人工智能與土木工程

文沖

重慶交通大學(xué)

人工智能與土木工程

文沖

重慶交通大學(xué)

本文主要討論了土木工程在材料、設(shè)計、施工和監(jiān)控量測等方面所體現(xiàn)出的的智能化趨勢以及目前所面臨的一些挑戰(zhàn)。在此基礎(chǔ)上，對未來土木工程的人工智能化進(jìn)行了暢想。

人工智能；土木工程

前言

當(dāng)前，“3D打印技術(shù)”、“人工智能（AI）”相繼成為社會熱詞和輿論關(guān)注焦點。這反映了當(dāng)下社會對于高新技術(shù)投入社會生產(chǎn)，改善生活水平的熱烈期望。在國家層面，德國率先提出以制造業(yè)智能化為核心目標(biāo)的“工業(yè)4.0”國家戰(zhàn)略。此后，美國、日本、英國先后提出了與之相近的制造業(yè)戰(zhàn)略，我國于2015年也提出了“中國制造2025”工業(yè)發(fā)展戰(zhàn)略。智能化已然掀起了新的一輪技術(shù)革新浪潮，而土木工程作為國家工業(yè)體系中的重要一環(huán)也必然要參與到這股浪潮之中，并且發(fā)揮重要作用。那么土木工程相關(guān)從業(yè)人員了解本行業(yè)智能化趨勢，為未來智能化革新做好準(zhǔn)備就顯得十分必要。

1.人工智能相關(guān)基本概念

（1）智能系統(tǒng)的定義：具有（部分具有）人類智能或能模擬（部分模擬）人類智能的系統(tǒng)稱為智能系統(tǒng)。

（2）智能系統(tǒng)的分類：智能系統(tǒng)可以為“人本系統(tǒng)”與“人為系統(tǒng)”兩大類。前者指人類本身的智能系統(tǒng)，如人腦系統(tǒng)，以及人參與活動的經(jīng)濟(jì)系統(tǒng)和統(tǒng)計系統(tǒng)等；后者指人類為了自身的需求改造自然所創(chuàng)造的系統(tǒng)，如智能計算機(jī)系統(tǒng)、智能機(jī)器人系統(tǒng)等，人工智能就屬于這一范疇。

（3）智能系統(tǒng)所具備的特征：

①多信息感知與融合。

②知識表達(dá)、獲取、存儲和處理。（主要是識別、推理與決策）。

③聯(lián)想記憶。

④自治控制，即自相似、自學(xué)習(xí)、自適應(yīng)、自組織、自維護(hù)。

⑤容錯。

值得說明的是一般意義上的人工智能還應(yīng)具備信念、意圖、喜愛、厭惡、誠摯、承諾等理性和情感因素，但就土木工程而言這些特征既不現(xiàn)實也無必要，故土木工程未來的智能化主要應(yīng)圍繞前面5點展開。

2.當(dāng)前土木工程中的智能化趨勢及面臨的挑戰(zhàn)

2.1 智能測量

衛(wèi)星測量技術(shù)（Satellite Geodetic Surveying）的進(jìn)步及地理信息系統(tǒng)（Geographic Information System）的建立完善為工程測量的智能化奠定了重要基礎(chǔ)。衛(wèi)星測量利用人造地球衛(wèi)星進(jìn)行地面點定位，它較于目前廣泛應(yīng)用的以全站儀為代表的儀器測量具有測量范圍廣，測量限制條件少，高度自動化、數(shù)字化的優(yōu)勢并且能與GIS系統(tǒng)很好的對接。地理信息系統(tǒng)（GIS）是指對地球空間的各種信息進(jìn)行采集、儲存、管理、運算、分析、顯示和描述的技術(shù)系統(tǒng)。作一個不太恰當(dāng)?shù)谋扔鳎绻研l(wèi)星測量比作經(jīng)緯儀，那么GIS就相當(dāng)于繪制出的地形圖（當(dāng)然，衛(wèi)星測量與GIS的實際功能遠(yuǎn)不止于此）?；贕IS我們可以獲得數(shù)字地圖，這對于土木工程的設(shè)計和施工都具有很重要的參考價值。

目前的衛(wèi)星測量和GIS都還具有相當(dāng)?shù)木窒扌?。衛(wèi)星測量的局限性主要在于其測量精度（一般水平為厘米級）還達(dá)不到工程測量的普遍要求。GIS雖然已經(jīng)在資源環(huán)境管理、城市規(guī)劃等領(lǐng)域得到了較廣泛的應(yīng)用，但其數(shù)據(jù)的更新和精度等問題仍然亟待解決。

