智能建造機器人應用技術分析

裴雪雯 譚希學

1.北京工業大學，中國·北京 100124

2.北京建筑大學，中國·北京 102600

1 引言

隨著時代的不斷發展，科技的不斷進步，近些年，中國逐漸拉開智能信息化時代的序幕，智能化、數字化技術被引入工業生產的方方面面，在提升人們生活水平的同時，也加快了產品更新換代的速度，提高了生產效率，為工業技術的轉型升級提供了保障。智能建造機器人作為信息技術與制造業技術相結合的產物，在提高建造效率的同時，也為未來中國制造業指明了發展方向[1]。機器人是智能建造技術應用的關鍵性載體，是自動執行建造操作的機器裝置，機器人可以接受工作人員發出的相關指令，同時也可以運行預先編好的操作程序，有效協助或替代工人在工程建造施工中的工作。對于建造智能機器人而言，其基本構件與其他工業機器人無明顯差異。智能機器人的使用能有效提高項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，提升工程質量的重要措施。

2 智能建造機器人現狀分析

自2000年以來工業機器人技術在中國各個生產領域均取得了顯著進展，越來越多的企業利用機器人生產產品，減少傳統勞動力的投入，壓縮制造成本，實現產品的最大化收益。據不完全統計，截至2018年年底，有120余家上市公司采購或成立了機器人生產項目，當前使用工業機器人開展生產的企業甚至超過了4600多家[2]。國內機器人市場以34%～37%的年均速度升高。近年來，隨著建筑行業建造成本的不斷增加，加之中國對該產業的政策導向，導致建造行業利潤大大降低。

3 智能建造機器人應用技術

3.1 構建智能化建造環境

當下隨著中國智能制造領域的不斷向前推進，對構建大數據管理平臺有著較高的熱情，政府相關部門也對企業的智能制造投入給予了一定的支持與幫助。而構建智能化建造環境，有以下幾項關鍵技術。①機器人技術，要想實現建造領域的智能化、數字化，機器人是必不可少的實踐工具；②人工智能技術，工業制造領域的智能制造簡單而言就是數字化技術與制造業的相互融合，用智能技術有效解決制造業所遇到的問題，更加明顯地體現了人工智能在工業生產中的重要性；③網絡技術與數字化技術，就工業制造領域而言，要以制造技術、產品設計為基礎，積極引入信息化、數字化等新型技術，提高工業產品的設計與制造能力，滿足市場的需求。智能建造為工業生產高端制造裝備提供了新方向，工業機器人與數字化生產車間是智能建造領域的重要內容[3]。全面依托智能建造機器人技術的推廣，不僅能有效提升建造機器人的智能化工作水平，還能替代人力生產。數字化生產車間概念的宗旨首先是機器人代替工人生產，再逐步推動生產的自動化，將原本生產的機械設備全部更換為自動化生產設備，最后完成整個生產流程的集成化、智能化生產。

3.2 智能建造機器人技術的發展趨勢

當下，在工業智能領域智能建造機器人技術已無法脫離信息化與數字化技術，可以說，上述兩項技術為智能機器人在工業制造領域的發展提供了重要支撐。智能建造的原型是實現工業生產全過程的自動化，相反現代工業生產的自動化發展方向是向著智能建造化發展的，兩者的差別之處是智能建造在工業生產中的涉及范圍更加廣泛，技術的應用更加復雜、多樣，但歸根結底也是智能建造自動化的一種創新與進步。工業生產的自動化將逐步進入人工智能生產技術領域，實現對產品的轉型升級，專家以數字化設計為基礎，再交由生產線機器人進行生產。在產品的生產期間，數字化平臺的應用是人工智能生產技術成果實施的關鍵。現代計算機技術已相當成熟，雖然專家在計算機方面的一些設想還未真正實現，但就目前的發展現狀而言，計算機已與人工智能領域相融合，成為推動現代工業發展的重要力量[4]。計算機技術作為人工智能在工業制造領域發展的基礎，可以通過開發計算機應用技術控制機械化設備生產，確保其產品符合工業生產的需要。在高精度工業產品的生產過程中，使得計算機技術得到更好的利用，確保產品的質量滿足客戶及市場的需求。

