人機(jī)合作背景下建筑機(jī)器人的施工策略研究*

段 瀚,陳琳欣,郭紅領(lǐng)

(1.清華大學(xué)建設(shè)管理系,北京 100084; 2.廣東博嘉拓建筑科技有限公司,廣東 佛山 528000;3.廣東博智林機(jī)器人有限公司,廣東 佛山 528000)

0 引言

近年來,國(guó)家發(fā)布多項(xiàng)指導(dǎo)意見,鼓勵(lì)和推廣建筑業(yè)與人工智能、數(shù)字技術(shù)等深度融合。2020年7月,住房和城鄉(xiāng)建設(shè)部發(fā)布《關(guān)于推動(dòng)智能建造與建筑工業(yè)化協(xié)同發(fā)展的指導(dǎo)意見》,以建筑業(yè)高質(zhì)量發(fā)展為整體目標(biāo),以建筑工業(yè)化為載體,借助智能化、數(shù)字化技術(shù)手段,拓寬智能建造在施工生產(chǎn)環(huán)節(jié)的應(yīng)用。2023年2月,國(guó)務(wù)院印發(fā)《質(zhì)量強(qiáng)國(guó)建設(shè)綱要》,強(qiáng)調(diào)社會(huì)發(fā)展重心由量向質(zhì)的演進(jìn),鼓勵(lì)建筑業(yè)加大先進(jìn)建造技術(shù)前瞻性研究力度和研發(fā)投入,同時(shí)通過先進(jìn)建造設(shè)備和智能建造方式的推廣與應(yīng)用,提升建設(shè)工程質(zhì)量水平與安全性能。

與此同時(shí),當(dāng)前新一代信息技術(shù)、材料技術(shù)、生物技術(shù)等科技發(fā)展,為機(jī)器人產(chǎn)業(yè)的升級(jí)換代注入強(qiáng)勁動(dòng)力,機(jī)器人儼然成為建筑業(yè)智能化的重要抓手,具備十分重要的研究與應(yīng)用價(jià)值。2021年12月工業(yè)和信息化部等15個(gè)部委印發(fā)《“十四五”機(jī)器人產(chǎn)業(yè)發(fā)展規(guī)劃》,提出加強(qiáng)機(jī)器人核心技術(shù)攻關(guān),夯實(shí)產(chǎn)業(yè)發(fā)展基礎(chǔ),增加高端產(chǎn)品供給,拓展應(yīng)用深度、廣度,優(yōu)化產(chǎn)業(yè)組織結(jié)構(gòu)等主要任務(wù),推動(dòng)建筑機(jī)器人向中高端發(fā)展。2023年1月工業(yè)和信息化部等17個(gè)部門聯(lián)合發(fā)布《“機(jī)器人+”應(yīng)用行動(dòng)實(shí)施方案》,旨在深化重點(diǎn)領(lǐng)域“機(jī)器人+”應(yīng)用,提出研制覆蓋建筑生產(chǎn)全周期的作業(yè)類、運(yùn)輸類、安裝類等建筑機(jī)器人產(chǎn)品,并提高機(jī)器人對(duì)特殊自然條件、大型復(fù)雜場(chǎng)景的適應(yīng)性。

