人工智能驅(qū)動下土木工程行業(yè)發(fā)展的機(jī)遇與挑戰(zhàn)

孫振宇 譙斕 王孟佳

摘?要：人工智能已廣泛地應(yīng)用于人類和生活的各個方面，同時也是目前各領(lǐng)域的研究和應(yīng)用熱點(diǎn)，為土木工程行業(yè)帶來了諸多機(jī)遇與挑戰(zhàn)。為此，本文從工程建造、智能監(jiān)管與運(yùn)維、資源管理與優(yōu)化等方面，結(jié)合鐵軌病檢測、BIM模型、人工智能神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)構(gòu)建、隧道工程施工等具體事例探討了人工智能對土木工程行業(yè)的促進(jìn)作用，并從土木從業(yè)人員工作環(huán)境及效率、經(jīng)濟(jì)與社會發(fā)展、土木從業(yè)人員狀況等方面分析其影響，最后對土木工程行業(yè)的智能化進(jìn)行了展望。

關(guān)鍵詞：土木工程；人工智能；機(jī)遇與挑戰(zhàn)；智能建造

傳統(tǒng)的土木工程設(shè)計(jì)規(guī)劃、人力施工建造、人為監(jiān)督與質(zhì)量檢測能很好地滿足20世紀(jì)及以前的社會發(fā)展需求。然而，步入21世紀(jì)，傳統(tǒng)的土木工程建設(shè)方式已逐漸跟不上飛速發(fā)展的社會節(jié)奏以及日新月異的變化速度。以鐵軌病檢測為例，鐵軌承擔(dān)四面八方的客運(yùn)量和貨物運(yùn)輸，而作為承載體的鐵軌及道砟由于長年累月暴露于風(fēng)雨陽光下，在疲勞荷載作用下難免會產(chǎn)生各式各樣的鐵軌病，需定期按時檢測維修。然而鐵軌縱橫交錯、數(shù)量眾多、穿行地帶復(fù)雜多樣，而鐵軌病類型大多是重復(fù)的，人為檢測不僅會消耗大量的人力物力，還極大地降低了鐵軌病的檢測效率。此外，現(xiàn)代工程建造中材料利用率不高，對環(huán)境也已造成相當(dāng)大的威脅。如建造施工過程中嚴(yán)重漫長的噪聲污染、城市建筑看似光鮮亮麗實(shí)則影響巨大的光污染等，現(xiàn)代土木工程還有大量問題亟待改善解決。

步入現(xiàn)代，人工智能這一高科技大軍猛然興起。不同于傳統(tǒng)機(jī)器或電子設(shè)備，人工智能包羅萬象，能夠自我學(xué)習(xí)、不斷發(fā)展與完善，它們像人一樣具有“思維”，能與人交互，是人類的得力助手。同樣，各行業(yè)智能服務(wù)系統(tǒng)既為需要幫助的人們帶來極大便利，也能夠減輕相關(guān)工作人員負(fù)擔(dān)，提高工作效率。顯然，人工智能已然是人們生產(chǎn)生活的重要伙伴。

因此，在土木工程行業(yè)中應(yīng)用人工智能，會極大地提高行業(yè)工作效率，資源利用和分配也會更加合理，施工建造進(jìn)程能得到大幅提升，對于土木工程行業(yè)的壯大及社會發(fā)展都有著極大的推動作用。本文就以上背景探討人工智能背景下土木工程行業(yè)發(fā)展的機(jī)遇與挑戰(zhàn)。

1?土木工程智能建造新模式

1.1?人工智能助力工程建造

隨著人工智能在社會各領(lǐng)域的發(fā)展壯大與積極應(yīng)用，土木工程也迎來了與之相適應(yīng)的人工智能技術(shù)。智能建造、智慧工程等高新技術(shù)助力現(xiàn)代工程建造，極大地提高了工作效率、工作質(zhì)量，土木行業(yè)發(fā)展得到了深刻變革。

