日本建筑业深刻演绎“穷则思变”——无人化施工

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01  背景

日本从1970年起便步入了老龄化，近10年人口持续负增长，少子化和老龄化给日本带来了深切的困扰，劳动力短缺日益加剧。

同时，日本是一个自然灾害频发的国家，每年地震的次数就多达一千多次，海啸、台风、火山等灾害也时常发生。而能承担起专业抢险救灾的年轻人也越来越少。

为了应对劳动力危机，日本提倡大力发展AI（人工智能）技术，用机器人作业代替部分人工作业。

而建筑业因为其自身安全问题和作业环境，更是首当其冲积极参与研发，无人施工也应运而生。

02  历史

其实早在50年前，日本就已经开始开始研究无人化施工了。

1969年富山县常愿寺川的灾害中，有线远程操作水下推土机成为最古老的远程施工案例。

富山大桥因为受灾桥墩坍塌下沉，紧急恢复过程中使用了水下推土机。在水下通过通气管进行进排气，操作则由人员通过无线电遥控。

1983年，在北陆地区的立山防砂工事事务所首次引入了遥控挖掘机，在坍塌的危险区域进行挖掘工作。这是第一次通过无线电对建筑机械进行遥控的方法，但是工作效率仍然存在问题。

1991年云仙普贤岳的复兴工程是无人化施工的转折点。云仙普贤岳从1990年11月，火山喷发持续了大约5年左右。为了快速复兴，日本政府在云仙推进了无人化施工。

下图是当时的移动操作室，操作员在室内操作现场挖掘机。日本当时可以远程操作的电波频带有限，能够实现远程操作的只有特定小功率无线机，且远程操作的距离为150m左右。

所以为了应对随时可能到来的泥石流等，每个操作室都被放在了拖车上方便避难。实际上，云仙开始无人化施工的时候，每天都会有避难用的警报器鸣响。

03  机器人驾驶技术评审

云仙之后，无人化施工和信息化施工的概念在日本开始普及。政府和企业都在积极尝试各种技术，期望提高应急能力，高效抢险救灾，同时真正解决劳动力不足的问题，提高生产效率。

有部分公司研发出杠杆直动式机器人，安装在挖掘机驾驶舱座椅位置（卸下座椅），操作员通过控制机器人的动作实现远程驾驶挖掘机。

关于机器人驾驶，日本国土交通省和经济产业省在研究了施工现场需求与储备技术后，于2013年7月16日联合成立了“下一代社会基础设施机器人开发与引进研究组”。在2016年征集研发企业进行现场施工验证，并针对适用性、安全性、可靠性、可操作性等方面，给每家技术做出客观评审，典型代表如下：

1）日本Kowatech无线远程控制机器人

该机器人易搬运，具有广泛的适用性，且可以执行“挖掘、抓取、切割和回转”等操作。但是在可操作性和可靠性方面存在问题。

2）藤田株式会社的RoboQ二代

该机器人（RoboQ）可以安装在通用液压挖掘机上，安全性和可靠性表现出色，但是挖掘能力为人工驾驶的80％，未安装图像传输系统，可操作性有所欠缺。

3）富士建和Asratec共同开发的人形机器人DOKA ROBO

该机器人的主体轻巧，可以由人搬运和安装，顶部安装立体摄像机，传输3D图像给操作员。使用无线LAN的工作距离约为200m，但可以通过添加中继站来延长。

验证过程中出现机器人暂时失控、视频传输中断等现象，可靠性和安全性均有待改良。

综上，日本目前机器人驾驶技术，在可操作性和可靠性上还有待改善，还不能满足施工及抢险救灾的需求。

基于此，拓疆者作为远程在线施工全球领导者，不断收到来自日本的合作邀约，正是因为他们的低延时系统、不限距遥控、安全可靠等性能日益受到国际青睐。

04  新兴技术的应用

5G

近年来科技迅猛发展，尤其是5G的出现，以及自身高带宽、低延迟的特性给各行各业带来了更多的可能性，无人化施工也不例外。

延迟对于远程控制重型机械的安全性至关重要，有了5G，几乎可以实现实时响应，专业人员甚至可以可以同时管理全球多个项目。

不过，带宽增加意味着更少的覆盖范围，覆盖同一个区域需要的5G基站数量将远超过4G基站，且建设成本较高，这就影响了5G网络布局的进程，5G网络的普及仍需一段时间。

VR

VR（虚拟现实）的沉浸性和交互性也吸引了建筑业的注意力。 

安装在工程机械驾驶舱中的360度摄像头、后置摄像头和加速度传感器可以记录图像和声音以及工程机械的运动，并将它们传输到远程控制室。

头戴式显示器（HMD）上再现图像，同时，通过多自由度运动平台来再现建筑机械的运动和振动。

如果在佩戴HMD时转过身，图像将自动切换到后置摄像头。

VR技术的应用还在开发和试验中，另外挖掘机在作业过程中频繁回转，VR这种方式在长期工作中带来眩晕的问题尚待解决。

05  未来发展

建筑业尚未做好准备实现全自动化，目前日本的远程遥控还限于2公里以内，暂时还未实现不限距离远程遥控。

拓疆者的无人挖掘机及其不限距离远程遥控技术受到国内外认可。日本住友商贸及日本大型建筑施工方针对日本机器人施工在安全性、可靠性和可操作性不足问题，对拓疆者国内的远程遥控测试结果评价如下：

主要意思是：

安全性：拓疆者的倾斜角度指示器等基本安全功能工作正常，第三方视角保证操作手视野清晰无死角，现场管理人员启动挖掘机，避免远程误操作。

生产性：非常喜欢拓疆者的自动装车功能，虽然目前自动装车跟手动装车用时相当。随着操作手不断熟悉远程操作，相信用时将会减少。

拓疆者目前已与日方达成合作，预计跨洋远程驾驶会很快实现。

无人化施工的应用浪潮正在普及至更多应用场景，如抢险救灾、泥石流清理、核泄漏排查、隧道施工、矿坑作业等各类危险作业场景，无人化、智能化和自动化已经成为发展趋势。

随着技术的不断发展，超远距离远程控制不就的将来将会得到普及。同时随着数据的积累和半自动化功能的不断出现，随着时间的推移，远程控制机器将逐步实现全自动化。

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