建筑機(jī)器人機(jī)械裝置由電器設(shè)備、電氣系統(tǒng)、電氣傳動(dòng)控制裝置、末端系統(tǒng)執(zhí)行機(jī)構(gòu)等組成,集成傳感、視覺、導(dǎo)航、作業(yè)控制系統(tǒng)、算法等技術(shù)實(shí)現(xiàn)自主作業(yè)(見圖1)。建筑機(jī)器人及相關(guān)技術(shù)的融合發(fā)展進(jìn)一步推動(dòng)了施工生產(chǎn)自動(dòng)化與數(shù)字化,形成涵蓋設(shè)計(jì)、生產(chǎn)、管理、運(yùn)維全周期的智能建造模式。建筑機(jī)器人+BIM技術(shù),隨著工程進(jìn)展最終形成面向建筑生命周期的完整建筑信息模型[1],其通過將建筑全生命周期過程中產(chǎn)生的信息數(shù)字化,充分利用先進(jìn)的數(shù)字技術(shù),從全行業(yè)角度進(jìn)行變革創(chuàng)新[2]。BIM是一個(gè)包含建設(shè)項(xiàng)目物理特性與功能特性的數(shù)字模型[3],既能為建筑機(jī)器人提供準(zhǔn)確施工路徑,也能有效規(guī)避施工流水間相互沖突。另外,建筑機(jī)器人多機(jī)聯(lián)動(dòng)技術(shù)的發(fā)展也將進(jìn)一步釋放生產(chǎn)力。以墻磚鋪貼作業(yè)為例,在工序移交階段,測(cè)量機(jī)器人借助視覺、傳感等技術(shù)對(duì)移交工作面空間數(shù)據(jù)進(jìn)行復(fù)測(cè),同步對(duì)深化設(shè)計(jì)進(jìn)行二次修正,增強(qiáng)設(shè)計(jì)與生產(chǎn)環(huán)節(jié)間的協(xié)同,突出數(shù)字化設(shè)計(jì)與建筑物理狀態(tài)的實(shí)時(shí)交互性;同時(shí),測(cè)量機(jī)器人可生成質(zhì)量熱力圖,并通過云端共享數(shù)據(jù),為打磨機(jī)器人的作業(yè)提供準(zhǔn)確作業(yè)定位等參數(shù),有效提高打磨修補(bǔ)效率和質(zhì)量。建筑機(jī)器人本體技術(shù)及相關(guān)技術(shù)的成果與發(fā)展,不僅將傳統(tǒng)勞動(dòng)力從危險(xiǎn)、繁重體力勞動(dòng)中解放出來,而且推動(dòng)了產(chǎn)業(yè)鏈條數(shù)字化、自動(dòng)化、智能化的轉(zhuǎn)變,優(yōu)化工程進(jìn)度、成本、資源、安全的管理,以實(shí)現(xiàn)工程精細(xì)化管理[4]。

盡管我國(guó)建筑機(jī)器人的研發(fā)與應(yīng)用已取得一定成果,但在機(jī)器人深度應(yīng)用方面還存在諸多障礙。本文以墻面瓷磚鋪貼工程為例,通過分析傳統(tǒng)施工作業(yè)特點(diǎn)及問題,研究建筑機(jī)器人技術(shù)對(duì)傳統(tǒng)施工生產(chǎn)方式的優(yōu)化方式及相應(yīng)人機(jī)合作策略,為建筑機(jī)器人深度應(yīng)用提供參考。

1 墻面瓷磚鋪貼施工特點(diǎn)分析

1.1 組織特征

我國(guó)建筑業(yè)經(jīng)過長(zhǎng)期發(fā)展,已形成木工、油工、瓦工等主要工種及工序分工。在較穩(wěn)定生產(chǎn)水平下,施工工序劃分相對(duì)固化,生產(chǎn)主體通常根據(jù)作業(yè)工藝、作業(yè)條件、管理難度等進(jìn)行工序劃分。但這種粗放組織方式在一定程度上限制了分工的細(xì)化發(fā)展。

在住宅裝修領(lǐng)域,由于量?jī)r(jià)關(guān)系、施工管理等因素,墻磚與地磚鋪貼通常呈統(tǒng)一發(fā)包與承包的特征(見圖2)。首先,墻磚鋪貼相對(duì)于地磚鋪貼施工難度更大,因此其人工單價(jià)一般比地磚鋪貼作業(yè)高。出于對(duì)量?jī)r(jià)關(guān)系的考量,市場(chǎng)偏好將墻磚、地磚鋪貼工程進(jìn)行統(tǒng)一發(fā)(承)包,以降低成本投入。其次,墻磚與地磚鋪貼具有較高互通性,統(tǒng)一承包、發(fā)包能降低生產(chǎn)各方管理難度,有利于提高各方溝通效率。因此,墻磚與地磚鋪貼長(zhǎng)期以來在市場(chǎng)上一般呈現(xiàn)出整體性發(fā)包與承包組織特征,而這種組織特征也使墻磚鋪貼工序難以進(jìn)一步細(xì)化。

圖2 傳統(tǒng)墻磚鋪貼所呈現(xiàn)的施工特點(diǎn)

1.2 生產(chǎn)特征

住宅建造涵蓋多個(gè)專業(yè)線條,主要包括土建、裝修與安裝3大板塊。工程參與方由于數(shù)量多且相互獨(dú)立,缺乏協(xié)作動(dòng)力和機(jī)制,難以形成一致的價(jià)值目標(biāo),這導(dǎo)致跨專業(yè)間作業(yè)耦合程度低,質(zhì)量問題頻發(fā)并深度影響關(guān)聯(lián)專業(yè)作業(yè)的質(zhì)量、成本、進(jìn)度,使更為高效的專業(yè)工序縱向流水缺乏形成條件。

