百年建筑“行走”解密：人工智能如何重塑上海張園

近日，上海張園7500噸石庫門建筑群“華嚴(yán)里”，經(jīng)歷了一次史無前例的城市更新與保護(hù)工程。432個小型步履移位機(jī)器人，讓這個古老的建筑群“走起來”完成整體歸位，這是目前國內(nèi)體量最大的組團(tuán)式石庫門建筑群歸位工程。讓我們來為百年建筑“行走”解密，看人工智能如何重塑張園！

432個機(jī)器人齊上陣

石庫門建筑群“華嚴(yán)里”始建于20世紀(jì)20～30年代，是上海歷史風(fēng)貌的重要標(biāo)志，承載著豐富的歷史記憶與文化價值。如何在保護(hù)歷史建筑原貌的同時，兼顧現(xiàn)代化城市發(fā)展的需求，是此次城市更新工程的核心挑戰(zhàn)。為此，工程團(tuán)隊大膽創(chuàng)新，采用了步履式移位機(jī)器人、微型樁機(jī)機(jī)器人、智能挖土機(jī)器人等一系列先進(jìn)的智能施工設(shè)備。

這些高科技機(jī)器人的成功應(yīng)用，離不開強(qiáng)大的人工智能技術(shù)支撐。具體而言，深度學(xué)習(xí)、強(qiáng)化學(xué)習(xí)、路徑規(guī)劃等技術(shù)發(fā)揮了關(guān)鍵作用。

深度學(xué)習(xí)：

賦予機(jī)器人感知

與判斷能力

深度學(xué)習(xí)是一種模仿人腦結(jié)構(gòu)與運(yùn)作的人工智能方法，通過多層神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)對大量數(shù)據(jù)進(jìn)行學(xué)習(xí)，使機(jī)器人能夠自主識別模式、判斷特征，從而做出智能決策。此次項目中，深度學(xué)習(xí)技術(shù)被廣泛用于材料識別、動態(tài)感知和環(huán)境判斷等方面。

以挖土機(jī)器人為例，在地下空間施工中，施工環(huán)境狹窄且復(fù)雜多變。機(jī)器人配備了視覺攝像頭與激光雷達(dá)，實時采集施工區(qū)域的影像數(shù)據(jù)和空間數(shù)據(jù)。通過深度學(xué)習(xí)模型，事先對大量標(biāo)注的訓(xùn)練數(shù)據(jù)包括黏土、混凝土碎塊、臨時工程樁等不同材料進(jìn)行反復(fù)學(xué)習(xí)，機(jī)器人具備了精準(zhǔn)的材料識別能力。當(dāng)施工現(xiàn)場出現(xiàn)未知障礙時，機(jī)器人能夠迅速識別障礙物類型，并自主調(diào)整挖掘工具與力度，避免意外撞擊或誤判，從而保障了作業(yè)的安全性和高效性。

此外，在步履式移位機(jī)器人的整體平移場景中，深度學(xué)習(xí)也發(fā)揮了關(guān)鍵作用。數(shù)百個機(jī)器人共同托舉起7500噸重的石庫門建筑群“華嚴(yán)里”，每臺機(jī)器人裝配有壓力傳感器、應(yīng)變傳感器和位移傳感器，實時將建筑結(jié)構(gòu)受力、姿態(tài)和位移等數(shù)據(jù)傳輸至控制中心。深度學(xué)習(xí)模型實時分析海量傳感數(shù)據(jù)，精確判斷每個區(qū)域的受力狀態(tài)與結(jié)構(gòu)安全情況。一旦發(fā)現(xiàn)潛在風(fēng)險，系統(tǒng)會立即做出精細(xì)調(diào)整，保障建筑移動中的穩(wěn)定性與安全性。

強(qiáng)化學(xué)習(xí)：

實現(xiàn)智能協(xié)同與實時決策

強(qiáng)化學(xué)習(xí)是人工智能另一項重要技術(shù)，其本質(zhì)是通過試錯學(xué)習(xí)與獎勵反饋機(jī)制，讓智能體自主探索和優(yōu)化行為策略，最終獲得最佳的行動方式。

此次工程中，步履式移位機(jī)器人的群體協(xié)同控制也離不開強(qiáng)化學(xué)習(xí)技術(shù)模型的支持。432臺機(jī)器人高效協(xié)作并完成對巨大建筑的整體搬遷的背后，通過強(qiáng)化學(xué)習(xí)在仿真環(huán)境的反復(fù)試錯訓(xùn)練，可以逐步學(xué)習(xí)到最佳的協(xié)同步伐與受力分配模式。每組機(jī)器人仿佛人的“雙腳”，當(dāng)面對不同的地面狀況與結(jié)構(gòu)負(fù)載時，強(qiáng)化學(xué)習(xí)算法讓它們自動摸索并優(yōu)化步伐節(jié)奏、舉升高度和平移速度，從而確保整體建筑物能夠平穩(wěn)、協(xié)調(diào)地移動。

