董紫媛

中国社会科学院大学

0 引言

人工智能是一个宽泛的术语，用来描述一系列展现类人智能的先进技术，包括机器学习、自主机器人和车辆、计算机视觉、语言处理、虚拟代理和神经网络。纵观历史，人们一直担心，包括机械化、计算在内的自动化，以及最近出现的人工智能和机器人技术，会扼杀就业机会，对劳动力市场造成不可逆转的破坏[1]。例如，凯恩斯(1930)将技术性失业描述为“由于我们发现了节约使用劳动力的方法超过我们能找到劳动新用途的速度而导致的失业。同样的，Leontief(1983)观察到计算机芯片处理能力的巨大进步，担心人会被机器取代，就像内燃机的发明让马变得过时一样[2]。在过去，自动化经常在短期内取代人力劳动，但在长期内导致了补充工作的创造(Autor 2015)[3]。从历史上看，自动化促进了生产率的增长。例如，Crafts(2004)记录了19世纪英国蒸汽机技术对生产率的影响[4]。Rosenberg(1983)[5]和Schurr(1983)[6]记录了20 世纪初电气化对制造业生产率的影响。最近，信息技术(IT)被认为对生产力产生了广泛的积极影响(例如，Oliner, Sichel，和Stiroh, 2007[7];Jorgenson, Ho,and Stiroh, 2008)[8]。Bloom, Sadun 和Van Reenen(2012)[9]表明，更好的IT 管理部分解释了美国和英国企业生产率的差异。

国外在能源销售、节能减排、客户服务等领域中，均有人工智能技术应用，但国内应用领域有限，主要由于需求不强烈。随着节能减排政策加强对用户实际运行节能的监管，再加上企业用户迫切需要解决逐年上升的能源使用与人力运营成本，使得节能与降低人力成本成为企业用户的当务之急。

1 传统清洁方案

商业地产作为商业用途的地产，故又称为商铺地产，区别于以居住功能为主的住宅房地产，以工业生产功能为主的工业地产等。商业地产广义上通常指用于各种零售、批发、餐饮、娱乐、健身、休闲、办公等经营用途的房地产形式，从经营模式、功能和用途上区别于普通住宅、公寓、别墅等房地产形式。

城市的快速发展，越来越多的商场出现在人们的视野中。商场的面积一般都在15 000 ㎡以上，传统的清洁模式需要很多人共同作业，人工成本逐年升高，并且人工清洁的效率也难以得到保证，所以降低成本，提高清洁效率成了每一个大型商场共同面临的问题。 传统的清洁方式，用的清洁工具就是尘推、拖把、清洁桶、清洁车等。在清洁过程中，清洁工为了保证能够最大限度地清洁地面，要不停地清洗拖把，并且刚清洁的地面不能马上干燥，势必会影响客户的行走安全。就清洁效率而言，在传统清洁模式下，我们往往会看到地面上有一条条水渍，长期下来地面会出现暗淡无光的状况，给人一种脏乱的感觉，破坏商场的整体形象，从而造成商场客流量的减少。

因此，扫地机器人对于新型的商业清洁方式是有很大需求与刚需性的。

2 扫地机器人系统

扫地机器人用到的算法大致分为定位导航与控制算法。扫地机器人软件架构系统分为6 层结构，主要由对接外部指令的访问层与对接内部形成指令的代理层组成。代理层Nginx主要起到桥梁作用，用于分发访问层的指令（如图1）。

2.1 系统架构

扫地机器人系统采取分成设计架构，包括访问层、代理层、接口层、业务层、持久层与存储层。

2.2 机器人本体设计

目前,市面上的扫地机器人大多采用SLAM 技术去帮助机器人定位，其中SLAM 技术又分为激光与视觉融合定位。现有的商用扫地机器人大多基于成熟的激光定位算法去帮助机器人定位。视觉融合定位还处于发展阶段，技术尚未成熟。商用扫地机器人多采用激光雷达、3D摄像头用于定位机器人路径与障碍物检测，机器人机身保险杠安装感测器用于防撞击检测，机器人底部安装悬崖传感器、驱动轮感测器用于防坠落，机器人头部安装紧急制动功能用于现场检测与紧急事件的处理。

