大數(shù)據(jù)技術(shù)在土木工程中的應(yīng)用分析

王歡歡

（太原學(xué)院建筑與環(huán)境工程系 山西 太原 030032）

0 引言

自古以來，傳統(tǒng)數(shù)據(jù)處理技術(shù)廣泛應(yīng)用于建筑業(yè)，隨著互聯(lián)網(wǎng)時代的發(fā)展，大數(shù)據(jù)技術(shù)也進入了生活，很多企業(yè)逐漸開始通過信息管理來處理龐大復(fù)雜的企業(yè)數(shù)據(jù)。傳統(tǒng)數(shù)據(jù)處理技術(shù)廣泛應(yīng)用于建筑業(yè)，土木建筑工程涉及的數(shù)據(jù)信息更加廣泛復(fù)雜，且數(shù)據(jù)信息量較多，利用大數(shù)據(jù)技術(shù)可以使土木工程的設(shè)計與施工更加合理化，提高土木建筑工程的建設(shè)效率，因此，在土木工程的發(fā)展中，必須深化大數(shù)據(jù)技術(shù)的應(yīng)用，利用大數(shù)據(jù)技術(shù)提高土木工程的整體信息處理效率[1]。

1 大數(shù)據(jù)技術(shù)概述

大數(shù)據(jù)是指無法在一定時間范圍內(nèi)用常規(guī)軟件工具進行捕捉、管理和處理的數(shù)據(jù)集合，是需要新處理模式才能具有更強的決策力、洞察發(fā)現(xiàn)力和流程優(yōu)化能力的海量、高增長率和多樣化的信息資產(chǎn)。大數(shù)據(jù)技術(shù)在數(shù)據(jù)采集、管理、分析與處理方面的效率遠超出傳統(tǒng)的數(shù)據(jù)采集軟件，具有數(shù)量大、結(jié)構(gòu)多樣、應(yīng)用價值高與數(shù)據(jù)流轉(zhuǎn)速度快4個特點。大數(shù)據(jù)技術(shù)包含了大數(shù)據(jù)指數(shù)體系、平臺等相關(guān)應(yīng)用技術(shù)，是一種從海量數(shù)據(jù)信息中挖掘出行為規(guī)律、商業(yè)價值等信息的技術(shù)手段，其處理流程包含了數(shù)據(jù)捕獲、安全風(fēng)險管控、存儲以及處理等流程，具體見圖1所示，大數(shù)據(jù)技術(shù)是通過數(shù)據(jù)的跟蹤與捕捉發(fā)現(xiàn)其內(nèi)在的聯(lián)系，預(yù)測某事物在下一階段的狀態(tài)和行為，從海量數(shù)據(jù)中挖掘有效數(shù)據(jù)的潛在價值，使其發(fā)揮出最大的作用[2]。大數(shù)據(jù)技術(shù)的價值不在于掌握大量數(shù)據(jù)，而是于對大量數(shù)據(jù)的專業(yè)分析與處理，而土木建筑工程涉及到許多領(lǐng)域的數(shù)據(jù)非常龐大復(fù)雜，以往的數(shù)據(jù)處理方法不能有效地處理這些數(shù)據(jù)，而大數(shù)據(jù)技術(shù)的高效與快速解決了土木工程數(shù)據(jù)處理的問題，使土木工程數(shù)據(jù)挖掘出更多的潛在價值[3]。

2 大數(shù)據(jù)技術(shù)在土木工程中應(yīng)用策略

2.1 應(yīng)用于建筑能耗問題分析中

在土木工程建設(shè)中，建筑物的能耗分析是非常重要的，影響建筑能耗的因素包括建筑物內(nèi)部結(jié)構(gòu)的光照，熱交換等，利用大數(shù)據(jù)技術(shù)可以有效地挖掘土木工程相關(guān)數(shù)據(jù)值，對建筑物占用情況進行明確分析，輔助分析建筑物能耗。利用大數(shù)據(jù)技術(shù)構(gòu)建的建筑能耗監(jiān)測系統(tǒng)體系結(jié)構(gòu)如圖2所示[4]。

