山西省智能机器人应用现状及潜力研究

乔栋 赵杰 谢亚龙 李博文 李乾

（1.山西大同大学建筑与测绘工程学院 山西省大同市 037009 2.山西大同大学煤炭工程学院 山西省大同市 037009）

1 引言

2014年，被称为智能机器人历史上崭新的一年。乘着人工智能兴起的东风，机器人、信息、通信及人工智能将进一步融合，历经电气时代和数字时代，机器人也将进入智能时代。那么什么是智能机器人呢？

智能机器人可实现各种功能。它是用来搬运零件、材料的操作机。智能机器人则是模拟人类思维方式的一种系统，但外形不一定像人。它是自动执行工作的机器装置，因此，人类可以直接控制指挥，或者可按照相关程序自动运行，并按照原则纲领行动。在工业当中，智能机器人指能够自行完成任务的人造机器装置，用来协助或取代我们的一部分工作，绝大部分是由电子电路或计算机程序控制的机电装置。它可以代替一些危险指数高或是重复性高，并且人类不愿意从事的工作岗位，也可以做一些由于尺寸过于狭小而人类无法做的工作，甚至是去一些人类不能生存的环境，例如像外太空或是深海。总之，在高危工作、上天下海、甚至战场作业等方面可以大显身手，已经可以在越来越多方面取代人类。以下三个功能是智能机器人所必须具备的：感知力、行动影响力，以及将感知和行动统一起来的能力。工业机器人与智能机器人的最大差距在于，智能机器人是具有外部感知、智能识别、思维判断及行动规划功能的。

习总书记曾在讲话中提到，“机器人是‘制造业的发动机’，一个国家的科学技术水平以及制造业水平的高低是通过智能机器人的研发，制造来体现的。”第三次工业革命必然是通过机器人革命展开的，高端制造业的格局将从此改变，迅速成为全球最大的机器人市场。

智能机器人技术由多种学科内容交叉融合，可完成难度很高的任务，在工农业、医疗、交通、教育、航空航天及军事上成为不可或缺的一部分。现如今生产方式由刚转柔、传统转智能、粗糙转精细，构建以智能制造为核心的新型制造体系迫在眉睫，对具有更高智能化的工业机器人的需求将呈现井喷式增长的趋势。

综上所述，智能机器人产业发展前景广阔且市场潜力巨大。它的推广，将大大解放劳动力，并且可以为社会创造巨大经济效益。

2 智能机器人的应用现状

2.1 国内智能机器人应用现状比较

我国在机器人发展领域中，属于后来居上。数据统计，中国机器人市场规模在2012-2017年5年间，市场占有率一路飙升，国内整体市场规模仍在进一步扩大。近些年来，我国机器人行业呈现积极发展态势。中国开始进入机器人时代，国内多地已经开启了制造业“机器换人”改革模式，各个省份对机器人产业的投入也都如火如荼。“忽如一夜春风来,千树万树梨花开”，全国陆续产生约3400 家机器人公司。2014年是中国机器人史上的新纪元，中国机器人产业腾飞成为定局。

表1：企业发展程度统计

本文将简要从国内各省份机器人企业数量分布、机器人技术领域专利申请数量两方面来进行比较。

2.1.1 机器人企业数量分布

根据近5年国内机器人发展趋势，此处将主要选择广东、上海、北京、湖北来作为比较对象。图1与表1的数据仅筛选了名称中含有“机器人”关键字的企业来进行统计。

由2020年国内各省机器人企业数量对各省机器人产业发展程度做了以下划分。

智能机器人属于人工智能的衍生物。根据相关调查显示，目前人工智能企业主要分布在京津冀、长三角、珠三角、川渝四大都市圈。如图2和图3所示。

2.1.2 机器人技术领域专利申请数量

互联网与云计算、大数据服务、人工智能……新一代信息技术产业影响着人们的生产与生活方式，更与机器人休戚相关。广州中新知识产权服务有限公司项目经理文婷表示，目前全球新一代信息技术产业的专利申请量增长趋势相对平稳，中国在2009年后成为了该领域的专利申请主要来源国。

自2010年以来，中国专利申请量626305 件，位居世界首位，技术创新和制造能力迅速提高。其中，广东省的专利申请量在全国领先。如图4所示。

图1：企业数量分布统计（台）

图2：2020年国内人工智能企业区域数量分布

图3：2020年国内人工智能企业城市数量分布

2.2 山西省智能机器人应用现状分析

山西省是一个煤炭资源型大省，累计查明煤炭保有资源量达2674 亿吨，约占全国查明煤炭资源储量的25%；据测算，山西全省含煤面积5.7 万平方千米,占其国土面积的36.3%。近日，山西省能源局发布全省生产煤矿生产能力情况公告，截至2020年12月底，山西省共有生产煤矿668 处，合计生产能力104560 万吨/年。

