面向人工智能2.0的工程機械創(chuàng)新趨勢

陳 偉，吳金海

(中國路橋工程有限責任公司，北京 100011)

面向人工智能2.0的工程機械創(chuàng)新趨勢

陳 偉，吳金海

(中國路橋工程有限責任公司，北京 100011)

探討了當前人工智能的發(fā)展態(tài)勢及其可能對工程機械行業(yè)產生的重要影響;通過列舉近年來智能工程機械在解決行業(yè)疑難問題時的突出表現，展現出其釋放未來競爭力的巨大潛力;針對工程機械制造業(yè)自動化水平羸弱的現狀，提出借助智能機器人扭轉局勢，從而行業(yè)轉型突破困境;面對信息時代的巨大變革和機遇，盡早掌握并利用人工智能，將有益于構筑平臺型企業(yè)，提早占據價值鏈高端。事實和理論論證證明，工程機械創(chuàng)新必將向著適應智能社會的方向發(fā)展。

工程機械;人工智能;自動化水平;機械制造

1 人工智能2．0引發(fā)智能革命

盡管人工智能技術在近70余年的發(fā)展中也曾經歷過風潮和低靡，但如今無論是國際科技界和產業(yè)界的反應，還是世界各科技強國的戰(zhàn)略舉措，特別是智能技術群體的突破和迅速應用滲透的社會影響，都表明了智能革命的興起［1］。2017年6月28日在天津舉辦的世界智能大會上，中國科學院院士潘云鶴表示:“人工智能不僅有量的發(fā)展，還有質的突破，人工智能已經走向2．0時代”。根據潘云鶴的定義，人工智能2．0意味著讓人的智能和人工智能這兩者相互配合，形成更加強大的混合智能，讓世界在更高的水平上運行，而利用網絡將很多個體連接在一起形成的群體智能也是人工智能目前的新趨勢。與此同時，人們對人工智能的需求也有了變化，不僅希望研究一個人的智能，更希望借助人工智能來賦予一個系統(tǒng)智能，這種系統(tǒng)智能能夠在更高的水平上提升整體的效率［2］。

由此看來，升級版的人工智能科技是智能革命的龍頭和主線，將帶動眾多學科走向繁榮，引發(fā)眾多技術領域的更新?lián)Q代;更重要的是將引發(fā)產業(yè)變革風起云涌，帶來人們生產生活方式和社會結構的深刻變化，推動人類社會從工業(yè)化、信息化社會向智能社會進行歷史跨越［3］。

既然是人類社會整體的歷史性躍遷，工程機械作為人類創(chuàng)造的巨大工業(yè)財富，不可能置身其外。實際上，人工智能具有跨學科、跨界融合的特點，具有廣泛的滲透性、交融性和帶動性。隨著先進計算機、互聯(lián)網系統(tǒng)、大數據、云計算、包括各種傳感器的的感知系統(tǒng)、深度學習及認知計算等作為必要的基礎平臺和手段，人、機器、信息將融合成智慧化研判、智能化操縱的有機系統(tǒng)。最終，人工智能將是植入工程機械的新基因，智能機器和智能裝備將是未來工程機械發(fā)展的方向。

2 智能工程機械釋放未來競爭力

2016年，英國的Soil Machine Dynamics公司為Nautilus Minerals公司制造了世界上第一臺能夠在接近1600 m的深海環(huán)境中開展工作的深海采礦機器人。這個深海采礦主機器人是一對牽引式掛車大小的挖掘機，其中一個配有碳化鎢材料打造的4 m寬的對向旋轉鉆頭，在富含金屬礦的海底狹縫處開采礦石，而另一個機器人則負責用一個直徑2.5 m的鼓狀粉碎設備直接將巖壁粉碎。還有一臺采礦機器人則負責將開采的礦石運回補給船［4］。這組機器人計劃用于巴布亞新幾內亞的新愛爾蘭省海岸約30 km處的礦床進行30個月的挖掘工作，預期能夠挖掘到250萬t的礦石，估值超過15億美元。若果真如此，如此巨大的收益必然會促使礦產行業(yè)進一步向深海、深地以及深空伸出“觸手”，隨之而來的就是適合這些領域的智能施工機械新市場的開拓和發(fā)掘。

