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机械创新方法的应用2023-06-11Aix XinLe

　　探讨了当前人工智能的发展态势及其可能对工程机械行业产生的重要影响；通过列举近年来智能工程机械在解决行业疑难问题时的突出表现，展现出其释放未来竞争力的巨大潜力；针对工程机械制造业自动化水平羸弱的现状，提出借助智能机器人扭转局势，从而行业转型突破困境；面对信息时代的巨大变革和机遇，尽早掌握并利用人工智能，将有益于构筑平台型企业，提早占据价值链高端

　　工程机械作为工业时代的产物，在人类社会进入以微电子、计算机、核能、新材料、生物等高技术群为代表的信息社会以后，便与其他机械装备一起从引领科技的龙头和主线位置退出。然而，以互联网为核心的信息走过数十年的历程后，其对科技创新的引领逐渐乏力，而随着人工智能技术的迅猛发展，以仿人自主智能、群体智能形容创新的词、混合增强智能、多感知人机混合智能、大数据认知智能等为骨架，融合多学科领域近年来相继突破的前沿发现及发明成果，形成的智能科技大系统则成为信息化的演进和跃升，并使得信息化和机械化融合，产生人类社会新的升华和质变。当前，人类社会即将从信息社会向智能社会进行历史跨越，在这一创新浪潮面前，世界各国重新站在同一起跑线上，而这个难得的历史机遇期，也给多年来无跨越性变化的工程机械行业带来更多创新发展的机遇和挑战。

　　尽管人工智能技术在近70余年的发展中也曾经历过风潮和低靡，但如今无论是国际科技界和产业界的反应，还是世界各科技强国的战略举措，特别是智能技术群体的突破和迅速应用渗透的社会影响，都表明了智能的兴起［1］。2017年6月28日在天津举办的世界智能大会上，中国科学院院士潘云鹤表示：“人工智能不仅有量的发展，还有质的突破，人工智能已经走向2.0时代”。根据潘云鹤的定义，人工智能2.0意味着让人的智能和人工智能这两者相互配合，形成更加强大的混合智能，让世界在更高的水平上运行，而利用网络将很多个体连接在一起形成的群体智能也是人工智能目前的新趋势。与此同时，人们对人工智能的需求也有了变化，不仅希望研究一个人的智能，更希望借助人工智能来赋予一个系统智能，这种系统智能能够在更高的水平上提升整体的效率［2］。

　　由此看来，升级版的人工智能科技是智能的龙头和主线，将带动众多学科走向繁荣，引发众多技术领域的更新换代；更重要的是将引发产业变革风起云涌，带来人们生产生活方式和社会结构的深刻变化，推动人类社会从工业化、信息化社会向智能社会进行历史跨越［3］。

　　既然是人类社会整体的历史性跃迁，工程机械作为人类创造的巨大工业财富，不可能置身其外。实际上，人工智能具有跨学科、跨界融合的特点，具有广泛的渗透性、交融性和带动性。随着先进计算机、互联网系统、大数据、云计算、包括各种传感器的的感知系统、深度学习及认知计算等作为必要的基础平台和手段，人互联网创新大赛作品、机器、信息将融合成智慧化研判、智能化操纵的有机系统。最终，人工智能将是植入工程机械的新基因，智能机器和智能装备将是未来工程机械发展的方向。

　　2016年，英国的Soil Machine Dynamics公司为Nautilus Minerals公司制造了世界上第一台能够在接近1600m的深海环境中开展工作的深海采矿机器人。这个深海采矿主机器人是一对牵引式挂车大小的挖掘机，其中一个配有碳化钨材料打造的4m宽的对向旋转钻头，在富含金属矿的海底狭缝处开采矿石，而另一个机器人则负责用一个直径2.5m的鼓状粉碎设备直接将岩壁粉碎互联网创新大赛作品。还有一台采矿机器人则负责将开采的矿石运回补给船［4］。这组机器人计划用于巴布亚新几内亚的新爱尔兰省海岸约30km处的矿床进行30个月的挖掘工作，预期能够挖掘到250万t的矿石，估值超过15亿美元。若果真如此，如此巨大的收益必然会促使矿产行业进一步向深海、深地以及深空伸出“触手”十大创新方法，随之而来的就是适合这些领域的智能施工机械新市场的开拓和发掘。