安装多个感测器，可以检测障碍物、楼梯和人体移动。商用清洁机器人可以避开障碍物，或者停在原地等待路线上的障碍物移开，如图2。

商用扫地机器人多采用充电锂电池，一般续航3～4 h，可以完成1 500～2 000 m2的清扫，相当于一个人工4～5 h 的工作量。商用扫地机器人没有长线，以减去原清洁工具由于长线而带来的麻烦。同时，清洁人员不用弯腰就可以直立推动使用商用扫地机器人，大大改善了清洁人员的劳作。

图1 扫地机器人系统构架图

图2 扫地机器人避障

有些商用清洁机器人为清洁人员配备了无线通知接收机，让其一边从事其它工作，一边接收到来自扫地机器人的任务完成提醒，如图3。

2.3 商用扫地机器人的工作原理

在吸尘器机器人开始它的任务之前，一个重要的方面必须保证哪个是建模的环境。环境建模依赖于地图的绘制，利用从不同的传感器获得的感官数据通过相机、红外传感器和超声波传感器建立工作空间。工作空间W 通过圆盘离散作为清洁机器人的形状取代长方形和正方形，以去帮助机器人的移动。假设离散空间对角线应该等于扫地机器人的直径。每个磁盘i表示环境中机器人要占据的是一个障碍物还是一个自由位置。能够连接的相邻位置jth 最大数量为8。两个相邻磁盘之间的连接Rij表示两个位置之间的欧氏距离[10]，如图4。

图3 通知接收机接收紧急情况

图4 环境的建模

2.4 适应度函数与选择

一个适应度函数有必要了解详细问题的描述和解决方案，这是直接与航行范围的限制（如避免碰撞）、缩小道路尺寸(如电池寿命)相联系的。在评价单个微路径的适应度时，考虑了微路径的总距离、连续不清洁单元的数目和每个位置单元相对于当前机器人位置的总距离三个参数。

其中A, B, C 为常数, Dist( i ), Free( i )以及分别是最小路径的距离，自由单元的数量，以及自由单元相对目前机器人距离的位置（如图5）。

图5 两个单元之间的欧氏距离

迷你路径总距离:由两个单元格位置之间的每段距离之和计算，该距离表示欧式距离，如图5。

不清洁单元数:从当前机器人位置开始，属于微路径的连续不洁净单元数。

每个位置单元相对于当前机器人位置的总距离：它位于代表X 轴的距离，在目前机器人位置xc以及不清洁单元xj位置之间的最小路径（i）的距离。

理想的适应度解决方案是不包含冗余访问和障碍单元的，采用基于适应度值的精确主义的随机竞赛选择方法。

3 应用实践

3.1 应用情况

本文将应用场景选在酒店与写字楼对商用扫地机器人进行了清洁质量与效率的测试，通过对商用扫地机器人与商用传统吸尘器进行测试对比与分析，通过数据得出结论。

具体步骤：为清洁机器人充满电；选取适合商用扫地机器人的应用场景，如酒店走廊、办公楼大厅、机场等大面积地毯的应用场景；清扫前选取2块相同面积的场景，并分别测试ATP 数值；相同的场地与面积使用传统吸尘器清扫一遍，并测试清扫后的ATP 数值与时间；相同的场地与面积使用商用扫地机器人清扫一遍，并测试清扫后的ATP 数值与时间；经测试，商用扫地机器人主要可实现以下功能：

1）在传统方案每周做一次人工吸尘的情况下，商用扫地机器人第一次清扫后，ATP数值下降49%（如图4）。

2）使用商用扫地机器人隔日清扫，ATP数值连续下降。传统吸尘器4天ATP平均值是2 754.5，商用扫地机器人4天ATP平均值是1 626.5，4天平均下降了41%。

测试数据显示，对相同的区域，分别使用商用扫地机器人和人工吸尘方式进行全覆盖吸尘，商用扫地机器人的效率至少是人工吸尘的2倍（如图6）。

3.2 系统特点

1)目前，服务机器人主要技术包含定位、导航与控制三部分。定位目前主要运用激光或者视觉融合技术。目前，市场上大多采用激光技术以创建地图进行室内定位，此项技术已经趋于成熟。视觉融合仍是商业与学术界急需突破的技术。

2)扫地服务机器人基于激光雷达定位来确定在二维码工作环境中的相对全局坐标的位置，再利用红外线识别环境及障碍物形状，以点阵的形式发送红外光到物体表面。两个深度传感器，探测物体的距离，进一步获取3D信息（如表7）。