在實(shí)際工程建造中，人工智能與智能建造相輔相成。人工智能技術(shù)通過智能算法分析施工現(xiàn)場數(shù)據(jù)并進(jìn)行反饋，實(shí)現(xiàn)對施工過程的實(shí)時智能管控，在施工過程中起著類似于人“大腦”的作用。如2019年竣工的京張高鐵在建造過程中以模數(shù)驅(qū)動和軸面協(xié)同為核心，實(shí)現(xiàn)了智能建造與協(xié)同設(shè)計(jì)管控，成為又一張“中國智造”的亮麗名片。

智能建造技術(shù)融合了工程建設(shè)與信息、智能化等要素，貫穿于整個土木工程的設(shè)計(jì)、施工和運(yùn)營管理等多個環(huán)節(jié)，發(fā)揮著十分重要的作用［1］。如京張高鐵清華園隧道作為智能京張的控制性工程，穿越敏感城市核心區(qū)，施工過程中采用BIM+GIS多源信息融合感知技術(shù)，構(gòu)建了智能監(jiān)管系統(tǒng)平臺，在施工過程中實(shí)時反饋監(jiān)測數(shù)據(jù)，對隧道施工和周邊建筑物安全起到了關(guān)鍵作用。

其中，BIM（建筑信息模型）以三維模型的形式展示建筑設(shè)施，使建筑設(shè)計(jì)可視化。它能分解建筑結(jié)構(gòu)具體信息，并對施工過程及環(huán)境進(jìn)行實(shí)時監(jiān)控預(yù)警。BIM還能存儲建筑信息資源，實(shí)現(xiàn)施工人員的質(zhì)量檢查，極大地提高了工程建造的成功率。BIM還可應(yīng)用于虛擬仿真技術(shù)、三維掃描技術(shù)，使工程建造全過程透明可視化。這些技術(shù)減少了實(shí)地考察需要，在一定程度上也極大解放了人力，提高了行業(yè)安全性［2］。

同時，智能裝備和建筑機(jī)器人可按計(jì)算機(jī)程序或人類的指令工作，代替或協(xié)助人完成施工任務(wù)［3］。在土木工程建造的高風(fēng)險工序中，通過智能裝備或機(jī)器人代替人工操作，一方面實(shí)現(xiàn)自動化生產(chǎn)，另一方面降低了人員風(fēng)險。同樣以隧道工程為例，當(dāng)圍巖條件極差時極易發(fā)生地層坍塌和突涌水等事故，給施工人員的安全造成威脅，在此地段隧道掌子面采用機(jī)器人進(jìn)行施工，可有效規(guī)避施工風(fēng)險，同時施工質(zhì)量也有所保障。

1.2?人工智能加持智能監(jiān)管與運(yùn)維

人工智能技術(shù)主要通過智能算法、數(shù)據(jù)智能傳輸以及工程建模等技術(shù)手段進(jìn)行實(shí)際應(yīng)用，與人工方式相比，不僅工作效率更高，且數(shù)據(jù)統(tǒng)計(jì)精確度也較高，目前已開始應(yīng)用于土木工程數(shù)據(jù)監(jiān)測以及工程建模等工作上［4］。

土木工程的監(jiān)測工作中主要通過應(yīng)用SIM函數(shù)進(jìn)行工程數(shù)據(jù)的監(jiān)測［5］。對人工智能設(shè)備的BP神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)進(jìn)行改進(jìn)，可以保證其結(jié)構(gòu)和數(shù)據(jù)監(jiān)測的穩(wěn)定性。通過構(gòu)建GABP神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)，優(yōu)化內(nèi)部數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)，也可將人工智能更好地融入土木工程監(jiān)測建設(shè)中。同時，還可構(gòu)建以粒子群為算法的PSOBP神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)，無須多次進(jìn)行數(shù)據(jù)調(diào)整，具有一定流程穩(wěn)定性，但其計(jì)算過程中未進(jìn)行混合函數(shù)運(yùn)算。此外，在參數(shù)設(shè)置中也要保持合理數(shù)值，如在參數(shù)更新過程中，可根據(jù)迭代次數(shù)進(jìn)行設(shè)置［6］。