　　当前人类面临着比以往任何时候都更加严峻的能源资源挑战，向深海、深空、深地“要资源”已经成为世界各国的共识，而这些区域潜藏的巨大财富却因其施工环境恶劣而难以获取。这些区域人类难以到达，因而驱使施工机器人前往便成为世界各国先进工程机械制造企业的新研发方向，相比多年来非常成熟并已趋于固化的地球表层煤炭、石油等资源地面施工设施的市场，利用人工智能技术开发的深海、深地、深空施工机器设备则是一个全新的“蓝海市场”，将是未来全球工程机械企业新的产值增长点。

　　实际上，智能工程机械如今不再仅是对未来的预期，智能技术的应用对施工质量的改变已经成为现实。在筑路机械领域，利用智能技术对路基、路面压实度进行连续监测的技术已经在高铁路基的修筑中得到应用，并对路基的铺设质量产生了“质变”的影响。以西南交通大学徐光辉教授带领的研发团队为例，该团队采用动力学方法对振动压路机与填筑体相互作用问题进行了长期研究，提出采用填筑体结构抗力作为压实控制指标的动力学方法；并在大量的实践验证工作基础上，提出了钢轮与路基相互作用的连续体模型、离散体模型、碰撞模型和钢轮动力学模型以及相应的求解方法。该方法经过参数识别可以得到填筑体结构的模量、抗力和刚度系数等与压实质量直接相关的控制指标，解决了振动压路机弹跳状态下无法正确识别压实质量这一国外还未解决的问题，并在实践中得到了验证，这为高级智能压实设备的研发奠定了基础。连续与智能压实控制技术从2008年开始在高速铁路和普通铁路建设中应用；曾先后在哈大高铁、京沪高铁、成灌铁路和兰新铁路中进行试验性应用；2012年中国首部连续压实控制标准颁布后，连续智能压实控制技术开始在铁路建设中正式应用，并在沪昆高铁贵州段、京沈高铁、石济高铁互联网创新大赛作品、商合杭高铁形容创新的词、济青高铁以及呼准鄂铁路和黔张常铁路等建设中成功应用［5］。

　　2016年，美国陆军公布了一份长达35页的《2016～2045年新兴科技趋势报告》。报告中提到，在2045年的地球上，机器人和自动化系统将无处不在，机器人会负责日常生活中大量的任务以及工业中的职责。鉴于此，随着人工智能的介入，工程机械将加快其现代化进程，逐步过渡到完全智能化的作业机器人。未来的工程机械将从局部自动化过渡到全面自动化，并且向着远距离操纵和无人驾驶的趋势发展。在工程机械产品的不同区域，安装不同类型的传感器（温度传感器、压力传感器、位置传感器等），对外界信号进行感知、分析；在产品上安装，依据大数据中的各种工况，结合现场施工情况，模拟人类大脑的分析，做出准确的决策形容创新的词，自动进行施工，并不断学习与自我完善，达到真正的施工人工智能。

　　目前看来，至少在中国工程机械行业的主机和零配件制造领域，将有可能逐渐实现智能制造；通过智能化生产系统和网络化分布式生产设施，为智能生产提供条件，实现智能工厂；利用智能工厂提供的软、硬件，通过人机互动和先进技术完成生产过程的自动化和智能化，实现智能生产。在这个过程中，机器替代了人的工作，全自动化的生产线不仅使得制造过程更加智能化，也提高了整个生产过程的效率，而随着劳动力成本不断上涨，“机器换人”将有效降低工程机械制造企业的人力成本。与人力相比十大创新方法，机器人还具有成本低、效率高、智能化、适应恶劣工作条件与工作时间长的优势，利用机器人转型智能制造将成为发展趋势。

