山西省智能機器人應用現狀及潛力研究

喬棟 趙杰 謝亞龍 李博文 李乾

（1.山西大同大學建筑與測繪工程學院 山西省大同市 037009 2.山西大同大學煤炭工程學院 山西省大同市 037009）

1 引言

2014年，被稱為智能機器人歷史上嶄新的一年。乘著人工智能興起的東風，機器人、信息、通信及人工智能將進一步融合，歷經電氣時代和數字時代，機器人也將進入智能時代。那么什么是智能機器人呢？

智能機器人可實現各種功能。它是用來搬運零件、材料的操作機。智能機器人則是模擬人類思維方式的一種系統，但外形不一定像人。它是自動執行工作的機器裝置，因此，人類可以直接控制指揮，或者可按照相關程序自動運行，并按照原則綱領行動。在工業當中，智能機器人指能夠自行完成任務的人造機器裝置，用來協助或取代我們的一部分工作，絕大部分是由電子電路或計算機程序控制的機電裝置。它可以代替一些危險指數高或是重復性高，并且人類不愿意從事的工作崗位，也可以做一些由于尺寸過于狹小而人類無法做的工作，甚至是去一些人類不能生存的環境，例如像外太空或是深海。總之，在高危工作、上天下海、甚至戰場作業等方面可以大顯身手，已經可以在越來越多方面取代人類。以下三個功能是智能機器人所必須具備的：感知力、行動影響力，以及將感知和行動統一起來的能力。工業機器人與智能機器人的最大差距在于，智能機器人是具有外部感知、智能識別、思維判斷及行動規劃功能的。

習總書記曾在講話中提到，“機器人是‘制造業的發動機’，一個國家的科學技術水平以及制造業水平的高低是通過智能機器人的研發，制造來體現的。”第三次工業革命必然是通過機器人革命展開的，高端制造業的格局將從此改變，迅速成為全球最大的機器人市場。

智能機器人技術由多種學科內容交叉融合，可完成難度很高的任務，在工農業、醫療、交通、教育、航空航天及軍事上成為不可或缺的一部分。現如今生產方式由剛轉柔、傳統轉智能、粗糙轉精細，構建以智能制造為核心的新型制造體系迫在眉睫，對具有更高智能化的工業機器人的需求將呈現井噴式增長的趨勢。

綜上所述，智能機器人產業發展前景廣闊且市場潛力巨大。它的推廣，將大大解放勞動力，并且可以為社會創造巨大經濟效益。

2 智能機器人的應用現狀

2.1 國內智能機器人應用現狀比較

我國在機器人發展領域中，屬于后來居上。數據統計，中國機器人市場規模在2012-2017年5年間，市場占有率一路飆升，國內整體市場規模仍在進一步擴大。近些年來，我國機器人行業呈現積極發展態勢。中國開始進入機器人時代，國內多地已經開啟了制造業“機器換人”改革模式，各個省份對機器人產業的投入也都如火如荼。“忽如一夜春風來,千樹萬樹梨花開”，全國陸續產生約3400 家機器人公司。2014年是中國機器人史上的新紀元，中國機器人產業騰飛成為定局。

表1：企業發展程度統計

本文將簡要從國內各省份機器人企業數量分布、機器人技術領域專利申請數量兩方面來進行比較。

2.1.1 機器人企業數量分布

根據近5年國內機器人發展趨勢，此處將主要選擇廣東、上海、北京、湖北來作為比較對象。圖1與表1的數據僅篩選了名稱中含有“機器人”關鍵字的企業來進行統計。

由2020年國內各省機器人企業數量對各省機器人產業發展程度做了以下劃分。

智能機器人屬于人工智能的衍生物。根據相關調查顯示，目前人工智能企業主要分布在京津冀、長三角、珠三角、川渝四大都市圈。如圖2和圖3所示。

2.1.2 機器人技術領域專利申請數量

互聯網與云計算、大數據服務、人工智能……新一代信息技術產業影響著人們的生產與生活方式，更與機器人休戚相關。廣州中新知識產權服務有限公司項目經理文婷表示，目前全球新一代信息技術產業的專利申請量增長趨勢相對平穩，中國在2009年后成為了該領域的專利申請主要來源國。

自2010年以來，中國專利申請量626305 件，位居世界首位，技術創新和制造能力迅速提高。其中，廣東省的專利申請量在全國領先。如圖4所示。

圖1：企業數量分布統計（臺）

圖2：2020年國內人工智能企業區域數量分布

圖3：2020年國內人工智能企業城市數量分布

2.2 山西省智能機器人應用現狀分析

山西省是一個煤炭資源型大省，累計查明煤炭保有資源量達2674 億噸，約占全國查明煤炭資源儲量的25%；據測算，山西全省含煤面積5.7 萬平方千米,占其國土面積的36.3%。近日，山西省能源局發布全省生產煤礦生產能力情況公告，截至2020年12月底，山西省共有生產煤礦668 處，合計生產能力104560 萬噸/年。

