智能建造機(jī)器人應(yīng)用技術(shù)分析

裴雪雯 譚希學(xué)

1.北京工業(yè)大學(xué)，中國·北京 100124

2.北京建筑大學(xué)，中國·北京 102600

1 引言

隨著時(shí)代的不斷發(fā)展，科技的不斷進(jìn)步，近些年，中國逐漸拉開智能信息化時(shí)代的序幕，智能化、數(shù)字化技術(shù)被引入工業(yè)生產(chǎn)的方方面面，在提升人們生活水平的同時(shí)，也加快了產(chǎn)品更新?lián)Q代的速度，提高了生產(chǎn)效率，為工業(yè)技術(shù)的轉(zhuǎn)型升級(jí)提供了保障。智能建造機(jī)器人作為信息技術(shù)與制造業(yè)技術(shù)相結(jié)合的產(chǎn)物，在提高建造效率的同時(shí)，也為未來中國制造業(yè)指明了發(fā)展方向[1]。機(jī)器人是智能建造技術(shù)應(yīng)用的關(guān)鍵性載體，是自動(dòng)執(zhí)行建造操作的機(jī)器裝置，機(jī)器人可以接受工作人員發(fā)出的相關(guān)指令，同時(shí)也可以運(yùn)行預(yù)先編好的操作程序，有效協(xié)助或替代工人在工程建造施工中的工作。對(duì)于建造智能機(jī)器人而言，其基本構(gòu)件與其他工業(yè)機(jī)器人無明顯差異。智能機(jī)器人的使用能有效提高項(xiàng)目建造施工的高效性、安全性、降低建造成本，成為確保工人安全，提升工程質(zhì)量的重要措施。

2 智能建造機(jī)器人現(xiàn)狀分析

自2000年以來工業(yè)機(jī)器人技術(shù)在中國各個(gè)生產(chǎn)領(lǐng)域均取得了顯著進(jìn)展，越來越多的企業(yè)利用機(jī)器人生產(chǎn)產(chǎn)品，減少傳統(tǒng)勞動(dòng)力的投入，壓縮制造成本，實(shí)現(xiàn)產(chǎn)品的最大化收益。據(jù)不完全統(tǒng)計(jì)，截至2018年年底，有120余家上市公司采購或成立了機(jī)器人生產(chǎn)項(xiàng)目，當(dāng)前使用工業(yè)機(jī)器人開展生產(chǎn)的企業(yè)甚至超過了4600多家[2]。國內(nèi)機(jī)器人市場(chǎng)以34%～37%的年均速度升高。近年來，隨著建筑行業(yè)建造成本的不斷增加，加之中國對(duì)該產(chǎn)業(yè)的政策導(dǎo)向，導(dǎo)致建造行業(yè)利潤大大降低。

3 智能建造機(jī)器人應(yīng)用技術(shù)

3.1 構(gòu)建智能化建造環(huán)境

當(dāng)下隨著中國智能制造領(lǐng)域的不斷向前推進(jìn)，對(duì)構(gòu)建大數(shù)據(jù)管理平臺(tái)有著較高的熱情，政府相關(guān)部門也對(duì)企業(yè)的智能制造投入給予了一定的支持與幫助。而構(gòu)建智能化建造環(huán)境，有以下幾項(xiàng)關(guān)鍵技術(shù)。①機(jī)器人技術(shù)，要想實(shí)現(xiàn)建造領(lǐng)域的智能化、數(shù)字化，機(jī)器人是必不可少的實(shí)踐工具；②人工智能技術(shù)，工業(yè)制造領(lǐng)域的智能制造簡單而言就是數(shù)字化技術(shù)與制造業(yè)的相互融合，用智能技術(shù)有效解決制造業(yè)所遇到的問題，更加明顯地體現(xiàn)了人工智能在工業(yè)生產(chǎn)中的重要性；③網(wǎng)絡(luò)技術(shù)與數(shù)字化技術(shù)，就工業(yè)制造領(lǐng)域而言，要以制造技術(shù)、產(chǎn)品設(shè)計(jì)為基礎(chǔ)，積極引入信息化、數(shù)字化等新型技術(shù)，提高工業(yè)產(chǎn)品的設(shè)計(jì)與制造能力，滿足市場(chǎng)的需求。智能建造為工業(yè)生產(chǎn)高端制造裝備提供了新方向，工業(yè)機(jī)器人與數(shù)字化生產(chǎn)車間是智能建造領(lǐng)域的重要內(nèi)容[3]。全面依托智能建造機(jī)器人技術(shù)的推廣，不僅能有效提升建造機(jī)器人的智能化工作水平，還能替代人力生產(chǎn)。數(shù)字化生產(chǎn)車間概念的宗旨首先是機(jī)器人代替工人生產(chǎn)，再逐步推動(dòng)生產(chǎn)的自動(dòng)化，將原本生產(chǎn)的機(jī)械設(shè)備全部更換為自動(dòng)化生產(chǎn)設(shè)備，最后完成整個(gè)生產(chǎn)流程的集成化、智能化生產(chǎn)。

