綠色智慧建筑機器人典型產品設計及發展建議

文|杜明芳

建筑機器人是指應用于建筑行業的特種機器人，其體系結構與通用機器人是一致的，即一般包括七個組成部分：機械本體、感知系統、驅動系統、運動控制系統、智能決策系統、導航定位系統、人機交互系統。建筑機器人可以是工業機器人類型，也可以是服務機器人類型。廣義上看，可以有軟件形態建筑機器人（偏重管理與決策、演示與展示、虛擬空間交互等功能，如數據智能決策機器人、虛擬數字人等）和硬件形態建筑機器人（軟硬件一體）兩大類。

綠色智慧建筑機器人是一類服務于綠色智慧建筑產業的特種機器人，其技術體系由機械本體、傳感、驅動、控制、決策構成。本文“綠色智慧建筑”的內涵主要包括節能建筑、智能建筑、健康建筑、安全建筑、韌性建筑五個方面。所有面向以上類型綠色智慧建筑應用的機器人都可稱為綠色智慧建筑機器人。

需求與發展現狀

近年來，我國新型城鎮化發展帶動了智能建造與建筑工業化的快速發展，但中國建筑業體量龐大、建筑行業智能化基礎較弱、人員總體專業素質不高等因素使得建筑業智能化轉型升級仍有較長的路要走。目前，建筑業的發展出現以下典型問題：勞動力資源短缺如何解決？老齡化趨勢嚴重如何應對？危險場景作業如何“機器換人”？城市風險如何預測預防？能源轉型如何通過智能化途徑實現？人的健康如何保障？總體來看，建筑工程全生命周期中仍普遍存在施工作業風險大、產業鏈協同度低、智能裝備應用率低等多種問題。機器人技術在建筑業中的融合應用為傳統建筑行業向智能化、工業化、智慧化升級提供了路徑和方向。

應用于建筑空間的機器人近年來呈現出需求量激增的局面，市場潛能巨大。目前，能夠服務于不同類型建筑的智能機器人通用技術和個性化技術都尚待系統性深入研究。智能機器人理論和技術與建筑場景之間的緊密融合成為新的研究課題。相關數據顯示，2018年全球建筑機器人市場規模就達到了2.44 億美元。專家預測，到2025年，全球建筑機器人市場規模有望突破3.8 億美元。越來越多的建筑企業正計劃大規模投入研發應用建筑機器人。近期，澳大利亞Fastbrick Robotics(FBR)公司打造的Hadrian X 機器人已經將作業效率提升到了“一小時內完成200 塊磚的施工”。可以預測，未來5-10年內，綠色智慧建筑機器人的研發應用將使得建筑工程的各個環節實現效率、品質、安全、成本等性能要素的全面提升，并在一定程度解決勞動力不足的難題。在住房和城鄉建設部等部門《關于推動智能建造與建筑工業化協同發展的指導意見》（建市〔2020〕60 號）等政策的大力推動下，我國建筑機器人產業有望迎來發展的黃金期。

綠色智慧建筑機器人產品開發范例：電力智能運維巡檢機器人

以人工智能、工業4.0、下一代互聯網技術為核心的新一輪科技革命和產業變革正在深刻影響傳統產業，智能機器人技術為能源電力運檢技術創新發展和管理模式變革帶來了歷史機遇。目前，電氣設備、建筑設備、工廠設備巡檢存在設備節點多、巡檢專業性強、人力資源匱乏等問題，造成巡檢工作“不能、不愿、不便、不佳”的狀況。在園區、社區、公共建筑、建筑供配電室、輸配電沿線、智能工廠等場景，運維巡檢專業人員的專業化水平較低，相對于繁重的運維工作人員配置率不足，已經影響到了能源、建筑系統的安全性、可靠性和韌性。各種建筑空間都需要引入針對能源電力系統自動化運行維護的智能運維巡檢機器人，這是一種自主化、網絡化、智能化的智能巡檢裝置，可部分取代人工完成日常巡檢工作，實現設備與系統運維的少人化甚至無人化。

