人工智能與土木工程

文沖

重慶交通大學

人工智能與土木工程

文沖

重慶交通大學

本文主要討論了土木工程在材料、設計、施工和監控量測等方面所體現出的的智能化趨勢以及目前所面臨的一些挑戰。在此基礎上，對未來土木工程的人工智能化進行了暢想。

人工智能；土木工程

前言

當前，“3D打印技術”、“人工智能（AI）”相繼成為社會熱詞和輿論關注焦點。這反映了當下社會對于高新技術投入社會生產，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智能化為核心目標的“工業4.0”國家戰略。此后，美國、日本、英國先后提出了與之相近的制造業戰略，我國于2015年也提出了“中國制造2025”工業發展戰略。智能化已然掀起了新的一輪技術革新浪潮，而土木工程作為國家工業體系中的重要一環也必然要參與到這股浪潮之中，并且發揮重要作用。那么土木工程相關從業人員了解本行業智能化趨勢，為未來智能化革新做好準備就顯得十分必要。

1.人工智能相關基本概念

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

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

（3）智能系統所具備的特征：

①多信息感知與融合。

②知識表達、獲取、存儲和處理。（主要是識別、推理與決策）。

③聯想記憶。

④自治控制，即自相似、自學習、自適應、自組織、自維護。

⑤容錯。

值得說明的是一般意義上的人工智能還應具備信念、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實也無必要，故土木工程未來的智能化主要應圍繞前面5點展開。

2.當前土木工程中的智能化趨勢及面臨的挑戰

2.1 智能測量

衛星測量技術（Satellite Geodetic Surveying）的進步及地理信息系統（Geographic Information System）的建立完善為工程測量的智能化奠定了重要基礎。衛星測量利用人造地球衛星進行地面點定位，它較于目前廣泛應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、數字化的優勢并且能與GIS系統很好的對接。地理信息系統（GIS）是指對地球空間的各種信息進行采集、儲存、管理、運算、分析、顯示和描述的技術系統。作一個不太恰當的比喻，如果把衛星測量比作經緯儀，那么GIS就相當于繪制出的地形圖（當然，衛星測量與GIS的實際功能遠不止于此）。基于GIS我們可以獲得數字地圖，這對于土木工程的設計和施工都具有很重要的參考價值。

目前的衛星測量和GIS都還具有相當的局限性。衛星測量的局限性主要在于其測量精度（一般水平為厘米級）還達不到工程測量的普遍要求。GIS雖然已經在資源環境管理、城市規劃等領域得到了較廣泛的應用，但其數據的更新和精度等問題仍然亟待解決。

2.2 智能設計

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

（1）設計智能化的必然趨勢

傳統的土木工程設計方法的形成大致會經歷以下階段；首先，在大量的工程實踐和實驗理論研究后形成某種設計理論。然后，將該理論應用于工程實踐并依據實際對理論進行完善。最終，形成設計規范（規范的完善過程始終進行）。在形成規范后，一種設計方法已經基本成型，并且會有一套非常嚴格的設計步驟，設計人員便是嚴格按照這種方法進行設計。這種傳統的設計方法十分機械與呆板，對于設計人員而言既枯燥還十分容易出錯，人的創造性無從得以發揮。但這種高度標準化，模塊化的設計方法十分適宜于改成算法，編成程序由計算機完成，這是設計能夠實現智能化的原因之一。

此外，在傳統設計中，由于人的計算能力有限，在設計理論階段就對一些設計要素進行了近似和簡化，這不可避免地會產生誤差。在早期，由于生產規模不大，生產要求不高，這些誤差或許可以接受，但現在越來越多的“超級工程”開始出現，這些工程對于設計精度產生了更高的要求，傳統的設計理論必須進行變革。為了適應這種變化，以概率數理統計理論和數值分析理論為基礎的現代設計理論開始應用于生產實踐，而這種設計理論更是必須基于計算機才能實現，并且隨著設計理論的進一步發展，這種聯系將會更加緊密，設計的智能化也會愈加明顯。

（2）設計智能化的成果舉例以及面臨的挑戰

工程制圖軟件除了平面繪制外，還實現了3D繪圖，比較典型的制圖軟件有；Auto CAD,Pro/E,UG，3Dmax等。輔助設計軟件則出現了包括PKPM，同濟曙光，ANASYS等國內外優秀設計軟件。這些優秀設計軟件的出現顯著提高了設計效率與設計質量，但設計智能化仍然面臨著挑戰。一方面，基于計算機運算的現代設計理論還有待進一步完善和提高；另一方面，計算機的硬軟件技術也亟待提高。例如，目前三大數值計算方法有限單元法、有限差分法和離散單元法的應用都不同程度上受到了計算機處理器資源的限制。

2.3 智能施工

在土木工程施工中，越來越多的先進大型機械設備投入生產實踐，機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，橋梁施工中的移動模架造橋機，隧道施工中的TBM盾構機都是自動化程度很高的施工機械。這些機械的應用顯著地提高了施工效率與施工質量，但是施工機械距離“智能”還有相當的距離。