同時，強(qiáng)化學(xué)習(xí)還用于地下施工的挖土機(jī)器人中。當(dāng)機(jī)器人遇到復(fù)雜的地下環(huán)境、未知障礙時，需要實時重新規(guī)劃路徑與作業(yè)方式。通過深度強(qiáng)化學(xué)習(xí)算法，機(jī)器人能夠在虛擬仿真環(huán)境中進(jìn)行大量訓(xùn)練，反復(fù)學(xué)習(xí)不同路徑和作業(yè)方法的優(yōu)劣，逐步掌握應(yīng)對未知情況的最優(yōu)策略。在實際作業(yè)時，機(jī)器人若遭遇突然出現(xiàn)的障礙物，強(qiáng)化學(xué)習(xí)模型會快速做出決策，選擇繞行、暫停或改變挖掘策略，從而使施工過程更高效、更安全。

路徑規(guī)劃：

高效作業(yè)的智能導(dǎo)航

路徑規(guī)劃技術(shù)是機(jī)器人自主移動和導(dǎo)航中的關(guān)鍵技術(shù)。它能夠讓機(jī)器人在復(fù)雜環(huán)境中自主尋找并執(zhí)行最優(yōu)路徑，避免碰撞障礙，實現(xiàn)高效任務(wù)執(zhí)行。

在此次工程中，路徑規(guī)劃技術(shù)被應(yīng)用于多種機(jī)器人場景。例如，微型樁機(jī)機(jī)器人在狹窄的老建筑室內(nèi)作業(yè)空間進(jìn)行精準(zhǔn)施工。工程團(tuán)隊首先利用BIM技術(shù)和三維點云掃描生成精細(xì)的建筑內(nèi)部數(shù)字模型，精確標(biāo)定樁位和周邊環(huán)境。隨后，路徑規(guī)劃算法可以結(jié)合其他人工智能技術(shù)，在數(shù)字模型中模擬出機(jī)器人最佳行駛路線，確保機(jī)器人能夠精確到達(dá)施工位置，避免與房屋內(nèi)部結(jié)構(gòu)發(fā)生碰撞。這種基于數(shù)字模型與強(qiáng)化學(xué)習(xí)優(yōu)化的路徑規(guī)劃技術(shù)，使得機(jī)器人能夠在低矮狹窄環(huán)境中安全、精確、高效地施工。

另外，在地下空間挖掘作業(yè)中，挖土機(jī)器人實時構(gòu)建地下空間的三維地圖，運(yùn)用路徑規(guī)劃算法，動態(tài)地計算并更新挖掘路線。當(dāng)機(jī)器人發(fā)現(xiàn)施工環(huán)境發(fā)生變化時，如臨時出現(xiàn)新的障礙物，路徑規(guī)劃技術(shù)能迅速重新計算路徑，讓機(jī)器人快速繞過障礙繼續(xù)施工。這種動態(tài)路徑規(guī)劃確保了施工過程的連續(xù)性和高效率。

多維數(shù)據(jù)融合：

施工的智能基石

機(jī)器人能夠?qū)崿F(xiàn)精準(zhǔn)作業(yè)和自主決策，除了上述人工智能技術(shù)外，也離不開強(qiáng)大的數(shù)據(jù)支撐。在上海張園的城市更新項目中，多傳感器融合技術(shù)、三維點云掃描和BIM建模3種數(shù)字技術(shù)緊密配合，共同構(gòu)成了施工機(jī)器人的數(shù)據(jù)感知基礎(chǔ)。

多傳感器融合技術(shù)整合了來自壓力、位置、姿態(tài)、激光測距和振動傳感器的實時數(shù)據(jù)，精準(zhǔn)地掌握施工狀態(tài)；三維點云掃描技術(shù)則利用激光雷達(dá)精確測繪施工環(huán)境，形成高精度空間數(shù)據(jù)；BIM建模技術(shù)則進(jìn)一步整合空間信息，構(gòu)建詳細(xì)的數(shù)字施工模型，幫助機(jī)器人提前進(jìn)行虛擬仿真，規(guī)劃最優(yōu)路徑并規(guī)避潛在風(fēng)險。

這些技術(shù)相輔相成，形成了一個精準(zhǔn)、實時、全面的數(shù)據(jù)閉環(huán)，為人工智能系統(tǒng)提供了可靠的數(shù)據(jù)保障，使機(jī)器人能夠高效、安全地完成復(fù)雜施工任務(wù)。

從更廣闊的視角來看，此次張園部分石庫門建筑群歸位這一成功案例，凸顯了人工智能技術(shù)在新型智慧城市建設(shè)領(lǐng)域的巨大潛力。可以預(yù)見，在未來城市發(fā)展中，人工智能技術(shù)將更深入地介入城市規(guī)劃、建設(shè)、維護(hù)等各環(huán)節(jié)，助力城市發(fā)展與歷史文化保護(hù)達(dá)到高度協(xié)調(diào)、可持續(xù)發(fā)展與智能化融合的新局面。

（責(zé)任編輯 / 關(guān)鹿鹿" 李銀慧" " 美術(shù)編輯 / 周游）