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user: 2. 装配式建筑无人工地系统(PC-Ucss)概念架构 2.1. 无人工地系统(UCSS)概念的提出 目前，无人系统正不断地改变着我们的生活方式：从移动支付风靡全球，到无人驾驶汽车的高调亮相，再到无人机、无人仓、无人超市等各类无人化场景的出现，无人系统的适用性、安全性、可靠性、经济性不断提高，无人系统也不断尝试在抢险救灾、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的应用。而随着信息技术、人工智能以及建筑工业化的不断推进，建筑行业也在发生着深刻的变革。其中被提到最多的便是“智慧建造”的发展。 在中国建筑股份有限公司总工程师毛志兵的眼中，“智慧建造”是通过应用先进技术与装备，实现更大范围、更深层次对人的替代，并从体力替代逐步发展到脑力增强，进一步提升人的创造力和科学决策能力，实现更优品质、更高效率。智慧建造的发展可分为三个阶段，即“感知阶段、替代阶段、智慧阶段” [ 1 ]。感知阶段是借助信息技术，扩大人的视野、拓展人的感知能力以及增强人的部分技能。替代阶段是要借助工业化和信息技术，完成人类低效率、低品质或高风险的工作。智慧阶段是借助信息技术“类似人”的思考能力，替代人的大部分生产及管理活动，由一部具有强大的自我学习、自我进化能力的“建造大脑”，指挥和管理智能机械设备完成建造过程，人则向监管“建造大脑”的角色转变。 而依据《中国建筑施工行业信息化发展报告(2017)——智慧工地应用与发展》的数据显示，我国大多数企业对于智慧工地的应用尚处于探索阶段。 [ 2 ] 目前绝大多数技术应用主要集中在工程施工现场管理，并围绕人、机、料等关键要素进行单独的应用，同时对于直接影响施工效果的某些关键环节应用较多，整体性应用存在不足。在2021年2月，碧桂园集团在顺德碧桂园凤桐花园项目交付了43台建筑机器人，包括楼层清洁机器人、室内喷涂机器人、地砖铺贴机器人等，其生产效率相对于人工大大提高，但其应用深度和范围存在不足。 [ 3 ] 这也说明我们的智慧建造仍处于感知阶段，并在向着替代阶段不断演变。这离我们的智慧建造的最高水平还有一段很长的距离，但这并不妨碍我们对其进行充分的遐想，并以此为目标来推动建筑工业化智慧化水平的提升。 因此，本研究认为专家们提出的智慧建造的第三阶段——智慧阶段——应该就是“无人”阶段，据此将智慧建造发展的三个阶段模式修改如图1的模式。 图1. “智慧建造”的三个阶段 基于上述分析和无人系统的概念，本文提出的“无人工地”系统(Unmanned construction site system， UCSS)是指在施工现场无人参与、有感知、决策和控制能力并能自主完成既定工程目标的系统。其是以信息化、工业化、绿色化为基础，以物联网为信息采集手段，以大数据、云平台构建信息协同中心，通过应用先进技术与装备构建具有独立工作能力的智能体来完全实现对人的替代，并通过人工智能技术使体力替代逐步发展到脑力增强，在实现施工现场无人化的同时又能保证工程建设的更优品质、更高效率。 2.2. 装配式建筑施工实现无人化工地的可行性分析 装配式建筑施工无人化工地系统(Unmanned construction site system for Prefabricated building， PC-Ucss)的实现可行性主要体现在三个方面：一是装配式建筑施工的特点为无人工地的实现提供了可能性，二是建筑业生产未来发展趋势决定了实现无人化工地的必要性，三是各类新兴技术的发展和无人化技术在其他领域的应用为无人工地系统的奠定了实现的技术基础。 2.2.1. 