据有关权威部门知，截止到2019年12月，山西煤矿现有81.5万从业人员，60%以上从事采煤、掘进、运输、安控等危险繁重工作。并且工作难度大，时间长，人员众多，平均单班入井人员超过600 人，管控难度大。此外，30 万吨/年以下小煤矿仍占多数，用人多、效率低、管理粗放、安全风险高的局面没有根本改变，超六成煤矿人员从事危险繁重工作，为避免人与灾害“短兵相接”，对于机器人的需求迫在眉睫。

图5为2017-2020年山西省煤矿事故以及死亡人数统计图，从图中可明显看出，煤矿事故发生率以及人数死亡率整体呈下降趋势。这是由于近几年来，随着人工智能领域的不断扩大，煤矿产业也逐渐由自动化转向智能化，并且，人工智能产业受到国家大力扶持，并在2016年，国家已将大力发展机器人纳入《“十三五”规划纲要》。

人工智能，已经无处不在。在前不久举行的2020 中国（太原）人工智能大会上，聚集了国内40 余家人工智能行业的领军企业、300 余项创新产品及解决方案，集中展示了当前我国人工智能领域的最新成果。

图4：专利数量统计

图5：煤矿事故及死亡人数统计

在朔州一家机器人生产基地，工作人员通过操控一款侦察机器人的控制箱，即可得到实现影像。而根据不同的火灾程度和应用场景设计的消防机器人，可以在易燃易爆的状态下进行精准灭火，还可以参与大型、危化环境火灾救援。可以说，这些特种机器人的研发，大大方便了人类的生产活动。如果将其应用于煤矿产业，就能够很好的代替工人在高危高压环境下进行作业，极大程度上减少人员伤亡。

目前，依据国家智能化示范建设煤矿标准，山西省符合标准的有7 家，仅占全省总煤矿数的1.05%。所以，作为能源大省，山西具备产业优势，未来应从互联网、大数据、人工智能等技术，对各行各业进行技术升级，尽快实现“系统智能化、智能系统化”。

3 案例分析

大同市是山西省第二大城市，是典型的资源驱动经济增长型城市，有着中国煤都之称，近几年来一直在致力于发展转型，市政府紧紧围绕“转型发展、绿色崛起”战略和“三名一强”奋斗目标，以筹备中国国际太阳能十项全能竞赛促转型促综改，努力建设转型综改试验的典型示范区和国家新能源示范城市。作为山西特色城市之一，针对其黄花种植和光伏发电两个产业进行研究，阐述了机器人在未来应用的巨大前景。以下两个机器人是山西大同大学“AI+同大创客中心”独立自主研发的，为山西转型添砖加瓦。

3.1 太阳能光伏板清洗机器人

太阳能光伏发电是迅速发展的新能源产业，近年来，我国西部地区在光伏发电上速度过快，但无法完全消纳这些电量，因此发展也因此受限。国家鼓励东、中部地区发展分布式发电，鼓励自发自用，这成为光伏发电的发展方向。目前，浙江、山东和广东等省份的分布式光伏发电建设规模较大，预计到2020年将分别达到600万千瓦、400 万千瓦和400 万千瓦，近年来大同市一直在积极寻找传统能源城市的转型发展之路。太阳能曾作为该市十二五期间战略发展重点，在2013年8月大同举办过国际太阳能十项全能竞赛，获得“太阳能之城”的称号，据统计光照时间已经超过西藏，发展空间巨大。

太阳能光伏发电是迅速发展的符合可持续发展战略的新能源产业，但是由于灰尘的积累会降低发电效率，对于太阳能电池板传统的人工手动清洗方式耗时、耗力、耗财，还浪费水资源，对缺水地区无疑是重大损失，采用机械自动机器人，不仅省时省力省成本，还降低了了水资源的浪费。据统计，1 人每天可清洗100m2，1MW光伏组件约6600m2，需要66 人天。按每人120 元/天估算，1MW组件清洗一次的人工成本为7920 元。按每月3 次计算，1MW 每年的人工成本为285120 元。大同市目前规划350MW 的光伏组件，每年可节约人工成本99792000 元。

3.2 黄花采摘机器人

近年来，智能化自动化机械越来越多地应用在农业领域。而在黄花菜采摘领域，传统的人工采摘有着诸多的缺陷。一是长期采摘黄花菜会对劳动者双手产生一定的危害。二是效率低，而且由于是人为采摘，采摘完成的时间不可控。三是近年来人工成本在不断增加，而机械化水平越来越来高，但成本很低。四是对于不同品种的黄花菜，其采摘时间也是不同的，这就需要采摘工人在不同的时间点去进行采摘。一旦采摘时间过长，或者采摘时间不对的话就会极大影响黄花菜的品质。