土建與裝修間存在強(qiáng)相關(guān)關(guān)系,裝修作業(yè)質(zhì)量與進(jìn)度受制于土建移交的基層質(zhì)量與時(shí)間節(jié)點(diǎn)(見圖2)。土建移交基層質(zhì)量問題往往影響裝修作業(yè)流水的形成與持續(xù)性,土建作業(yè)工期延長(zhǎng)與整改也將影響裝修作業(yè)的計(jì)劃排程。首先,墻體垂平度、方正度不達(dá)標(biāo)與基層空鼓是土建移交裝修階段的常見問題,通常導(dǎo)致后續(xù)裝修材料浪費(fèi)并影響裝修觀感;其次,對(duì)土建質(zhì)量問題的整改需耗費(fèi)額外時(shí)間及成本。因此,土建基層質(zhì)量及整改進(jìn)度問題導(dǎo)致無法批量移交裝修,進(jìn)一步導(dǎo)致流水作業(yè)面缺失。

1.3 場(chǎng)景特征

作業(yè)場(chǎng)景復(fù)雜性是施工生產(chǎn)的主要特征之一,主要體現(xiàn)在高生產(chǎn)難度及高環(huán)境動(dòng)態(tài)性。各要素的無序流動(dòng)削弱了管理體系對(duì)生產(chǎn)作業(yè)的控制力,限制了作業(yè)流水化發(fā)展。

在住宅建筑中,墻面瓷磚鋪貼的作業(yè)場(chǎng)景十分復(fù)雜(見圖2)。首先,其主要應(yīng)用于廚衛(wèi)等空間,用于阻斷水汽、油污等因子對(duì)墻面的腐蝕,此類型區(qū)域一般空間局促、水電氣線路復(fù)雜。同時(shí),廚衛(wèi)狹小空間內(nèi)劃分有多個(gè)功能分區(qū),這導(dǎo)致作業(yè)面被分割為多個(gè)不規(guī)則作業(yè)面,進(jìn)一步加大了墻磚鋪貼作業(yè)難度。其次,作業(yè)場(chǎng)景承載大量生產(chǎn)要素,且各要素相互獨(dú)立并自發(fā)展開作業(yè),其流動(dòng)具有隨機(jī)性和不可控性。以人力要素為例,鋪貼作業(yè)涉及切、搬、拌、貼等多個(gè)工序,這導(dǎo)致在同一作業(yè)場(chǎng)景下有多人同時(shí)作業(yè),且作業(yè)人員往往按主觀即時(shí)判斷隨機(jī)切換作業(yè)面,以此提高個(gè)人作業(yè)效率。這極大地提高了工序間沖突概率,難以滿足流水生產(chǎn)對(duì)作業(yè)連續(xù)性的要求。

2 建筑機(jī)器人驅(qū)動(dòng)的組織優(yōu)化

結(jié)合上述施工特點(diǎn)分析,建筑機(jī)器人的發(fā)展能賦能于串聯(lián)施工生產(chǎn)中的關(guān)鍵要素,穩(wěn)定施工生產(chǎn)質(zhì)量及打通項(xiàng)目管理數(shù)字化鏈接[5],推動(dòng)施工生產(chǎn),實(shí)現(xiàn)數(shù)字化移交、流水化組織、標(biāo)準(zhǔn)化作業(yè)與網(wǎng)絡(luò)化管理(見圖3)。

圖3 基于建筑機(jī)器人發(fā)展的全局?jǐn)?shù)字化

2.1 數(shù)字化移交

在土建移交裝修驗(yàn)收階段,往往采取人工檢測(cè)基層質(zhì)量,但傳統(tǒng)人工檢測(cè)存在弊端,如檢測(cè)面遺漏率高、數(shù)據(jù)歸集無序等。對(duì)此,測(cè)量機(jī)器人的應(yīng)用能有效優(yōu)化上述問題。測(cè)量機(jī)器人運(yùn)用AI測(cè)量算法處理技術(shù)和模擬人工測(cè)量規(guī)則完成實(shí)測(cè)實(shí)量任務(wù),保障測(cè)量范圍精準(zhǔn)覆蓋。同時(shí),其測(cè)量數(shù)據(jù)能實(shí)現(xiàn)云端即時(shí)上傳與儲(chǔ)存,并生成數(shù)據(jù)報(bào)表與進(jìn)度及工效分析。測(cè)量機(jī)器人集成的建筑空間數(shù)據(jù)通過系統(tǒng)平臺(tái)進(jìn)行數(shù)字化處理,并為作業(yè)類建筑機(jī)器人提供精確的基礎(chǔ)信息參數(shù),為機(jī)器人自動(dòng)化作業(yè)提供前置準(zhǔn)備工作。進(jìn)一步地,機(jī)器人驅(qū)動(dòng)下的數(shù)字化移交推動(dòng)形成建造過程各環(huán)節(jié)數(shù)字化鏈接,使建造全生命周期數(shù)據(jù)可追溯,有效保障復(fù)雜工程質(zhì)量水平及工序間作業(yè)面移交效率。