人工智能設(shè)備往往還涉及設(shè)備的組合運(yùn)用等，為了保證設(shè)備運(yùn)行質(zhì)量和效果，需對設(shè)備進(jìn)行良好的維護(hù)，從而保證數(shù)據(jù)監(jiān)測等工作的可靠性。如澆筑混凝土?xí)r，若在溫控工作等方面存在數(shù)據(jù)誤差，則將影響工程的穩(wěn)定施工，而人工智能設(shè)備則可通過內(nèi)部算法以及科學(xué)的數(shù)據(jù)監(jiān)測減小制作誤差［7］。再如人工智能數(shù)據(jù)分析結(jié)合鐵軌探傷能夠自動檢測篩選各類鐵軌病害，及時發(fā)出警告提醒。相對于傳統(tǒng)的人工檢測，智能檢測效率大大提升，其準(zhǔn)確度及病因分析、對癥下藥能力也得到了極大提升。

1.3?人工智能優(yōu)化工程及資源管理

人工智能以其對數(shù)據(jù)存儲及分析、綜合利用等巨大優(yōu)勢，能極大地優(yōu)化工程及資源管理。將人工智能模型合理應(yīng)用于工程全過程，通過自動分析從施工過程到最終工程建造的各建筑參數(shù)及各資源消耗，從而提出合理的資源規(guī)劃方案，并對相應(yīng)建筑設(shè)施進(jìn)行及時的錯誤糾正與風(fēng)險規(guī)避。這在很大程度上將優(yōu)化資源管理，減輕資源消耗程度，相比于傳統(tǒng)的人工管理，也能更加精準(zhǔn)有效［8］。

2?人工智能對土木工程行業(yè)的影響

2.1?土木工程工作環(huán)境與效率

土木工程工作環(huán)境一直是社會界關(guān)注的重點(diǎn)，也是限制行業(yè)發(fā)展的重要因素。以隧道工程為例，目前隧道施工人員以60、70后居多，而80、90后幾乎沒有，這也迫使隧道工程施工向機(jī)械化和智能化方向轉(zhuǎn)型。而隨著人工智能的應(yīng)用，現(xiàn)代信息科技逐步影響了土木行業(yè)的工作環(huán)境與效率。

在規(guī)劃設(shè)計(jì)方面，通過機(jī)器學(xué)習(xí)和數(shù)據(jù)分析，人工智能可以處理大量的土地和結(jié)構(gòu)數(shù)據(jù)，并提供基于這些數(shù)據(jù)的優(yōu)化解決方案；人工智能可自動生成和評估多個設(shè)計(jì)選項(xiàng)，加速設(shè)計(jì)過程并提高設(shè)計(jì)質(zhì)量。在結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)和優(yōu)化方面，通過模擬和分析大量數(shù)據(jù)，人工智能還可以幫助工程師預(yù)測和評估結(jié)構(gòu)性能，并優(yōu)化算法來改進(jìn)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)，以實(shí)現(xiàn)更好的耐久性和安全性［9］。在施工安全監(jiān)測方面，人工智能可監(jiān)測施工現(xiàn)場的進(jìn)展情況、質(zhì)量控制和安全問題；可以幫助識別施工過程中的缺陷或錯誤，并提供實(shí)時反饋，以便及時采取糾正措施［10］。

2.2?助推土木行業(yè)經(jīng)濟(jì)發(fā)展

人工智能可以更好地管理工作并減少錯誤，也可以幫助建筑師和工程師在項(xiàng)目期間做出更好的決策。通過采用人工智能，企業(yè)可以以更快、更有效的方式來管理項(xiàng)目。從經(jīng)濟(jì)發(fā)展方面考慮，它將為建筑業(yè)和土木工程行業(yè)帶來許多好處。

人工智能的優(yōu)點(diǎn)是通過減少人為錯誤、提高生產(chǎn)率、提高決策的準(zhǔn)確性和控制質(zhì)量來實(shí)現(xiàn)。首先，可幫助工人更有效地完成工作，從而降低成本；其次，幫助現(xiàn)場工作人員在不同的地理區(qū)域或氣候條件下安全、高效地施工，幫助決策者識別工程項(xiàng)目中的潛在風(fēng)險，并提供應(yīng)對這些風(fēng)險所需的資源和措施。