3.2 智能建造機(jī)器人技術(shù)的發(fā)展趨勢(shì)

當(dāng)下，在工業(yè)智能領(lǐng)域智能建造機(jī)器人技術(shù)已無法脫離信息化與數(shù)字化技術(shù)，可以說，上述兩項(xiàng)技術(shù)為智能機(jī)器人在工業(yè)制造領(lǐng)域的發(fā)展提供了重要支撐。智能建造的原型是實(shí)現(xiàn)工業(yè)生產(chǎn)全過程的自動(dòng)化，相反現(xiàn)代工業(yè)生產(chǎn)的自動(dòng)化發(fā)展方向是向著智能建造化發(fā)展的，兩者的差別之處是智能建造在工業(yè)生產(chǎn)中的涉及范圍更加廣泛，技術(shù)的應(yīng)用更加復(fù)雜、多樣，但歸根結(jié)底也是智能建造自動(dòng)化的一種創(chuàng)新與進(jìn)步。工業(yè)生產(chǎn)的自動(dòng)化將逐步進(jìn)入人工智能生產(chǎn)技術(shù)領(lǐng)域，實(shí)現(xiàn)對(duì)產(chǎn)品的轉(zhuǎn)型升級(jí)，專家以數(shù)字化設(shè)計(jì)為基礎(chǔ)，再交由生產(chǎn)線機(jī)器人進(jìn)行生產(chǎn)。在產(chǎn)品的生產(chǎn)期間，數(shù)字化平臺(tái)的應(yīng)用是人工智能生產(chǎn)技術(shù)成果實(shí)施的關(guān)鍵?，F(xiàn)代計(jì)算機(jī)技術(shù)已相當(dāng)成熟，雖然專家在計(jì)算機(jī)方面的一些設(shè)想還未真正實(shí)現(xiàn)，但就目前的發(fā)展現(xiàn)狀而言，計(jì)算機(jī)已與人工智能領(lǐng)域相融合，成為推動(dòng)現(xiàn)代工業(yè)發(fā)展的重要力量[4]。計(jì)算機(jī)技術(shù)作為人工智能在工業(yè)制造領(lǐng)域發(fā)展的基礎(chǔ)，可以通過開發(fā)計(jì)算機(jī)應(yīng)用技術(shù)控制機(jī)械化設(shè)備生產(chǎn)，確保其產(chǎn)品符合工業(yè)生產(chǎn)的需要。在高精度工業(yè)產(chǎn)品的生產(chǎn)過程中，使得計(jì)算機(jī)技術(shù)得到更好的利用，確保產(chǎn)品的質(zhì)量滿足客戶及市場(chǎng)的需求。

3.3 智能建造機(jī)器人應(yīng)用關(guān)鍵技術(shù)