装配式建筑施工的特点提供了实现的可能性 装配式施工是将工厂生产好的预制构件在工程现场通过机械化、信息化等工程技术手段，按不同要求进行组合和安装，建成特定建筑产品的一种建造方式 [ 4 ]。装配式建筑施工具有结构构件预制化和施工现场机械化的特点，我们分别从这两个特点来看无人化化实现的可能性。 从结构件预制特点来看，装配式建筑所需的构件，都是在预制构件工厂提前做好，再运输到施工现场进行组装。装配式建筑施工现场不再是传统工地上的多达21种常见的建筑材料、18种工种工人和5类施工机械的混杂式生产过程，而是类似一个总装车间的生产工厂 [ 5 ]。未来的装配式建筑施工现场将只涉及构件的运输、吊装、安装等主要工序，大大的简化了施工现场的工作内容，同时施工现场的工人也将得到精简，不再是大量传统的施工工人，而是以产业工人和技术操作工人为主，从而为无人工地的实现提供了可能。 从施工现场机械化来看，装配式建筑施工现场大部分工作均需要配合相应的机械才能完成。例如，构件运输需要用到工程车辆；构件吊装需要塔吊。相较于传统的施工现场，装配式施工对施工机械的需求量更大、要求更高，大大的解放了相应的人工劳动。因此，针对不同的工艺流程，可以将自动化技术、无人化技术以及人工智能领域的相关成果应用于传统的工程机械，构建出具有独立运作能力的智能体。 从施工流程一体化来看，装配式建筑施工针对不同的构件有其固定的工序系统，并且这些工序都是相互衔接的。结构构件的预制化使得构件的生产脱离了施工现场，在施工现场只需对构件进行管理和组装，减少了大部分繁杂的工序。而构件组装完全可以有机器自主完成，就如汽车生产产房里的汽车自动组装。同时，对于不同的构件有其固定的工序系统，工序的固定与人工智能自主学习的相互结合为智慧化控制提供了可能。 2.2.2. 建筑业生产未来发展趋势决定了实现的必要性 在过去的几十年间，我国建筑业取得了巨大的成就，建筑业总产值不断攀升，截止2019年，我国建筑业总产值已达到248，443.27亿元 [ 6 ]。同时，也涌现了诸如港珠澳大桥、北京新机场等一大批超级工程。然而长期以来，我国建筑业面临资源利用率低下、安全事故频发、劳动力结构失衡等问题。 1) 在资源利用方面，建筑业直接、间接消耗的能源占到我国全社会总能耗的46.7%，其中既有建筑中95%为高能耗建筑，对环境的影响巨大 [ 7 ]。 2) 在安全事故方面，由于建筑业施工环境复杂、人员密集以及流动性大等特点，决定了建筑业是一个安全事故频发的高危行业 [ 8 ]。近年来，各相关部门以及建筑企业虽然对建筑安全生产做出了许多贡献，安全事故管理总体趋于好转，但有反弹趋势，每年死亡人数和事故数仍不乐观，如图2所示。 3) 在生产劳动力方面，我们国建筑业劳动力结构的失衡既表现在年龄构成上，也表现在数量。在年龄结构方面，2019年我国建筑业40岁以上农民工占比达49.4%，建筑业劳务人员老龄化问题严重，如图3所示。同时，我国整体老龄化问题也较为严重，联合国人口老龄化标准为存在10%的60周岁以上人口，7%的65周岁以上人口。而2018年末我国60周岁及以上人口达17.9%，65周岁及以上人口达11.9%，因此整体上看我国已步入老龄社会，且老龄化速度已赶超很多发达国家 [ 9 ]。在数量方面，建筑业农民工在2014年达到峰值，之后每年都在递减，如图4所示。从事建筑业农民工占总体农民工数量比重逐年递减，直接导致劳动力供给不足，建筑业从业人员减少而建筑业需求不断扩大导致建筑业劳动力供需结构失衡。 图2. 2010~2019年房屋市政工程生产安全事故情况 图3. 2019年建筑业农民工年龄构成 在这样的情况以及新时代背景下，建筑业必须要实现转型升级。而转型升级的重要途径便是推行装配式建筑，并且建筑业也应当抓住新一轮科技革命机遇，大力推进信息技术与建筑业深度融合的智慧建造 [ 10 ]。