我國相關領域的專家、研究人員已經開始了機械智能化的相關工作并取得了可喜的進展。如我國研制出的隧道鑿巖機器人具有自主研發的SUNWARD隧道鑿巖機器人控制系統，是我國工程機械智能化和特種機器人研究取得的突出成績。由此可以看出未來工程機械的智能化離不開工程特種機器人的研發與進步。

工程特種機器人，我們可以淺顯地理解為由計算機系統控制的施工機械，目前我們具有比較成熟的計算機系統開發技術，施工機械的自動化也達到一定的水平，但要實現二者真正的融合，卻是個難題，這也是工程機械智能化的主要障礙之一。另一方面，生產實際中，機械作業環境可能發生變化，機械與環境的交互作用更加復雜，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等這些大型工程中得到應用，有效地降低了維護和檢測費用，并且有助于及時掌控土木工程結構的安全使用狀況。

智能建材發展十分迅速，尤其是智能混凝土的研究開發，目前已經取得了比較突出的進步。通過摻入碳纖維和光纖維，制作出了能和計算機實現數據對接的損傷自診斷混凝土。我國同濟大學的研究人員還通過在混凝土中添加電流變體，研制出能夠在臺風和地震等自然災害條件下可以自動調節承載能力和減緩結構振動的自調節智能混凝土。能夠實現裂縫自愈合的自修復混凝土也取得了突破性進展。

總的來說，目前智能材料的發展大致可分為兩類，一類是以自診斷混凝土為代表的，通過與計算機進行信息對接以監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；第二類則是以自調節和自修復混凝土為代表的除了能夠實現向外部反映結構內部信息外，還可以根據外部指令和環境變化自動調節結構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展，在生產實際中也得到了不同程度的應用，但智能材料要實現大規模的應用，甚至取代傳統混凝土，降低成本的經濟問題是其繞不過去的一道坎。

2.5 監控量測

監控量測在隧道施工應用較多，在橋梁檢測中也得到廣泛應用。目前，監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用。

電測法，主要是通過在結構中預埋電應變片，將結構內部的應變信息以電信號的形式傳出，可以與計算機形成對接。電測法的局限性在于只能對實物重點部位進行逐點監測,而無法對整個結構的全場受力情況進行表示。

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

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

3.未來土木工程人工智能化暢想

筆者認為未來土木工程的人工智能化將主要經歷兩個階段：單元智能化階段和復合智能化階段。

3.1 單元智能化階段

單元化智能階段指測量、設計、施工這些環節都初步完成了各自的智能化，三者的聯系有所加強，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基本達到以下標準：測量單元將實現完全且精準的全天候衛星測量并且測量數據直接與GIS系統對接，GIS系統數據實現實時更新，人不參與直接測量工作，轉而進行GIS系統的的開發管理；監控量測單元分為兩部分，一部分作為監控量測機器人主要從事前期設計需要的數據采集工作，另一部分以智能材料的形式存在于結構中為后期保養維修提供數據；設計單元將形成以計算機軟件設計，數值分析軟件模擬驗算為主，人主要從事軟件開發，設計檢查工作；施工單元中施工機器人得到廣泛應用，可直接接受設計單元的數字圖紙，照圖施工，人主要從事機器人開發和維護工作。

各單元將實現無線數據聯系與共享。在單元智能化階段，傳統意義上人的腦力勞動大部分被智能設備取代，生產效率大大提高。但這只是人工智能的初級階段，因為傳統的生產模式“測量→設計→施工”仍然沒有得到改變，各個環節之間仍然存在明顯的時間差異效應，即仍然存在設計與實際相左的風險。智能化水平仍然具有上升空間。

單元智能化簡圖

3.2 復合智能化階段

復合智能化階段是指設計程序、監控量測機器人、施工機器人復合集成為工程綜合智能機器人，實現即時量測，即時設計，即時施工的高級智能階段。應當指出這個階段必須滿足相當高標準的條件，才有可能達到。在初級階段的基礎上，各單元智能化水平進一步提高，機器人與現實交互能力達到相當水平，計算機數據處理能力達到相當水平，在設計質量得到保障的前提下，設計速度顯著提高即實現“動態設計”，在這樣的條件下復合智能化有可能得到實現。

4.結語

我們應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造性，所以人工智能永遠無法取代人，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，重復的工作，從而將人類的大腦解放出來，去從事那些更具挑戰性，更具創造性的工作。

另一方面我們應該理性看待人工智能的發展。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完成了機械化，部分實現了自動化，信息化、智能化更是剛剛起步，在這樣的技術條件下，廣大土木工程從業人員更需腳踏實地，銳意進取，為最終實現土木工程的智能化而奮斗！

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

[2]孔達，呂忠剛.[M].北京：中國水利水電出版社，2011.

[3]何清華.隧道鑿巖機器人[M].長沙：中南大學出版社，2005.

[4]姚武.高性能機敏混凝土的研究[C].上海：同濟大學出版社，2002：2l-28.

[5]繆錢江,方征平,蔡國平.自修復復合材料研究進展[J].材料科學與工程學報，2004.22（2）.

[6]楊紅.空心光纖用于智能結構自診斷、自修復的研究[D].南京：南京航空航天大學，2001.

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