信息技術(shù)的不斷更新與發(fā)展推動(dòng)智能建造機(jī)器人技術(shù)的愈加成熟，其智能控制程度、人機(jī)互動(dòng)程度的不斷提高，更是大大提升了現(xiàn)代工業(yè)的生產(chǎn)效率。同時(shí)，機(jī)器人技術(shù)在社會(huì)服務(wù)、宇宙探索及農(nóng)業(yè)生產(chǎn)等行業(yè)領(lǐng)域起著重要作用，帶動(dòng)機(jī)器人向著全面化、智能化方向發(fā)展。機(jī)器人可以根據(jù)其應(yīng)用功能的不同分為交互型、傳感型、自主型等，也可根據(jù)智能程度的不同分為初級(jí)智能型、工業(yè)型、高級(jí)智能型[5]。面向工業(yè)生產(chǎn)領(lǐng)域，有多個(gè)機(jī)械操作手臂或具有自由度高的自動(dòng)化裝置的機(jī)器人被稱為工業(yè)生產(chǎn)機(jī)器人，其能夠根據(jù)相關(guān)的編程開展生產(chǎn)操作，通過連接數(shù)控機(jī)械裝置與遙控操縱裝置，依照提前設(shè)定好的數(shù)據(jù)參數(shù)進(jìn)行運(yùn)作?，F(xiàn)在多數(shù)工業(yè)機(jī)器人在實(shí)際生產(chǎn)應(yīng)用中都融入了信息化技術(shù)，能夠依照示范性動(dòng)作、傳感器負(fù)載狀況實(shí)現(xiàn)對(duì)工業(yè)產(chǎn)品生產(chǎn)流程的控制，提升產(chǎn)品質(zhì)量，采用2D與3D視覺傳達(dá)技術(shù)對(duì)操作臂的編制及修正動(dòng)作進(jìn)行有效反饋。當(dāng)下多家企業(yè)采用工業(yè)機(jī)器人代替人力，從事產(chǎn)品的生產(chǎn)，推動(dòng)了中國工業(yè)生產(chǎn)領(lǐng)域機(jī)器人的應(yīng)用高潮，探究其原因是由于勞動(dòng)力成本的逐漸上升，導(dǎo)致產(chǎn)品生產(chǎn)成本的升高，而使用機(jī)器人可以更好的解決上述問題[6]。

4 智能建造機(jī)器人技術(shù)的應(yīng)用步驟

首先，作為相關(guān)政府部門應(yīng)積極引進(jìn)智能建造機(jī)器人技術(shù)，大力推動(dòng)當(dāng)?shù)毓I(yè)制造技術(shù)的轉(zhuǎn)型升級(jí)，企業(yè)也應(yīng)緊跟政策步伐，積極學(xué)習(xí)與掌握智能建造機(jī)器人技術(shù)，并建立相關(guān)的智能化生產(chǎn)項(xiàng)目，促進(jìn)產(chǎn)品的更新?lián)Q代。建造智能機(jī)器人早已不是人們所簡單理解的一種新型生產(chǎn)技術(shù)，也不僅僅是一種新的生產(chǎn)方式，而是一種跨時(shí)代的生產(chǎn)模式與生產(chǎn)理念，是對(duì)傳統(tǒng)建筑技術(shù)的創(chuàng)新與升級(jí)。因此建造智能機(jī)器人應(yīng)用技術(shù)、智能數(shù)字化生產(chǎn)模式為工業(yè)生產(chǎn)帶來的不僅是工作效率的提升，也是生產(chǎn)理念的提升，該技術(shù)將會(huì)加快工業(yè)生產(chǎn)發(fā)展的腳步，改變工業(yè)格局。這一過程的實(shí)現(xiàn)，需要政府實(shí)施有效的引導(dǎo)，鼓勵(lì)與支持企業(yè)引進(jìn)智能建造機(jī)器人技術(shù)，并出臺(tái)相應(yīng)的政策與方針。可以通過為企業(yè)提供無息貸款等方式助推企業(yè)生產(chǎn)技術(shù)的創(chuàng)新與轉(zhuǎn)型，并由企業(yè)出資，建立以技術(shù)為依托、與企業(yè)三方合作為基礎(chǔ)的發(fā)展機(jī)制[7]。其次，建立中國工業(yè)制造機(jī)器人智能體驗(yàn)中心，幫助企業(yè)更加直觀的選擇智能建造設(shè)備，大大降低企業(yè)的市場(chǎng)投資失誤及長期產(chǎn)品調(diào)研等弊端。最后，選擇相關(guān)的產(chǎn)品生產(chǎn)企業(yè)作為推動(dòng)智能建造化技術(shù)的試點(diǎn)。試點(diǎn)成功后，采用以政府為相關(guān)引導(dǎo)的方式，劃定相關(guān)企業(yè)，將數(shù)字化、信息化及智能建造機(jī)器人技術(shù)引入產(chǎn)品的生產(chǎn)中，提升產(chǎn)品的質(zhì)量，促使企業(yè)核心競(jìng)爭(zhēng)力的提高，使其更好地占據(jù)市場(chǎng)份額，使同行業(yè)企業(yè)真正看到智能建造機(jī)器人帶給企業(yè)實(shí)實(shí)在在的變化與收益[8]。當(dāng)前全球工業(yè)化機(jī)器人的市場(chǎng)總值正以17%～28%的速度增長。工業(yè)制造產(chǎn)業(yè)是僅次于采礦業(yè)的第二大危險(xiǎn)行業(yè)，工業(yè)生產(chǎn)過程中存在勞動(dòng)力短缺、安全隱患大、生產(chǎn)效率低等問題，這些均成為阻礙企業(yè)發(fā)展的重要因素。在此情況下，實(shí)現(xiàn)機(jī)器人在工業(yè)生產(chǎn)領(lǐng)域的應(yīng)用有著光明的前景。當(dāng)下，傳統(tǒng)的制造行業(yè)生產(chǎn)模式逐漸會(huì)被高新技術(shù)所代替，促使其行業(yè)的革新與升級(jí)，使之向知識(shí)、數(shù)字密集型轉(zhuǎn)變。