3)机器人中的雷达可以探测环境空间及物体的位置和形状。雷达向周围发射激光束，然后将接收到的从目标反射回来的信号，与发射信号进行比较，获得目标的距离和形状等，形成环境信息。可在智能清扫中避开障碍物，计算避让路线。

3.3 节能测试分析

图6 清扫前与清扫后ATP数值测试

表7 人工与某商用扫地机器人的效率对比

选定一台商用扫地机器人对耗电量进行测量，充电4 h可充满机器人携带的锂电池。其电池参数为23.7Ah，电压为25.2 V，23.7×25.2×1 h=0.597 kWh，即约等于0.6 kWh。一个商用扫地机器人锂电池可以支持其连续工作3 h，1 h 平均清扫500 m2，那么3 h可以清扫1 500 m2，耗电1.8 kWh。

选定一台商用吸尘器对耗电量进行测量，其功率是2 000 W，1 h 需耗电2 kWh。如像商用扫地机器人大面积连续吸尘3 h，如机场、酒店、办公室等商用场景，那么一个传统商用吸尘器3 h 耗电量是6 kWh。

单从耗电量上扫地机器人一次3 h任务，可以节电省4.2 kWh。如果再考虑这部分简单的重复劳动可以由机器替代人80%的工作量，人力可以节省下来或者去从事更为复杂的劳动，这可大大降低企业的成本。以上同时也分析了商用扫地机器人的清洁效率相比于传统吸尘器4天平均值提升了40%。

综合效率、清洁质量、节能减排三方面，商用清洁机器人都在某种程度上获得了提升。

3.4 解决的痛点

后疫情时代公共场所，尤其是一些高端的公共场所，急于寻找一种人与人之间少接触，并且可以提高清洁效率的清洁用具。疫情的出现，加速了清洁机器人量产与规模化发展的机会，因为其减少了人与人之间的接触，同时由于机身底部的设计可以大大防止空中弥散的灰尘。更为重要的是机器人可以做到反复清扫并且没有遗留部分，大大提高了清洁次数与清洁质量。

随着用工成本的不断飙升，企业急需找到解决方案去减掉方方面面的人员成本。扫地机器人的出现，让一部分的简单劳动由机器去做是一种大势所趋。

3 h 的连续工作可以节省4.2 度电，将近节省3倍耗电量，对于追求节能减排的企业来讲，可确保企业的长期可持续发展。

3.5 效益分析

3.5.1 经济效益

按照每台机器人每天工作8 h，每年工作300天测算，则每天需要耗电0.6×8=4.8 kWh，每年需要耗电4.8×300=1 440 kWh。按照每台商用吸尘器每天工作8 h，每年工作300天测算，则每天需要耗电2×8=16 kWh，每年需要耗电16×300=4 800 kWh。按照0.7元/kWh 每台每年可节约电费2 352元。

按照每家酒店/物业需要配备20 台吸尘器，与20个人工打扫房间与走廊大厅分析，由于扫地机器人的工作效率约是传统吸尘器的2 倍，因此只需要10台机器人与10个人即可完成原来的工作量。则每年企业可以节约用电20×4 880-10×1 440=83 200 kWh，节约电费为83 200×0.7=58 240元。按照北京市酒店每人月工资成本是5000元（加上社保与公积金等），则人工成本可以降低50 000元，每年共节省108 240元人民币。

3.5.2 社会效益

该项目可节省电能，减少碳排放。每节约一度电，就相当于节省了0.4 kg煤的能耗和4升水，同时还减少了1 kgCO2和0.03 kgSO2的排放。如果一个企业每年可以节电83 200 kWh，则全年可以少排放83 200 kg CO2，2 496 kgSO2。节省33 280 kgtce和332 800 t水。

如果未来扫地机器人可以量产并普及也会对减排起到积极的作用。

4 结束语

随着机器人和人工智能技术的发展与成熟，商用扫地机器人已经陆续引入了医院、商场、机场、酒店等。本文介绍的吸尘扫地机器人、推尘扫地机器人、商用服务机器人还具有消毒、巡逻、送餐、送货等功能，具有灵活便捷，减少耗能等突出特点，便于复制推广，可以在各类场景中应用。

基于目前激光雷达与SLAM 系统的成熟，商用扫地机器人的大规模量产与应用有望在3～5 年内实现，解决企业的用工成本与耗能成本。但是基于人工智能机器人推出时间短，商业化还不够成熟，其功能性、稳定性与灵活性还是需要进一步地提高。