圖1 室內電力運維巡檢機器人應用場景與方法

圖2 室內電力運維巡檢機器人抄表方法

各種類型建筑物的室內均可使用此款電力智能運維巡檢機器人。例如，園區室內電力場景智能巡檢機器人系統主要針對室內電力場景的設備及其周邊環境實現自主化無人巡檢。園區內智能工廠管理的設備多、范圍廣，傳統管理方式對生產一線運檢工作的管控力度不足，不能滿足狀態實時可監、可控的要求，在出現故障時也不能夠及時通過智能化手段處置，因此亟需采用基于智能運維巡檢機器人的智能終端監測控制方式，并通過智能巡檢終端與監控指揮中心的實時通信實現更加高效的生產指揮與協調管控。充分考慮巡檢工作需求和管理需求，兼顧自主智能和遠程實時的需求痛點，建立以機器人為節點的信息化智能巡檢管理系統。系統基本功能包括設備運行參數檢測和局部放電檢測，環境監測和大數據AI 管理。

機器人運動方式采用吊軌式行走。安裝時采用最便于讀取配電柜、儀器儀表數據的姿態，確保檢測精度。采用多段升降模塊確保對檢測面的覆蓋；檢測模塊采用三軸分立式云臺結構，可在垂直、水平方向上自由旋轉，實現傳感器模塊在豎直軸和水平軸的轉動自由度，保證設備檢測位置最優化選取，杜絕檢測盲區。

伴隨設備自動化的發展，傳感、控制、通信裝置數量劇增，人們對這些設備運行的可靠性、安全性的要求也越來越高。加強設備運行狀態的監測，對提高工廠運行可靠性至關重要。通過智能運維巡檢機器人的場景融入，可進一步提升設備管理和生產管理的精益化水平，進一步優化業務流程，提高資源優化配置效率，降低運維風險，達到創新管理模式、節約能源、降低人力資源成本的目標。

綠色智慧建筑機器人產業發展建議

綠色智慧建筑機器人的產業化要具有產品思維，應以標準化、模塊化方式高效推進各品類建筑機器人的設計、研發、測試工作，堅持標準先行與標準引領，有效降低重復性、盲目性投入，在精準定位產品和市場的前提下再開展研發試制工作。同時，應加強對產品理論原型與關鍵技術的研究與創新，從底層保證技術自主可控。這樣才能有效保證未來國產建筑機器人向安全、智能、綠色、普惠方向健康發展，才能有力促進建筑機器人產業不斷發展壯大，從而為我國建筑業發展改革與智能化轉型提供有力支撐。

綠色智慧建筑機器人的研究和產業化應重視以下四個方面工作：

一是要具備強人工智能技術（特別是機器人學）的深厚積淀。綠色智慧建筑機器人的基礎理論和技術來自機器人科學與技術專業領域，而機器人學又是人工智能理論的一個分支。因此應重視源頭性基礎理論和技術的研究，深耕自動化、機器人、人工智能等相關專業技術。

二是要能解決建筑行業發展的痛點與亟需。作為服務于建筑行業的特種機器人，綠色智慧建筑機器人產品的策劃和定位應以建筑場景需求為出發點，深入調研和分析建筑場景的痛點和需求，密切結合場景設計機器人產品，做到場景定制精致機器人、產品服務于建筑業綠色智慧化長足發展。

三是要能服務于碳達峰碳中和國家戰略。在“雙碳”戰略背景下，綠色智慧建筑正在尋求各種節能環保之道，通過精準量化碳排放、碳足跡計算及碳中和策略實施，廣義綠色建筑機器人（包括硬件機器人和軟件機器人）有望通過AI 主動節能方式改善“雙碳”戰略實施進程中的場景智能技術偏弱狀況，在眾多綠色化場景中廣泛發揮基礎性作用。

四是要能服務于城市安全和工業安全。從機械、電氣、自動控制、模式識別等各角度自主研制的國產化綠色智慧建筑機器人，構建從操作系統到產業體系的自主技術集成生態，能夠以自主可控智能技術保障國家城市建設運營安全和工業控制系統、工業信息物理系統安全，改善機器人技術和產業鏈受制于外國的整體局面。

未來，工業4.0 將呈現以下六大發展趨勢：深度網絡化，高度智能自動化，全面綠色化，服務精準化，運營平臺化，虛實互控化。綠色智慧建筑機器人作為未來工業4.0 的核心裝備，應順應宏觀趨勢，主動融入未來工業體系，并努力成為未來工業皇冠上的明珠。