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挖掘機(jī)器人+無人卡車！我國將在羊曲水電站建成全球最大3D打印工程

你能想到最大的3D打印項目有多大？

迪拜市政府用樓目前是世界上最大的3D打印建筑，其高達(dá)9.5米，項目面積為640平方米。此項目由總部設(shè)在美國的ApisCor公司來主持設(shè)計建造，而其結(jié)構(gòu)也是在現(xiàn)場用3D打印技術(shù)直接建起的。

不過兩年后，中國可能會突破這一最大3D打印記錄。據(jù)《南華早報》報道，中國正在利用人工智能和3D打印技術(shù)，建設(shè)青藏高原上的水電站項目，2年后如果如期投產(chǎn)，這座高 180 米的羊曲水電站將成為世界上最大的 3D 打印工程。

按照預(yù)期，羊曲水電站將在2024年建成，之后每年將通過專為綠色能源傳輸而建造的 1500 公里的高壓線路，向黃河上游輸送近50億千瓦時的電力。

該項目的首席科學(xué)家劉天云4月27日在《清華大學(xué)學(xué)報（自然科學(xué)版）》發(fā)布了相關(guān)研究論文——《大型填筑工程3D 打印技術(shù)與應(yīng)用》。論文介紹了一項填筑工程3D打印技術(shù)及其多種機(jī)器人裝備系統(tǒng)，填筑工程3D打印系統(tǒng)可以完全在調(diào)度控制下逐層填筑，層層循環(huán)，直至完成整個填筑工程的3D 打印建造。

據(jù)報道，目前，羊曲水電站在工程建筑上可以使用全部由人工智能控制的無人駕駛挖掘機(jī)、卡車、推土機(jī)、攤鋪機(jī)和壓路機(jī)逐層建造，并在土石壩部分采用與3D打印相同的增材制造工藝，有效緩解工程建設(shè)對于人力的依賴。

論文作者劉天云團(tuán)隊還表示，該技術(shù)還可以用于其他基礎(chǔ)設(shè)施項目，例如機(jī)場和道路建設(shè)。

將整個建筑工地變成一臺巨大的3D打印機(jī)

3D打印機(jī)最初是作為一種使用珍貴材料制造組件、浪費(fèi)較少的制作方式誕生的。與切割和研磨等制造工藝相比，3D打印通過層次累加材料，產(chǎn)生的浪費(fèi)更少。

劉天云團(tuán)隊的研究稱，工程建設(shè)行業(yè)中有一類建造工藝相對單一的填筑工程，如水利大壩、高速公路、填方機(jī)場等工程 , 其建造過程與3D打印過程“天生”的相似。并且經(jīng)過多年的開發(fā)測試，用于大型填充基礎(chǔ)設(shè)施的 3D 打印技術(shù)已經(jīng)足夠成熟，可以大規(guī)模應(yīng)用，并將“將人類從繁重、重復(fù)和危險的工作中解放出來”。

早在10多年前，清華大學(xué)水科學(xué)與工程國家重點實驗室副研究員劉天云和他的團(tuán)隊就提出了“打印”大型建筑項目的想法。

他們認(rèn)為整個建筑工地可以變成一臺巨大的打印機(jī)，大量的自動化機(jī)器作為不同的組件無縫地協(xié)同工作。

研究團(tuán)隊表示，填筑工程的3D打印流水線需要各種工程建設(shè)機(jī)器人協(xié)同作業(yè)。以碾壓機(jī)器人、攤鋪機(jī)器人、無人駕駛卡車和挖掘機(jī)器人等為代表的工程建設(shè)智能機(jī)器人具備深度感知、有效決策和精準(zhǔn)控制為一體的能力，在實踐中已經(jīng)達(dá)到甚至超過人工作業(yè)水平，特別是在周圍環(huán)境危險的情景中，其表現(xiàn)遠(yuǎn)遠(yuǎn)優(yōu)于傳統(tǒng)作業(yè)方式。

填筑施工3D流水線作業(yè)圖圖源：《大型填筑工程3D 打印技術(shù)與應(yīng)用》

通過這種方式，在將大壩的計算機(jī)模型“切片”成層之后，該項目的核心人工智能將指派一組機(jī)器人一次添加一層，并通過傳感器獲取的數(shù)據(jù)，監(jiān)督工程建設(shè)質(zhì)量。

