我国凿岩机器人发展机遇与挑战研究

黄鑫

作为凿岩钻孔施工的高端装备，凿岩机器人可广泛应用于隧道、矿山、铁路公路、水利水电等诸多领域的工程施工作业，尤其在一些大型基础设施建设，以及目前因作业环境限制无法施工的区域，凿岩机器人为保证工程进度，保护人员安全发挥着重要作用。同时，日趋智能化、网络化、电气化的凿岩机器人，在提高效率、降低成本、保障安全等方面优势明显，未来市场空间巨大。

凿岩机器人的发展现状

钻孔是一项难度大、耗资耗时多、劳动条件差，又十分关键的作业工序。在现代矿山开采和大规模基础设施建设施工中，采用传统钻孔设备作业逐渐暴露出诸多弊端，如劳动力成本增加、施工环境差、操作人员熟练程度对凿岩质量和工期影响大、施工人员安全得不到有效保障等。凿岩机器人正是在这种背景下，为适应现代社会对高效率掘进开挖和智能化凿岩钻孔设备的需求而出现的。从1978年挪威首先开发出凿岩机器人样机开始，许多国家都对凿岩机器人进行了研发。在20世纪80年代，先后有日本古河公司（Furukawa）、法国蒙特贝（Montabert）公司、瑞典阿特拉斯·科普柯（Atlas Copco）公司大量投入，不断开发并推出新产品。目前，瑞典、芬兰、美国、日本、挪威等近20个国家的厂商均已开发出高性能的液压凿岩机器人，并得到广泛应用。

凿岩机器人同传统凿岩设备相比，表现出明显的优越性。一是可以大范围提高凿岩效率。凿岩机器人的智能钻进系统可根据岩石情况自动调节凿岩参数，达到最佳匹配，有效提高凿岩速度，同时减少人工更换凿岩位置造成的延迟，从而提高了凿岩效率。二是可以提高操作人员和设备的安全性。通过远距离遥控操纵凿岩机器人，可以在人难以进入或者事故风险较大的工作地点减少人工作业。凿岩机器人的故障诊断装置可在设备出现故障隐患时报警，提醒操作人员注意，并能指示故障发生位置，以便及时维修，减少设备带病运行产生更大故障的可能。三是可以改善工人作业条件，提高作业环保性能。凿岩机器人根据设定程序自动进行凿岩作业，不需工人进行频繁观察和选择等操作，使工人可以脱离凿岩现场的灰尘、潮湿、噪声等恶劣条件，采用电池驱动，也为现场工作人员创造了更环保的作业环境。

网络化、智能化、模块化成为凿岩机器人的发展方向。一方面，随着科技的不断发展，搭载网络通信作业功能的新一代凿岩机器人，逐步实现了远程控制和智能化调度功能，可通过网络下载新的工作任务与信息。一名工人可在安全地区控制两三台凿岩机器人，现场控制与管理系统也能收集凿岩机器人的实时工作数据，为动态调整工作方案提供支撑，显著提高生产效率。另一方面，模块化与系统化已成为凿岩机器人的发展趋势。大型跨国凿岩机器人生产厂家在设计阶段就开始采用模块化的方法，并开发出种类齐全的产品系列。随着装备标准化及可靠性的不断提升，装备技术性能逐渐成熟，各道工序均实现机械化作业，凿岩机器人将成为成套设备中的一部分，与其他设备组成更大的作业系统。

我国凿岩机器人发展的机遇

下游应用领域快速发展带来旺盛的产品需求。铁路、公路等基础设施建设对我国稳增长、调结构、惠民生具有重要意义，其大规模投资更与矿产资源开发等密切相关。随着“一带一路”倡议及西部大开发新格局的加速推进，我国西部基础设施的通畅性需要快速提高，多条山脉阻碍的交通网络将集中建设，隧道施工成为必要一环，同时也面临着改进生产工艺、提高生产效率、应对劳动力价格上升等压力。目前，我国的隧道工程数量及建设规模已跃居世界第一位，2019年我国新增开通运营线路铁路隧道967座。此外，在城市建设中，以节约土地和保护环境为宗旨，城市地下综合管廊、城市轨道交通建设方兴未艾，这些都为凿岩机器人带来广阔的市场空间。

