商用掃地機器人在企業中的節能應用研究

董紫媛

中國社會科學院大學

0 引言

人工智能是一個寬泛的術語，用來描述一系列展現類人智能的先進技術，包括機器學習、自主機器人和車輛、計算機視覺、語言處理、虛擬代理和神經網絡。縱觀歷史，人們一直擔心，包括機械化、計算在內的自動化，以及最近出現的人工智能和機器人技術，會扼殺就業機會，對勞動力市場造成不可逆轉的破壞[1]。例如，凱恩斯(1930)將技術性失業描述為“由于我們發現了節約使用勞動力的方法超過我們能找到勞動新用途的速度而導致的失業。同樣的，Leontief(1983)觀察到計算機芯片處理能力的巨大進步，擔心人會被機器取代，就像內燃機的發明讓馬變得過時一樣[2]。在過去，自動化經常在短期內取代人力勞動，但在長期內導致了補充工作的創造(Autor 2015)[3]。從歷史上看，自動化促進了生產率的增長。例如，Crafts(2004)記錄了19世紀英國蒸汽機技術對生產率的影響[4]。Rosenberg(1983)[5]和Schurr(1983)[6]記錄了20 世紀初電氣化對制造業生產率的影響。最近，信息技術(IT)被認為對生產力產生了廣泛的積極影響(例如，Oliner, Sichel，和Stiroh, 2007[7];Jorgenson, Ho,and Stiroh, 2008)[8]。Bloom, Sadun 和Van Reenen(2012)[9]表明，更好的IT 管理部分解釋了美國和英國企業生產率的差異。

國外在能源銷售、節能減排、客戶服務等領域中，均有人工智能技術應用，但國內應用領域有限，主要由于需求不強烈。隨著節能減排政策加強對用戶實際運行節能的監管，再加上企業用戶迫切需要解決逐年上升的能源使用與人力運營成本，使得節能與降低人力成本成為企業用戶的當務之急。

1 傳統清潔方案

商業地產作為商業用途的地產，故又稱為商鋪地產，區別于以居住功能為主的住宅房地產，以工業生產功能為主的工業地產等。商業地產廣義上通常指用于各種零售、批發、餐飲、娛樂、健身、休閑、辦公等經營用途的房地產形式，從經營模式、功能和用途上區別于普通住宅、公寓、別墅等房地產形式。

城市的快速發展，越來越多的商場出現在人們的視野中。商場的面積一般都在15 000 ㎡以上，傳統的清潔模式需要很多人共同作業，人工成本逐年升高，并且人工清潔的效率也難以得到保證，所以降低成本，提高清潔效率成了每一個大型商場共同面臨的問題。 傳統的清潔方式，用的清潔工具就是塵推、拖把、清潔桶、清潔車等。在清潔過程中，清潔工為了保證能夠最大限度地清潔地面，要不停地清洗拖把，并且剛清潔的地面不能馬上干燥，勢必會影響客戶的行走安全。就清潔效率而言，在傳統清潔模式下，我們往往會看到地面上有一條條水漬，長期下來地面會出現暗淡無光的狀況，給人一種臟亂的感覺，破壞商場的整體形象，從而造成商場客流量的減少。

因此，掃地機器人對于新型的商業清潔方式是有很大需求與剛需性的。

2 掃地機器人系統

掃地機器人用到的算法大致分為定位導航與控制算法。掃地機器人軟件架構系統分為6 層結構，主要由對接外部指令的訪問層與對接內部形成指令的代理層組成。代理層Nginx主要起到橋梁作用，用于分發訪問層的指令（如圖1）。

2.1 系統架構

掃地機器人系統采取分成設計架構，包括訪問層、代理層、接口層、業務層、持久層與存儲層。

2.2 機器人本體設計

目前,市面上的掃地機器人大多采用SLAM 技術去幫助機器人定位，其中SLAM 技術又分為激光與視覺融合定位。現有的商用掃地機器人大多基于成熟的激光定位算法去幫助機器人定位。視覺融合定位還處于發展階段，技術尚未成熟。商用掃地機器人多采用激光雷達、3D攝像頭用于定位機器人路徑與障礙物檢測，機器人機身保險杠安裝感測器用于防撞擊檢測，機器人底部安裝懸崖傳感器、驅動輪感測器用于防墜落，機器人頭部安裝緊急制動功能用于現場檢測與緊急事件的處理。