5 智能建造機(jī)器人技術(shù)在建筑行業(yè)中的應(yīng)用優(yōu)勢(shì)

5.1 提高施工安全性

建筑作為一種較為傳統(tǒng)的生產(chǎn)行業(yè)，隨著時(shí)代的快速發(fā)展逐漸呈現(xiàn)出復(fù)雜化與高層化特征，加之建筑行業(yè)本身就存在高空作業(yè)與露天作業(yè)的要求，現(xiàn)場(chǎng)施工環(huán)境的不安全性及工人工作強(qiáng)度大，這些因素均是造成建筑行業(yè)事故高發(fā)的關(guān)鍵性因素。此外，隨著項(xiàng)目工程進(jìn)度的不確定性，造成風(fēng)險(xiǎn)因素難以防控，使之成為社會(huì)公認(rèn)的高危生產(chǎn)行業(yè)，相關(guān)從業(yè)人員的傷亡率僅次于采礦業(yè)。因此建筑行業(yè)已成為全球性的重大危險(xiǎn)職業(yè)。繁重的操作，日常工作環(huán)境中充斥著粉塵、泥漿、噪聲等，極大危害相關(guān)從業(yè)人員的身體健康，導(dǎo)致職業(yè)病高發(fā)[9]。建筑智能機(jī)器人是確保工人安全生產(chǎn)、提升工程建造品質(zhì)的必然措施。若要將建設(shè)工人從中解脫出來，就當(dāng)前的技術(shù)水平而言，機(jī)器人是破解這一難題的唯一方式。除此之外，借助機(jī)器人進(jìn)行建筑項(xiàng)目的實(shí)施可以輕松地將建筑原材料運(yùn)輸?shù)饺怂鶡o法到達(dá)的場(chǎng)所如水下、管道、高壓等環(huán)境。

5.2 提升施工高效性

目前建筑項(xiàng)目的施工中雖已大量引入機(jī)械自動(dòng)化生產(chǎn)設(shè)備，但更多的建造工序依靠人力來完成，因此導(dǎo)致項(xiàng)目的建造周期較長，少則數(shù)月，多則數(shù)年。而建筑智能機(jī)器人的使用可大幅度提高建設(shè)效率，以德國標(biāo)準(zhǔn)民居為例，采用傳統(tǒng)建造施工技術(shù)需耗時(shí)6～10個(gè)月，而采用新型智能建造機(jī)器人可有效將建造周期縮短至4～7個(gè)月。智能建造機(jī)器人不僅能有效縮短建造工期，還能在地震、洪水等災(zāi)難后快速搭建臨時(shí)居所，為當(dāng)?shù)鼐用裉峁┗A(chǔ)性生活保障。