此外，首先我們可以通過傳感器來捕捉相關(guān)數(shù)據(jù)信息，對某辦公樓其中的15個辦公室在2020年4月—9月間每隔30分鐘收集的占用數(shù)據(jù)進行分析，在此數(shù)據(jù)基礎(chǔ)上進行歸納分類，獲得相關(guān)建筑占用時間表，并將其分成幾個工作模型輸入數(shù)據(jù)軟件，然后對這15個辦公室平均每天的不同設(shè)備的能源消耗逐個進行分析研究（見表1），通過分析結(jié)果提出相應(yīng)的節(jié)能方案，將其引入工程設(shè)計中。另外，電力數(shù)據(jù)也是土木建筑工程能耗分析中一種重要的大數(shù)據(jù)，傳統(tǒng)的數(shù)據(jù)分析方法難以完成對其的收集分析，利用大數(shù)據(jù)技術(shù)可以定期收集建筑空間樣本的大量耗電裝置，進而獲得大量耗電數(shù)據(jù)信息，運用大數(shù)據(jù)處理技術(shù)對這些數(shù)據(jù)進行關(guān)聯(lián)分析與特征分析，了解不同用電設(shè)備的數(shù)據(jù)，并進行統(tǒng)計，最終得出總體用電規(guī)律，也可以預(yù)測建筑后期的用電量，更準(zhǔn)確地掌握能耗情況[5]。

表1 設(shè)備耗電平均每天歷史數(shù)據(jù) 單位：度

2.2 應(yīng)用大數(shù)據(jù)技術(shù)對建筑破壞進行檢測

大數(shù)據(jù)技術(shù)對建筑破壞進行檢測主要是通過無人機來實現(xiàn)的，利用無人機可以在短時間內(nèi)對建筑物周圍拍攝成千上萬張圖像，為了使建筑物受損后的救援評估更加準(zhǔn)確，必須提高這些圖像處理分析的速度。在采集建筑物表面裂縫的圖像時，無人機應(yīng)沿著圖3中實箭線標(biāo)出的路線飛行，在圖像采集任務(wù)中，無人機的攝像機應(yīng)與建筑物外立面保持垂直，距離保持不變。例如地震或者其他自然災(zāi)害對建筑物造成破壞時，利用無人機對建筑破壞情況快速捕捉轉(zhuǎn)化為圖像信息，使用大數(shù)據(jù)技術(shù)對圖像信息進行快速分析處理，從而可以準(zhǔn)確地獲得檢測結(jié)果。研究人員提出可以利用并行計算方法對建筑物受損前以及受損后的圖像進行對比分析，以加快建筑物受損的3D檢測，在此過程中，主要是對地震前的坐標(biāo)、海拔、區(qū)域范圍等進行坐標(biāo)轉(zhuǎn)化和高程提取，生成地震前的建筑物模擬圖像，同時對地震后利用無人機獲取的圖像進行連接測點、攝像機標(biāo)定、準(zhǔn)直線圖像生成、半全局匹配、密集匹配等處理，生成地震后的數(shù)字地面模型，然后計算地震前后數(shù)字地面模型的差值，得到建筑物震害的三維檢測結(jié)果。將該并行計算方法應(yīng)用于2013年雅安地震地震后建筑物震害的三維檢測，其檢測速度比傳統(tǒng)的檢測分析方法快11倍[6-7]。

