山西省智能機(jī)器人應(yīng)用現(xiàn)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(xué)建筑與測(cè)繪工程學(xué)院 山西省大同市 037009 2.山西大同大學(xué)煤炭工程學(xué)院 山西省大同市 037009）

1 引言

2014年，被稱為智能機(jī)器人歷史上嶄新的一年。乘著人工智能興起的東風(fēng)，機(jī)器人、信息、通信及人工智能將進(jìn)一步融合，歷經(jīng)電氣時(shí)代和數(shù)字時(shí)代，機(jī)器人也將進(jìn)入智能時(shí)代。那么什么是智能機(jī)器人呢？

智能機(jī)器人可實(shí)現(xiàn)各種功能。它是用來搬運(yùn)零件、材料的操作機(jī)。智能機(jī)器人則是模擬人類思維方式的一種系統(tǒng)，但外形不一定像人。它是自動(dòng)執(zhí)行工作的機(jī)器裝置，因此，人類可以直接控制指揮，或者可按照相關(guān)程序自動(dòng)運(yùn)行，并按照原則綱領(lǐng)行動(dòng)。在工業(yè)當(dāng)中，智能機(jī)器人指能夠自行完成任務(wù)的人造機(jī)器裝置，用來協(xié)助或取代我們的一部分工作，絕大部分是由電子電路或計(jì)算機(jī)程序控制的機(jī)電裝置。它可以代替一些危險(xiǎn)指數(shù)高或是重復(fù)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(huán)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(zhàn)場(chǎng)作業(yè)等方面可以大顯身手，已經(jīng)可以在越來越多方面取代人類。以下三個(gè)功能是智能機(jī)器人所必須具備的：感知力、行動(dòng)影響力，以及將感知和行動(dòng)統(tǒng)一起來的能力。工業(yè)機(jī)器人與智能機(jī)器人的最大差距在于，智能機(jī)器人是具有外部感知、智能識(shí)別、思維判斷及行動(dòng)規(guī)劃功能的。

習(xí)總書記曾在講話中提到，“機(jī)器人是‘制造業(yè)的發(fā)動(dòng)機(jī)’，一個(gè)國(guó)家的科學(xué)技術(shù)水平以及制造業(yè)水平的高低是通過智能機(jī)器人的研發(fā)，制造來體現(xiàn)的。”第三次工業(yè)革命必然是通過機(jī)器人革命展開的，高端制造業(yè)的格局將從此改變，迅速成為全球最大的機(jī)器人市場(chǎng)。

智能機(jī)器人技術(shù)由多種學(xué)科內(nèi)容交叉融合，可完成難度很高的任務(wù)，在工農(nóng)業(yè)、醫(yī)療、交通、教育、航空航天及軍事上成為不可或缺的一部分。現(xiàn)如今生產(chǎn)方式由剛轉(zhuǎn)柔、傳統(tǒng)轉(zhuǎn)智能、粗糙轉(zhuǎn)精細(xì)，構(gòu)建以智能制造為核心的新型制造體系迫在眉睫，對(duì)具有更高智能化的工業(yè)機(jī)器人的需求將呈現(xiàn)井噴式增長(zhǎng)的趨勢(shì)。

綜上所述，智能機(jī)器人產(chǎn)業(yè)發(fā)展前景廣闊且市場(chǎng)潛力巨大。它的推廣，將大大解放勞動(dòng)力，并且可以為社會(huì)創(chuàng)造巨大經(jīng)濟(jì)效益。

2 智能機(jī)器人的應(yīng)用現(xiàn)狀

2.1 國(guó)內(nèi)智能機(jī)器人應(yīng)用現(xiàn)狀比較

我國(guó)在機(jī)器人發(fā)展領(lǐng)域中，屬于后來居上。數(shù)據(jù)統(tǒng)計(jì)，中國(guó)機(jī)器人市場(chǎng)規(guī)模在2012-2017年5年間，市場(chǎng)占有率一路飆升，國(guó)內(nèi)整體市場(chǎng)規(guī)模仍在進(jìn)一步擴(kuò)大。近些年來，我國(guó)機(jī)器人行業(yè)呈現(xiàn)積極發(fā)展態(tài)勢(shì)。中國(guó)開始進(jìn)入機(jī)器人時(shí)代，國(guó)內(nèi)多地已經(jīng)開啟了制造業(yè)“機(jī)器換人”改革模式，各個(gè)省份對(duì)機(jī)器人產(chǎn)業(yè)的投入也都如火如荼。“忽如一夜春風(fēng)來,千樹萬樹梨花開”，全國(guó)陸續(xù)產(chǎn)生約3400 家機(jī)器人公司。2014年是中國(guó)機(jī)器人史上的新紀(jì)元，中國(guó)機(jī)器人產(chǎn)業(yè)騰飛成為定局。

