绿色智慧建筑机器人典型产品设计及发展建议

文|杜明芳

建筑机器人是指应用于建筑行业的特种机器人，其体系结构与通用机器人是一致的，即一般包括七个组成部分：机械本体、感知系统、驱动系统、运动控制系统、智能决策系统、导航定位系统、人机交互系统。建筑机器人可以是工业机器人类型，也可以是服务机器人类型。广义上看，可以有软件形态建筑机器人（偏重管理与决策、演示与展示、虚拟空间交互等功能，如数据智能决策机器人、虚拟数字人等）和硬件形态建筑机器人（软硬件一体）两大类。

绿色智慧建筑机器人是一类服务于绿色智慧建筑产业的特种机器人，其技术体系由机械本体、传感、驱动、控制、决策构成。本文“绿色智慧建筑”的内涵主要包括节能建筑、智能建筑、健康建筑、安全建筑、韧性建筑五个方面。所有面向以上类型绿色智慧建筑应用的机器人都可称为绿色智慧建筑机器人。

需求与发展现状

近年来，我国新型城镇化发展带动了智能建造与建筑工业化的快速发展，但中国建筑业体量庞大、建筑行业智能化基础较弱、人员总体专业素质不高等因素使得建筑业智能化转型升级仍有较长的路要走。目前，建筑业的发展出现以下典型问题：劳动力资源短缺如何解决？老龄化趋势严重如何应对？危险场景作业如何“机器换人”？城市风险如何预测预防？能源转型如何通过智能化途径实现？人的健康如何保障？总体来看，建筑工程全生命周期中仍普遍存在施工作业风险大、产业链协同度低、智能装备应用率低等多种问题。机器人技术在建筑业中的融合应用为传统建筑行业向智能化、工业化、智慧化升级提供了路径和方向。

应用于建筑空间的机器人近年来呈现出需求量激增的局面，市场潜能巨大。目前，能够服务于不同类型建筑的智能机器人通用技术和个性化技术都尚待系统性深入研究。智能机器人理论和技术与建筑场景之间的紧密融合成为新的研究课题。相关数据显示，2018年全球建筑机器人市场规模就达到了2.44 亿美元。专家预测，到2025年，全球建筑机器人市场规模有望突破3.8 亿美元。越来越多的建筑企业正计划大规模投入研发应用建筑机器人。近期，澳大利亚Fastbrick Robotics(FBR)公司打造的Hadrian X 机器人已经将作业效率提升到了“一小时内完成200 块砖的施工”。可以预测，未来5-10年内，绿色智慧建筑机器人的研发应用将使得建筑工程的各个环节实现效率、品质、安全、成本等性能要素的全面提升，并在一定程度解决劳动力不足的难题。在住房和城乡建设部等部门《关于推动智能建造与建筑工业化协同发展的指导意见》（建市〔2020〕60 号）等政策的大力推动下，我国建筑机器人产业有望迎来发展的黄金期。

绿色智慧建筑机器人产品开发范例：电力智能运维巡检机器人

以人工智能、工业4.0、下一代互联网技术为核心的新一轮科技革命和产业变革正在深刻影响传统产业，智能机器人技术为能源电力运检技术创新发展和管理模式变革带来了历史机遇。目前，电气设备、建筑设备、工厂设备巡检存在设备节点多、巡检专业性强、人力资源匮乏等问题，造成巡检工作“不能、不愿、不便、不佳”的状况。在园区、社区、公共建筑、建筑供配电室、输配电沿线、智能工厂等场景，运维巡检专业人员的专业化水平较低，相对于繁重的运维工作人员配置率不足，已经影响到了能源、建筑系统的安全性、可靠性和韧性。各种建筑空间都需要引入针对能源电力系统自动化运行维护的智能运维巡检机器人，这是一种自主化、网络化、智能化的智能巡检装置，可部分取代人工完成日常巡检工作，实现设备与系统运维的少人化甚至无人化。