據有關權威部門知，截止到2019年12月，山西煤礦現有81.5萬從業人員，60%以上從事采煤、掘進、運輸、安控等危險繁重工作。并且工作難度大，時間長，人員眾多，平均單班入井人員超過600 人，管控難度大。此外，30 萬噸/年以下小煤礦仍占多數，用人多、效率低、管理粗放、安全風險高的局面沒有根本改變，超六成煤礦人員從事危險繁重工作，為避免人與災害“短兵相接”，對于機器人的需求迫在眉睫。

圖5為2017-2020年山西省煤礦事故以及死亡人數統計圖，從圖中可明顯看出，煤礦事故發生率以及人數死亡率整體呈下降趨勢。這是由于近幾年來，隨著人工智能領域的不斷擴大，煤礦產業也逐漸由自動化轉向智能化，并且，人工智能產業受到國家大力扶持，并在2016年，國家已將大力發展機器人納入《“十三五”規劃綱要》。

人工智能，已經無處不在。在前不久舉行的2020 中國（太原）人工智能大會上，聚集了國內40 余家人工智能行業的領軍企業、300 余項創新產品及解決方案，集中展示了當前我國人工智能領域的最新成果。

圖4：專利數量統計

圖5：煤礦事故及死亡人數統計

在朔州一家機器人生產基地，工作人員通過操控一款偵察機器人的控制箱，即可得到實現影像。而根據不同的火災程度和應用場景設計的消防機器人，可以在易燃易爆的狀態下進行精準滅火，還可以參與大型、危化環境火災救援。可以說，這些特種機器人的研發，大大方便了人類的生產活動。如果將其應用于煤礦產業，就能夠很好的代替工人在高危高壓環境下進行作業，極大程度上減少人員傷亡。

目前，依據國家智能化示范建設煤礦標準，山西省符合標準的有7 家，僅占全省總煤礦數的1.05%。所以，作為能源大省，山西具備產業優勢，未來應從互聯網、大數據、人工智能等技術，對各行各業進行技術升級，盡快實現“系統智能化、智能系統化”。

3 案例分析

大同市是山西省第二大城市，是典型的資源驅動經濟增長型城市，有著中國煤都之稱，近幾年來一直在致力于發展轉型，市政府緊緊圍繞“轉型發展、綠色崛起”戰略和“三名一強”奮斗目標，以籌備中國國際太陽能十項全能競賽促轉型促綜改，努力建設轉型綜改試驗的典型示范區和國家新能源示范城市。作為山西特色城市之一，針對其黃花種植和光伏發電兩個產業進行研究，闡述了機器人在未來應用的巨大前景。以下兩個機器人是山西大同大學“AI+同大創客中心”獨立自主研發的，為山西轉型添磚加瓦。

3.1 太陽能光伏板清洗機器人

太陽能光伏發電是迅速發展的新能源產業，近年來，我國西部地區在光伏發電上速度過快，但無法完全消納這些電量，因此發展也因此受限。國家鼓勵東、中部地區發展分布式發電，鼓勵自發自用，這成為光伏發電的發展方向。目前，浙江、山東和廣東等省份的分布式光伏發電建設規模較大，預計到2020年將分別達到600萬千瓦、400 萬千瓦和400 萬千瓦，近年來大同市一直在積極尋找傳統能源城市的轉型發展之路。太陽能曾作為該市十二五期間戰略發展重點，在2013年8月大同舉辦過國際太陽能十項全能競賽，獲得“太陽能之城”的稱號，據統計光照時間已經超過西藏，發展空間巨大。

太陽能光伏發電是迅速發展的符合可持續發展戰略的新能源產業，但是由于灰塵的積累會降低發電效率，對于太陽能電池板傳統的人工手動清洗方式耗時、耗力、耗財，還浪費水資源，對缺水地區無疑是重大損失，采用機械自動機器人，不僅省時省力省成本，還降低了了水資源的浪費。據統計，1 人每天可清洗100m2，1MW光伏組件約6600m2，需要66 人天。按每人120 元/天估算，1MW組件清洗一次的人工成本為7920 元。按每月3 次計算，1MW 每年的人工成本為285120 元。大同市目前規劃350MW 的光伏組件，每年可節約人工成本99792000 元。

3.2 黃花采摘機器人

近年來，智能化自動化機械越來越多地應用在農業領域。而在黃花菜采摘領域，傳統的人工采摘有著諸多的缺陷。一是長期采摘黃花菜會對勞動者雙手產生一定的危害。二是效率低，而且由于是人為采摘，采摘完成的時間不可控。三是近年來人工成本在不斷增加，而機械化水平越來越來高，但成本很低。四是對于不同品種的黃花菜，其采摘時間也是不同的，這就需要采摘工人在不同的時間點去進行采摘。一旦采摘時間過長，或者采摘時間不對的話就會極大影響黃花菜的品質。