可見，人工智能已被廣泛應(yīng)用于土木行業(yè)，既減少了成本，又提升了工作效率，從而得以顯著提升企業(yè)的利潤。《新一代人工智能發(fā)展規(guī)劃》明確指出了人工智能的發(fā)展方向，即以人工智能為代表的新一代信息技術(shù)，要成為數(shù)字經(jīng)濟(jì)發(fā)展的重要驅(qū)動引擎［11］。有了國家的助推，人工智能的發(fā)展將提高土木工程行業(yè)的生產(chǎn)力、效率和競爭力，并為未來的經(jīng)濟(jì)增長做出貢獻(xiàn)。

2.3?土木行業(yè)人員的就業(yè)挑戰(zhàn)

土木工程專業(yè)的就業(yè)率近幾年都處于下滑狀態(tài)，主要原因是行業(yè)進(jìn)入一個飽和狀態(tài)。但在人工智能時代下，這種局面將得以改變。

一方面，將人工智能應(yīng)用于土木行業(yè)，帶來了更多的就業(yè)機(jī)會。不同于傳統(tǒng)土木的機(jī)械化，人工智能時代下的土木行業(yè)，將土木工程與3D打印、大數(shù)據(jù)、智能算法和機(jī)械設(shè)備等多學(xué)科理論與技術(shù)等進(jìn)行交叉融合［12］，在一定程度上為土木行業(yè)人員提供了就業(yè)機(jī)會。

另一方面，人工智能具有高、精、尖的特點(diǎn)，傳統(tǒng)土木行業(yè)的機(jī)械化任務(wù)，如工程制圖、工地勘測等，將由人工智能來完成。據(jù)美國智庫卡內(nèi)基梅隆大學(xué)的調(diào)查，美國土木工程師行業(yè)的就業(yè)人數(shù)在過去五年中一直在下降，目前約有3.1萬人；而工程技術(shù)人員的就業(yè)人數(shù)則一直在增長，從2008年的約20萬人增加到目前的約40萬人［13］。美國土木工程師協(xié)會的調(diào)查顯示，土木工程師行業(yè)近幾年就業(yè)率下降，主要原因是人工智能和機(jī)器人技術(shù)對該行業(yè)帶來的影響。隨著人工智能在土木工程中的應(yīng)用愈發(fā)廣泛，這種情況也可能會有所改變。

3?人工智能在土木行業(yè)應(yīng)用展望

（1）智能材料的研發(fā)。材料的逆向設(shè)計(jì)以學(xué)習(xí)算法為主要步驟，從工程需求出發(fā)，將力學(xué)原理與人工智能有機(jī)融合，開發(fā)出基于第一性原理的材料設(shè)計(jì)和整合智能框架，經(jīng)過多次迭代獲得符合設(shè)計(jì)需求的材料［14］。

（2）土木工程智能建造。通過大數(shù)據(jù)與物理模型雙驅(qū)，建立土木工程系統(tǒng)災(zāi)害分析模型，實(shí)現(xiàn)土木工程智能防災(zāi)減災(zāi)［14］。人工智能可與BIM技術(shù)結(jié)合，提供更智能化的建筑設(shè)計(jì)和管理。通過對BIM數(shù)據(jù)的分析和處理，可以自動化生成建筑模型、進(jìn)行沖突檢測、優(yōu)化施工過程等［15］。

