cumprissem o teste estático com carga nominal de 1,25 vezes e o fator de carga dinâmica de 1,1 vezes, conforme a norma ISO 4301. A introdução da máquina de ensaio de fadiga MTS permitiu fechar o ciclo de validação física dos resultados de simulação. Entre 2010 e 2014, o departamento de estruturas concluiu mais de 200 projetos de otimização estrutural e criou uma base de dados completa de simulação de componentes estruturais, abrangendo viga principal, cabeceira, estrutura do carrinho e moitão.

2015: Atualização da automação elétrica. Com a maturidade da capacidade de simulação estrutural, a Kelude expandiu-se para o domínio dos sistemas de controlo. A empresa criou uma equipa de P&D elétrica, implementou o barramento industrial Ethernet em tempo real EtherCAT e desenvolveu a primeira geração do sistema de controle elétrico KRUID-ECS. O marco desta fase foi o estabelecimento da arquitetura elétrica padrão "Variador de Frequência + lógica CLP + Interface Homem-Máquina com Tela Touch Screen", bem como a introdução da plataforma de prototipagem rápida de controlo (RCP) dSPACE, que reduziu o período de validação em máquina real dos algoritmos de controlo de vários meses para várias semanas. Durante o mesmo período, a empresa começou a implementar scanners a laser 3D FARO para modelação inversa e análise de desvios de montagem de componentes críticos dos guindastes. Em 2017, o departamento elétrico concluiu a validação em máquina do primeiro sistema de controle elétrico totalmente projetado internamente, instalado numa ponte rolante de 50 toneladas, marcando a capacidade independente de P&D elétrica da Kelude.

2020: Transformação digital e inteligente. A partir de 2020, o foco tecnológico da Kelude deslocou-se para a digitalização e a inteligência artificial. A empresa construiu a plataforma de monitoramento IoT KRUID-IoT, permitindo a aquisição em tempo real, transmissão remota e armazenamento na nuvem dos dados operacionais dos guindastes. Com base no vasto volume de dados operacionais acumulados, a equipa de P&D começou a treinar modelos preditivos orientados por dados — evoluindo da lógica inicial de alerta por limiares para a previsão de tendências baseada em características estatísticas e, finalmente, para um sistema de avaliação do índice de saúde (HI) baseado em redes neuronais LSTM. Simultaneamente, a empresa lançou o projeto de Gêmeo Digital, utilizando o motor Unity 3D para reproduzir o comportamento dinâmico do guindaste completo num ambiente virtual, estabelecendo as bases para a operação não tripulada e o escalonamento inteligente. Até ao final de 2022, a plataforma IoT já integrava mais de 800 guindastes em operação, acumulando mais de 50 TB de dados.

2025: Avanço no desenvolvimento próprio de algoritmos de IA. Em 2025, a Kelude consolidou a sua capacidade de desenvolvimento próprio de algoritmos de IA. No domínio do controle anti-balanço, a equipa desenvolveu um controlador anti-balanço baseado em aprendizado por reforço profundo, utilizando o framework de otimização de política proximal (PPO). Após 5 milhões de passos de treinamento adversarial no ambiente de Gêmeo Digital, o controlador foi implementado em máquina real, alcançando uma precisão de controle do ângulo de balanço da ponta inferior a 0,3°. No domínio do reconhecimento visual, o modelo de posicionamento do spreader e deteção de obstáculos, baseado na arquitetura YOLOv8, mantém uma precisão de reconhecimento superior a 95% mesmo em condições de pouca luz, chuva e neblina. O motor de manutenção preditiva evoluiu de componentes individuais para o sistema completo, abrangendo os quatro componentes principais: redutor, freio, motor e cabo de aço. No segundo semestre de 2025, os primeiros guindastes com funcionalidades de IA integradas foram entregues a clientes, demonstrando melhorias significativas na melhoria da eficiência e na redução de falhas em projetos em siderurgias e terminais portuários. Com isto, a Kelude completou a sua quarta transição tecnológica: de "estrutura-elétrica-digital" para "IA nativa".

Arquitetura de P&D integrada: a sinergia entre os departamentos de estruturas, elétrica, software e algoritmos

A concretização das capacidades técnicas depende do suporte organizacional. O sistema de P&D da Kelude Indústrias Pesadas é composto por quatro unidades centrais, formando uma cadeia de desenvolvimento completa, da camada física à camada de algoritmos, com cada unidade a colaborar de forma integrada através de interfaces padronizadas.