由于黄花菜上可能会有残留的农药，长期采摘黄花菜会对劳动者双手产生一定的危害。据调研，目前广灵县和云州区的黄花菜种植面积分别为26.23 万亩和3 万亩，黄花菜采摘周期通常为一个月，时间紧，任务重，而大同地区黄花菜采摘成本为4000 元/亩/年，两个地区每年的人工采摘成本高达11.69 亿元，实现采摘机器人的应用不仅可以有效地防止其对人的双手产生危害、提高采摘效率，还可以降低成本。

4 总结

伴随着人工智能的飞速发展，我国智能机器人消费总额位于世界前列，具有先天基础。不过相对来说山西省智能机器人起步晚，技术落后是不争的事实，相比于国内其他省份还有着不小差距，需要埋头直追。山西省作为资源型省份在制造业、建筑业、农业等方面对机器人需求空间巨大。目前，只有高度重视、及时布局，才能不被市场淘汰。5G 技术的到来对于山西省来说是机遇也是挑战。如何能够实现山西省智能机器人产业的弯道超车是必须要考虑的。

4.1 发展趋势

智能机器人发展前景良好，目前机器人的研究正处于第三代智能机器人阶段，其本身有多种传感器,可以融合得到的多个信息，还能有效的适应变化的环境，有着很强的自主学习能力。

目前，大数据、虚拟现实、物联网、人工智能等新一代信息技术在智能机器人中的集成应用日益显著。近几年，随着人工智能技术的快速发展，智能机器人成为了这些新兴技术的重要载体。通过这些新技术，使得机器人的“智能化”水平大幅提升、机器人产品灵活多样，引领实现了智能机器。

其次，智能制造等行业智能技术发展为工业机器人的发展提供了广阔空间。随着智能的深入应用，越来越多的企业开始积极探索相关新模式、新业态。智能机器人在生产信息采集、生产流程、安全控制、维护检修等环节的应用广度和深度不断增强。随着煤炭等行业对机器人技术的不断引入，以巡检机器人为代表，通过广泛应用无轨化、3D 激光导航技术和视觉识别等技术，为煤矿安全提供保障，自动识别各种灾害事故，并及时报警处理，这大大减少了相关方面财力物力的损失，正在一步步实现从自动巡检机器人向智能巡检机器人的蜕变。

最后，就当前发展来看，美国处于领先地位，尤其是在智能机器人的高端技术方面，无论是视觉还是触觉方面都有着极高的技术含量，并且在航天技术以及汽车工业方面都有着广泛的应用，日本则是由于一系列政府的优惠政策，大力发展智能机器人，欧洲各国也不例外，他们在机器人的研究以及应用方面也处于先进地位。随着市场以及政府的推动作用，我国已由落后转变为高速发展。现正在以机器人产业为核心，促进各个产业发展，智能服务机器人的功能不断丰富完善，发展前景可观。

4.2 建议及设想

当前，人工智能已经形成京津冀、长三角、粤港澳大湾区协同发展的格局。作为能源大省，山西具备产业优势，今后应从那些地方发力冲向人工智能？

首先，山西应全力推进人工智能领域的企业技术中心、技术创新示范企业建设，打造一批企业领头羊；其次，着力推进一批制造业创新中心、新型研发机构使其成为创新的基点，进而推动后续技术的研发；另外，要强化重点项目的实施，围绕人工智能产业，着力谋划一批重点项目，以项目为牵引，带动人工智能产业的发展。

未来，人工智能和产业如何深度融合？我认为，山西发展人工智能产业，对传统产业转型升级必不可少，传统产业转型升级要结合人工智能技术，比如，用机器人代替人工劳动可以提高效率。此外，还可以基于大数据进行创新创业，例如，山西历史底蕴深厚，文化产业可以利用人工智能技术和大数据技术来进行发掘、转化和推广。

目前，尽管国内外智能机器人的研究已经取得了众多成果，但在技术方面仍需要继续突破。因此对于后续的发展，努力提高各方面的技术及其综合应用，大力提高智能机器人的智能程度、自主性和适应性，是智能机器人发展的关键。让智能机器人完成有益于人类的工作，代替人类从事危险，机械性的工作，使其真正为人类利益服务，而不能成为反人类的工具。例如对煤矿行业来说，对于智能机器人的大量应用，真正实现无人化开采的日子相信在不久的将来就可以实现。还有农业方面，早日实现无人化种植及收割指日可待，同时，其他形形色色的行业也都会随着智能机器人的发展而产生新的变革。