2.2 智能設(shè)計

目前為止，設(shè)計是整個土木工程行業(yè)智能化特征最明顯，智能化速度最快的版塊。設(shè)計部門采用計算機(jī)繪圖取代傳統(tǒng)的手工繪圖，大大提高了設(shè)計圖的繪制效率和質(zhì)量，這在設(shè)計部門的智能化進(jìn)程中具有里程碑意義。后續(xù)各種輔助設(shè)計軟件的出現(xiàn)，更是加快了設(shè)計智能化進(jìn)程。甚至，我們可以大膽的預(yù)測，在整個土木工行業(yè)中，設(shè)計部門的智能化很有可能最先完成。

（1）設(shè)計智能化的必然趨勢

傳統(tǒng)的土木工程設(shè)計方法的形成大致會經(jīng)歷以下階段；首先，在大量的工程實踐和實驗理論研究后形成某種設(shè)計理論。然后，將該理論應(yīng)用于工程實踐并依據(jù)實際對理論進(jìn)行完善。最終，形成設(shè)計規(guī)范（規(guī)范的完善過程始終進(jìn)行）。在形成規(guī)范后，一種設(shè)計方法已經(jīng)基本成型，并且會有一套非常嚴(yán)格的設(shè)計步驟，設(shè)計人員便是嚴(yán)格按照這種方法進(jìn)行設(shè)計。這種傳統(tǒng)的設(shè)計方法十分機(jī)械與呆板，對于設(shè)計人員而言既枯燥還十分容易出錯，人的創(chuàng)造性無從得以發(fā)揮。但這種高度標(biāo)準(zhǔn)化，模塊化的設(shè)計方法十分適宜于改成算法，編成程序由計算機(jī)完成，這是設(shè)計能夠?qū)崿F(xiàn)智能化的原因之一。

此外，在傳統(tǒng)設(shè)計中，由于人的計算能力有限，在設(shè)計理論階段就對一些設(shè)計要素進(jìn)行了近似和簡化，這不可避免地會產(chǎn)生誤差。在早期，由于生產(chǎn)規(guī)模不大，生產(chǎn)要求不高，這些誤差或許可以接受，但現(xiàn)在越來越多的“超級工程”開始出現(xiàn)，這些工程對于設(shè)計精度產(chǎn)生了更高的要求，傳統(tǒng)的設(shè)計理論必須進(jìn)行變革。為了適應(yīng)這種變化，以概率數(shù)理統(tǒng)計理論和數(shù)值分析理論為基礎(chǔ)的現(xiàn)代設(shè)計理論開始應(yīng)用于生產(chǎn)實踐，而這種設(shè)計理論更是必須基于計算機(jī)才能實現(xiàn)，并且隨著設(shè)計理論的進(jìn)一步發(fā)展，這種聯(lián)系將會更加緊密，設(shè)計的智能化也會愈加明顯。

（2）設(shè)計智能化的成果舉例以及面臨的挑戰(zhàn)

工程制圖軟件除了平面繪制外，還實現(xiàn)了3D繪圖，比較典型的制圖軟件有；Auto CAD,Pro/E,UG，3Dmax等。輔助設(shè)計軟件則出現(xiàn)了包括PKPM，同濟(jì)曙光，ANASYS等國內(nèi)外優(yōu)秀設(shè)計軟件。這些優(yōu)秀設(shè)計軟件的出現(xiàn)顯著提高了設(shè)計效率與設(shè)計質(zhì)量，但設(shè)計智能化仍然面臨著挑戰(zhàn)。一方面，基于計算機(jī)運算的現(xiàn)代設(shè)計理論還有待進(jìn)一步完善和提高；另一方面，計算機(jī)的硬軟件技術(shù)也亟待提高。例如，目前三大數(shù)值計算方法有限單元法、有限差分法和離散單元法的應(yīng)用都不同程度上受到了計算機(jī)處理器資源的限制。

2.3 智能施工

在土木工程施工中，越來越多的先進(jìn)大型機(jī)械設(shè)備投入生產(chǎn)實踐，機(jī)械化與自動化水平大大提高。如公路瀝青路面施工中的履帶式瀝青混合料攤鋪機(jī)，橋梁施工中的移動模架造橋機(jī)，隧道施工中的TBM盾構(gòu)機(jī)都是自動化程度很高的施工機(jī)械。這些機(jī)械的應(yīng)用顯著地提高了施工效率與施工質(zhì)量，但是施工機(jī)械距離“智能”還有相當(dāng)?shù)木嚯x。

我國相關(guān)領(lǐng)域的專家、研究人員已經(jīng)開始了機(jī)械智能化的相關(guān)工作并取得了可喜的進(jìn)展。如我國研制出的隧道鑿巖機(jī)器人具有自主研發(fā)的SUNWARD隧道鑿巖機(jī)器人控制系統(tǒng)，是我國工程機(jī)械智能化和特種機(jī)器人研究取得的突出成績。由此可以看出未來工程機(jī)械的智能化離不開工程特種機(jī)器人的研發(fā)與進(jìn)步。