图1 室内电力运维巡检机器人应用场景与方法

图2 室内电力运维巡检机器人抄表方法

各种类型建筑物的室内均可使用此款电力智能运维巡检机器人。例如，园区室内电力场景智能巡检机器人系统主要针对室内电力场景的设备及其周边环境实现自主化无人巡检。园区内智能工厂管理的设备多、范围广，传统管理方式对生产一线运检工作的管控力度不足，不能满足状态实时可监、可控的要求，在出现故障时也不能够及时通过智能化手段处置，因此亟需采用基于智能运维巡检机器人的智能终端监测控制方式，并通过智能巡检终端与监控指挥中心的实时通信实现更加高效的生产指挥与协调管控。充分考虑巡检工作需求和管理需求，兼顾自主智能和远程实时的需求痛点，建立以机器人为节点的信息化智能巡检管理系统。系统基本功能包括设备运行参数检测和局部放电检测，环境监测和大数据AI 管理。

机器人运动方式采用吊轨式行走。安装时采用最便于读取配电柜、仪器仪表数据的姿态，确保检测精度。采用多段升降模块确保对检测面的覆盖；检测模块采用三轴分立式云台结构，可在垂直、水平方向上自由旋转，实现传感器模块在竖直轴和水平轴的转动自由度，保证设备检测位置最优化选取，杜绝检测盲区。

伴随设备自动化的发展，传感、控制、通信装置数量剧增，人们对这些设备运行的可靠性、安全性的要求也越来越高。加强设备运行状态的监测，对提高工厂运行可靠性至关重要。通过智能运维巡检机器人的场景融入，可进一步提升设备管理和生产管理的精益化水平，进一步优化业务流程，提高资源优化配置效率，降低运维风险，达到创新管理模式、节约能源、降低人力资源成本的目标。

绿色智慧建筑机器人产业发展建议

绿色智慧建筑机器人的产业化要具有产品思维，应以标准化、模块化方式高效推进各品类建筑机器人的设计、研发、测试工作，坚持标准先行与标准引领，有效降低重复性、盲目性投入，在精准定位产品和市场的前提下再开展研发试制工作。同时，应加强对产品理论原型与关键技术的研究与创新，从底层保证技术自主可控。这样才能有效保证未来国产建筑机器人向安全、智能、绿色、普惠方向健康发展，才能有力促进建筑机器人产业不断发展壮大，从而为我国建筑业发展改革与智能化转型提供有力支撑。

绿色智慧建筑机器人的研究和产业化应重视以下四个方面工作：

一是要具备强人工智能技术（特别是机器人学）的深厚积淀。绿色智慧建筑机器人的基础理论和技术来自机器人科学与技术专业领域，而机器人学又是人工智能理论的一个分支。因此应重视源头性基础理论和技术的研究，深耕自动化、机器人、人工智能等相关专业技术。

二是要能解决建筑行业发展的痛点与亟需。作为服务于建筑行业的特种机器人，绿色智慧建筑机器人产品的策划和定位应以建筑场景需求为出发点，深入调研和分析建筑场景的痛点和需求，密切结合场景设计机器人产品，做到场景定制精致机器人、产品服务于建筑业绿色智慧化长足发展。

三是要能服务于碳达峰碳中和国家战略。在“双碳”战略背景下，绿色智慧建筑正在寻求各种节能环保之道，通过精准量化碳排放、碳足迹计算及碳中和策略实施，广义绿色建筑机器人（包括硬件机器人和软件机器人）有望通过AI 主动节能方式改善“双碳”战略实施进程中的场景智能技术偏弱状况，在众多绿色化场景中广泛发挥基础性作用。

四是要能服务于城市安全和工业安全。从机械、电气、自动控制、模式识别等各角度自主研制的国产化绿色智慧建筑机器人，构建从操作系统到产业体系的自主技术集成生态，能够以自主可控智能技术保障国家城市建设运营安全和工业控制系统、工业信息物理系统安全，改善机器人技术和产业链受制于外国的整体局面。

未来，工业4.0 将呈现以下六大发展趋势：深度网络化，高度智能自动化，全面绿色化，服务精准化，运营平台化，虚实互控化。绿色智慧建筑机器人作为未来工业4.0 的核心装备，应顺应宏观趋势，主动融入未来工业体系，并努力成为未来工业皇冠上的明珠。