當前人類面臨著比以往任何時候都更加嚴峻的能源資源挑戰(zhàn)，向深海、深空、深地“要資源”已經成為世界各國的共識，而這些區(qū)域潛藏的巨大財富卻因其施工環(huán)境惡劣而難以獲取。這些區(qū)域人類難以到達，因而驅使施工機器人前往便成為世界各國先進工程機械制造企業(yè)的新研發(fā)方向，相比多年來非常成熟并已趨于固化的地球表層煤炭、石油等資源地面施工設施的市場，利用人工智能技術開發(fā)的深海、深地、深空施工機器設備則是一個全新的“藍海市場”，將是未來全球工程機械企業(yè)新的產值增長點。

實際上，智能工程機械如今不再僅是對未來的預期，智能技術的應用對施工質量的改變已經成為現實。在筑路機械領域，利用智能技術對路基、路面壓實度進行連續(xù)監(jiān)測的技術已經在高鐵路基的修筑中得到應用，并對路基的鋪設質量產生了“質變”的影響。以西南交通大學徐光輝教授帶領的研發(fā)團隊為例，該團隊采用動力學方法對振動壓路機與填筑體相互作用問題進行了長期研究，提出采用填筑體結構抗力作為壓實控制指標的動力學方法;并在大量的實踐驗證工作基礎上，提出了鋼輪與路基相互作用的連續(xù)體模型、離散體模型、碰撞模型和鋼輪動力學模型以及相應的求解方法。該方法經過參數識別可以得到填筑體結構的模量、抗力和剛度系數等與壓實質量直接相關的控制指標，解決了振動壓路機彈跳狀態(tài)下無法正確識別壓實質量這一國外還未解決的問題，并在實踐中得到了驗證，這為高級智能壓實設備的研發(fā)奠定了基礎。連續(xù)與智能壓實控制技術從2008年開始在高速鐵路和普通鐵路建設中應用;曾先后在哈大高鐵、京滬高鐵、成灌鐵路和蘭新鐵路中進行試驗性應用;2012年中國首部連續(xù)壓實控制標準頒布后，連續(xù)智能壓實控制技術開始在鐵路建設中正式應用，并在滬昆高鐵貴州段、京沈高鐵、石濟高鐵、商合杭高鐵、濟青高鐵以及呼準鄂鐵路和黔張常鐵路等建設中成功應用［5］。

2016年，美國陸軍公布了一份長達35頁的《2016～2045年新興科技趨勢報告》。報告中提到，在2045年的地球上，機器人和自動化系統(tǒng)將無處不在，機器人會負責日常生活中大量的任務以及工業(yè)中的職責。鑒于此，隨著人工智能的介入，工程機械將加快其現代化進程，逐步過渡到完全智能化的作業(yè)機器人。未來的工程機械將從局部自動化過渡到全面自動化，并且向著遠距離操縱和無人駕駛的趨勢發(fā)展。在工程機械產品的不同區(qū)域，安裝不同類型的傳感器(溫度傳感器、壓力傳感器、位置傳感器等)，對外界信號進行感知、分析;在產品上安裝控制器，依據大數據中的各種工況，結合現場施工情況，模擬人類大腦的分析，做出準確的決策，自動進行施工，并不斷學習與自我完善，達到真正的施工人工智能。

3 借助機器人扭轉自動化水平羸弱局勢

目前看來，至少在中國工程機械行業(yè)的主機和零配件制造領域，將有可能逐漸實現智能制造;通過智能化生產系統(tǒng)和網絡化分布式生產設施，為智能生產提供條件，實現智能工廠;利用智能工廠提供的軟、硬件，通過人機互動和先進技術完成生產過程的自動化和智能化，實現智能生產。在這個過程中，機器替代了人的工作，全自動化的生產線不僅使得制造過程更加智能化，也提高了整個生產過程的效率，而隨著勞動力成本不斷上漲，“機器換人”將有效降低工程機械制造企業(yè)的人力成本。與人力相比，機器人還具有成本低、效率高、智能化、適應惡劣工作條件與工作時間長的優(yōu)勢，利用機器人轉型智能制造將成為發(fā)展趨勢。