工程特種機(jī)器人，我們可以淺顯地理解為由計算機(jī)系統(tǒng)控制的施工機(jī)械，目前我們具有比較成熟的計算機(jī)系統(tǒng)開發(fā)技術(shù)，施工機(jī)械的自動化也達(dá)到一定的水平，但要實現(xiàn)二者真正的融合，卻是個難題，這也是工程機(jī)械智能化的主要障礙之一。另一方面，生產(chǎn)實際中，機(jī)械作業(yè)環(huán)境可能發(fā)生變化，機(jī)械與環(huán)境的交互作用更加復(fù)雜，控制更加困難，要求的智能化程度更高。

2.4 智能材料

近年來，以智能混凝土為代表的智能建材開始在超大橋梁，超高層建筑物，水壩，海洋開采油井平臺系統(tǒng)等這些大型工程中得到應(yīng)用，有效地降低了維護(hù)和檢測費用，并且有助于及時掌控土木工程結(jié)構(gòu)的安全使用狀況。

智能建材發(fā)展十分迅速，尤其是智能混凝土的研究開發(fā)，目前已經(jīng)取得了比較突出的進(jìn)步。通過摻入碳纖維和光纖維，制作出了能和計算機(jī)實現(xiàn)數(shù)據(jù)對接的損傷自診斷混凝土。我國同濟(jì)大學(xué)的研究人員還通過在混凝土中添加電流變體，研制出能夠在臺風(fēng)和地震等自然災(zāi)害條件下可以自動調(diào)節(jié)承載能力和減緩結(jié)構(gòu)振動的自調(diào)節(jié)智能混凝土。能夠?qū)崿F(xiàn)裂縫自愈合的自修復(fù)混凝土也取得了突破性進(jìn)展。

總的來說，目前智能材料的發(fā)展大致可分為兩類，一類是以自診斷混凝土為代表的，通過與計算機(jī)進(jìn)行信息對接以監(jiān)控量測為主要功能和目的的智能材料，這是較低等級的智能材料；第二類則是以自調(diào)節(jié)和自修復(fù)混凝土為代表的除了能夠?qū)崿F(xiàn)向外部反映結(jié)構(gòu)內(nèi)部信息外，還可以根據(jù)外部指令和環(huán)境變化自動調(diào)節(jié)結(jié)構(gòu)功能的高級智能材料。這兩類智能材料的研究都取得了一定的進(jìn)展，在生產(chǎn)實際中也得到了不同程度的應(yīng)用，但智能材料要實現(xiàn)大規(guī)模的應(yīng)用，甚至取代傳統(tǒng)混凝土，降低成本的經(jīng)濟(jì)問題是其繞不過去的一道坎。

2.5 監(jiān)控量測

監(jiān)控量測在隧道施工應(yīng)用較多，在橋梁檢測中也得到廣泛應(yīng)用。目前，監(jiān)控量測的主要手段以電測法為主，光測法也得到了一定程度的應(yīng)用。

電測法，主要是通過在結(jié)構(gòu)中預(yù)埋電應(yīng)變片，將結(jié)構(gòu)內(nèi)部的應(yīng)變信息以電信號的形式傳出，可以與計算機(jī)形成對接。電測法的局限性在于只能對實物重點部位進(jìn)行逐點監(jiān)測,而無法對整個結(jié)構(gòu)的全場受力情況進(jìn)行表示。

隨著光彈性應(yīng)力分析理論的發(fā)展，出現(xiàn)了白光散斑法、云紋法等光力學(xué)量測方法，這類光力學(xué)量測方法可以實現(xiàn)對物體表面變形的全場性測量,其抗干擾能力也大大強(qiáng)于電測法。這類方法主要缺點在于無法測定物體內(nèi)部變形。但已有學(xué)者提出以光測法測得的表面數(shù)據(jù)為邊界條件，通過有限元計算從而得到物體內(nèi)部的變形和應(yīng)力的改良措施。

無論是電測法還是光測法，它們的核心是傳感器，所以未來監(jiān)控量測的發(fā)展主要取決于傳感器的發(fā)展。傳感器的發(fā)展主要包括兩個方面，一方面是傳感器自身材料的發(fā)展，顯然這與智能材料的發(fā)展密切相關(guān)；另外一方面是傳感器之間如何實現(xiàn)無線連接、協(xié)同工作，并且與外界的數(shù)字設(shè)備實現(xiàn)信息交互，即形成所謂的傳感器網(wǎng)絡(luò)。

3.未來土木工程人工智能化暢想

筆者認(rèn)為未來土木工程的人工智能化將主要經(jīng)歷兩個階段：單元智能化階段和復(fù)合智能化階段。

3.1 單元智能化階段

單元化智能階段指測量、設(shè)計、施工這些環(huán)節(jié)都初步完成了各自的智能化，三者的聯(lián)系有所加強(qiáng)，但彼此之間仍然是相對獨立的單元。