2.3 應(yīng)用大數(shù)據(jù)技術(shù)建造工程造價數(shù)據(jù)庫

土木工程是國家建設(shè)的基礎(chǔ)，做好土木工程建設(shè)有利于推動經(jīng)濟的發(fā)展。然而，由于土木工程項目數(shù)量龐大，涉及項目多，工程數(shù)據(jù)管理已成為制約土木工程發(fā)展的瓶頸問題。因此，將大數(shù)據(jù)技術(shù)與土木工程管理相結(jié)合，是推動工程項目發(fā)展，實現(xiàn)智能化工程目標(biāo)的重要舉措?；诖髷?shù)據(jù)技術(shù)的工程造價信息化管理系統(tǒng)如圖4所示，此外，可以利用大數(shù)據(jù)技術(shù)對工程造價中產(chǎn)生的大量數(shù)據(jù)和信息資源進行有效收集、統(tǒng)計與分析，使這些數(shù)據(jù)資源發(fā)揮出最有效的價值，實現(xiàn)行業(yè)內(nèi)部的信息共享?，F(xiàn)階段工程造價仍然采用傳統(tǒng)的使用工程量清單計算工程造價，而工程量清單是發(fā)放給用戶的，由于價格是不固定的，會隨著市場的變化有所浮動，且同一材料在不同地區(qū)的價格也會有所不同，因此必須對工程造價中的材料資源數(shù)據(jù)進行及時分析，準(zhǔn)確有效的工程造價數(shù)據(jù)可以在部門之間實行共享，工程師與結(jié)構(gòu)設(shè)計人員都能便捷地獲取使用數(shù)據(jù)，比如，加氣混凝土砌塊的造價低于鏈?zhǔn)交炷疗鰤K，因此當(dāng)?shù)毓こ谈鼉A向于采用加氣混凝土砌塊。如果工程造價數(shù)據(jù)庫能夠反映這種差異，能夠識別出當(dāng)?shù)氐氖┕て?，不僅可以節(jié)約成本，同時可以避免因溝通不到位造成設(shè)計出現(xiàn)失誤的現(xiàn)象。再例如，北京與天津的二級鋼筋已退出市場，若土木工程數(shù)據(jù)庫及時更新，結(jié)構(gòu)設(shè)計人員可以利用數(shù)據(jù)庫進行更精確的設(shè)計，不再選用二次加固，此外，成本數(shù)據(jù)庫還可以反映同類材料在不同地區(qū)的價格差異，反映當(dāng)?shù)厥褂貌牧系念愋?，促進土木工程的高效建設(shè)[8-9]。

2.4 應(yīng)用于施工設(shè)計環(huán)節(jié)

土木工程的設(shè)計方案影響著整個工程的施工整體，將土木工程設(shè)計中引入大數(shù)據(jù)技術(shù)，將有助于設(shè)計出更高質(zhì)量、更完美的設(shè)計方案，使工程設(shè)計人員更好地了解工程規(guī)模、成本等信息[10]。此外，可以使用大數(shù)據(jù)技術(shù)收集與處理與土木建筑行業(yè)相關(guān)的數(shù)據(jù)信息，將其作為參考數(shù)據(jù)來優(yōu)化自身的設(shè)計方案。在土木工程項目中，還需注意盡量避免因修改設(shè)計方案造成建設(shè)成本增加，以確保設(shè)計方案的整體可行性。在土木工程設(shè)計與施工過程中，有許多細節(jié)問題需要注意，如果控制不當(dāng)，可能會影響建筑物的質(zhì)量與性能，故要利用大數(shù)據(jù)技術(shù)實時收集土木工程的問題信息，進行分類，找出原因并及時調(diào)整，以此來避免施工問題，提高施工質(zhì)量，保證土木工程的順利進行[11]。

2.5 應(yīng)用于減少能源消耗與制作時間

傳統(tǒng)的土木工程信息數(shù)據(jù)的統(tǒng)計與處理都是人工完成的，速度慢且效率低，數(shù)據(jù)容易出現(xiàn)偏差，處理周期較長。在互聯(lián)網(wǎng)時代背景下，大數(shù)據(jù)技術(shù)對數(shù)據(jù)的收集、整合、計算與分析的速度遠遠超出人工速度，從而縮短數(shù)據(jù)分析周期，使管理者能快速準(zhǔn)確做決策，加快項目的完成，給企業(yè)節(jié)省大量時間。此外，在土木工程施工過程中，照明、生產(chǎn)設(shè)備以及辦公設(shè)備的使用會增加能源、電力與水資源方面的消耗，若是使用人工對其進行統(tǒng)計和計算，難度相當(dāng)大，若通過傳感器將各種電氣設(shè)備連接到計算機上，利用大數(shù)據(jù)技術(shù)可以快速計算出相應(yīng)的能耗，從而有效控制降低能源消耗[12-13]。