Instituto de Estruturas é a camada base do sistema de P&D e a unidade mais antiga da Kelude. A equipa concentra-se no estudo do comportamento mecânico das estruturas metálicas, com competências centrais que abrangem análise de simulação FEA com ANSYS, validação por ensaio de fadiga com MTS, engenharia inversa por scanner a laser 3D e simulação do procedimento de soldagem. O instituto é responsável pelo projeto e otimização dos principais componentes de suporte de carga, como a viga principal, a cabeceira e a estrutura do carrinho. Todos os projetos devem passar por um processo fechado de quatro etapas: "simulação → amostra → ensaio → correção". A máquina de ensaio de fadiga servo-hidráulica MTS 322, disponível no instituto, pode aplicar cargas dinâmicas até 100 kN, satisfazendo todos os requisitos de verificação de fadiga da norma ISO 4301. O instituto conta atualmente com 8 engenheiros seniores e 12 engenheiros de nível médio, todos com mais de dez anos de experiência em projeto estrutural de guindastes.

Instituto de Elétrica é responsável pelo projeto da arquitetura de hardware dos sistemas de controlo e pela integração do sistema elétrico, funcionando como a ponte entre o mundo físico e o digital. A equipa construiu uma plataforma de hardware de controlo padronizada em torno do barramento EtherCAT, abrangendo todos os componentes da camada elétrica: Variador de Frequência, Controlador PLC, relé de segurança e interfaces de Sensor. O instituto opera também a plataforma de teste hardware-in-the-loop (HIL) dSPACE SCALEXIO, equipada com um modelo de dinâmica de veículo completo de alta fidelidade (incluindo viga flexível, ângulo de balanço do cabo de aço e contacto roda-trilho), permitindo simular em laboratório todas as condições operacionais reais dos guindastes. A plataforma HIL reduziu o período de validação integrada da lógica de controlo de 8 semanas para 2 semanas, executando mais de 500 casos de teste automatizados por iteração de software. O instituto é também responsável por todos os testes de compatibilidade eletromagnética (EMC) dos controladores e pela Certificação CE.

Instituto de Software concentra-se nas aplicações de software de nível superior e na plataforma de dados, sendo o motor central da transformação digital da Kelude. A equipa desenvolveu de forma independente o middleware IoT KRUID-IoT, que suporta o acesso unificado e a conversão de dados dos três protocolos industriais: Modbus TCP, OPC UA e MQTT. O instituto é também responsável pelo desenvolvimento da plataforma de Gêmeo Digital, construindo um modelo de visualização 3D do guindaste completo com o motor Unity 3D, sincronizado em tempo real com os dados operacionais do equipamento real. Esta plataforma não é utilizada apenas para Monitoramento Remoto, mas também como ambiente de simulação para o treinamento e teste do algoritmo de controle anti-balanço por aprendizado por reforço. O instituto adota uma metodologia de desenvolvimento ágil, com uma iteração lançada a cada duas semanas, garantindo uma resposta rápida às necessidades dos clientes.

Grupo de Algoritmos é o "cérebro" do sistema de P&D da Kelude. Criado em 2023 como uma equipa independente, é composto por investigadores nas áreas de aprendizado de máquina, visão computacional e teoria de controlo, com mais de 40% de doutorados. O fluxo de trabalho da equipa abrange toda a cadeia: aquisição e limpeza de dados, treinamento e validação de modelos, implantação em dispositivo de borda e iteração contínua. O grupo estabeleceu um mecanismo fixo de interface "requisito-entrega" com os institutos de estruturas, elétrica e software: o instituto de elétrica fornece as especificações de interface do controlador, o instituto de software fornece o pipeline de dados IoT, o instituto de estruturas fornece as condições de contorno mecânicas, e o grupo de algoritmos devolve os modelos de inferência validados. Esta arquitetura de colaboração entre os quatro departamentos assegura um ciclo tecnológico completo, desde os mecanismos subjacentes até à inteligência de topo, permitindo que qualquer avanço técnico se propague rapidamente por todo o sistema de P&D.

Matriz de equipamento de P&D: scanner a laser 3D, ensaio de fadiga e teste HIL

O nível do equipamento de P&D determina diretamente a profundidade e a abrangência da validação técnica. A Kelude Indústrias Pesadas investiu continuamente em infraestrutura de P&D, com um investimento total superior a 3.000.000 EUR, criando uma matriz de equipamento que cobre três dimensões: "medição de geometria, validação de propriedades mecânicas e teste de lógica de controlo".