2.2 流水化組織

流水施工是指將工程在橫向劃分為若干個(gè)施工段,在縱向劃分成若干個(gè)施工層[6],按作業(yè)特點(diǎn)和施工目標(biāo)組織有序鋪排作業(yè)次序。首先,建筑機(jī)器人的應(yīng)用使施工生產(chǎn)效率趨于穩(wěn)定,管理平臺(tái)可根據(jù)各款建筑機(jī)器人作業(yè)特點(diǎn)、工藝要求、材料特性等實(shí)施多機(jī)協(xié)同的流水組織,以及機(jī)器人端到端數(shù)字化鏈接。同時(shí),項(xiàng)目全生命周期管理信息的數(shù)字化與可視化進(jìn)一步推動(dòng)科學(xué)策劃,支持合理制定和修正施工進(jìn)度計(jì)劃、物料管理計(jì)劃、人員需求計(jì)劃等,形成可落地的智能化流水生產(chǎn)組織方案。流水化組織將繁雜的管理程序化,降低項(xiàng)目管理難度,提高管理精準(zhǔn)度,推動(dòng)管理效率有效提升。

2.3 標(biāo)準(zhǔn)化作業(yè)

標(biāo)準(zhǔn)化是通過細(xì)化、量化和優(yōu)化而設(shè)計(jì)成為標(biāo)準(zhǔn)化的作業(yè)程序[7]。操作者按標(biāo)準(zhǔn)化作業(yè)程序進(jìn)行操作,管理人員按其檢查操作者對(duì)標(biāo)準(zhǔn)的執(zhí)行情況,從而可最大限度地避免異常情況發(fā)生[8]。建筑機(jī)器人程序化的任務(wù)獲取與執(zhí)行方式為建筑業(yè)標(biāo)準(zhǔn)化作業(yè)提供了基礎(chǔ),標(biāo)準(zhǔn)化作業(yè)成為推動(dòng)產(chǎn)業(yè)升級(jí)的重要因素。一方面,建筑機(jī)器人標(biāo)準(zhǔn)化作業(yè)有效規(guī)避傳統(tǒng)人工個(gè)體因素對(duì)作業(yè)質(zhì)量的影響,包括作業(yè)經(jīng)驗(yàn)、身體狀態(tài)、精神狀態(tài)等,一定程度上保障作業(yè)質(zhì)量的高水平與高穩(wěn)定性。另一方面,標(biāo)準(zhǔn)化作業(yè)經(jīng)過一定基數(shù)的實(shí)踐經(jīng)驗(yàn)后,可通過回收作業(yè)執(zhí)行產(chǎn)生的數(shù)據(jù)建立模型供管理系統(tǒng)學(xué)習(xí)和進(jìn)化,賦予管理系統(tǒng)深度學(xué)習(xí)功能,不斷修正作業(yè)標(biāo)準(zhǔn),增強(qiáng)作業(yè)標(biāo)準(zhǔn)對(duì)復(fù)雜場(chǎng)景、復(fù)雜任務(wù)的適用性。

2.4 網(wǎng)絡(luò)化管理

隨著智能一體化施工模式的推廣應(yīng)用,工程管理逐漸形成橫縱一體化的網(wǎng)絡(luò)化管理,資源配置效率極大提升。首先,網(wǎng)絡(luò)化管理通過生產(chǎn)信息的實(shí)時(shí)共享打破固有組織壁壘,推動(dòng)形成建設(shè)主體、生產(chǎn)主體與勞務(wù)主體實(shí)現(xiàn)橫向一體化,極大地提高橫向主體間協(xié)作效率與整體管理效率。另外,基于BIM模型及建筑機(jī)器人集成空間數(shù)據(jù),形成設(shè)計(jì)、生產(chǎn)、管理各環(huán)節(jié)的縱向一體化,能及時(shí)發(fā)現(xiàn)和處理生產(chǎn)過程中的異常情況,保障網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)高效運(yùn)行。充分發(fā)揮BIM、互聯(lián)網(wǎng)、區(qū)塊鏈、云計(jì)算等技術(shù)優(yōu)勢(shì),不斷推動(dòng)生產(chǎn)模式和組織方式變革,網(wǎng)絡(luò)化管理成為智能一體化施工模式的重要管理手段。