表1：企業(yè)發(fā)展程度統(tǒng)計(jì)

本文將簡(jiǎn)要從國(guó)內(nèi)各省份機(jī)器人企業(yè)數(shù)量分布、機(jī)器人技術(shù)領(lǐng)域?qū)＠暾?qǐng)數(shù)量?jī)煞矫鎭磉M(jìn)行比較。

2.1.1 機(jī)器人企業(yè)數(shù)量分布

根據(jù)近5年國(guó)內(nèi)機(jī)器人發(fā)展趨勢(shì)，此處將主要選擇廣東、上海、北京、湖北來作為比較對(duì)象。圖1與表1的數(shù)據(jù)僅篩選了名稱中含有“機(jī)器人”關(guān)鍵字的企業(yè)來進(jìn)行統(tǒng)計(jì)。

由2020年國(guó)內(nèi)各省機(jī)器人企業(yè)數(shù)量對(duì)各省機(jī)器人產(chǎn)業(yè)發(fā)展程度做了以下劃分。

智能機(jī)器人屬于人工智能的衍生物。根據(jù)相關(guān)調(diào)查顯示，目前人工智能企業(yè)主要分布在京津冀、長(zhǎng)三角、珠三角、川渝四大都市圈。如圖2和圖3所示。

2.1.2 機(jī)器人技術(shù)領(lǐng)域?qū)＠暾?qǐng)數(shù)量

互聯(lián)網(wǎng)與云計(jì)算、大數(shù)據(jù)服務(wù)、人工智能……新一代信息技術(shù)產(chǎn)業(yè)影響著人們的生產(chǎn)與生活方式，更與機(jī)器人休戚相關(guān)。廣州中新知識(shí)產(chǎn)權(quán)服務(wù)有限公司項(xiàng)目經(jīng)理文婷表示，目前全球新一代信息技術(shù)產(chǎn)業(yè)的專利申請(qǐng)量增長(zhǎng)趨勢(shì)相對(duì)平穩(wěn)，中國(guó)在2009年后成為了該領(lǐng)域的專利申請(qǐng)主要來源國(guó)。

自2010年以來，中國(guó)專利申請(qǐng)量626305 件，位居世界首位，技術(shù)創(chuàng)新和制造能力迅速提高。其中，廣東省的專利申請(qǐng)量在全國(guó)領(lǐng)先。如圖4所示。

圖1：企業(yè)數(shù)量分布統(tǒng)計(jì)（臺(tái)）

圖2：2020年國(guó)內(nèi)人工智能企業(yè)區(qū)域數(shù)量分布

圖3：2020年國(guó)內(nèi)人工智能企業(yè)城市數(shù)量分布

2.2 山西省智能機(jī)器人應(yīng)用現(xiàn)狀分析

山西省是一個(gè)煤炭資源型大省，累計(jì)查明煤炭保有資源量達(dá)2674 億噸，約占全國(guó)查明煤炭資源儲(chǔ)量的25%；據(jù)測(cè)算，山西全省含煤面積5.7 萬平方千米,占其國(guó)土面積的36.3%。近日，山西省能源局發(fā)布全省生產(chǎn)煤礦生產(chǎn)能力情況公告，截至2020年12月底，山西省共有生產(chǎn)煤礦668 處，合計(jì)生產(chǎn)能力104560 萬噸/年。

據(jù)有關(guān)權(quán)威部門知，截止到2019年12月，山西煤礦現(xiàn)有81.5萬從業(yè)人員，60%以上從事采煤、掘進(jìn)、運(yùn)輸、安控等危險(xiǎn)繁重工作。并且工作難度大，時(shí)間長(zhǎng)，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(shù)，用人多、效率低、管理粗放、安全風(fēng)險(xiǎn)高的局面沒有根本改變，超六成煤礦人員從事危險(xiǎn)繁重工作，為避免人與災(zāi)害“短兵相接”，對(duì)于機(jī)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(shù)統(tǒng)計(jì)圖，從圖中可明顯看出，煤礦事故發(fā)生率以及人數(shù)死亡率整體呈下降趨勢(shì)。這是由于近幾年來，隨著人工智能領(lǐng)域的不斷擴(kuò)大，煤礦產(chǎn)業(yè)也逐漸由自動(dòng)化轉(zhuǎn)向智能化，并且，人工智能產(chǎn)業(yè)受到國(guó)家大力扶持，并在2016年，國(guó)家已將大力發(fā)展機(jī)器人納入《“十三五”規(guī)劃綱要》。