3.3 智能建造機器人應用關鍵技術

信息技術的不斷更新與發展推動智能建造機器人技術的愈加成熟，其智能控制程度、人機互動程度的不斷提高，更是大大提升了現代工業的生產效率。同時，機器人技術在社會服務、宇宙探索及農業生產等行業領域起著重要作用，帶動機器人向著全面化、智能化方向發展。機器人可以根據其應用功能的不同分為交互型、傳感型、自主型等，也可根據智能程度的不同分為初級智能型、工業型、高級智能型[5]。面向工業生產領域，有多個機械操作手臂或具有自由度高的自動化裝置的機器人被稱為工業生產機器人，其能夠根據相關的編程開展生產操作，通過連接數控機械裝置與遙控操縱裝置，依照提前設定好的數據參數進行運作。現在多數工業機器人在實際生產應用中都融入了信息化技術，能夠依照示范性動作、傳感器負載狀況實現對工業產品生產流程的控制，提升產品質量，采用2D與3D視覺傳達技術對操作臂的編制及修正動作進行有效反饋。當下多家企業采用工業機器人代替人力，從事產品的生產，推動了中國工業生產領域機器人的應用高潮，探究其原因是由于勞動力成本的逐漸上升，導致產品生產成本的升高，而使用機器人可以更好的解決上述問題[6]。

4 智能建造機器人技術的應用步驟

首先，作為相關政府部門應積極引進智能建造機器人技術，大力推動當地工業制造技術的轉型升級，企業也應緊跟政策步伐，積極學習與掌握智能建造機器人技術，并建立相關的智能化生產項目，促進產品的更新換代。建造智能機器人早已不是人們所簡單理解的一種新型生產技術，也不僅僅是一種新的生產方式，而是一種跨時代的生產模式與生產理念，是對傳統建筑技術的創新與升級。因此建造智能機器人應用技術、智能數字化生產模式為工業生產帶來的不僅是工作效率的提升，也是生產理念的提升，該技術將會加快工業生產發展的腳步，改變工業格局。這一過程的實現，需要政府實施有效的引導，鼓勵與支持企業引進智能建造機器人技術，并出臺相應的政策與方針。可以通過為企業提供無息貸款等方式助推企業生產技術的創新與轉型，并由企業出資，建立以技術為依托、與企業三方合作為基礎的發展機制[7]。其次，建立中國工業制造機器人智能體驗中心，幫助企業更加直觀的選擇智能建造設備，大大降低企業的市場投資失誤及長期產品調研等弊端。最后，選擇相關的產品生產企業作為推動智能建造化技術的試點。試點成功后，采用以政府為相關引導的方式，劃定相關企業，將數字化、信息化及智能建造機器人技術引入產品的生產中，提升產品的質量，促使企業核心競爭力的提高，使其更好地占據市場份額，使同行業企業真正看到智能建造機器人帶給企業實實在在的變化與收益[8]。當前全球工業化機器人的市場總值正以17%～28%的速度增長。工業制造產業是僅次于采礦業的第二大危險行業，工業生產過程中存在勞動力短缺、安全隱患大、生產效率低等問題，這些均成為阻礙企業發展的重要因素。在此情況下，實現機器人在工業生產領域的應用有著光明的前景。當下，傳統的制造行業生產模式逐漸會被高新技術所代替，促使其行業的革新與升級，使之向知識、數字密集型轉變。