3 分工細(xì)化與人機(jī)合作策略

馬克思唯物史觀認(rèn)為,生產(chǎn)關(guān)系要與物質(zhì)生產(chǎn)力的一定發(fā)展階段相適合[9]。建筑機(jī)器人作為一種全新勞動(dòng)力形態(tài),正在深刻改變著建筑業(yè)生產(chǎn)組織方式。但與傳統(tǒng)制造業(yè)不同的是,建筑業(yè)施工現(xiàn)場(chǎng)采用產(chǎn)品不動(dòng)、設(shè)備移動(dòng)的生產(chǎn)方式[10],且施工生產(chǎn)環(huán)境往往較復(fù)雜多變?；谠O(shè)計(jì)圖紙預(yù)設(shè)作業(yè)程序的建筑機(jī)器人無法預(yù)判作業(yè)場(chǎng)景中突發(fā)的、無序的變化因素,因此建筑機(jī)器人難以實(shí)現(xiàn)完全自動(dòng)作業(yè)。這也意味著人與機(jī)器人間合作關(guān)系存在必要性[11],人機(jī)合作將在一定時(shí)間范圍內(nèi)成為建筑機(jī)器人應(yīng)用常態(tài)。同時(shí),隨著建筑機(jī)器人應(yīng)用深化及其所形成的數(shù)字化技術(shù)推動(dòng),也會(huì)不斷優(yōu)化人機(jī)分工與組織模式。結(jié)合不同生產(chǎn)場(chǎng)景和環(huán)節(jié),人機(jī)合作策略可分為界面分工與人機(jī)協(xié)作、工序分工與人機(jī)協(xié)同、決策分工與人機(jī)融合等(見圖4)。

圖4 分工細(xì)化與人機(jī)合作策略

3.1 界面分工與人機(jī)協(xié)作

在單個(gè)工序作業(yè)中,作業(yè)面的合理劃分與要素組織是效率提升的關(guān)鍵。人機(jī)協(xié)作是保障效率較優(yōu)的合作策略,通過合理劃分作業(yè)界面并充分發(fā)揮各自作業(yè)優(yōu)勢(shì)實(shí)現(xiàn)綜合效率最優(yōu)。在此過程中,建筑機(jī)器人牽引下的數(shù)字技術(shù)可實(shí)現(xiàn)2個(gè)核心功能,推動(dòng)形成高效的人機(jī)協(xié)作模式。首先,建筑機(jī)器人與BIM模型間的數(shù)字化鏈接推動(dòng)設(shè)計(jì)深化,打破設(shè)計(jì)端與作業(yè)端的專業(yè)壁壘,全面呈現(xiàn)作業(yè)面結(jié)構(gòu)信息,有效保證界面分工精度。其次,建筑機(jī)器人主要以數(shù)字指令作為作業(yè)依據(jù),其作業(yè)狀態(tài)及質(zhì)量具有較高穩(wěn)定性,使作業(yè)過程更可控,很大程度上避免了傳統(tǒng)作業(yè)時(shí)多要素之間相互干擾。

3.2 工序分工與人機(jī)協(xié)同

單工序人機(jī)協(xié)作帶來的效率提升,為人機(jī)合作在更廣范圍、更深層次的應(yīng)用奠定了基礎(chǔ),推動(dòng)了人機(jī)協(xié)同的作業(yè)模式,形成了更加豐富多元的多工序穿插縱向流水。人機(jī)協(xié)同以組織優(yōu)化為核心目標(biāo),旨在通過合理的工序任務(wù)分配建立人機(jī)間協(xié)同關(guān)系,提升縱向流水組織效率。首先應(yīng)對(duì)傳統(tǒng)工序進(jìn)行拆解與重組,形成基于人機(jī)合作的工序序列。其次,在空間與時(shí)間雙維度下對(duì)工序進(jìn)行分配,保障流水連續(xù)性。在空間維度上,通過優(yōu)化路徑規(guī)劃以避免人機(jī)協(xié)同過程中發(fā)生更復(fù)雜的干擾;在時(shí)間維度上,通過強(qiáng)化計(jì)劃排程的合理性與實(shí)時(shí)動(dòng)態(tài)性,使其既能滿足工藝規(guī)范要求,又可規(guī)避人機(jī)作業(yè)時(shí)間沖突或作業(yè)面閑置。