装配式建筑与智慧建造的融合将是建筑业未来发展的趋势，而两者结合的最终形态便是本研究所提出的“无人工地”。 图4. 2014~2019年建筑业农民工占比情况 2.2.3. 无人技术、5G技术等新兴技术产生与应用奠定了实现的基础 随着各项新兴技术的不断发展，类似物联网、大数据、云平台、人工智能等技术已经在其他行业得到了一定的应用，并取得了不错的反响和成效，为“无人工地”的构建提供经验。下面对物联网技术、大数据及云平台技术及其应用实例进行介绍。 1) 物联网技术。物联网是指通过各种信息传感器、射频识别技术、全球定位系统、红外感应器、激光扫描器等各种装置与技术，实时采集任何需要监控、连接、互动的物体或过程和各种需要的信息，通过各类可能的网络接入，实现物与物、物与人的泛在连接，实现对物品和过程的智能化感知、识别和管理 [ 11 ]。而以物联网技术为基础的农业技术在已经在农业领域得到了一定的运用。以物联网农业小镇——江苏宜兴丁蜀物联网小镇为例，该小镇通过物联网技术嵌入农业的多个环节，助力大田、水产养殖、茶叶种植等农业生产科学化管理，大幅提高了农业生产效率和效能 [ 12 ]。 2) 大数据。大数据是当前科技创新发展中比较重要的热点内容，其主要代表海量数据信息资料，一般需要进行特殊处理，以便促使其能够在决策中发挥较强参考价值 [ 13 ]。目前，大数据已经在电商领域有了较为广泛的应用。不少电子商务企业通过获取消费者在各项网站和论坛的历史购买信息和浏览记录，并进行统计和分析，已达到精准营销的目的 [ 14 ]。 3) 云平台。云平台指的是依托信息与网络技术，在数据处理的过程中具有强大的数据模拟和计算能力，这种强大的计算能力就使其能够完成对市场发展趋势的预测 [ 15 ]。在预制构件厂的构件管理方面，云平台技术已经得到一定的应用。构件厂通过搭建预制构件云平台主要解决生产过程及存储、发货流程及物料、试验等过程管理中的问题，避免因信息不对称形成隐患，提高PC构件生产的信息化管理水平 [ 16 ]。 在本研究提出的无人工地系统中，通过BIM技术集合建设全生命周期的所有信息，提供协同工作的平台；通过5G技术实现信息数据的实时高速传输；采用大数据和云平台技术搭建管理平台，对工地各组成要素信息进行储存和整理，并依靠人工智能的自我学习能力及判断能力和大数据分析进行决策，对各工作单元进行协调管理，从而实现智能控制 [ 17 ]。 2.3. 装配式建筑施工实现无人化工地面临的挑战 结合当前智慧建造在建筑领域的应用，无人工地的实现还面临以下几个关键问题与挑战： 1) 软实力挑战：政策标准及市场基础问题。无人工地在我国尚属于一个比较新颖的理念，发展也处于概念阶段，其在建筑行业的应用缺乏相关的标准和规范，无人化施工情境下法律责任界限也难以界定。无人工地的发展高不开相应的市场规范和市场服务，但目前我国建筑市场缺乏关于工地上应用的通信技术、终端设备数据接口以及建设方面的标准规范，这使无人工地的实现丧失了市场基础 [ 18 ]。 2) 推广挑战：前瞻性与实用性之间的平衡问题。无人工地基于互联网、物联网、云计算、大数据、移动终端等技术手段，它的建立离不开先进的网络技术手段和电子设备应用，这较传统施工工地而言无疑增加了工地的运营成本，故而高昂的建设成本也将间接阻碍无人工地的推广。 3) 技术挑战：无人工地的构建涉及各类技术的应用，考验的是平台、软件和硬件的综合运用。信息技术的发展很大程度上制约着无人工地的实现。 尽管无人工地技术目前存在着一些列技术上的不足和可能存在的挑战，并且在我国发展较晚，但是国外已经有了Andrea Rossi [ 19 ]、Aaron K. Adik [ 20 ]、Shen Geoffrey Qi ping [ 21 ] 等一些人的研究成果，我们可以借鉴国外已有技术并且不断探索，坚信无人工地技术的未来一定是可实现的，并且能够可持续发展的。