挖掘機(jī)器人采石，無人卡車運(yùn)料，3D打印建起一座水電站大壩

疫情下的頻繁隔離讓依賴大量人力的工程陷入停滯，依賴人力的水利工程的建設(shè)也受到了較大的影響。

利用無人機(jī)器人、無人車和3D打印，可以解放部分人力，同時對于水電站建設(shè)等惡劣環(huán)境下的工程，其能夠在危及生命的環(huán)境中工作，可以克服高反等問題。

據(jù)了解，傳統(tǒng)的人工作業(yè)情況下，經(jīng)常會產(chǎn)生一些人為的錯誤，比如卡車司機(jī)由于路線不熟練，經(jīng)常將材料運(yùn)輸?shù)藉e誤的位置，而沖擊和強(qiáng)烈的振動下，壓路機(jī)操作員也無法保持完全筆直的路徑。

劉云山在《南華早報》的采訪中表示，在以前的建設(shè)項目中對該技術(shù)的測試表明，智能機(jī)器可以比人類做得更好，“尤其是在一些惡劣和危險的環(huán)境中”。

目前，通過人工智能技術(shù)，該系統(tǒng)已經(jīng)可以在建筑工程現(xiàn)場，實現(xiàn)一系列自動化裝置進(jìn)行工程建設(shè)。

無人駕駛挖掘機(jī)將能夠識別堆場中的材料并將其裝載到自動卡車車隊中，無人駕駛自卸卡車將自主完成運(yùn)料與卸料。

無人駕駛自卸卡車自主運(yùn)料與卸料

圖源：《大型填筑工程3D 打印技術(shù)與應(yīng)用》

論文中稱，壩料運(yùn)輸?shù)臒o人駕駛自卸卡車獲取運(yùn)送壩料需求以及壩料配送位置坐標(biāo)信息，自主進(jìn)行運(yùn)料上壩施工。運(yùn)輸卡車運(yùn)用GPS定位裝置精確運(yùn)料上壩，實現(xiàn)壩料精準(zhǔn)配送。同時，運(yùn)輸卡車通過無線通訊技術(shù)把實際運(yùn)輸信息實時發(fā)送給土石壩3D建造技術(shù)調(diào)度系統(tǒng)，存入數(shù)據(jù)庫。

依靠計算中心的優(yōu)化路線，卡車將在正確的時間將正確的材料運(yùn)送到正確的位置，由機(jī)器人推土機(jī)和攤鋪機(jī)定位，并“打印”完成一層大壩結(jié)構(gòu)。

自動滾筒將壓緊夾層使其緊實牢固，并且通過傳感器傳輸數(shù)據(jù)，中央人工智能使用這些來通過分析地面振動和其他數(shù)據(jù)來監(jiān)控建筑質(zhì)量。

研究團(tuán)隊表示，人工智能技術(shù)的突破，包括深度強(qiáng)化學(xué)習(xí)，意味著機(jī)器現(xiàn)在可以識別現(xiàn)場幾乎所有的物體，在不斷變化的環(huán)境中處理不確定性，并靈活地執(zhí)行各種任務(wù)。

不過，羊曲大壩建設(shè)中的所有工作并非都由機(jī)器完成。相關(guān)研究者稱，由于任務(wù)的復(fù)雜性，從附近山區(qū)開采填石材依然將通過人工完成。

不過，不可否認(rèn)，這種人工智能協(xié)同操作將改變未來的工程建設(shè)方式，也正如研究團(tuán)隊在《南華早報》的采訪中所說“基于知識、信息和數(shù)據(jù)的人工智能是一種新工具……它將塑造我們的未來。”

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http://jst.tsinghuajournals.com/CN/abstract/abstract154027.shtml#1

https://www.scmp.com/news/china/science/article/3176777/chinas-robot-built-3d-printed-dam-ready-2-years-scientists?module=perpetual_scroll_0&pgtype=article&campaign=3176777

http://www.ccm-1.com/news/1158.html

（責(zé)任編輯：何雯麗）