5 智能建造機器人技術在建筑行業中的應用優勢

5.1 提高施工安全性

建筑作為一種較為傳統的生產行業，隨著時代的快速發展逐漸呈現出復雜化與高層化特征，加之建筑行業本身就存在高空作業與露天作業的要求，現場施工環境的不安全性及工人工作強度大，這些因素均是造成建筑行業事故高發的關鍵性因素。此外，隨著項目工程進度的不確定性，造成風險因素難以防控，使之成為社會公認的高危生產行業，相關從業人員的傷亡率僅次于采礦業。因此建筑行業已成為全球性的重大危險職業。繁重的操作，日常工作環境中充斥著粉塵、泥漿、噪聲等，極大危害相關從業人員的身體健康，導致職業病高發[9]。建筑智能機器人是確保工人安全生產、提升工程建造品質的必然措施。若要將建設工人從中解脫出來，就當前的技術水平而言，機器人是破解這一難題的唯一方式。除此之外，借助機器人進行建筑項目的實施可以輕松地將建筑原材料運輸到人所無法到達的場所如水下、管道、高壓等環境。

5.2 提升施工高效性

目前建筑項目的施工中雖已大量引入機械自動化生產設備，但更多的建造工序依靠人力來完成，因此導致項目的建造周期較長，少則數月，多則數年。而建筑智能機器人的使用可大幅度提高建設效率，以德國標準民居為例，采用傳統建造施工技術需耗時6～10個月，而采用新型智能建造機器人可有效將建造周期縮短至4～7個月。智能建造機器人不僅能有效縮短建造工期，還能在地震、洪水等災難后快速搭建臨時居所，為當地居民提供基礎性生活保障。

5.3 降低項目建造成本

在建筑行業中人工費用支出占建造成本的比例較大，在一些傳統建筑領域可以采用智能建造機器人代替操作工人，在新的建設工序中也可以設計出工作效率更高的機器人，有效降低人工成本。此外，建筑行業是一種資源密集型產業，傳統的手工作業方式在操作中過于粗放，在建設過程無法對建筑用材實施精準控制，從而導致建筑原材料的浪費。據美國相關部門調查與預算得出，一棟普通的居民樓在建造過程中的原材料浪費率高達35%。另外，當前對于老舊建造設施的拆除還未形成資源利用與回收的觀念，除鋼筋等少數可循環使用的建材外，其他拆除物均以垃圾的形式被填埋[10]。若采用智能建造機器人可替代人工作業，通過對項目施工前的設計與計算，實現建造的精細化，大幅度降低項目建造原材料的使用，利用智能建造機器人還可實現對老舊建筑材料的再利用，這將大大縮減建造成本，也符合節約型社會的時代旋律。從工程造價的專業角度而言，建筑智能機器人的使用是實現項目高收益的關鍵措施；從資源利用角度而言，智能建造機器人完全符合當下社會對資源節約的價值追求。

6 智能建造機器人行業未來的發展趨勢

從全球主要類別機器人銷量來看，建筑智能機器人占較大比重，2006—2012年全世界建筑智能機器人每年平均銷售224臺，從整體銷售趨勢來看，2004—2016年智能機器人銷售量呈逐年上升趨勢，從同比增長率角度來看，2005—2010年期間出現大幅度上升趨勢，相較于2007年，2008年同比增長率達103.24%，而2011年有所下降。綜上分析，全球對智能建造機器人的需求量呈逐年上升趨勢，基本可以維持年均200臺左右的銷售量，大大推動了當下建筑行業的技術革新與建造效率。

7 結語

總體而言，智能制造與機器人應用技術的相互融合是推動現代工業生產與建筑行業快速騰飛的重要因素。該項技術的發展為新世紀人類的進步添上了濃厚的一筆。隨著工業4.0時代的向前邁進，加之中國對智能建造行業的大力支持與政策鼓勵，為智能化生產建造提供了有力條件，智能建造機器人被更多地投入到生產領域是未來工業發展的必然趨勢，工業的發展也將在未來幾年迎來發展的黃金時期，助力中國經濟的大幅度提升，對傳統生產模式造成一定沖擊，極大提高時代生產力。當下智能建造機器人技術還未完全普及，在發展與實施過程中存在諸多問題，但相信本著以客觀事實為依據的發展理念，就會推動智能建造機器人在多種生產領域的應用，相信在不久的未來，智能建造機器人必定會實現人機協調、互融發展的全新時代。