鐵路、水利與建筑工程領(lǐng)域顛覆性技術(shù)研究

吳文伶，盧海陸，侯保燈，嚴(yán)登華，董亮，潘永杰

（1. 中國(guó)建筑股份有限公司技術(shù)中心，北京101300；2. 中國(guó)水利水電科學(xué)研究院，北京100038；3.中國(guó)鐵道科學(xué)研究院集團(tuán)有限公司，北京100081）

一、前言

顛覆性技術(shù)，又稱(chēng)破壞性技術(shù)、革命性技術(shù)、變革性技術(shù)等，目前尚無(wú)統(tǒng)一的定義。從技術(shù)屬性講，顛覆性技術(shù)可以是基于新概念、新原理的原始創(chuàng)新技術(shù)，可以是支撐裝備創(chuàng)新的應(yīng)用技術(shù)，也可以是多項(xiàng)技術(shù)交叉融合產(chǎn)生的新技術(shù)[1～3]。

鐵路、水利與建筑工程領(lǐng)域?yàn)閭鹘y(tǒng)行業(yè)，屬于應(yīng)用型技術(shù)。縱觀其發(fā)展史，表現(xiàn)出很強(qiáng)的單一化特點(diǎn)，相應(yīng)的工程技術(shù)的發(fā)展速度也非常緩慢。但隨著物質(zhì)財(cái)富的積累和社會(huì)的進(jìn)步，人們對(duì)工程使用功能、經(jīng)濟(jì)性、環(huán)保性等的要求也越來(lái)越高。總的來(lái)說(shuō)，鐵路、水利與建筑工程技術(shù)呈現(xiàn)出覆蓋面廣、專(zhuān)業(yè)性強(qiáng)、技術(shù)銜接緊密、自動(dòng)化程度低等特點(diǎn)。

顛覆性技術(shù)打破了原有生產(chǎn)方式，改變了原有生產(chǎn)關(guān)系。工程技術(shù)往往是成套的，不是單一的某項(xiàng)技術(shù)，需要多種技術(shù)配合才能完成工程任務(wù)。因此，對(duì)于技術(shù)的主體——技術(shù)人員，就構(gòu)成了某種生產(chǎn)關(guān)系，產(chǎn)生了相應(yīng)的生產(chǎn)方式。工程領(lǐng)域顛覆性技術(shù)的出現(xiàn)，是由于一種或者幾種技術(shù)變革、顛覆或重組所引發(fā)的，是多種技術(shù)的或整體技術(shù)的“合力”而成，對(duì)外則表現(xiàn)出的是打破了原有生產(chǎn)方式。顛覆性技術(shù)除了打破原有生產(chǎn)方式外，還應(yīng)該能跳躍式地提高生產(chǎn)效率。

二、鐵路、水利與建筑工程領(lǐng)域發(fā)展態(tài)勢(shì)分析

（一）鐵路工程領(lǐng)域發(fā)展方向

1. 智能化發(fā)展

鐵路是綜合交通運(yùn)輸體系的骨干，在我國(guó)經(jīng)濟(jì)社會(huì)發(fā)展中的地位和作用至關(guān)重要。

當(dāng)前，新一輪科技革命和產(chǎn)業(yè)變革從蓄勢(shì)待發(fā)到群體迸發(fā)，變革的速度、廣度、深度及影響前所未有。作為引領(lǐng)未來(lái)的創(chuàng)新性技術(shù)，智能技術(shù)的快速更迭為鐵路行業(yè)的發(fā)展注入新活力。一些鐵路發(fā)達(dá)國(guó)家主動(dòng)把握新技術(shù)發(fā)展浪潮，積極推進(jìn)學(xué)科交叉融合，加快布局鐵路數(shù)字化和智能化戰(zhàn)略。德國(guó)推出“鐵路4.0”發(fā)展規(guī)劃，法國(guó)推出“數(shù)字化法鐵”項(xiàng)目，日本已實(shí)施智能鐵路運(yùn)輸系統(tǒng)（CyberRail）研發(fā)計(jì)劃[4,5]。