5.3 降低項(xiàng)目建造成本

在建筑行業(yè)中人工費(fèi)用支出占建造成本的比例較大，在一些傳統(tǒng)建筑領(lǐng)域可以采用智能建造機(jī)器人代替操作工人，在新的建設(shè)工序中也可以設(shè)計(jì)出工作效率更高的機(jī)器人，有效降低人工成本。此外，建筑行業(yè)是一種資源密集型產(chǎn)業(yè)，傳統(tǒng)的手工作業(yè)方式在操作中過于粗放，在建設(shè)過程無法對(duì)建筑用材實(shí)施精準(zhǔn)控制，從而導(dǎo)致建筑原材料的浪費(fèi)。據(jù)美國相關(guān)部門調(diào)查與預(yù)算得出，一棟普通的居民樓在建造過程中的原材料浪費(fèi)率高達(dá)35%。另外，當(dāng)前對(duì)于老舊建造設(shè)施的拆除還未形成資源利用與回收的觀念，除鋼筋等少數(shù)可循環(huán)使用的建材外，其他拆除物均以垃圾的形式被填埋[10]。若采用智能建造機(jī)器人可替代人工作業(yè)，通過對(duì)項(xiàng)目施工前的設(shè)計(jì)與計(jì)算，實(shí)現(xiàn)建造的精細(xì)化，大幅度降低項(xiàng)目建造原材料的使用，利用智能建造機(jī)器人還可實(shí)現(xiàn)對(duì)老舊建筑材料的再利用，這將大大縮減建造成本，也符合節(jié)約型社會(huì)的時(shí)代旋律。從工程造價(jià)的專業(yè)角度而言，建筑智能機(jī)器人的使用是實(shí)現(xiàn)項(xiàng)目高收益的關(guān)鍵措施；從資源利用角度而言，智能建造機(jī)器人完全符合當(dāng)下社會(huì)對(duì)資源節(jié)約的價(jià)值追求。

6 智能建造機(jī)器人行業(yè)未來的發(fā)展趨勢(shì)

從全球主要類別機(jī)器人銷量來看，建筑智能機(jī)器人占較大比重，2006—2012年全世界建筑智能機(jī)器人每年平均銷售224臺(tái)，從整體銷售趨勢(shì)來看，2004—2016年智能機(jī)器人銷售量呈逐年上升趨勢(shì)，從同比增長率角度來看，2005—2010年期間出現(xiàn)大幅度上升趨勢(shì)，相較于2007年，2008年同比增長率達(dá)103.24%，而2011年有所下降。綜上分析，全球?qū)χ悄芙ㄔ鞕C(jī)器人的需求量呈逐年上升趨勢(shì)，基本可以維持年均200臺(tái)左右的銷售量，大大推動(dòng)了當(dāng)下建筑行業(yè)的技術(shù)革新與建造效率。

7 結(jié)語

總體而言，智能制造與機(jī)器人應(yīng)用技術(shù)的相互融合是推動(dòng)現(xiàn)代工業(yè)生產(chǎn)與建筑行業(yè)快速騰飛的重要因素。該項(xiàng)技術(shù)的發(fā)展為新世紀(jì)人類的進(jìn)步添上了濃厚的一筆。隨著工業(yè)4.0時(shí)代的向前邁進(jìn)，加之中國對(duì)智能建造行業(yè)的大力支持與政策鼓勵(lì)，為智能化生產(chǎn)建造提供了有力條件，智能建造機(jī)器人被更多地投入到生產(chǎn)領(lǐng)域是未來工業(yè)發(fā)展的必然趨勢(shì)，工業(yè)的發(fā)展也將在未來幾年迎來發(fā)展的黃金時(shí)期，助力中國經(jīng)濟(jì)的大幅度提升，對(duì)傳統(tǒng)生產(chǎn)模式造成一定沖擊，極大提高時(shí)代生產(chǎn)力。當(dāng)下智能建造機(jī)器人技術(shù)還未完全普及，在發(fā)展與實(shí)施過程中存在諸多問題，但相信本著以客觀事實(shí)為依據(jù)的發(fā)展理念，就會(huì)推動(dòng)智能建造機(jī)器人在多種生產(chǎn)領(lǐng)域的應(yīng)用，相信在不久的未來，智能建造機(jī)器人必定會(huì)實(shí)現(xiàn)人機(jī)協(xié)調(diào)、互融發(fā)展的全新時(shí)代。