山推作為國內大型工程機械生產廠家和推土機行業(yè)龍頭企業(yè)，在自動化焊接設備的應用方面走在國內同行的前列，在20世紀90年代中期就開始應用焊接機器人和自動化焊接專機。這些舉措不僅使企業(yè)的生產效率得到了有效提高，也轉變了員工的傳統(tǒng)觀念。引進機器人的裨益在三一重機的快速發(fā)展上也可窺一二:2007年，2臺機器人現身三一重機生產線;此后，企業(yè)銷量突飛猛進，機器人隊伍也隨之壯大。在三一重機臨港產業(yè)園中也能看到200多臺機器人各司其職，忙著切割、焊接、涂裝或者涂膠等工作。2012年底，攪拌車攪拌筒內焊縫焊接機器人生產系統(tǒng)在中聯(lián)重科沅江工業(yè)園正式啟用。這在國內混凝土機械行業(yè)尚屬首次。

盡管如此，目前工程機械的生產線上依舊以人工為主，自動化水平羸弱。在這一方面，汽車制造業(yè)能夠提供一些可供借鑒的經驗。有統(tǒng)計數據顯示，在工業(yè)機器人所有應用領域中，汽車行業(yè)機器人的應用占到整體市場份額的60%以上［6］。工業(yè)機器人的成功應用也使汽車制造業(yè)的生產效率大幅度提高。誠然，自動化要的是效益，不單純是速度。工程機械生產成本高、薄盈利的特點使其對新型生產方式淺嘗輒止，無法進一步深入改革;但在走了一些彎路之后，應該為今后總結經驗教訓，而不是就此對工業(yè)機器人敬而遠之。特別是近幾年，在中國工程機械行業(yè)迎來高速發(fā)展、亟待升級轉型的形勢下，企業(yè)要想在激烈的競爭中搶奪更大的市場份額，擺脫產品的同質化競爭，必須加強生產線自動化水平，大力引進機器人將不可或缺。

目前，國內個別企業(yè)已經對生產線上的機臺數據進行了多年的積累，然后利用圖像識別和機器學習等技術，對這些海量的機床大數據做了建模和分析，得出了生產環(huán)節(jié)中每一個制造流程的模式化結果。再加上各種傳感器技術的接入，可以做到讓機器獨立自主地關燈生產。有理由相信，未來的工程機械智能制造更加體現于精益制造，以及更加合理地運用社會資源。

4 提早構筑平臺型企業(yè)

信息時代，谷歌、臉書等依靠數據贏得巨額利潤的平臺型企業(yè)的成功有目共睹。如今，面對人類歷史的巨大變革機遇，繼續(xù)在傳統(tǒng)工程機械施工領域精耕細作固然可以筑牢基礎，但抓住跨越式發(fā)展的時機也尤為必要。馬云曾說:“未來的機器吃的不是電，而是數據?！贝嗽捦ㄋ椎粺o道理。實際上，數據將成為融合各類生產要素的核心載體已是各界的共識，隨著工業(yè)互聯(lián)網將機械設備這一“人類創(chuàng)造的最貴的設備”聯(lián)通起來，實體世界與虛擬世界的更深層次的融合將開辟人類感知世界的新空間。擁有數據、跨領域的平臺型企業(yè)將成為價值創(chuàng)造和資源聚集的“產業(yè)公地”。

在信息革命時代，工程機械行業(yè)并未出現實質性的改變，但站在智能社會的起點上，顛覆式的商業(yè)創(chuàng)新將出現于物聯(lián)網、云計算、大數據、人工智能與傳統(tǒng)行業(yè)的深度融合處。因此，提前在工業(yè)互聯(lián)網領域布局，提早形成平臺型制造業(yè)企業(yè)成為各國巨頭的必然選擇。

有人曾預計，到2050年全球將有超過80%的的企業(yè)依賴各類平臺生存。平臺型企業(yè)將占據全球價值鏈的高端，對下游垂直型企業(yè)形成強大的整合能力，而構建工業(yè)互聯(lián)網，即是在未來的平臺型企業(yè)競爭中搶占先機。

實際上，在大數據概念興起之時，工程機械企業(yè)已經紛紛布局，例如，三一重工股份有限公司目前已經實現對其生產的每一輛工程機械車都配置車載終端，可以提供位置監(jiān)控査詢、移動通信、數據采集(包括機械的液壓油和機油的油溫、油壓、發(fā)動機轉數等工作數據)、遙控斷油斷電、車載黑匣子、斷電(剪線)報警、省電工作、行駛線路報警、行駛區(qū)域報警、遙控喚醒等功能。