Sistema de scanner a laser 3D. A Kelude está equipada com o scanner a laser 3D FARO Focus S350, com precisão de medição de ±1 mm a 10 m e uma velocidade de digitalização de até 976.000 pontos por segundo. Este sistema é utilizado principalmente para modelação inversa de estruturas de guindastes e deteção de desvios de montagem. Na fase de desenvolvimento de novos produtos, o instituto de estruturas utiliza os dados de digitalização para criar modelos CAE de alta precisão, garantindo que as condições de contorno da simulação correspondem ao componente real. No controlo de qualidade da produção em série, os componentes estruturais soldados são digitalizados periodicamente e comparados com o modelo CAD de projeto, com um controlo de desvio do cordão de solda dentro de ±2 mm. A tecnologia de scanner a laser 3D é também aplicada em projetos de retrofit de guindastes antigos, medindo com precisão os parâmetros geométricos reais da estrutura existente para fornecer dados de entrada precisos para a solução de modernização.

Sistema de ensaio de fadiga servo-hidráulico MTS. O ensaio de fadiga é o elemento central da validação da confiabilidade estrutural de guindastes. O instituto de estruturas da Kelude possui a máquina de ensaio de fadiga servo-hidráulica MTS 322, de coluna dupla, equipada com um Sensor de carga de 100 kN e sistema de fixação hidráulico, capaz de executar várias formas de onda de carga: senoidal, triangular e espectro aleatório. O sistema suporta ensaios de fadiga contínuos de até 100.000 ciclos, registando automaticamente as curvas carga-deslocamento e os dados de degradação da Rigidez. Antes da aprovação final de cada novo lote de componentes estruturais de viga principal, é obrigatório completar pelo menos um ciclo de vida completo de carga de fadiga na máquina de ensaio, com uma deformação residual após o ensaio não superior a 1/1000 do vão. No caso da viga principal da ponte rolante tipo QD de 50 toneladas, após 85.000 ciclos de carga, a deformação residual máxima foi de apenas 1/1500 do vão, muito superior ao indicador de projeto. A análise comparativa entre os dados de ensaio de fadiga e os resultados da simulação CAE é também utilizada para corrigir e melhorar continuamente a precisão dos modelos de simulação.

Plataforma de teste Hardware-in-the-Loop (HIL) dSPACE SCALEXIO. A plataforma HIL é o equipamento central da investigação e desenvolvimento elétrico da Kelude e a infraestrutura crítica que marca a transição da empresa de "elétrica tradicional" para "controlo inteligente". O sistema SCALEXIO adota design modular, equipado com a placa de processador DS1007 e a placa de I/O DS2202, capaz de executar em tempo real modelos de simulação de veículo completo que integram o modelo de elementos finitos da viga flexível, o modelo não linear do ângulo de oscilação do cabo de aço e o modelo de contacto roda-trilho. O sistema suporta a geração automática de código e a implementação de modelos Simulink, permitindo um fluxo de trabalho "um clique" desde o desenvolvimento de algoritmos em Matlab/Simulink até à validação HIL. No desenvolvimento do controlador KRUID-ECS 2.0, a plataforma HIL executou mais de 3000 casos de teste automatizados, cobrindo todos os itens de validação funcional especificados na norma GB/T 33240-2016 "Guindastes — Sistemas de controlo — Requisitos de desempenho", suportando também testes de injeção de falhas em 19 categorias, incluindo rompimento do cabo do sensor, interrupção de comunicação e bloqueio do atuador. A equipa de testes HIL desenvolveu ainda uma "biblioteca de cenários de condições extremas", contendo mais de 30 cenários de risco, como falha súbita de energia, paragem de emergência com carga nominal e operação ao ar livre em condições de vento forte, garantindo que o sistema de controlo permanece fiável mesmo nas condições mais adversas.

4. Sistema de validação fechado de simulação e ensaio: do protótipo virtual à confirmação física

Na prática de engenharia, "não se pode confiar totalmente na simulação, nem dispensar o ensaio" é o princípio fundamental da equipa técnica da Kelude. A empresa estabeleceu um sistema de validação fechado em três níveis — "protótipo virtual — simulação Hardware-in-the-Loop (HIL) — validação física" — em que cada nível possui critérios de entrada, saída e aceitação claramente definidos.

