我國鑿巖機器人發(fā)展機遇與挑戰(zhàn)研究

黃鑫

作為鑿巖鉆孔施工的高端裝備，鑿巖機器人可廣泛應(yīng)用于隧道、礦山、鐵路公路、水利水電等諸多領(lǐng)域的工程施工作業(yè)，尤其在一些大型基礎(chǔ)設(shè)施建設(shè)，以及目前因作業(yè)環(huán)境限制無法施工的區(qū)域，鑿巖機器人為保證工程進度，保護人員安全發(fā)揮著重要作用。同時，日趨智能化、網(wǎng)絡(luò)化、電氣化的鑿巖機器人，在提高效率、降低成本、保障安全等方面優(yōu)勢明顯，未來市場空間巨大。

鑿巖機器人的發(fā)展現(xiàn)狀

鉆孔是一項難度大、耗資耗時多、勞動條件差，又十分關(guān)鍵的作業(yè)工序。在現(xiàn)代礦山開采和大規(guī)?；A(chǔ)設(shè)施建設(shè)施工中，采用傳統(tǒng)鉆孔設(shè)備作業(yè)逐漸暴露出諸多弊端，如勞動力成本增加、施工環(huán)境差、操作人員熟練程度對鑿巖質(zhì)量和工期影響大、施工人員安全得不到有效保障等。鑿巖機器人正是在這種背景下，為適應(yīng)現(xiàn)代社會對高效率掘進開挖和智能化鑿巖鉆孔設(shè)備的需求而出現(xiàn)的。從1978年挪威首先開發(fā)出鑿巖機器人樣機開始，許多國家都對鑿巖機器人進行了研發(fā)。在20世紀80年代，先后有日本古河公司（Furukawa）、法國蒙特貝（Montabert）公司、瑞典阿特拉斯·科普柯（Atlas Copco）公司大量投入，不斷開發(fā)并推出新產(chǎn)品。目前，瑞典、芬蘭、美國、日本、挪威等近20個國家的廠商均已開發(fā)出高性能的液壓鑿巖機器人，并得到廣泛應(yīng)用。

鑿巖機器人同傳統(tǒng)鑿巖設(shè)備相比，表現(xiàn)出明顯的優(yōu)越性。一是可以大范圍提高鑿巖效率。鑿巖機器人的智能鉆進系統(tǒng)可根據(jù)巖石情況自動調(diào)節(jié)鑿巖參數(shù)，達到最佳匹配，有效提高鑿巖速度，同時減少人工更換鑿巖位置造成的延遲，從而提高了鑿巖效率。二是可以提高操作人員和設(shè)備的安全性。通過遠距離遙控操縱鑿巖機器人，可以在人難以進入或者事故風險較大的工作地點減少人工作業(yè)。鑿巖機器人的故障診斷裝置可在設(shè)備出現(xiàn)故障隱患時報警，提醒操作人員注意，并能指示故障發(fā)生位置，以便及時維修，減少設(shè)備帶病運行產(chǎn)生更大故障的可能。三是可以改善工人作業(yè)條件，提高作業(yè)環(huán)保性能。鑿巖機器人根據(jù)設(shè)定程序自動進行鑿巖作業(yè)，不需工人進行頻繁觀察和選擇等操作，使工人可以脫離鑿巖現(xiàn)場的灰塵、潮濕、噪聲等惡劣條件，采用電池驅(qū)動，也為現(xiàn)場工作人員創(chuàng)造了更環(huán)保的作業(yè)環(huán)境。

網(wǎng)絡(luò)化、智能化、模塊化成為鑿巖機器人的發(fā)展方向。一方面，隨著科技的不斷發(fā)展，搭載網(wǎng)絡(luò)通信作業(yè)功能的新一代鑿巖機器人，逐步實現(xiàn)了遠程控制和智能化調(diào)度功能，可通過網(wǎng)絡(luò)下載新的工作任務(wù)與信息。一名工人可在安全地區(qū)控制兩三臺鑿巖機器人，現(xiàn)場控制與管理系統(tǒng)也能收集鑿巖機器人的實時工作數(shù)據(jù)，為動態(tài)調(diào)整工作方案提供支撐，顯著提高生產(chǎn)效率。另一方面，模塊化與系統(tǒng)化已成為鑿巖機器人的發(fā)展趨勢。大型跨國鑿巖機器人生產(chǎn)廠家在設(shè)計階段就開始采用模塊化的方法，并開發(fā)出種類齊全的產(chǎn)品系列。隨著裝備標準化及可靠性的不斷提升，裝備技術(shù)性能逐漸成熟，各道工序均實現(xiàn)機械化作業(yè)，鑿巖機器人將成為成套設(shè)備中的一部分，與其他設(shè)備組成更大的作業(yè)系統(tǒng)。