　　山推作为国内大型工程机械生产厂家和推土机行业龙头企业，在自动化焊接设备的应用方面走在国内同行的前列，在20世纪90年代中期就开始应用焊接机器人和自动化焊接专机。这些举措不仅使企业的生产效率得到了有效提高，也转变了员工的传统观念。引进机器人的裨益在三一重机的快速发展上也可窥一二：2007年，2台机器人现身三一重机生产线；此后，企业销量突飞猛进，机器人队伍也随之壮大。在三一重机临港产业园中也能看到200多台机器人各司其职，忙着切割、焊接、涂装或者涂胶等工作。2012年底，搅拌车搅拌筒内焊缝焊接机器人生产系统在中联重科沅江工业园正式启用。这在国内混凝土机械行业尚属首次。

　　尽管如此，目前工程机械的生产线上依旧以人工为主，自动化水平羸弱。在这一方面，汽车制造业能够提供一些可供借鉴的经验。有统计数据显示，在工业机器人所有应用领域中，汽车行业机器人的应用占到整体市场份额的60%以上［6］。工业机器人的成功应用也使汽车制造业的生产效率大幅度提高。诚然，自动化要的是效益，不单纯是速度。工程机械生产成本高、薄盈利的特点使其对新型生产方式浅尝辄止，无法进一步深入改革；但在走了一些弯路之后，应该为今后总结经验教训，而不是就此对工业机器人敬而远之。特别是近几年，在中国工程机械行业迎来高速发展、亟待升级转型的形势下，企业要想在激烈的竞争中抢夺更大的市场份额，摆脱产品的同质化竞争，必须加强生产线自动化水平，大力引进机器人将不可或缺。

　　目前，国内个别企业已经对生产线上的机台数据进行了多年的积累，然后利用图像识别和机器学习等技术，对这些海量的机床大数据做了建模和分析，得出了生产环节中每一个制造流程的模式化结果。再加上各种传感器技术的接入，可以做到让机器独立自主地关灯生产。有理由相信，未来的工程机械智能制造更加体现于精益制造，以及更加合理地运用社会资源。

　　信息时代，谷歌、脸书等依靠数据赢得巨额利润的平台型企业的成功有目共睹。如今，面对人类历史的巨大变革机遇，继续在传统工程机械施工领域精耕细作固然可以筑牢基础，但抓住跨越式发展的时机也尤为必要。马云曾说：“未来的机器吃的不是电，而是数据。”此话通俗但不无道理。实际上，数据将成为融合各类生产要素的核心载体已是各界的共识，随着工业互联网将机械设备这一“人类创造的最贵的设备”联通起来，实体世界与虚拟世界的更深层次的融合将开辟人类感知世界的新空间。拥有数据、跨领域的平台型企业将成为价值创造和资源聚集的“产业公地”。

　　在信息时代，工程机械行业并未出现实质性的改变，但站在智能社会的起点上，颠覆式的商业创新将出现于物联网、云计算、大数据、人工智能与传统行业的深度融合处。因此，提前在工业互联网领域布局，提早形成平台型制造业企业成为各国巨头的必然选择。

　　有人曾预计，到2050年全球将有超过80%的的企业依赖各类平台生存。平台型企业将占据全球价值链的高端，对下游垂直型企业形成强大的整合能力，而构建工业互联网，即是在未来的平台型企业竞争中抢占先机。

　　实际上，在大数据概念兴起之时，工程机械企业已经纷纷布局，例如，三一重工股份有限公司目前已经实现对其生产的每一辆工程机械车都配置车载终端，可以提供位置监控査询、移动通信、数据采集（包括机械的液压油和机油的油温、油压、发动机转数等工作数据）、遥控断油断电、车载黑匣子、断电（剪线）报警形容创新的词、省电工作、行驶线路报警、行驶区域报警、遥控唤醒等功能。