3.3 決策分工與人機(jī)融合

機(jī)器人本體技術(shù)與關(guān)聯(lián)技術(shù)和系統(tǒng)的深度聯(lián)合將進(jìn)一步推動(dòng)人機(jī)合作關(guān)系深化,逐步演進(jìn)為人機(jī)融合的人機(jī)合作高階狀態(tài)。此狀態(tài)中,人和機(jī)器通過直接接觸或間接交互方式,共享、協(xié)調(diào)、分配、使用物理空間和信息空間的資源與信息[12],并在此基礎(chǔ)上實(shí)現(xiàn)決策分工,降低生產(chǎn)管理難度。一方面,人機(jī)交互的信息交換過程為機(jī)器人自主學(xué)習(xí)提供了大量人工經(jīng)驗(yàn)與智慧,使建筑機(jī)器人獲得較強(qiáng)環(huán)境感知能力、學(xué)習(xí)能力,其可參與單任務(wù)下的簡(jiǎn)單決策。另一方面,建筑機(jī)器人集成計(jì)算機(jī)技術(shù)、人工智能技術(shù)可獲得大量可靠數(shù)據(jù)信息并反饋至管理人員,協(xié)助人工對(duì)復(fù)雜的系統(tǒng)性問題進(jìn)行分析與決策。

4 工程實(shí)踐

以廣州市ST項(xiàng)目一標(biāo)段裝修工程作為案例,探討人機(jī)合作策略工程實(shí)踐。該工程總建筑面積為11 964.67m2,主要施工對(duì)象為23層住宅建筑。其墻磚鋪貼工序共投入11臺(tái)智能設(shè)備,包括6臺(tái)墻磚鋪貼機(jī)器人、2臺(tái)測(cè)量機(jī)器人、3臺(tái)打磨機(jī)器人,并融合BIM、調(diào)度系統(tǒng)等關(guān)鍵技術(shù)。

4.1 前置深化與作業(yè)劃分

為使墻面鋪貼工程中的傳統(tǒng)人工與建筑機(jī)器人可充分發(fā)揮各自作業(yè)優(yōu)勢(shì),實(shí)現(xiàn)人機(jī)協(xié)作,ST項(xiàng)目首先采用BIM技術(shù)進(jìn)行前置深化,在此基礎(chǔ)上結(jié)合人機(jī)作業(yè)特點(diǎn)劃分人機(jī)作業(yè)界面。同時(shí),在三維模型中進(jìn)行虛擬鋪貼作業(yè),明確準(zhǔn)確作業(yè)量。以02戶型公衛(wèi)南向作業(yè)面為例,其鋪貼面積約為17m2,瓷磚規(guī)格為300mm×600mm,通過鋪貼模擬及設(shè)計(jì)優(yōu)化,明確該工作面共涉及55塊整磚及65塊切割磚鋪貼,并修正水電預(yù)留位、吊柜位置。完成前置深化后,結(jié)合作業(yè)面復(fù)雜程度、人機(jī)作業(yè)要求等對(duì)墻面進(jìn)行界面劃分,綜合機(jī)器人與人力的最優(yōu)方式,將作業(yè)面中部成片的整磚鋪貼面劃分為機(jī)器人作業(yè)面,而將邊角位置、水電開孔位置、部件交接位置的零散切割磚鋪貼面劃分為人工作業(yè)面,如圖5所示。傳統(tǒng)人工作業(yè)模式下平均作業(yè)效率為15m2/d,需耗時(shí)1.13d完成該作業(yè)面。而經(jīng)過合理的人機(jī)界面劃分,墻磚鋪貼的人機(jī)協(xié)作綜合作業(yè)效率達(dá)到3～4m2/h,5h內(nèi)即可完成該作業(yè)面墻磚鋪貼任務(wù)。