3 大數(shù)據(jù)技術(shù)在土木工程中的前景分析

隨著土木建筑行業(yè)的快速發(fā)展，大數(shù)據(jù)技術(shù)也在土木工程中得到了一定程度的應(yīng)用，通過對當(dāng)前發(fā)展現(xiàn)狀分析，對大數(shù)據(jù)技術(shù)的開發(fā)應(yīng)用仍處于初級探索階段，還有很多潛力有待挖掘，在土木工程建設(shè)與發(fā)展的過程中，涉及大量的知識和數(shù)據(jù)，隨著社會的進步與科學(xué)技術(shù)的發(fā)展，新的信息技術(shù)在土木工程中的應(yīng)用越來越廣泛。大數(shù)據(jù)技術(shù)給土木工程的發(fā)展帶來機遇的同時，也帶來了很多挑戰(zhàn)，土木工程的建設(shè)也面臨著創(chuàng)新與升級，在土木工程中，借助于更多的傳感器可以采集、處理和分析更復(fù)雜的數(shù)據(jù)，借助大數(shù)據(jù)技術(shù)，可以更好地把握土木工程發(fā)展方向，利用大數(shù)據(jù)處理技術(shù)，可以為土木工程后期施工提供更多的數(shù)據(jù)，輔助工作人員做好施工與管護工作，在一定程度上降低建設(shè)成本，提高整體經(jīng)濟效益[14-15]。

因土木建筑工程行業(yè)設(shè)計的領(lǐng)域較廣，內(nèi)容較多，很難完全掌握該行業(yè)的數(shù)據(jù)信息，通過結(jié)合實踐經(jīng)驗，在參考文獻和研究的基礎(chǔ)上，利用大數(shù)據(jù)技術(shù)，可以更快速方便地查找相關(guān)文獻，以此來了解熟悉土木工程行業(yè)，并通過實驗與實踐去驗證大數(shù)據(jù)技術(shù)應(yīng)用的可行性。目前，相關(guān)專家與研究人員對大數(shù)據(jù)技術(shù)的研究越來越感興趣，大數(shù)據(jù)技術(shù)的應(yīng)用也將成為未來土木工程建設(shè)與發(fā)展的一個重要方向。通過利用大數(shù)據(jù)技術(shù)對土木工程行業(yè)相關(guān)參考文獻的分析、論證與歸納，熟悉土木建筑行業(yè)發(fā)展的規(guī)律并分析現(xiàn)階段的發(fā)展情況，加強大數(shù)據(jù)在該行業(yè)應(yīng)用的推廣力度，包括在隧道、橋梁工程中，要注重工程施工的設(shè)計方案，以及后期運作，在研究對象上安裝傳感器，捕捉與分析在運行過程中獲取的數(shù)據(jù)信息，在整個過程中都要加強大數(shù)據(jù)技術(shù)的應(yīng)用力度[16]。

4 結(jié)語

綜上所述，大數(shù)據(jù)技術(shù)在土木工程中扮演著重要角色，其在土木工程中的應(yīng)用主要體現(xiàn)在5個方面：建筑能耗問題分析、對建筑破壞進行檢測、建造工程造價數(shù)據(jù)庫、應(yīng)用于施工設(shè)計環(huán)節(jié)以及減少能源消耗與制作時間?？傊?，對土木工程來說，大數(shù)據(jù)技術(shù)的應(yīng)用是不可或缺的，并且隨著信息技術(shù)的發(fā)展，未來土木工程的數(shù)據(jù)量必將進一步增加，大數(shù)據(jù)技術(shù)的使用更加關(guān)鍵，因此，為了保證土木工程建設(shè)和運營的高效、快速，使數(shù)據(jù)發(fā)揮出其應(yīng)有的價值，必須要對大數(shù)據(jù)技術(shù)進行深入研究。