截至2017年年底，我國(guó)鐵路營(yíng)業(yè)里程達(dá)到1.27×105km，其中高鐵營(yíng)業(yè)里程達(dá)到2.5×104km，占世界高鐵營(yíng)業(yè)里程總量的2/3。根據(jù)《“十三五”現(xiàn)代綜合交通運(yùn)輸體系發(fā)展規(guī)劃》，全國(guó)高鐵營(yíng)業(yè)里程到2020年將超過(guò)3×104km，基本建成布局合理、覆蓋廣泛、功能完善的高鐵網(wǎng)。高鐵的發(fā)展緊密契合我國(guó)“一帶一路”“交通強(qiáng)國(guó)”的重大國(guó)策與發(fā)展戰(zhàn)略。在新一輪科技革命背景下，高鐵行業(yè)孕育著重大的技術(shù)創(chuàng)新需求和發(fā)展機(jī)遇，進(jìn)一步提升高鐵智能化水平、引領(lǐng)世界高鐵的發(fā)展成為當(dāng)前鐵路領(lǐng)域迫切需要解決的關(guān)鍵任務(wù)。

2.向更高運(yùn)行速度發(fā)展

我國(guó)高速鐵路經(jīng)過(guò)多年的聯(lián)調(diào)聯(lián)試、綜合試驗(yàn)和載客運(yùn)營(yíng)，已經(jīng)驗(yàn)證了350 km/h速度等級(jí)高速鐵路基礎(chǔ)設(shè)施的設(shè)計(jì)、建造、試驗(yàn)、運(yùn)營(yíng)和養(yǎng)護(hù)維修技術(shù)，形成了時(shí)速350 km及以下速度級(jí)高速鐵路基礎(chǔ)設(shè)施成套技術(shù)體系。

我國(guó)鐵路一直踐行以人為本的理念，致力于提高旅客的舒適度。但從實(shí)際來(lái)看，火車(chē)旅行時(shí)間在4 h以?xún)?nèi)時(shí)旅客舒適度較好，如果火車(chē)旅行時(shí)間超過(guò)6 h以上舒適度將降低，人們就傾向于轉(zhuǎn)移到更快的交通運(yùn)輸方式。我國(guó)國(guó)土面積大、運(yùn)距長(zhǎng)，有必要發(fā)展速度更高、更節(jié)能的新型交通系統(tǒng)。

傳統(tǒng)輪軌式軌道交通受空氣阻力、輪軌黏著、蛇行失穩(wěn)、運(yùn)行噪聲以及弓網(wǎng)極限速度等問(wèn)題的制約，同時(shí)能耗和機(jī)械摩擦、磨損隨著速度的提高而不斷增大，既有輪軌高速鐵路的最高經(jīng)濟(jì)與技術(shù)速度在400 km/h左右。目前航空巡航經(jīng)濟(jì)速度為800～1 000 km/h，與400 km/h之間形成尚待開(kāi)發(fā)的速度空白區(qū)。

為獲得更高的經(jīng)濟(jì)運(yùn)行速度，必須顛覆傳統(tǒng)的輪軌關(guān)系模式，在利用懸浮技術(shù)減少車(chē)軌摩擦、振動(dòng)的基礎(chǔ)上，再構(gòu)建低真空運(yùn)行環(huán)境以減小空氣阻力和噪聲將是未來(lái)更高速度軌道交通技術(shù)的重要發(fā)展方向。