圖5 界面劃分與人機(jī)協(xié)作

前置深化將平面設(shè)計(jì)轉(zhuǎn)化為精準(zhǔn)的、具象的作業(yè)面,并模擬作業(yè)過程、計(jì)算具體作業(yè)量,明確單工序下人機(jī)協(xié)作作業(yè)目標(biāo)。合理的作業(yè)界面劃分使人機(jī)能充分發(fā)揮自身作業(yè)優(yōu)勢(shì),提高墻磚鋪貼作業(yè)標(biāo)準(zhǔn)化程度,同時(shí)降低勞動(dòng)強(qiáng)度與作業(yè)難度,為墻磚、地磚鋪貼統(tǒng)一發(fā)包與承包形式的拆分和精細(xì)化管理提供現(xiàn)實(shí)依據(jù)。

4.2 組織優(yōu)化與任務(wù)分配

多工序下人機(jī)協(xié)同面臨更復(fù)雜的作業(yè)環(huán)境,對(duì)組織優(yōu)化與人機(jī)任務(wù)分配提出了更高要求,以保障流水的連續(xù)性與效率。ST項(xiàng)目首先在土建移交階段采用測(cè)量機(jī)器人采集基層信息,然后生成質(zhì)量數(shù)據(jù)并聯(lián)動(dòng)打磨機(jī)器人對(duì)指定位置進(jìn)行不同深度的打磨作業(yè),使基層質(zhì)量最大限度地匹配墻磚鋪貼質(zhì)量及觀感要求。測(cè)量機(jī)器人與打磨機(jī)器人聯(lián)動(dòng)作業(yè)形成的數(shù)字化移交,突破了土建基層質(zhì)量對(duì)后續(xù)裝修作業(yè)的制約,改變零星移交為每5層一移交。同時(shí),機(jī)器人在2h續(xù)航作業(yè)中按固定工作節(jié)拍和預(yù)設(shè)的鋪貼角度、高度、力度進(jìn)行墻磚鋪貼標(biāo)準(zhǔn)化作業(yè)。為延伸和放大機(jī)器人流水效率,ST項(xiàng)目對(duì)人機(jī)進(jìn)行任務(wù)分配,將墻磚鋪貼工序拆解為前置準(zhǔn)備→機(jī)器人整鋪貼→人工切割磚鋪貼的順次作業(yè)任務(wù)(見圖6)。

圖6 工序劃分與人機(jī)協(xié)同

重構(gòu)后的工序任務(wù)對(duì)人機(jī)協(xié)同方案提出了更高要求,需充分保證計(jì)劃排程的合理性,同時(shí)優(yōu)化人機(jī)空間路徑規(guī)劃。ST項(xiàng)目為2梯6戶高層建筑,每層分布有3種戶型,各戶型分配2臺(tái)墻磚鋪貼機(jī)器人進(jìn)行交替作業(yè)以對(duì)沖機(jī)器人充電過程中產(chǎn)生的作業(yè)面空置;同時(shí),各戶匹配2名工人進(jìn)行切割磚鋪貼,每2名工人交替完成某一戶型的切割磚鋪貼。而在時(shí)間維度上,前置作業(yè)中刷涂界面劑后必須確?！?4h的靜置風(fēng)干,待作業(yè)面滿足鋪貼工藝要求后,鋪貼機(jī)器人方可進(jìn)場(chǎng)作業(yè)。同時(shí),為避免過多的人員流動(dòng)干擾鋪貼機(jī)器人激光接收器正常運(yùn)轉(zhuǎn),現(xiàn)場(chǎng)嚴(yán)格執(zhí)行機(jī)器退場(chǎng)人工進(jìn)場(chǎng)的交替進(jìn)退場(chǎng)模式,墻磚鋪貼效率大幅度提升。

以5層廚衛(wèi)墻磚鋪貼作業(yè)任務(wù)為例,鋪貼作業(yè)總面積為1 234.7m2,若按傳統(tǒng)作業(yè)模式,一般組織3人1組,共2組瓦工進(jìn)行作業(yè),平均單人作業(yè)效率為15m2/d,鋪貼作業(yè)用時(shí)13.7d。另外,前置工作中,人工測(cè)量平均工期為1d,打磨修整工期根據(jù)基層質(zhì)量水平有所浮動(dòng),平均工期為3d,一般總工期為17.8d,而在人機(jī)協(xié)同模式下,首先采用2臺(tái)測(cè)量機(jī)器人和3臺(tái)打磨機(jī)器人進(jìn)行前置作業(yè),同時(shí)劃分人機(jī)作業(yè)界面及作業(yè)任務(wù),測(cè)算出機(jī)器人作業(yè)面積為522.5m2,傳統(tǒng)人工作業(yè)面積為712.2m2,然后制訂和執(zhí)行人機(jī)穿插作業(yè)方案,共投入6臺(tái)鋪貼機(jī)器人及6名瓦工24h交替連續(xù)作業(yè),總工期為5d(見圖7)。以測(cè)量機(jī)器人與打磨機(jī)器人為核心的數(shù)字化移交打通了各工序間數(shù)字化鏈接,且標(biāo)準(zhǔn)化作業(yè)使各工序作業(yè)質(zhì)量趨于穩(wěn)定,削弱上一道工序質(zhì)量問題對(duì)下一道工序的制約。進(jìn)一步,基于人機(jī)協(xié)同作業(yè)重構(gòu)工序任務(wù)以塑造范圍更廣、效率更高的流水作業(yè)。