（3）土木工程智能運(yùn)維。土木工程的數(shù)字化在運(yùn)營期間相對較為成熟，隨著數(shù)字孿生概念的產(chǎn)生和技術(shù)發(fā)展，智能運(yùn)維技術(shù)也得到了空前關(guān)注。在工程施工期間的監(jiān)測和管理數(shù)據(jù)通過平臺集成，并劃分不同模塊由專門人員進(jìn)行管理，在運(yùn)營期間發(fā)現(xiàn)問題時可追本溯源，迅速找出問題癥結(jié)所在，進(jìn)而對癥下藥，快速治理。而工程的智能化還包括應(yīng)用5G技術(shù)能實(shí)現(xiàn)結(jié)構(gòu)物的全方位物聯(lián)感知，通過內(nèi)置結(jié)構(gòu)安全狀態(tài)分析模型，實(shí)現(xiàn)結(jié)構(gòu)運(yùn)營狀態(tài)和功能的實(shí)施評估，從而降低運(yùn)維成本。

盡管人工智能在土木工程領(lǐng)域有很多潛在應(yīng)用，但并不能取代人類工程師，而是作為輔助工具來提高效率和質(zhì)量。人類工程師的專業(yè)知識和經(jīng)驗(yàn)仍然至關(guān)重要，他們需要對人工智能的應(yīng)用進(jìn)行有效監(jiān)督和管理，確保智能決策的準(zhǔn)確性和安全性。如對于隧道工程而言，由于地質(zhì)環(huán)境和工程施工方法的復(fù)雜性和多樣性，工程影響具有唯一性，當(dāng)工程地質(zhì)與水文地質(zhì)環(huán)境極端復(fù)雜時，既有的數(shù)據(jù)庫難以支撐隧道工程安全建造，此時則需要經(jīng)驗(yàn)豐富的設(shè)計(jì)研究人員進(jìn)行深化研究和評估，進(jìn)而更好地做出決策，而這是人工智能所無法做到的。因此，對于土木工程行業(yè)，基礎(chǔ)理論研究仍是重點(diǎn)強(qiáng)調(diào)的內(nèi)容，而人工智能需緊密結(jié)合理論分析指導(dǎo)科學(xué)設(shè)計(jì)與施工。

未來要想使人工智能在土木工程行業(yè)中得到更好的應(yīng)用，需均衡其在土木工程各行業(yè)的發(fā)展，強(qiáng)化土木工程領(lǐng)域人工智能及智能化的研究深度、廣度，將智能算法更好地融入人工智能中；同時還應(yīng)加強(qiáng)人工智能在土木工程領(lǐng)域的適應(yīng)能力，針對不同服務(wù)對象強(qiáng)化相應(yīng)能力，從而實(shí)現(xiàn)土木工程領(lǐng)域高效、智能、可持續(xù)發(fā)展。土木行業(yè)各個部門之間也應(yīng)交融合作、共同發(fā)展，以更好地解決不同研究團(tuán)隊(duì)間集成度不高、信息孤島等問題，以人工智能技術(shù)為切入點(diǎn)實(shí)現(xiàn)土木工程全生命周期智能化發(fā)展的最終目標(biāo)［16］。

結(jié)語

本文就當(dāng)下土木工程行業(yè)現(xiàn)狀為背景，結(jié)合人工智能異軍突起的發(fā)展優(yōu)勢探討了人工智能時代背景下土木工程行業(yè)的機(jī)遇與挑戰(zhàn)。社會是不斷發(fā)展進(jìn)步的，土木工程作為社會基礎(chǔ)的重要組成部分，傳統(tǒng)土木無法適應(yīng)現(xiàn)代社會發(fā)展需求時，人工智能的加持毫無疑問能改善這一局面，并且為土木工程及社會的發(fā)展都提供良好的助推作用。未來土木工程將進(jìn)一步向智能化和智慧化方向發(fā)展，進(jìn)而使得土木行業(yè)這一傳統(tǒng)專業(yè)獲得新的生機(jī)，而聚焦于智能建造的高質(zhì)量創(chuàng)新型人才則必將迎來更為精彩的舞臺。

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基金項(xiàng)目：2022年度北京交通大學(xué)教學(xué)教改項(xiàng)目“‘城市地下工程課程思政建設(shè)”（項(xiàng)目編號：133659522）

作者簡介：孫振宇（1993—?），男，漢族，博士，副教授，主要從事隧道與地下工程方向的教學(xué)與研究工作。