（二）水利工程領(lǐng)域發(fā)展方向

1. 水問(wèn)題治理發(fā)展方向

當(dāng)前正處于氣候變化和強(qiáng)人類(lèi)活動(dòng)影響的變革時(shí)代。變化環(huán)境下水問(wèn)題治理的總體需求就是要構(gòu)建健康的流域自然-社會(huì)水循環(huán)系統(tǒng)，并讓水資源最大限度發(fā)揮生態(tài)環(huán)境和社會(huì)經(jīng)濟(jì)功能，且不造成災(zāi)害影響，核心是調(diào)控社會(huì)水循環(huán)[6]。主要包括四大基本要求：①社會(huì)水循環(huán)不損害自然水循環(huán)變化的客觀規(guī)律；②社會(huì)水循環(huán)不改變天然水生態(tài)過(guò)程，水生態(tài)系統(tǒng)按照自然規(guī)律發(fā)生演化，水的生態(tài)服務(wù)功能不受損害；③社會(huì)水循環(huán)過(guò)程不會(huì)導(dǎo)致污染物等在水體中的富集，不改變水體功能；④社會(huì)水循環(huán)過(guò)程不會(huì)影響水沙過(guò)程，泥沙“去其應(yīng)去的地方”。

因此，水問(wèn)題的綜合治理就需要在遵循流域水循環(huán)多過(guò)程自然演變機(jī)理及規(guī)律的基礎(chǔ)上，全面提高流域?qū)ζ涞木C合調(diào)節(jié)能力；充分發(fā)揮流域的自然調(diào)節(jié)能力，整體提升流域的綜合調(diào)節(jié)性能，有效應(yīng)對(duì)水循環(huán)過(guò)程的“極值化”態(tài)勢(shì)；治水還需建設(shè)健全流域的綜合服務(wù)功能，保育“山水林田湖草”生命體功能，實(shí)現(xiàn)自然與社會(huì)相協(xié)調(diào)；多種水問(wèn)題交織，需進(jìn)行水循環(huán)過(guò)程、水生態(tài)過(guò)程、水化學(xué)過(guò)程和水沙過(guò)程等多過(guò)程進(jìn)行綜合調(diào)控，建設(shè)富自然功能協(xié)調(diào)流域。

2. 水利工程管理的發(fā)展方向

隨著人類(lèi)活動(dòng)對(duì)流域水循環(huán)影響的加劇，水資源系統(tǒng)由單純的水文系統(tǒng)轉(zhuǎn)變?yōu)橐粋€(gè)包含社會(huì)、經(jīng)濟(jì)、水循環(huán)、生態(tài)等基本功能的復(fù)雜系統(tǒng)，系統(tǒng)中內(nèi)在因素的相互制約、相互促進(jìn)、相互影響形成了復(fù)雜水資源系統(tǒng)的內(nèi)部運(yùn)行機(jī)制。這種內(nèi)在機(jī)制使得在現(xiàn)有的技術(shù)條件下，人類(lèi)社會(huì)的發(fā)展與水資源系統(tǒng)之間的矛盾逐漸形成一種惡性循環(huán)。一方面，隨著社會(huì)的快速發(fā)展和經(jīng)濟(jì)的飛速增長(zhǎng)，對(duì)水資源系統(tǒng)的開(kāi)發(fā)利用不斷提出更高的要求，不合理的開(kāi)發(fā)利用方式導(dǎo)致水資源危機(jī)的產(chǎn)生和生態(tài)環(huán)境的惡化；另一方面，水資源的短缺、水環(huán)境和生態(tài)破壞又制約著經(jīng)濟(jì)與社會(huì)的發(fā)展。解決社會(huì)經(jīng)濟(jì)與水資源系統(tǒng)之間的矛盾，使人類(lèi)社會(huì)的發(fā)展進(jìn)步與自然環(huán)境健康之間處于一種相對(duì)平衡的狀態(tài)，關(guān)鍵是要有效地對(duì)水資源系統(tǒng)進(jìn)行調(diào)控。水利水電工程群多目標(biāo)聯(lián)合調(diào)度是實(shí)現(xiàn)水資源系統(tǒng)調(diào)控的重要手段，可有效協(xié)調(diào)社會(huì)、能源、生態(tài)等系統(tǒng)的用水矛盾，最大限度地提高水資源的利用效率，實(shí)現(xiàn)經(jīng)濟(jì)-社會(huì)-生態(tài)綜合效益最大化[7]。

（三）建筑工程領(lǐng)域的發(fā)展方向

建筑工程建造包括工程策劃、設(shè)計(jì)和施工三個(gè)階段。建造技術(shù)發(fā)展具有6個(gè)方面的發(fā)展趨勢(shì)，即精益化、專(zhuān)業(yè)化、機(jī)械化、信息化、裝配化和綠色化[8]。