Nível 1: Simulação com protótipo virtual. O departamento de estruturas realiza análises de elementos finitos de máquinas completas ou componentes no ANSYS Workbench, incluindo análise estática, análise modal e análise de contacto não linear. O departamento elétrico desenvolve modelos de sistema de controlo em Matlab/Simulink, abrangendo controlo vetorial do motor, algoritmos anti-balanço e lógica de segurança. O departamento de software constrói o gêmeo digital da máquina completa no ambiente Unity 3D, para pré-validação da lógica de interação homem-máquina e simulação de cenários de treino de operadores. As três equipas utilizam uma plataforma unificada de gestão de parâmetros, garantindo que as propriedades dos materiais, os casos de carga e as condições de fronteira utilizados nos modelos de simulação permanecem consistentes, evitando desvios de simulação causados por silos de dados.

Nível 2: Validação por simulação Hardware-in-the-Loop (HIL). Esta é uma etapa distintiva do sistema de P&D da Kelude e a ponte crucial entre o "virtual" e o "real". A plataforma HIL integra o hardware do controlador real no circuito de simulação, simulando o ciclo operacional completo do guindaste em condições de laboratório. Ao contrário da simulação puramente por software, os testes HIL revelam problemas de engenharia que a simulação por software não consegue detetar, tais como problemas de correspondência de níveis lógicos nas interfaces de hardware do controlador, atrasos no escalonamento de tarefas do sistema operacional em tempo real e estrangulamentos de carga no barramento de comunicação. Estatisticamente, os testes HIL de cada nova versão do controlador identificam, em média, 8 a 12 defeitos ao nível da interface hardware-software, dos quais cerca de 30% são erros lógicos de gravidade elevada. Se estes defeitos fossem detetados apenas na fase de comissionamento físico, o custo de correção de cada problema seria 5 a 10 vezes superior ao da fase HIL.

Nível 3: Validação física e ensaio de tipo. Todos os projetos aprovados na validação por simulação HIL devem, em última instância, ser submetidos a validação física num guindaste real. Os componentes estruturais devem ser aprovados no ensaio de tipo especificado na norma FEM 1.001 "Ponte rolante de uso geral", incluindo o teste estático com carga nominal de 1,25 vezes, o ensaio de carga dinâmica de 1,1 vezes e a medição de deflexão sob carga nominal. Para melhorias no sistema de controlo, são realizados testes comparativos de desempenho em operação real, registando indicadores-chave como a curva de decaimento do ângulo de oscilação, a precisão de posicionamento e o tempo de resposta. Os dados de validação dos três níveis são armazenados na base de dados de P&D da Kelude, servindo de base para a otimização do design da próxima geração de produtos. Atualmente, a base de dados de P&D acumulou mais de 1200 relatórios de teste e 30000 registos de ensaio, constituindo uma base de conhecimento empresarial em crescimento contínuo.

5. Rota técnica: da otimização de equipamentos individuais à plataforma de sistema

Para os próximos três anos, a Kelude Indústrias Pesadas definiu uma rota técnica em três fases: "inteligência de equipamentos individuais — plataforma de sistema — ecossistema aberto". Esta rota responde à vaga de inteligência na indústria e reflete a ambição estratégica da empresa de se transformar de fabricante de equipamentos numa empresa de plataforma tecnológica.

Curto prazo (2026-2027): Conclusão da inteligência de equipamentos individuais. O objetivo é padronizar as funcionalidades inteligentes básicas em todos os guindastes recém-fabricados, com base nos algoritmos de IA existentes. Isto inclui: o controlador anti-balanço RL passa de opcional a padrão, o sistema de visão C-Vision cobre mais de 95% dos cenários operacionais e a manutenção preditiva abrange todos os componentes da cadeia de transmissão. A validação técnica desta fase será concluída na plataforma HIL existente e nos campos de ensaio, com os principais indicadores técnicos a serem comparados com marcas internacionais de primeira linha. 30% do orçamento de P&D será investido na iteração e otimização contínuas dos algoritmos de IA, com foco em ultrapassar dois desafios técnicos principais: o anti-balanço cooperativo de múltiplos guindastes e a robustez visual em ambientes complexos.