安裝多個感測器，可以檢測障礙物、樓梯和人體移動。商用清潔機器人可以避開障礙物，或者停在原地等待路線上的障礙物移開，如圖2。

商用掃地機器人多采用充電鋰電池，一般續航3～4 h，可以完成1 500～2 000 m2的清掃，相當于一個人工4～5 h 的工作量。商用掃地機器人沒有長線，以減去原清潔工具由于長線而帶來的麻煩。同時，清潔人員不用彎腰就可以直立推動使用商用掃地機器人，大大改善了清潔人員的勞作。

圖1 掃地機器人系統構架圖

圖2 掃地機器人避障

有些商用清潔機器人為清潔人員配備了無線通知接收機，讓其一邊從事其它工作，一邊接收到來自掃地機器人的任務完成提醒，如圖3。

2.3 商用掃地機器人的工作原理

在吸塵器機器人開始它的任務之前，一個重要的方面必須保證哪個是建模的環境。環境建模依賴于地圖的繪制，利用從不同的傳感器獲得的感官數據通過相機、紅外傳感器和超聲波傳感器建立工作空間。工作空間W 通過圓盤離散作為清潔機器人的形狀取代長方形和正方形，以去幫助機器人的移動。假設離散空間對角線應該等于掃地機器人的直徑。每個磁盤i表示環境中機器人要占據的是一個障礙物還是一個自由位置。能夠連接的相鄰位置jth 最大數量為8。兩個相鄰磁盤之間的連接Rij表示兩個位置之間的歐氏距離[10]，如圖4。

圖3 通知接收機接收緊急情況

圖4 環境的建模

2.4 適應度函數與選擇

一個適應度函數有必要了解詳細問題的描述和解決方案，這是直接與航行范圍的限制（如避免碰撞）、縮小道路尺寸(如電池壽命)相聯系的。在評價單個微路徑的適應度時，考慮了微路徑的總距離、連續不清潔單元的數目和每個位置單元相對于當前機器人位置的總距離三個參數。

其中A, B, C 為常數, Dist( i ), Free( i )以及分別是最小路徑的距離，自由單元的數量，以及自由單元相對目前機器人距離的位置（如圖5）。

圖5 兩個單元之間的歐氏距離

迷你路徑總距離:由兩個單元格位置之間的每段距離之和計算，該距離表示歐式距離，如圖5。

不清潔單元數:從當前機器人位置開始，屬于微路徑的連續不潔凈單元數。

每個位置單元相對于當前機器人位置的總距離：它位于代表X 軸的距離，在目前機器人位置xc以及不清潔單元xj位置之間的最小路徑（i）的距離。

理想的適應度解決方案是不包含冗余訪問和障礙單元的，采用基于適應度值的精確主義的隨機競賽選擇方法。

3 應用實踐

3.1 應用情況

本文將應用場景選在酒店與寫字樓對商用掃地機器人進行了清潔質量與效率的測試，通過對商用掃地機器人與商用傳統吸塵器進行測試對比與分析，通過數據得出結論。

具體步驟：為清潔機器人充滿電；選取適合商用掃地機器人的應用場景，如酒店走廊、辦公樓大廳、機場等大面積地毯的應用場景；清掃前選取2塊相同面積的場景，并分別測試ATP 數值；相同的場地與面積使用傳統吸塵器清掃一遍，并測試清掃后的ATP 數值與時間；相同的場地與面積使用商用掃地機器人清掃一遍，并測試清掃后的ATP 數值與時間；經測試，商用掃地機器人主要可實現以下功能：

1）在傳統方案每周做一次人工吸塵的情況下，商用掃地機器人第一次清掃后，ATP數值下降49%（如圖4）。

2）使用商用掃地機器人隔日清掃，ATP數值連續下降。傳統吸塵器4天ATP平均值是2 754.5，商用掃地機器人4天ATP平均值是1 626.5，4天平均下降了41%。

測試數據顯示，對相同的區域，分別使用商用掃地機器人和人工吸塵方式進行全覆蓋吸塵，商用掃地機器人的效率至少是人工吸塵的2倍（如圖6）。

3.2 系統特點

1)目前，服務機器人主要技術包含定位、導航與控制三部分。定位目前主要運用激光或者視覺融合技術。目前，市場上大多采用激光技術以創建地圖進行室內定位，此項技術已經趨于成熟。視覺融合仍是商業與學術界急需突破的技術。

2)掃地服務機器人基于激光雷達定位來確定在二維碼工作環境中的相對全局坐標的位置，再利用紅外線識別環境及障礙物形狀，以點陣的形式發送紅外光到物體表面。兩個深度傳感器，探測物體的距離，進一步獲取3D信息（如表7）。