　　中联重科同样为出厂的泵车、吊车全部预装车载终端，并将其接入总线系统，实时监测车辆的里程、运行状态、吊臂作业数据及控制信号等。

　　同样，日本小松公司的挖掘机也安装了定位系统。但小松公司在实时监控车辆运行情况的同时，还根据挖掘机每个月的工作时间统计全年的工作情况，收集基础数据等。小松自带“康查士”全球定位系统，可以准确定位机器的位置（移动轨迹）、油耗、工作状态、作业量、燃油量（防止未经允许私自放油）、水温、油温。

　　在工业互联网构筑之前，这种数据的收集虽不能说是盲目的，但目的不甚明晰却是事实，随着智能社会的进一步推进，人工智能不再仅是技术成果，而已经渗透到工业生产领域，收集数据是为了何种目的的答案就显而易见，与此同时，什么样的数据才最有收集价值也变得明确了。

　　目前，美国通用电气公司和德国西门子公司已推出渗透到制造业研发、生产、管理、营销、物流、服务等全部流程的工业互联网云平台，并推动制造业研发创新体系、生产组织方式和经营管理模式的持续变革。2017年6月15日，中国航天科工集团正式面向全球发布了工业互联网云平台———INDICS，这个平台在技术上与美、德两国处于同一水平，自2015年上线万户，线亿元，业务运行过程嵌入云平台企业1500余家，设备接入云平台6000余台，已成为全球已知嵌入企业数和接入设备数最多的云平台［7］。在工程机械领域，三一与腾讯、徐工与阿里巴巴跨界开拓工业互联网领域也开展得如火如荼。抢占未来的数据高地、构筑平台型企业的竞争已经开始。

　　美国通用电气公司曾对此有预测十大创新方法，利用传感器、大数据、人工智能等技术，商业航空领域未来15年节约1%的燃料就节约了300亿美元；全球所有天然气火力发电厂的效率提高1%，就节约价值660亿美元的燃料；全球医疗效率提高1%，就节约了超过630亿美元的医疗成本。如果工程机械设备也能借助工业互联网和人工智能技术实现“1%”的提升，那么将在效率提升和能源节约方面出现真正颠覆过去数百年的变革［8-9］。

　　人工智能领域的深度学习技术已经给资源和能源的节约带来了颠覆以往认知的改变，这种赋予一个系统智能的需求，在资源能源日益紧缺的人类社会中越来越迫切。在目前的工程机械领域，经过多年的发展已成熟和稳定，在效率提升和能源节约方面，如果不加入性的技术，不太可能得到颠覆性的提升。然而在智能社会时代，智能制造将使各类制造业全面升级，不但包括大量智能装备，而且会形成智能制造系统网络，工业互联网将有效整合全球的制造业资源，致使生产和管理方式、生产效率、质量保证、绿色生产程度都将发生惊人的变化。

　　在德勤有限公司（Deloitte）与美国竞争力委员会2016年发布的《2016全球制造业竞争力指数》中，逾500名全球制造业企业的首席执行官对推动全球制造业竞争力发展的因素进行了评估。20世纪的传统制造业强国，如美国、德国、日本和英国，在2016年已经重新回到了十大最具竞争力国家的行列。

　　该评估还预测，这些投资于先进制造技术的国家在2020年之前将保持前10位的地位。然而，即便制造业重新回归经济市场的视野，但却并非简单地回到原点，而是在人工智能技术加持下的“螺旋式上升”。随着数字世界和现实世界在制造业内实现融合，制造业竞争力要通过先进技术来塑造，而智能产品和智能工厂以及先进材料的应用才是对未来竞争力至关重要的因素。由此可见，随着智能的到来，尽管工业时代的机械设备重回引领经济发展的轨迹，但其发展方向已经深受人工智能的影响，其创新必将向着适应智能社会需求的方向发展。