各單元的的智能化水平應(yīng)基本達(dá)到以下標(biāo)準(zhǔn)：測量單元將實現(xiàn)完全且精準(zhǔn)的全天候衛(wèi)星測量并且測量數(shù)據(jù)直接與GIS系統(tǒng)對接，GIS系統(tǒng)數(shù)據(jù)實現(xiàn)實時更新，人不參與直接測量工作，轉(zhuǎn)而進(jìn)行GIS系統(tǒng)的的開發(fā)管理；監(jiān)控量測單元分為兩部分，一部分作為監(jiān)控量測機(jī)器人主要從事前期設(shè)計需要的數(shù)據(jù)采集工作，另一部分以智能材料的形式存在于結(jié)構(gòu)中為后期保養(yǎng)維修提供數(shù)據(jù)；設(shè)計單元將形成以計算機(jī)軟件設(shè)計，數(shù)值分析軟件模擬驗算為主，人主要從事軟件開發(fā)，設(shè)計檢查工作；施工單元中施工機(jī)器人得到廣泛應(yīng)用，可直接接受設(shè)計單元的數(shù)字圖紙，照圖施工，人主要從事機(jī)器人開發(fā)和維護(hù)工作。

各單元將實現(xiàn)無線數(shù)據(jù)聯(lián)系與共享。在單元智能化階段，傳統(tǒng)意義上人的腦力勞動大部分被智能設(shè)備取代，生產(chǎn)效率大大提高。但這只是人工智能的初級階段，因為傳統(tǒng)的生產(chǎn)模式“測量→設(shè)計→施工”仍然沒有得到改變，各個環(huán)節(jié)之間仍然存在明顯的時間差異效應(yīng)，即仍然存在設(shè)計與實際相左的風(fēng)險。智能化水平仍然具有上升空間。

單元智能化簡圖

3.2 復(fù)合智能化階段

復(fù)合智能化階段是指設(shè)計程序、監(jiān)控量測機(jī)器人、施工機(jī)器人復(fù)合集成為工程綜合智能機(jī)器人，實現(xiàn)即時量測，即時設(shè)計，即時施工的高級智能階段。應(yīng)當(dāng)指出這個階段必須滿足相當(dāng)高標(biāo)準(zhǔn)的條件，才有可能達(dá)到。在初級階段的基礎(chǔ)上，各單元智能化水平進(jìn)一步提高，機(jī)器人與現(xiàn)實交互能力達(dá)到相當(dāng)水平，計算機(jī)數(shù)據(jù)處理能力達(dá)到相當(dāng)水平，在設(shè)計質(zhì)量得到保障的前提下，設(shè)計速度顯著提高即實現(xiàn)“動態(tài)設(shè)計”，在這樣的條件下復(fù)合智能化有可能得到實現(xiàn)。

4.結(jié)語

我們應(yīng)該正確看待人工智能的作用。在已知的事物上，人工智能比歷史上任何一個人都聰明，但對于未知的事物，它可能還沒有一個孩子具有創(chuàng)造性，所以人工智能永遠(yuǎn)無法取代人，超越人更無從談起。它的存在只是為了幫助人類去處理那些已知的，重復(fù)的工作，從而將人類的大腦解放出來，去從事那些更具挑戰(zhàn)性，更具創(chuàng)造性的工作。

另一方面我們應(yīng)該理性看待人工智能的發(fā)展。任何事物都不可能一蹴而就，人工智能更是如此。我國的土木工程施工已經(jīng)完成了機(jī)械化，部分實現(xiàn)了自動化，信息化、智能化更是剛剛起步，在這樣的技術(shù)條件下，廣大土木工程從業(yè)人員更需腳踏實地，銳意進(jìn)取，為最終實現(xiàn)土木工程的智能化而奮斗！

[1]葉英.隧道施工信息化預(yù)警[M].北京：人民交通出版社，2012：44-45.

[2]孔達(dá)，呂忠剛.[M].北京：中國水利水電出版社，2011.

[3]何清華.隧道鑿巖機(jī)器人[M].長沙：中南大學(xué)出版社，2005.

[4]姚武.高性能機(jī)敏混凝土的研究[C].上海：同濟(jì)大學(xué)出版社，2002：2l-28.

[5]繆錢江,方征平,蔡國平.自修復(fù)復(fù)合材料研究進(jìn)展[J].材料科學(xué)與工程學(xué)報，2004.22（2）.

[6]楊紅.空心光纖用于智能結(jié)構(gòu)自診斷、自修復(fù)的研究[D].南京：南京航空航天大學(xué)，2001.

文沖（1995-），男，四川渠縣人，重慶市南岸區(qū)重慶交通大學(xué)，土木工程專業(yè)，本科生。