中聯(lián)重科同樣為出廠的泵車、吊車全部預裝車載終端，并將其接入總線系統(tǒng)，實時監(jiān)測車輛的里程、運行狀態(tài)、吊臂作業(yè)數據及控制信號等。

同樣，日本小松公司的挖掘機也安裝了定位系統(tǒng)。但小松公司在實時監(jiān)控車輛運行情況的同時，還根據挖掘機每個月的工作時間統(tǒng)計全年的工作情況，收集基礎數據等。小松自帶“康查士”全球定位系統(tǒng)，可以準確定位機器的位置(移動軌跡)、油耗、工作狀態(tài)、作業(yè)量、燃油量(防止未經允許私自放油)、水溫、油溫。

在工業(yè)互聯(lián)網構筑之前，這種數據的收集雖不能說是盲目的，但目的不甚明晰卻是事實，隨著智能社會的進一步推進，人工智能不再僅是技術成果，而已經滲透到工業(yè)生產領域，收集數據是為了何種目的的答案就顯而易見，與此同時，什么樣的數據才最有收集價值也變得明確了。

目前，美國通用電氣公司和德國西門子公司已推出滲透到制造業(yè)研發(fā)、生產、管理、營銷、物流、服務等全部流程的工業(yè)互聯(lián)網云平臺，并推動制造業(yè)研發(fā)創(chuàng)新體系、生產組織方式和經營管理模式的持續(xù)變革。2017年6月15日，中國航天科工集團正式面向全球發(fā)布了工業(yè)互聯(lián)網云平臺——INDICS，這個平臺在技術上與美、德兩國處于同一水平，自2015年上線試運行2年來，注冊企業(yè)近80萬戶，線上協(xié)作需求發(fā)布約1000億元，協(xié)作成功約400億元，業(yè)務運行過程嵌入云平臺企業(yè)1500余家，設備接入云平臺6000余臺，已成為全球已知嵌入企業(yè)數和接入設備數最多的云平臺［7］。在工程機械領域，三一與騰訊、徐工與阿里巴巴跨界開拓工業(yè)互聯(lián)網領域也開展得如火如荼。搶占未來的數據高地、構筑平臺型企業(yè)的競爭已經開始。

另一方面，據潘云鶴院士在世界智能大會上的介紹，研制打敗中國圍棋世界冠軍柯潔和韓國圍棋九段高手李世石的AlphaGO圍棋程序的美國Deep-Mind公司利用一些深度學習技術幫助谷歌控制其數據中心的風扇、制冷系統(tǒng)和窗戶等120個變量，這項技術使谷歌的用電效率提升了15%。

美國通用電氣公司曾對此有預測，利用傳感器、大數據、人工智能等技術，商業(yè)航空領域未來15年節(jié)約1%的燃料就節(jié)約了300億美元;全球所有天然氣火力發(fā)電廠的效率提高1%，就節(jié)約價值660億美元的燃料;全球醫(yī)療效率提高1%，就節(jié)約了超過630億美元的醫(yī)療成本。如果工程機械設備也能借助工業(yè)互聯(lián)網和人工智能技術實現“1%”的提升，那么將在效率提升和能源節(jié)約方面出現真正顛覆過去數百年的變革［8-9］。

人工智能領域的深度學習技術已經給資源和能源的節(jié)約帶來了顛覆以往認知的改變，這種賦予一個系統(tǒng)智能的需求，在資源能源日益緊缺的人類社會中越來越迫切。在目前的工程機械領域，經過多年的發(fā)展已成熟和穩(wěn)定，在效率提升和能源節(jié)約方面，如果不加入革命性的技術，不太可能得到顛覆性的提升。然而在智能社會時代，智能制造將使各類制造業(yè)全面升級，不但包括大量智能裝備，而且會形成智能制造系統(tǒng)網絡，工業(yè)互聯(lián)網將有效整合全球的制造業(yè)資源，致使生產和管理方式、生產效率、質量保證、綠色生產程度都將發(fā)生驚人的變化。

5 結語

在德勤有限公司(Deloitte)與美國競爭力委員會2016年發(fā)布的《2016全球制造業(yè)競爭力指數》中，逾500名全球制造業(yè)企業(yè)的首席執(zhí)行官對推動全球制造業(yè)競爭力發(fā)展的因素進行了評估。20世紀的傳統(tǒng)制造業(yè)強國，如美國、德國、日本和英國，在2016年已經重新回到了十大最具競爭力國家的行列。