我國鑿巖機器人發(fā)展的機遇

下游應(yīng)用領(lǐng)域快速發(fā)展帶來旺盛的產(chǎn)品需求。鐵路、公路等基礎(chǔ)設(shè)施建設(shè)對我國穩(wěn)增長、調(diào)結(jié)構(gòu)、惠民生具有重要意義，其大規(guī)模投資更與礦產(chǎn)資源開發(fā)等密切相關(guān)。隨著“一帶一路”倡議及西部大開發(fā)新格局的加速推進，我國西部基礎(chǔ)設(shè)施的通暢性需要快速提高，多條山脈阻礙的交通網(wǎng)絡(luò)將集中建設(shè)，隧道施工成為必要一環(huán)，同時也面臨著改進生產(chǎn)工藝、提高生產(chǎn)效率、應(yīng)對勞動力價格上升等壓力。目前，我國的隧道工程數(shù)量及建設(shè)規(guī)模已躍居世界第一位，2019年我國新增開通運營線路鐵路隧道967座。此外，在城市建設(shè)中，以節(jié)約土地和保護環(huán)境為宗旨，城市地下綜合管廊、城市軌道交通建設(shè)方興未艾，這些都為鑿巖機器人帶來廣闊的市場空間。

政策落實推動設(shè)備技術(shù)水平提高。2016年印發(fā)的《中共中央國務(wù)院關(guān)于推進安全生產(chǎn)領(lǐng)域改革發(fā)展的意見》要求“開展事故預(yù)防理論研究和關(guān)鍵技術(shù)裝備研發(fā)，加快成果轉(zhuǎn)化和推廣應(yīng)用。推動工業(yè)機器人、智能裝備在危險工序和環(huán)節(jié)廣泛應(yīng)用?！?020年，工業(yè)和信息化部印發(fā)《關(guān)于進一步加強工業(yè)行業(yè)安全生產(chǎn)管理的指導意見》，提出“面向交通運輸、礦山開采、工程施工、危險品生產(chǎn)、應(yīng)急救援和城市安全等重點行業(yè)領(lǐng)域，組織實施安全（應(yīng)急）裝備應(yīng)用試點示范工程?！睙o論是趨于機器人應(yīng)用場景的拓展，還是礦山、工程施工等行業(yè)的轉(zhuǎn)型升級，鑿巖機器人作為具有代表性的高端設(shè)備，都亟須提高智能化、自動化水平和產(chǎn)品的可靠性來滿足現(xiàn)場應(yīng)用的各項技術(shù)要求。

本質(zhì)安全化的發(fā)展趨勢帶動產(chǎn)品應(yīng)用推廣。目前我國隧道施工以鉆爆法為主，隨著隧道建設(shè)量的增大，以及向西部和山區(qū)偏遠地區(qū)發(fā)展，高海拔、高溫、高地應(yīng)力等復雜地質(zhì)條件問題突出，對人員健康、安全保障和工程質(zhì)量造成嚴重危害。據(jù)原國家安全生產(chǎn)監(jiān)督管理總局統(tǒng)計，2013年至2017年10月，我國共發(fā)生隧道施工類事故（事件）39起，造成107人遇難、204人遇險，危害嚴重。面對隧道施工日趨嚴峻的安全生產(chǎn)形勢，如何減少隧道開挖面人員，提高施工機械化、智能化水平，通過應(yīng)用智能設(shè)備實現(xiàn)無人化作業(yè)，成為從根本上有效防范和遏制重特大事故、保障人員生命財產(chǎn)安全必須解決的問題。

我國鑿巖機器人發(fā)展面臨的挑戰(zhàn)