（1）精益化。精益建造的過(guò)程能夠促使有效的資源得到最合理的應(yīng)用，增加了建筑施工企業(yè)的利潤(rùn)，提高其業(yè)績(jī)。通過(guò)實(shí)施精益建造，提高組織中的生產(chǎn)效率，降低建造成本，提升工程質(zhì)量。

（2）專(zhuān)業(yè)化。就目前建筑行業(yè)的需求，結(jié)合國(guó)家對(duì)建筑行業(yè)綠色可持續(xù)的發(fā)展需要，推進(jìn)建筑從業(yè)人員專(zhuān)業(yè)化培養(yǎng)，具有重要意義。一方面，解放了勞動(dòng)力，減輕了勞動(dòng)強(qiáng)度，實(shí)現(xiàn)了人力資源的高效利用；另一方面，從工程管理和實(shí)施雙渠道進(jìn)行優(yōu)化，避免了資源的消耗，減少環(huán)境污染。此外，專(zhuān)業(yè)化還為提高工程安全建造和提速、提質(zhì)提供了可靠保障。

（3）機(jī)械化。現(xiàn)代建筑施工，機(jī)械設(shè)備的需求量也越來(lái)越大，機(jī)械化程度越來(lái)越高，在今后的工程建設(shè)中工程機(jī)械將逐漸替代人工勞動(dòng)，而占據(jù)主體地位。機(jī)械化施工的優(yōu)勢(shì)包括：①提高了建筑施工效率；②保障了工程質(zhì)量；③降低了生產(chǎn)成本。

（4）信息化。建筑信息化是建筑技術(shù)和新興信息技術(shù)相結(jié)合的產(chǎn)物，是科學(xué)技術(shù)、社會(huì)經(jīng)濟(jì)、信息通信發(fā)展的必然。在現(xiàn)代信息社會(huì)，建筑物不僅僅是遮風(fēng)避雨的場(chǎng)所，更是人、信息和工作環(huán)境的智慧結(jié)合，充分運(yùn)用信息化技術(shù)將成為未來(lái)建筑的標(biāo)志。

（5）裝配化。裝配式建造是通過(guò)工業(yè)化方法在工廠制造的工業(yè)產(chǎn)品（構(gòu)件、配件、部件），在工程現(xiàn)場(chǎng)通過(guò)機(jī)械化、信息化等工程技術(shù)手段，按不同要求進(jìn)行組合和安裝，建成特定建筑產(chǎn)品的一種建造方式。裝配式建造要實(shí)現(xiàn)建筑設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)化、構(gòu)（配）件生產(chǎn)工業(yè)化、臨建設(shè)施裝配化、結(jié)構(gòu)構(gòu)件裝配化、配件安裝整體化、設(shè)備管道集成化、現(xiàn)場(chǎng)施工機(jī)械化、構(gòu)（配）件供應(yīng)配套化、工程管理信息化、操作人員專(zhuān)業(yè)化、建筑形式多樣化。與傳統(tǒng)現(xiàn)澆模式相比，裝配式建造把施工現(xiàn)場(chǎng)大量的高強(qiáng)度的作業(yè)移向“工作環(huán)境可實(shí)現(xiàn)人為控制的廠房?jī)?nèi)”進(jìn)行現(xiàn)代化生產(chǎn)，隨著現(xiàn)場(chǎng)作業(yè)量的減少，揚(yáng)塵、噪聲和廢棄物排放也大大減少，可改善工人作業(yè)條件，減輕勞動(dòng)強(qiáng)度，保護(hù)環(huán)境、減少污染，提升綠色水平，促進(jìn)產(chǎn)業(yè)鏈融合，實(shí)現(xiàn)建筑多樣化，減少施工安全隱患，保證建筑品質(zhì)。裝配式建造是用現(xiàn)代工業(yè)化的大規(guī)模生產(chǎn)方式代替?zhèn)鹘y(tǒng)的手工業(yè)生產(chǎn)方式來(lái)建造建筑產(chǎn)品，是建筑業(yè)重要的發(fā)展方向之一。