該評估還預測，這些投資于先進制造技術的國家在2020年之前將保持前10位的地位。然而，即便制造業(yè)重新回歸經濟市場的視野，但卻并非簡單地回到原點，而是在人工智能技術加持下的“螺旋式上升”。隨著數字世界和現實世界在制造業(yè)內實現融合，制造業(yè)競爭力要通過先進技術來塑造，而智能產品和智能工廠以及先進材料的應用才是對未來競爭力至關重要的因素。由此可見，隨著智能革命的到來，盡管工業(yè)時代的機械設備重回引領經濟發(fā)展的軌跡，但其發(fā)展方向已經深受人工智能的影響，其創(chuàng)新必將向著適應智能社會需求的方向發(fā)展。

［1］ 程 良．淺談空間信息技術與工程機械在人工智能方面的集合［J］．科技資訊，2011(5):51-51．

［2］ 魏洪興，王田苗，陳殿生．智能化工程機械及其關鍵技術研究［J］．工程機械，2004，35(5):1-3．

［3］ 賴仲平，呂其惠，陳詩盛．工程機械故障診斷技術的發(fā)展［J］．筑路機械與施工機械化，2003，20(1):38-39．

［4］ 周天雷．從“制造”到“智造”工程機械生產技術升級之路［J］．工程機械與維修，2013(11):96-96．

［5］ 王 博．工程機械輪邊支承軸熱鍛過程數值模擬及模具智能設計技術研究［D］．洛陽:河南科技大學，2014．

［6］ 胡 鵬．自動化技術在工程機械中的應用探究［J］．信息系統(tǒng)工程，2015(6):81-82．

［7］ 徐浩宸．淺談工程機械智能化與信息化發(fā)展概況［J］．中國機械，2014(20):245-246．

［8］ 佚名．ConExpo的明星:工程機械躍進AI時代［J］．安全生產與監(jiān)督，2017(4):42-44．

［9］ 常淑英．機械電子工程與人工智能［J］．黑龍江科技信息，2014(14):126-126．

Innovative Trends of Construction Machinery Oriented to Artificial Intelligence 2.0

CHEN Wei，WU Jin-hai
(China Road and Bridge Corporation，Beijing 100011，China)

The current development trends of artificial intelligence and its possible impact on the construction machinery industry were explored．By highlighting the outstanding performance of intelligent construction machinery in solving difficult problems in recent years，its great potential to release future competitiveness was shown．In view of the status quo of the weak level of automation of the construction machinery manufacturing industry，it was proposed to use the intelligent robots to reverse the situation，so as to break the dilemma for the industry transformation．Faced with great changes in the information age and opportunities，to master and use artificial intelligence as early as possible will help to build a platform-based enterprise and occupy the high-end value chain in advance．Facts and theoretical arguments prove that the innovation of construction machinery will move towards the direction of adapting to intelligent society．

construction machinery;artificial intelligence;automation level;machinery manufacturing

U495

B

1000-033X(2017)09-0107-04

0 引 言

工程機械作為工業(yè)時代的產物，在人類社會進入以微電子、計算機、核能、新材料、生物等高技術群為代表的信息社會以后，便與其他機械裝備一起從引領科技革命的龍頭和主線位置退出。然而，以互聯(lián)網為核心的信息革命走過數十年的歷程后，其對科技創(chuàng)新的引領逐漸乏力，而隨著人工智能技術的迅猛發(fā)展，以仿人自主智能、群體智能、混合增強智能、多感知人機混合智能、大數據認知智能等為骨架，融合多學科領域近年來相繼突破的前沿發(fā)現及發(fā)明成果，形成的智能科技大系統(tǒng)則成為信息化的演進和躍升，并使得信息化和機械化融合，產生人類社會新的升華和質變。當前，人類社會即將從信息社會向智能社會進行歷史跨越，在這一創(chuàng)新浪潮面前，世界各國重新站在同一起跑線上，而這個難得的歷史機遇期，也給多年來無跨越性變化的工程機械行業(yè)帶來更多創(chuàng)新發(fā)展的機遇和挑戰(zhàn)。

2017-01-26

陳 偉(1983-)，男，山西運城人，碩士，從事工程機械管理工作。

［責任編輯:王玉玲］