人工智能，已經(jīng)無處不在。在前不久舉行的2020 中國(guó)（太原）人工智能大會(huì)上，聚集了國(guó)內(nèi)40 余家人工智能行業(yè)的領(lǐng)軍企業(yè)、300 余項(xiàng)創(chuàng)新產(chǎn)品及解決方案，集中展示了當(dāng)前我國(guó)人工智能領(lǐng)域的最新成果。

圖4：專利數(shù)量統(tǒng)計(jì)

圖5：煤礦事故及死亡人數(shù)統(tǒng)計(jì)

在朔州一家機(jī)器人生產(chǎn)基地，工作人員通過操控一款偵察機(jī)器人的控制箱，即可得到實(shí)現(xiàn)影像。而根據(jù)不同的火災(zāi)程度和應(yīng)用場(chǎng)景設(shè)計(jì)的消防機(jī)器人，可以在易燃易爆的狀態(tài)下進(jìn)行精準(zhǔn)滅火，還可以參與大型、危化環(huán)境火災(zāi)救援。可以說，這些特種機(jī)器人的研發(fā)，大大方便了人類的生產(chǎn)活動(dòng)。如果將其應(yīng)用于煤礦產(chǎn)業(yè)，就能夠很好的代替工人在高危高壓環(huán)境下進(jìn)行作業(yè)，極大程度上減少人員傷亡。

目前，依據(jù)國(guó)家智能化示范建設(shè)煤礦標(biāo)準(zhǔn)，山西省符合標(biāo)準(zhǔn)的有7 家，僅占全省總煤礦數(shù)的1.05%。所以，作為能源大省，山西具備產(chǎn)業(yè)優(yōu)勢(shì)，未來應(yīng)從互聯(lián)網(wǎng)、大數(shù)據(jù)、人工智能等技術(shù)，對(duì)各行各業(yè)進(jìn)行技術(shù)升級(jí)，盡快實(shí)現(xiàn)“系統(tǒng)智能化、智能系統(tǒng)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(qū)動(dòng)經(jīng)濟(jì)增長(zhǎng)型城市，有著中國(guó)煤都之稱，近幾年來一直在致力于發(fā)展轉(zhuǎn)型，市政府緊緊圍繞“轉(zhuǎn)型發(fā)展、綠色崛起”戰(zhàn)略和“三名一強(qiáng)”奮斗目標(biāo)，以籌備中國(guó)國(guó)際太陽能十項(xiàng)全能競(jìng)賽促轉(zhuǎn)型促綜改，努力建設(shè)轉(zhuǎn)型綜改試驗(yàn)的典型示范區(qū)和國(guó)家新能源示范城市。作為山西特色城市之一，針對(duì)其黃花種植和光伏發(fā)電兩個(gè)產(chǎn)業(yè)進(jìn)行研究，闡述了機(jī)器人在未來應(yīng)用的巨大前景。以下兩個(gè)機(jī)器人是山西大同大學(xué)“AI+同大創(chuàng)客中心”獨(dú)立自主研發(fā)的，為山西轉(zhuǎn)型添磚加瓦。

3.1 太陽能光伏板清洗機(jī)器人

太陽能光伏發(fā)電是迅速發(fā)展的新能源產(chǎn)業(yè)，近年來，我國(guó)西部地區(qū)在光伏發(fā)電上速度過快，但無法完全消納這些電量，因此發(fā)展也因此受限。國(guó)家鼓勵(lì)東、中部地區(qū)發(fā)展分布式發(fā)電，鼓勵(lì)自發(fā)自用，這成為光伏發(fā)電的發(fā)展方向。目前，浙江、山東和廣東等省份的分布式光伏發(fā)電建設(shè)規(guī)模較大，預(yù)計(jì)到2020年將分別達(dá)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(tǒng)能源城市的轉(zhuǎn)型發(fā)展之路。太陽能曾作為該市十二五期間戰(zhàn)略發(fā)展重點(diǎn)，在2013年8月大同舉辦過國(guó)際太陽能十項(xiàng)全能競(jìng)賽，獲得“太陽能之城”的稱號(hào)，據(jù)統(tǒng)計(jì)光照時(shí)間已經(jīng)超過西藏，發(fā)展空間巨大。