政策落实推动设备技术水平提高。2016年印发的《中共中央国务院关于推进安全生产领域改革发展的意见》要求“开展事故预防理论研究和关键技术装备研发，加快成果转化和推广应用。推动工业机器人、智能装备在危险工序和环节广泛应用。”2020年，工业和信息化部印发《关于进一步加强工业行业安全生产管理的指导意见》，提出“面向交通运输、矿山开采、工程施工、危险品生产、应急救援和城市安全等重点行业领域，组织实施安全（应急）装备应用试点示范工程。”无论是趋于机器人应用场景的拓展，还是矿山、工程施工等行业的转型升级，凿岩机器人作为具有代表性的高端设备，都亟须提高智能化、自动化水平和产品的可靠性来满足现场应用的各项技术要求。

本质安全化的发展趋势带动产品应用推广。目前我国隧道施工以钻爆法为主，随着隧道建设量的增大，以及向西部和山区偏远地区发展，高海拔、高温、高地应力等复杂地质条件问题突出，对人员健康、安全保障和工程质量造成严重危害。据原国家安全生产监督管理总局统计，2013年至2017年10月，我国共发生隧道施工类事故（事件）39起，造成107人遇难、204人遇险，危害严重。面对隧道施工日趋严峻的安全生产形势，如何减少隧道开挖面人员，提高施工机械化、智能化水平，通过应用智能设备实现无人化作业，成为从根本上有效防范和遏制重特大事故、保障人员生命财产安全必须解决的问题。

我国凿岩机器人发展面临的挑战

国际凿岩设备巨头企业加快在中国市场的布局，在高端产品领域占据大部分市场份额。目前国际凿岩设备市场主要由瑞典Sandvik和Atlas Copco两家公司占据全球大部分份额，并在技术上处于领先地位。国外大型跨国公司通过并购实现业务扩展，改进企业的组织结构和产品结构，加强和提升在优势领域的主导地位。Sandvik公司成立于1862年，自1996年以来先后并购了20余个国家的50多家公司，市场范围遍布全球180多个国家，不仅提供凿岩设备，还通过全球网络提供一系列相关的消耗品和服务，并且每年投入大量资金进行持续創新。Atlas Copco成立于1873年，20世纪20年代开始以产品出口的方式涉足中国市场，到2017年该集团在中国已拥有45家公司、17家工厂、3家研发中心和200多家地方办事处，2018年6月其成立独立的公司Epiroc负责凿岩业务的拓展，并以覆盖全国各地的销售、分销、服务以及维修网络作为其坚强后盾，不断扩大在中国的市场占有率。此外，挪威AMV公司、日本古河（Furukawa）等都具有相当竞争力。

国内产品短板明显，智能化程度和配套服务能力仍有待提高。自2000年国内第一台具有电脑导向等功能的凿岩台车样机被成功开发，经过十几年的发展与探索，我国凿岩设备已经初步形成了自己的产品规格与系列。但目前在系统先进、凿岩速度快、整机结构紧凑方面仍有待提升，尤其是方便在狭小的空间作业的中、小直径液压凿岩设备，仍远不能满足需求。一些矿山和工程施工企业不得不花费巨资购买国外设备。而随着国家对工程、矿山绿色施工的要求进一步加强，高效节能环保的智能化凿岩机器人将越来越受市场青睐，而我国的该类产品与国外的相关同类产品在技术水平和产品可靠性方面存在一定差距，产品创新能力有待进一步加强与深入。此外，同国外企业以提供工程整体解决方案为出发点，以售后维护、部件更换、培训、系统升级、融资方案、设备日常使用信息分析等产品使用全周期服务为支撑相对比，国内企业产品配套服务发展滞后，未形成产品、价格、服务构成的综合竞争力。

对策建议

突破一批关键技术和零部件，提升核心系统高端化水平。一是加大对液压元件、电机等核心部件研发的支持力度，加快突破关键共性零部件技术瓶颈。二是推动实现作业数据和环境数据的实时交互和远程诊断，达到凿岩机器人智能化、无人化遥控作业。三是制定与国际水平接轨的凿岩机器人国家标准，提高产品质量，促进产品科技进步和推广应用。

准确定位市场，打造个性化产品。一是企业要抓住新一轮西部大开发等发展战略带来的机遇，积极开拓国内外市场，加大市场需求分析力度，提升解决方案供给能力。二是发展个性定制化模式，依托不同地区特点完善技术发展路线，打造差异化产品，以适应不同施工建设要求。三是加强产业链上下游企业沟通，提升产品“设计—生产—交易—使用”各环节参与方的协作程度。

强化服务战略，发展服务型生产企业。一是企业可通过信息化手段统一管理和服务指导，布局区域管控，提高服务效率。二是通过加强下游渠道的配件采购管理，加强销售渠道和代理商管理，屏蔽市场不正当竞争等对企业利润的冲击。三是通过建立信息化服务平台，打造专业的服务队伍，提高服务水平。