Médio prazo (2027-2028): Implementação da plataforma de sistema. Após a conclusão da inteligência de equipamentos individuais, a Kelude lançará o KRUID-OS, uma plataforma de sistema operacional unificada — uma arquitetura de software orientada para o ciclo de vida completo do guindaste, integrando monitorização IoT, gêmeo digital, manutenção preditiva e operação remota num quadro de microsserviços unificado. O objetivo central da estratégia de plataforma é alcançar "um software para toda a linha de produtos", reduzindo drasticamente o custo marginal do desenvolvimento entre modelos. Em paralelo, a empresa criará um departamento de arquitetura de sistemas, com base nas atuais 3 institutos e 1 grupo, dedicado ao design de arquitetura técnica multiplataforma e ao trabalho de normalização. O KRUID-OS adotará uma solução de implementação em contentores, suportando implementação flexível desde o dispositivo de borda até à nuvem, satisfazendo os requisitos de infraestrutura de TI de diferentes clientes.

Longo prazo (2029-2030): Exploração do ecossistema aberto. A Kelude planeia abrir parte das interfaces de API do KRUID-OS por volta de 2029, permitindo que desenvolvedores terceiros criem aplicações especializadas para a indústria com base na plataforma de hardware da Kelude. Por exemplo, lógica de alimentação automática para a indústria metalúrgica, algoritmos de escalonamento colaborativo para terminais portuários e aplicações de operação remota para ambientes à prova de explosão podem ser integrados nos guindastes Kelude através de APIs padrão. Se esta estratégia for implementada com sucesso, a Kelude transformar-se-á de fabricante de equipamentos numa empresa de tecnologia de plataforma, remodelando fundamentalmente as suas barreiras competitivas. Além disso, a empresa planeia estabelecer uma comunidade de desenvolvedores e um sistema de certificação técnica para garantir a saúde do ecossistema a longo prazo.

6. Colaboração indústria-universidade-pesquisa e participação em normas técnicas

O sistema de P&D da Kelude não opera de forma isolada. Através de uma cooperação profunda com universidades, institutos de investigação e organizações de normalização, a empresa absorve continuamente conhecimento tecnológico de ponta, ao mesmo tempo que devolve a sua experiência prática de engenharia à indústria.

No âmbito da cooperação indústria-universidade-pesquisa, a Kelude estabeleceu laboratórios conjuntos com várias universidades de referência em engenharia mecânica e ciência da computação. As áreas de cooperação incluem: previsão da vida à fadiga da estrutura de aço de grua com base em redes neurais de grafos, aplicação de aprendizado por reforço multiagente no escalonamento de controlo de grupo e modelação colaborativa de equipamentos entre clientes com base em aprendizado federado. Nestes tópicos de fronteira, as equipas universitárias são responsáveis pela investigação teórica fundamental e pelo desenvolvimento de protótipos de algoritmos, enquanto a Kelude fornece dados operacionais reais, cenários de engenharia e condições de validação de aplicações, criando um modelo de colaboração em que "a universidade conduz a investigação teórica e a empresa realiza a transformação técnica". Até à data, os laboratórios conjuntos produziram 5 artigos científicos indexados na SCI e 3 patentes de invenção, tendo o modelo de previsão da vida à fadiga já sido preliminarmente validado em ensaios internos.

No domínio da normalização, a Kelude participa ativamente na revisão e elaboração de normas nacionais e industriais para guindastes. O seu corpo técnico participou na discussão e validação de várias normas, incluindo ISO 4301 / FEM 1.001 "Especificação de projeto de ponte rolante", FEM 1.001 "Ponte rolante de uso geral", GB/T 33240-2016 "Guindastes — Sistemas de controlo — Requisitos de desempenho" e GB/T 33519-2017 "Guindastes — Travões — Método de ensaio". Esta participação aprofundada ao nível das normas não só ajuda a Kelude a manter-se a par da direção técnica da indústria, como também fornece um quadro de referência normativo autoritativo para os seus algoritmos de IA e soluções de controlo desenvolvidos de forma independente. Na próxima ronda de revisão das normas nacionais, a Kelude já submeteu propostas técnicas sobre segurança funcional de pontes rolantes inteligentes e validação de algoritmos de IA, com o objetivo de elevar a experiência acumulada na prática de inteligência ao nível de norma industrial.

Perguntas Frequentes (FAQ)

P: Que equipamentos de teste e plataformas experimentais centrais são utilizados no processo de P&D?