由于黃花菜上可能會有殘留的農藥，長期采摘黃花菜會對勞動者雙手產生一定的危害。據調研，目前廣靈縣和云州區的黃花菜種植面積分別為26.23 萬畝和3 萬畝，黃花菜采摘周期通常為一個月，時間緊，任務重，而大同地區黃花菜采摘成本為4000 元/畝/年，兩個地區每年的人工采摘成本高達11.69 億元，實現采摘機器人的應用不僅可以有效地防止其對人的雙手產生危害、提高采摘效率，還可以降低成本。

4 總結

伴隨著人工智能的飛速發展，我國智能機器人消費總額位于世界前列，具有先天基礎。不過相對來說山西省智能機器人起步晚，技術落后是不爭的事實，相比于國內其他省份還有著不小差距，需要埋頭直追。山西省作為資源型省份在制造業、建筑業、農業等方面對機器人需求空間巨大。目前，只有高度重視、及時布局，才能不被市場淘汰。5G 技術的到來對于山西省來說是機遇也是挑戰。如何能夠實現山西省智能機器人產業的彎道超車是必須要考慮的。

4.1 發展趨勢

智能機器人發展前景良好，目前機器人的研究正處于第三代智能機器人階段，其本身有多種傳感器,可以融合得到的多個信息，還能有效的適應變化的環境，有著很強的自主學習能力。

目前，大數據、虛擬現實、物聯網、人工智能等新一代信息技術在智能機器人中的集成應用日益顯著。近幾年，隨著人工智能技術的快速發展，智能機器人成為了這些新興技術的重要載體。通過這些新技術，使得機器人的“智能化”水平大幅提升、機器人產品靈活多樣，引領實現了智能機器。

其次，智能制造等行業智能技術發展為工業機器人的發展提供了廣闊空間。隨著智能的深入應用，越來越多的企業開始積極探索相關新模式、新業態。智能機器人在生產信息采集、生產流程、安全控制、維護檢修等環節的應用廣度和深度不斷增強。隨著煤炭等行業對機器人技術的不斷引入，以巡檢機器人為代表，通過廣泛應用無軌化、3D 激光導航技術和視覺識別等技術，為煤礦安全提供保障，自動識別各種災害事故，并及時報警處理，這大大減少了相關方面財力物力的損失，正在一步步實現從自動巡檢機器人向智能巡檢機器人的蛻變。

最后，就當前發展來看，美國處于領先地位，尤其是在智能機器人的高端技術方面，無論是視覺還是觸覺方面都有著極高的技術含量，并且在航天技術以及汽車工業方面都有著廣泛的應用，日本則是由于一系列政府的優惠政策，大力發展智能機器人，歐洲各國也不例外，他們在機器人的研究以及應用方面也處于先進地位。隨著市場以及政府的推動作用，我國已由落后轉變為高速發展。現正在以機器人產業為核心，促進各個產業發展，智能服務機器人的功能不斷豐富完善，發展前景可觀。

4.2 建議及設想

當前，人工智能已經形成京津冀、長三角、粵港澳大灣區協同發展的格局。作為能源大省，山西具備產業優勢，今后應從那些地方發力沖向人工智能？

首先，山西應全力推進人工智能領域的企業技術中心、技術創新示范企業建設，打造一批企業領頭羊；其次，著力推進一批制造業創新中心、新型研發機構使其成為創新的基點，進而推動后續技術的研發；另外，要強化重點項目的實施，圍繞人工智能產業，著力謀劃一批重點項目，以項目為牽引，帶動人工智能產業的發展。

未來，人工智能和產業如何深度融合？我認為，山西發展人工智能產業，對傳統產業轉型升級必不可少，傳統產業轉型升級要結合人工智能技術，比如，用機器人代替人工勞動可以提高效率。此外，還可以基于大數據進行創新創業，例如，山西歷史底蘊深厚，文化產業可以利用人工智能技術和大數據技術來進行發掘、轉化和推廣。

目前，盡管國內外智能機器人的研究已經取得了眾多成果，但在技術方面仍需要繼續突破。因此對于后續的發展，努力提高各方面的技術及其綜合應用，大力提高智能機器人的智能程度、自主性和適應性，是智能機器人發展的關鍵。讓智能機器人完成有益于人類的工作，代替人類從事危險，機械性的工作，使其真正為人類利益服務，而不能成為反人類的工具。例如對煤礦行業來說，對于智能機器人的大量應用，真正實現無人化開采的日子相信在不久的將來就可以實現。還有農業方面，早日實現無人化種植及收割指日可待，同時，其他形形色色的行業也都會隨著智能機器人的發展而產生新的變革。