圖7 人機(jī)協(xié)同與傳統(tǒng)人工作業(yè)效率對(duì)比

4.3 管理細(xì)化與人機(jī)交互

為克服復(fù)雜環(huán)境、多元管理主體對(duì)人機(jī)合作流水的干擾,ST項(xiàng)目在施工過程中采用多機(jī)調(diào)度系統(tǒng)與倉(cāng)儲(chǔ)物流系統(tǒng)對(duì)接BIM建模系統(tǒng),形成融合機(jī)器人管理、任務(wù)分配與材料管理于一體的管理體系,并實(shí)現(xiàn)以機(jī)械控鍵及中控觸屏為介質(zhì)的人機(jī)交互。ST項(xiàng)目墻磚鋪貼工程首先通過BIM建模系統(tǒng)分析整體作業(yè)量,包括鋪貼數(shù)量及輔料用量,并利用倉(cāng)儲(chǔ)物流系統(tǒng)生成物料采購(gòu)、入庫(kù)、調(diào)度預(yù)案。其次,BIM系統(tǒng)能實(shí)時(shí)更新和反饋?zhàn)鳂I(yè)需求和設(shè)備需求,并動(dòng)態(tài)修正物料需求,最后聯(lián)動(dòng)多機(jī)調(diào)度系統(tǒng)下發(fā)工單。在此過程中,管理體系得以準(zhǔn)確記錄人、材、機(jī)等調(diào)度及作業(yè)數(shù)據(jù),使綜合效率可預(yù)判、可控制、可追溯。同時(shí),當(dāng)生產(chǎn)現(xiàn)場(chǎng)發(fā)生機(jī)器人無法自主處理的突發(fā)情況,可通過人機(jī)交互實(shí)現(xiàn)更具靈活性的人工監(jiān)督與干預(yù),保障了人機(jī)融合過程中的最優(yōu)狀態(tài)。人機(jī)交互本質(zhì)是信息的鏈接、處理與反饋,穩(wěn)定的網(wǎng)絡(luò)信號(hào)是實(shí)現(xiàn)人機(jī)交互的必要條件。在ST項(xiàng)目生產(chǎn)運(yùn)行中,由于網(wǎng)絡(luò)信號(hào)不穩(wěn)定、夜間 10:00 以后限速等情況導(dǎo)致多機(jī)調(diào)度系統(tǒng)、倉(cāng)儲(chǔ)物流系統(tǒng)、人機(jī)交互程序中斷,一定程度上擾亂了作業(yè)計(jì)劃與流水實(shí)施。

5 結(jié)語(yǔ)

建筑機(jī)器人技術(shù)的進(jìn)一步成熟,不僅會(huì)驅(qū)動(dòng)施工生產(chǎn)組織關(guān)系的不斷優(yōu)化,更會(huì)不斷細(xì)化人機(jī)分工與合作。本研究通過對(duì)墻面瓷磚鋪貼工程的組織特征、生產(chǎn)特征與場(chǎng)景特征的梳理,明確了建筑機(jī)器人驅(qū)動(dòng)的組織優(yōu)化內(nèi)容,以及人機(jī)協(xié)作、協(xié)同與融合等不同層級(jí)的合作策略。工程實(shí)踐表明,單純的由人或由機(jī)器人形成的實(shí)施技術(shù)路線均存在一定局限性,人機(jī)共存將長(zhǎng)期存在,人機(jī)不同合作策略會(huì)隨著機(jī)器人的技術(shù)發(fā)展與建造端組織演進(jìn)呈現(xiàn)出動(dòng)態(tài)變化,而人機(jī)友好、交互的良性合作才能形成機(jī)器人深度應(yīng)用和智能建造發(fā)展的有力支撐。