太陽能光伏發(fā)電是迅速發(fā)展的符合可持續(xù)發(fā)展戰(zhàn)略的新能源產(chǎn)業(yè)，但是由于灰塵的積累會(huì)降低發(fā)電效率，對(duì)于太陽能電池板傳統(tǒng)的人工手動(dòng)清洗方式耗時(shí)、耗力、耗財(cái)，還浪費(fèi)水資源，對(duì)缺水地區(qū)無疑是重大損失，采用機(jī)械自動(dòng)機(jī)器人，不僅省時(shí)省力省成本，還降低了了水資源的浪費(fèi)。據(jù)統(tǒng)計(jì)，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(jì)算，1MW 每年的人工成本為285120 元。大同市目前規(guī)劃350MW 的光伏組件，每年可節(jié)約人工成本99792000 元。

3.2 黃花采摘機(jī)器人

近年來，智能化自動(dòng)化機(jī)械越來越多地應(yīng)用在農(nóng)業(yè)領(lǐng)域。而在黃花菜采摘領(lǐng)域，傳統(tǒng)的人工采摘有著諸多的缺陷。一是長(zhǎng)期采摘黃花菜會(huì)對(duì)勞動(dòng)者雙手產(chǎn)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(shí)間不可控。三是近年來人工成本在不斷增加，而機(jī)械化水平越來越來高，但成本很低。四是對(duì)于不同品種的黃花菜，其采摘時(shí)間也是不同的，這就需要采摘工人在不同的時(shí)間點(diǎn)去進(jìn)行采摘。一旦采摘時(shí)間過長(zhǎng)，或者采摘時(shí)間不對(duì)的話就會(huì)極大影響黃花菜的品質(zhì)。

由于黃花菜上可能會(huì)有殘留的農(nóng)藥，長(zhǎng)期采摘黃花菜會(huì)對(duì)勞動(dòng)者雙手產(chǎn)生一定的危害。據(jù)調(diào)研，目前廣靈縣和云州區(qū)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(gè)月，時(shí)間緊，任務(wù)重，而大同地區(qū)黃花菜采摘成本為4000 元/畝/年，兩個(gè)地區(qū)每年的人工采摘成本高達(dá)11.69 億元，實(shí)現(xiàn)采摘機(jī)器人的應(yīng)用不僅可以有效地防止其對(duì)人的雙手產(chǎn)生危害、提高采摘效率，還可以降低成本。

4 總結(jié)

伴隨著人工智能的飛速發(fā)展，我國(guó)智能機(jī)器人消費(fèi)總額位于世界前列，具有先天基礎(chǔ)。不過相對(duì)來說山西省智能機(jī)器人起步晚，技術(shù)落后是不爭(zhēng)的事實(shí)，相比于國(guó)內(nèi)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(yè)、建筑業(yè)、農(nóng)業(yè)等方面對(duì)機(jī)器人需求空間巨大。目前，只有高度重視、及時(shí)布局，才能不被市場(chǎng)淘汰。5G 技術(shù)的到來對(duì)于山西省來說是機(jī)遇也是挑戰(zhàn)。如何能夠?qū)崿F(xiàn)山西省智能機(jī)器人產(chǎn)業(yè)的彎道超車是必須要考慮的。

4.1 發(fā)展趨勢(shì)

智能機(jī)器人發(fā)展前景良好，目前機(jī)器人的研究正處于第三代智能機(jī)器人階段，其本身有多種傳感器,可以融合得到的多個(gè)信息，還能有效的適應(yīng)變化的環(huán)境，有著很強(qiáng)的自主學(xué)習(xí)能力。

目前，大數(shù)據(jù)、虛擬現(xiàn)實(shí)、物聯(lián)網(wǎng)、人工智能等新一代信息技術(shù)在智能機(jī)器人中的集成應(yīng)用日益顯著。近幾年，隨著人工智能技術(shù)的快速發(fā)展，智能機(jī)器人成為了這些新興技術(shù)的重要載體。通過這些新技術(shù)，使得機(jī)器人的“智能化”水平大幅提升、機(jī)器人產(chǎn)品靈活多樣，引領(lǐng)實(shí)現(xiàn)了智能機(jī)器。

其次，智能制造等行業(yè)智能技術(shù)發(fā)展為工業(yè)機(jī)器人的發(fā)展提供了廣闊空間。隨著智能的深入應(yīng)用，越來越多的企業(yè)開始積極探索相關(guān)新模式、新業(yè)態(tài)。智能機(jī)器人在生產(chǎn)信息采集、生產(chǎn)流程、安全控制、維護(hù)檢修等環(huán)節(jié)的應(yīng)用廣度和深度不斷增強(qiáng)。隨著煤炭等行業(yè)對(duì)機(jī)器人技術(shù)的不斷引入，以巡檢機(jī)器人為代表，通過廣泛應(yīng)用無軌化、3D 激光導(dǎo)航技術(shù)和視覺識(shí)別等技術(shù)，為煤礦安全提供保障，自動(dòng)識(shí)別各種災(zāi)害事故，并及時(shí)報(bào)警處理，這大大減少了相關(guān)方面財(cái)力物力的損失，正在一步步實(shí)現(xiàn)從自動(dòng)巡檢機(jī)器人向智能巡檢機(jī)器人的蛻變。