3)機器人中的雷達可以探測環境空間及物體的位置和形狀。雷達向周圍發射激光束，然后將接收到的從目標反射回來的信號，與發射信號進行比較，獲得目標的距離和形狀等，形成環境信息。可在智能清掃中避開障礙物，計算避讓路線。

3.3 節能測試分析

圖6 清掃前與清掃后ATP數值測試

表7 人工與某商用掃地機器人的效率對比

選定一臺商用掃地機器人對耗電量進行測量，充電4 h可充滿機器人攜帶的鋰電池。其電池參數為23.7Ah，電壓為25.2 V，23.7×25.2×1 h=0.597 kWh，即約等于0.6 kWh。一個商用掃地機器人鋰電池可以支持其連續工作3 h，1 h 平均清掃500 m2，那么3 h可以清掃1 500 m2，耗電1.8 kWh。

選定一臺商用吸塵器對耗電量進行測量，其功率是2 000 W，1 h 需耗電2 kWh。如像商用掃地機器人大面積連續吸塵3 h，如機場、酒店、辦公室等商用場景，那么一個傳統商用吸塵器3 h 耗電量是6 kWh。

單從耗電量上掃地機器人一次3 h任務，可以節電省4.2 kWh。如果再考慮這部分簡單的重復勞動可以由機器替代人80%的工作量，人力可以節省下來或者去從事更為復雜的勞動，這可大大降低企業的成本。以上同時也分析了商用掃地機器人的清潔效率相比于傳統吸塵器4天平均值提升了40%。

綜合效率、清潔質量、節能減排三方面，商用清潔機器人都在某種程度上獲得了提升。

3.4 解決的痛點

后疫情時代公共場所，尤其是一些高端的公共場所，急于尋找一種人與人之間少接觸，并且可以提高清潔效率的清潔用具。疫情的出現，加速了清潔機器人量產與規模化發展的機會，因為其減少了人與人之間的接觸，同時由于機身底部的設計可以大大防止空中彌散的灰塵。更為重要的是機器人可以做到反復清掃并且沒有遺留部分，大大提高了清潔次數與清潔質量。

隨著用工成本的不斷飆升，企業急需找到解決方案去減掉方方面面的人員成本。掃地機器人的出現，讓一部分的簡單勞動由機器去做是一種大勢所趨。

3 h 的連續工作可以節省4.2 度電，將近節省3倍耗電量，對于追求節能減排的企業來講，可確保企業的長期可持續發展。

3.5 效益分析

3.5.1 經濟效益

按照每臺機器人每天工作8 h，每年工作300天測算，則每天需要耗電0.6×8=4.8 kWh，每年需要耗電4.8×300=1 440 kWh。按照每臺商用吸塵器每天工作8 h，每年工作300天測算，則每天需要耗電2×8=16 kWh，每年需要耗電16×300=4 800 kWh。按照0.7元/kWh 每臺每年可節約電費2 352元。

按照每家酒店/物業需要配備20 臺吸塵器，與20個人工打掃房間與走廊大廳分析，由于掃地機器人的工作效率約是傳統吸塵器的2 倍，因此只需要10臺機器人與10個人即可完成原來的工作量。則每年企業可以節約用電20×4 880-10×1 440=83 200 kWh，節約電費為83 200×0.7=58 240元。按照北京市酒店每人月工資成本是5000元（加上社保與公積金等），則人工成本可以降低50 000元，每年共節省108 240元人民幣。

3.5.2 社會效益

該項目可節省電能，減少碳排放。每節約一度電，就相當于節省了0.4 kg煤的能耗和4升水，同時還減少了1 kgCO2和0.03 kgSO2的排放。如果一個企業每年可以節電83 200 kWh，則全年可以少排放83 200 kg CO2，2 496 kgSO2。節省33 280 kgtce和332 800 t水。

如果未來掃地機器人可以量產并普及也會對減排起到積極的作用。

4 結束語

隨著機器人和人工智能技術的發展與成熟，商用掃地機器人已經陸續引入了醫院、商場、機場、酒店等。本文介紹的吸塵掃地機器人、推塵掃地機器人、商用服務機器人還具有消毒、巡邏、送餐、送貨等功能，具有靈活便捷，減少耗能等突出特點，便于復制推廣，可以在各類場景中應用。

基于目前激光雷達與SLAM 系統的成熟，商用掃地機器人的大規模量產與應用有望在3～5 年內實現，解決企業的用工成本與耗能成本。但是基于人工智能機器人推出時間短，商業化還不夠成熟，其功能性、穩定性與靈活性還是需要進一步地提高。