大数据文摘作品   作者：Mickey

 

你能想到最大的3D打印项目有多大？

 

迪拜市政府用楼目前是世界上最大的3D打印建筑，其高达9.5米，项目面积为640平方米。此项目由总部设在美国的ApisCor公司来主持设计建造，而其结构也是在现场用3D打印技术直接建起的。

 

不过两年后，中国可能会突破这一最大3D打印记录。据《南华早报》报道，中国正在利用人工智能和3D打印技术，建设青藏高原上的水电站项目，2年后如果如期投产，这座高 180 米的羊曲水电站将成为世界上最大的 3D 打印工程。

按照预期，羊曲水电站将在2024年建成，之后每年将通过专为绿色能源传输而建造的 1500 公里的高压线路，向黄河上游输送近50亿千瓦时的电力。

 

该项目的首席科学家刘天云4月27日在《清华大学学报（自然科学版）》发布了相关研究论文——《大型填筑工程3D 打印技术与应用》。论文介绍了一项填筑工程3D打印技术及其多种机器人装备系统，填筑工程3D打印系统可以完全在调度控制下逐层填筑，层层循环，直至完成整个填筑工程的3D 打印建造。

 

据报道，目前，羊曲水电站在工程建筑上可以使用全部由人工智能控制的无人驾驶挖掘机、卡车、推土机、摊铺机和压路机逐层建造，并在土石坝部分采用与3D打印相同的增材制造工艺，有效缓解工程建设对于人力的依赖。

 

论文作者刘天云团队还表示，该技术还可以用于其他基础设施项目，例如机场和道路建设。

结论

本文介绍了一项大型填筑工程的3D打印技术与多种工程智能机器人装备，并在多项示范工程中获得了成功应用。这项3D打印技术着眼于填筑工程智能化建设流水线全过程，着重解决了填筑料质量在线检测、单机器人作业在线控制、多机器人群协同作业调控以及智能调度决策系统集成等诸多难题，已形成了一整套融合在线传感测试、卫星定位、无线通信、计算机控制、人工智能等技术的填筑工程3D打印装备系统，已实现了填筑工程过程的数字化、网络化、智能化与无人化，可实现“装备保障工艺、工艺保障质量、质量保障安全、安全保障发展”的工程智能建造的主要目标，也有利于推动工程智能建造新方法和新技术的发展。

未来，3D打印技术还需进一步解决以下问题：

1）填筑料智能化开采需要进一步探索：

2）3D打印的质量评估与检测技术有待进一步完善和实用化；

3）3D打印建造流水作业间强化学习、优化决策等保障高效率的方法更需要重点关注。

将整个建筑工地变成一台巨大的3D打印机  

3D打印机最初是作为一种使用珍贵材料制造组件、浪费较少的制作方式诞生的。与切割和研磨等制造工艺相比，3D打印通过层次累加材料，产生的浪费更少。

 

刘天云团队的研究称，工程建设行业中有一类建造工艺相对单一的填筑工程，如水利大坝、高速公路、填方机场等工程 , 其建造过程与3D打印过程“天生”的相似。并且经过多年的开发测试，用于大型填充基础设施的 3D 打印技术已经足够成熟，可以大规模应用，并将“将人类从繁重、重复和危险的工作中解放出来”。

 

早在10多年前，清华大学水科学与工程国家重点实验室副研究员刘天云和他的团队就提出了“打印”大型建筑项目的想法。

 

他们认为整个建筑工地可以变成一台巨大的打印机，大量的自动化机器作为不同的组件无缝地协同工作。

研究团队表示，填筑工程的3D打印流水线需要各种工程建设机器人协同作业。以碾压机器人、摊铺机器人、无人驾驶卡车和挖掘机器人等为代表的工程建设智能机器人具备深度感知、有效决策和精准控制为一体的能力，在实践中已经达到甚至超过人工作业水平，特别是在周围环境危险的情景中，其表现远远优于传统作业方式。

填筑施工3D流水线作业图 图源：《大型填筑工程3D 打印技术与应用》

   

通过这种方式，在将大坝的计算机模型“切片”成层之后，该项目的核心人工智能将指派一组机器人一次添加一层，并通过传感器获取的数据，监督工程建设质量。

挖掘机器人采石，无人卡车运料，3D打印建起一座水电站大坝  

疫情下的频繁隔离让依赖大量人力的工程陷入停滞，依赖人力的水利工程的建设也受到了较大的影响。

利用无人机器人、无人车和3D打印，可以解放部分人力，同时对于水电站建设等恶劣环境下的工程，其能够在危及生命的环境中工作，可以克服高反等问题。

 

据了解，传统的人工作业情况下，经常会产生一些人为的错误，比如卡车司机由于路线不熟练，经常将材料运输到错误的位置，而冲击和强烈的振动下，压路机操作员也无法保持完全笔直的路径。

 

刘云山在《南华早报》的采访中表示，在以前的建设项目中对该技术的测试表明，智能机器可以比人类做得更好，“尤其是在一些恶劣和危险的环境中”。

 

目前，通过人工智能技术，该系统已经可以在建筑工程现场，实现一系列自动化装置进行工程建设。

 

无人驾驶挖掘机将能够识别堆场中的材料并将其装载到自动卡车车队中，无人驾驶自卸卡车将自主完成运料与卸料。

无人驾驶自卸卡车自主运料与卸料

图源：《大型填筑工程3D 打印技术与应用》

 

论文中称，坝料运输的无人驾驶自卸卡车获取运送坝料需求以及坝料配送位置坐标信息，自主进行运料上坝施工。运输卡车运用GPS定位装置精确运料上坝，实现坝料精准配送。同时，运输卡车通过无线通讯技术把实际运输信息实时发送给土石坝3D建造技术调度系统，存入数据库。

   

依靠计算中心的优化路线，卡车将在正确的时间将正确的材料运送到正确的位置，由机器人推土机和摊铺机定位，并“打印”完成一层大坝结构。

 

自动滚筒将压紧夹层使其紧实牢固，并且通过传感器传输数据，中央人工智能使用这些来通过分析地面振动和其他数据来监控建筑质量。

 

研究团队表示，人工智能技术的突破，包括深度强化学习，意味着机器现在可以识别现场几乎所有的物体，在不断变化的环境中处理不确定性，并灵活地执行各种任务。

 

不过，羊曲大坝建设中的所有工作并非都由机器完成。相关研究者称，由于任务的复杂性，从附近山区开采填石材依然将通过人工完成。

 

不过，不可否认，这种人工智能协同操作将改变未来的工程建设方式，也正如研究团队在《南华早报》的采访中所说“基于知识、信息和数据的人工智能是一种新工具……它将塑造我们的未来。”