（6）綠色化。總的來(lái)說(shuō)，建造發(fā)展的趨勢(shì)是綠色建造。綠色建造是著眼于建筑全生命周期，在保證質(zhì)量和安全的前提下，踐行可持續(xù)發(fā)展的理念，通過(guò)科學(xué)管理和技術(shù)進(jìn)步，最大限度地節(jié)約資源和保護(hù)環(huán)境，實(shí)現(xiàn)綠色施工要求，生產(chǎn)綠色建筑產(chǎn)品的工程活動(dòng)。綠色建造的基本理念是“資源節(jié)約、環(huán)境友好、過(guò)程安全、品質(zhì)保證”。

三、值得關(guān)注的潛在顛覆性技術(shù)

（一）鐵路工程領(lǐng)域

1. 智能高鐵技術(shù)

智能高鐵技術(shù)是高鐵技術(shù)的無(wú)條件顛覆，在高鐵原有模式的基礎(chǔ)上，廣泛應(yīng)用建筑信息模型（BIM）、云計(jì)算、物聯(lián)網(wǎng)、大數(shù)據(jù)、人工智能、下一代通信等新技術(shù)，通過(guò)對(duì)高鐵移動(dòng)裝備、固定基礎(chǔ)設(shè)施及相關(guān)內(nèi)外部環(huán)境信息的全面感知、泛在互聯(lián)、融合處理和科學(xué)決策，高效綜合利用高鐵所有移動(dòng)裝備、固定基礎(chǔ)設(shè)施、空間、時(shí)間和人力等資源，覆蓋智能列車(chē)、智能客運(yùn)、智能基礎(chǔ)設(shè)施、智能調(diào)度指揮、智能工程建設(shè)、智能經(jīng)營(yíng)管理、智能安全監(jiān)控、智能養(yǎng)護(hù)維修等各個(gè)環(huán)節(jié)，致力于全業(yè)務(wù)流程、全價(jià)值鏈條、全生命周期、全生態(tài)體系的整體智能化，顛覆了原有的高鐵工程建造、動(dòng)車(chē)組、列車(chē)控制、牽引供電、運(yùn)營(yíng)管理、風(fēng)險(xiǎn)防控等模式，屬于范式顛覆。

目前鐵路部門(mén)正開(kāi)展京張、京雄鐵路的智能建造轉(zhuǎn)型，預(yù)計(jì)到2020年，完成智能京張、智能京雄鐵路的整體典型示范，優(yōu)化站車(chē)服務(wù)功能，為旅客出行提供更加便捷的智能服務(wù)；研制智能列車(chē)，實(shí)現(xiàn)自動(dòng)駕駛；采用智能化列車(chē)調(diào)度和防災(zāi)預(yù)警系統(tǒng)，全面提升鐵路安全和運(yùn)營(yíng)管理水平。到2035年，以智能建造、可儲(chǔ)能源的綠色高速動(dòng)車(chē)組，自主無(wú)人條件下的列車(chē)智能運(yùn)行等為標(biāo)志，實(shí)現(xiàn)高速鐵路全過(guò)程、全生命周期的高度智能化，智能高鐵網(wǎng)初步建成。

2. 低真空管道磁懸浮鐵路技術(shù)

低真空管道磁懸浮鐵路技術(shù)屬于高鐵的獨(dú)立型顛覆。該技術(shù)將顛覆成熟的輪軌理念和相對(duì)成熟的高速磁懸浮理念，將在系統(tǒng)綜合、移動(dòng)裝備、基礎(chǔ)設(shè)施、運(yùn)控通信、運(yùn)營(yíng)服務(wù)、安全保障等方面構(gòu)建一套完全不同的技術(shù)體系。