最后，就當(dāng)前發(fā)展來看，美國(guó)處于領(lǐng)先地位，尤其是在智能機(jī)器人的高端技術(shù)方面，無論是視覺還是觸覺方面都有著極高的技術(shù)含量，并且在航天技術(shù)以及汽車工業(yè)方面都有著廣泛的應(yīng)用，日本則是由于一系列政府的優(yōu)惠政策，大力發(fā)展智能機(jī)器人，歐洲各國(guó)也不例外，他們?cè)跈C(jī)器人的研究以及應(yīng)用方面也處于先進(jìn)地位。隨著市場(chǎng)以及政府的推動(dòng)作用，我國(guó)已由落后轉(zhuǎn)變?yōu)楦咚侔l(fā)展。現(xiàn)正在以機(jī)器人產(chǎn)業(yè)為核心，促進(jìn)各個(gè)產(chǎn)業(yè)發(fā)展，智能服務(wù)機(jī)器人的功能不斷豐富完善，發(fā)展前景可觀。

4.2 建議及設(shè)想

當(dāng)前，人工智能已經(jīng)形成京津冀、長(zhǎng)三角、粵港澳大灣區(qū)協(xié)同發(fā)展的格局。作為能源大省，山西具備產(chǎn)業(yè)優(yōu)勢(shì)，今后應(yīng)從那些地方發(fā)力沖向人工智能？

首先，山西應(yīng)全力推進(jìn)人工智能領(lǐng)域的企業(yè)技術(shù)中心、技術(shù)創(chuàng)新示范企業(yè)建設(shè)，打造一批企業(yè)領(lǐng)頭羊；其次，著力推進(jìn)一批制造業(yè)創(chuàng)新中心、新型研發(fā)機(jī)構(gòu)使其成為創(chuàng)新的基點(diǎn)，進(jìn)而推動(dòng)后續(xù)技術(shù)的研發(fā)；另外，要強(qiáng)化重點(diǎn)項(xiàng)目的實(shí)施，圍繞人工智能產(chǎn)業(yè)，著力謀劃一批重點(diǎn)項(xiàng)目，以項(xiàng)目為牽引，帶動(dòng)人工智能產(chǎn)業(yè)的發(fā)展。

未來，人工智能和產(chǎn)業(yè)如何深度融合？我認(rèn)為，山西發(fā)展人工智能產(chǎn)業(yè)，對(duì)傳統(tǒng)產(chǎn)業(yè)轉(zhuǎn)型升級(jí)必不可少，傳統(tǒng)產(chǎn)業(yè)轉(zhuǎn)型升級(jí)要結(jié)合人工智能技術(shù)，比如，用機(jī)器人代替人工勞動(dòng)可以提高效率。此外，還可以基于大數(shù)據(jù)進(jìn)行創(chuàng)新創(chuàng)業(yè)，例如，山西歷史底蘊(yùn)深厚，文化產(chǎn)業(yè)可以利用人工智能技術(shù)和大數(shù)據(jù)技術(shù)來進(jìn)行發(fā)掘、轉(zhuǎn)化和推廣。

目前，盡管國(guó)內(nèi)外智能機(jī)器人的研究已經(jīng)取得了眾多成果，但在技術(shù)方面仍需要繼續(xù)突破。因此對(duì)于后續(xù)的發(fā)展，努力提高各方面的技術(shù)及其綜合應(yīng)用，大力提高智能機(jī)器人的智能程度、自主性和適應(yīng)性，是智能機(jī)器人發(fā)展的關(guān)鍵。讓智能機(jī)器人完成有益于人類的工作，代替人類從事危險(xiǎn)，機(jī)械性的工作，使其真正為人類利益服務(wù)，而不能成為反人類的工具。例如對(duì)煤礦行業(yè)來說，對(duì)于智能機(jī)器人的大量應(yīng)用，真正實(shí)現(xiàn)無人化開采的日子相信在不久的將來就可以實(shí)現(xiàn)。還有農(nóng)業(yè)方面，早日實(shí)現(xiàn)無人化種植及收割指日可待，同時(shí)，其他形形色色的行業(yè)也都會(huì)隨著智能機(jī)器人的發(fā)展而產(chǎn)生新的變革。