國際鑿巖設(shè)備巨頭企業(yè)加快在中國市場的布局，在高端產(chǎn)品領(lǐng)域占據(jù)大部分市場份額。目前國際鑿巖設(shè)備市場主要由瑞典Sandvik和Atlas Copco兩家公司占據(jù)全球大部分份額，并在技術(shù)上處于領(lǐng)先地位。國外大型跨國公司通過并購實現(xiàn)業(yè)務(wù)擴展，改進企業(yè)的組織結(jié)構(gòu)和產(chǎn)品結(jié)構(gòu)，加強和提升在優(yōu)勢領(lǐng)域的主導地位。Sandvik公司成立于1862年，自1996年以來先后并購了20余個國家的50多家公司，市場范圍遍布全球180多個國家，不僅提供鑿巖設(shè)備，還通過全球網(wǎng)絡(luò)提供一系列相關(guān)的消耗品和服務(wù)，并且每年投入大量資金進行持續(xù)創(chuàng)新。Atlas Copco成立于1873年，20世紀20年代開始以產(chǎn)品出口的方式涉足中國市場，到2017年該集團在中國已擁有45家公司、17家工廠、3家研發(fā)中心和200多家地方辦事處，2018年6月其成立獨立的公司Epiroc負責鑿巖業(yè)務(wù)的拓展，并以覆蓋全國各地的銷售、分銷、服務(wù)以及維修網(wǎng)絡(luò)作為其堅強后盾，不斷擴大在中國的市場占有率。此外，挪威AMV公司、日本古河（Furukawa）等都具有相當競爭力。

國內(nèi)產(chǎn)品短板明顯，智能化程度和配套服務(wù)能力仍有待提高。自2000年國內(nèi)第一臺具有電腦導向等功能的鑿巖臺車樣機被成功開發(fā)，經(jīng)過十幾年的發(fā)展與探索，我國鑿巖設(shè)備已經(jīng)初步形成了自己的產(chǎn)品規(guī)格與系列。但目前在系統(tǒng)先進、鑿巖速度快、整機結(jié)構(gòu)緊湊方面仍有待提升，尤其是方便在狹小的空間作業(yè)的中、小直徑液壓鑿巖設(shè)備，仍遠不能滿足需求。一些礦山和工程施工企業(yè)不得不花費巨資購買國外設(shè)備。而隨著國家對工程、礦山綠色施工的要求進一步加強，高效節(jié)能環(huán)保的智能化鑿巖機器人將越來越受市場青睞，而我國的該類產(chǎn)品與國外的相關(guān)同類產(chǎn)品在技術(shù)水平和產(chǎn)品可靠性方面存在一定差距，產(chǎn)品創(chuàng)新能力有待進一步加強與深入。此外，同國外企業(yè)以提供工程整體解決方案為出發(fā)點，以售后維護、部件更換、培訓、系統(tǒng)升級、融資方案、設(shè)備日常使用信息分析等產(chǎn)品使用全周期服務(wù)為支撐相對比，國內(nèi)企業(yè)產(chǎn)品配套服務(wù)發(fā)展滯后，未形成產(chǎn)品、價格、服務(wù)構(gòu)成的綜合競爭力。

對策建議

突破一批關(guān)鍵技術(shù)和零部件，提升核心系統(tǒng)高端化水平。一是加大對液壓元件、電機等核心部件研發(fā)的支持力度，加快突破關(guān)鍵共性零部件技術(shù)瓶頸。二是推動實現(xiàn)作業(yè)數(shù)據(jù)和環(huán)境數(shù)據(jù)的實時交互和遠程診斷，達到鑿巖機器人智能化、無人化遙控作業(yè)。三是制定與國際水平接軌的鑿巖機器人國家標準，提高產(chǎn)品質(zhì)量，促進產(chǎn)品科技進步和推廣應(yīng)用。

準確定位市場，打造個性化產(chǎn)品。一是企業(yè)要抓住新一輪西部大開發(fā)等發(fā)展戰(zhàn)略帶來的機遇，積極開拓國內(nèi)外市場，加大市場需求分析力度，提升解決方案供給能力。二是發(fā)展個性定制化模式，依托不同地區(qū)特點完善技術(shù)發(fā)展路線，打造差異化產(chǎn)品，以適應(yīng)不同施工建設(shè)要求。三是加強產(chǎn)業(yè)鏈上下游企業(yè)溝通，提升產(chǎn)品“設(shè)計—生產(chǎn)—交易—使用”各環(huán)節(jié)參與方的協(xié)作程度。

強化服務(wù)戰(zhàn)略，發(fā)展服務(wù)型生產(chǎn)企業(yè)。一是企業(yè)可通過信息化手段統(tǒng)一管理和服務(wù)指導，布局區(qū)域管控，提高服務(wù)效率。二是通過加強下游渠道的配件采購管理，加強銷售渠道和代理商管理，屏蔽市場不正當競爭等對企業(yè)利潤的沖擊。三是通過建立信息化服務(wù)平臺，打造專業(yè)的服務(wù)隊伍，提高服務(wù)水平。