理論上，采用真空管道技術(shù)，讓列車(chē)處于真空環(huán)境中，沒(méi)有了空氣阻力，將大幅提升磁懸浮列車(chē)的速度，但高速磁懸浮低真空管道系統(tǒng)畢竟是一種全新的極具挑戰(zhàn)的系統(tǒng)，還存在諸多問(wèn)題：真空管道技術(shù)的實(shí)現(xiàn)尚有多個(gè)問(wèn)題需要解決；安全問(wèn)題需要著重考慮；難以成為大運(yùn)量、大眾化的交通運(yùn)輸方式；工程要求高；真空管道內(nèi)部的維護(hù)保養(yǎng)有待論證；舒適度方面尚有不少難題和經(jīng)濟(jì)性仍需要進(jìn)一步論證。在此前提下，該技術(shù)目前主要由市場(chǎng)主導(dǎo)，仍處于孕育期。

因此針對(duì)上述難題和不確定性應(yīng)開(kāi)展前瞻性研究，并開(kāi)展試驗(yàn)線(xiàn)建設(shè)的籌劃和可行性研究，以便為后續(xù)運(yùn)營(yíng)做好實(shí)證基礎(chǔ)。

（二）水利工程領(lǐng)域

1.富自然功能協(xié)調(diào)流域建設(shè)技術(shù)

富自然功能協(xié)調(diào)流域建設(shè)，就是要以流域水循環(huán)多過(guò)程為主線(xiàn)，充分挖掘和發(fā)揮天然系統(tǒng)對(duì)水循環(huán)的調(diào)節(jié)作用；規(guī)范人類(lèi)水土資源開(kāi)發(fā)活動(dòng)，減少對(duì)自然水循環(huán)的擾動(dòng)；系統(tǒng)布局地表灰色基礎(chǔ)設(shè)施（水庫(kù)、堤防、渠系、泵站、水井等）與綠色基礎(chǔ)設(shè)施（林草地、濕地等），建設(shè)棕色水庫(kù)（土壤水）和藍(lán)色水庫(kù)（含水層和其他地下空間）；融合現(xiàn)代信息技術(shù)的新進(jìn)展，建設(shè)紅色基礎(chǔ)設(shè)施（智能水網(wǎng)與智慧水務(wù)），實(shí)現(xiàn)地表-土壤-地下多過(guò)程、水量-水質(zhì)-泥沙-水生態(tài)的聯(lián)合調(diào)控，最大限度實(shí)現(xiàn)“去極值化”，系統(tǒng)解決流域水問(wèn)題。富自然功能協(xié)調(diào)流域建設(shè)的總體目標(biāo)就是通過(guò)系統(tǒng)布局五色基礎(chǔ)設(shè)施，從水資源、水安全、水環(huán)境、水生態(tài)、水管理、水景觀、水文化、水經(jīng)濟(jì)八個(gè)層次進(jìn)行協(xié)同調(diào)控，構(gòu)建健康的自然-社會(huì)水循環(huán)系統(tǒng)。

我國(guó)率先提出富自然功能協(xié)調(diào)流域的概念，在理論框架、頂層設(shè)計(jì)和關(guān)鍵技術(shù)方面取得了一定進(jìn)展[6]，在國(guó)際上處于領(lǐng)跑位置。目前，正在淮河流域的典型小流域開(kāi)展試點(diǎn)示范，下一步將逐步增加試點(diǎn)流域示范研究，預(yù)計(jì)2030年后可在全國(guó)各大流域推廣，2050年可全面建成富自然功能協(xié)調(diào)流域。

富自然功能協(xié)調(diào)流域建設(shè)具有三大特征及優(yōu)勢(shì)：

（1）充分融合了“山水林田湖草”生命體理論，豐富了治水內(nèi)涵。高度關(guān)注自然地理實(shí)體調(diào)節(jié)能力的發(fā)揮，統(tǒng)一調(diào)配綠色、灰色、棕色、藍(lán)色和紅色基礎(chǔ)設(shè)施建設(shè)，革新了治水模式。

（2）重在系統(tǒng)治理和功能提升，不同于生態(tài)流域和清潔流域建設(shè)。生態(tài)流域和清潔流域側(cè)重于生態(tài)和水質(zhì)狀態(tài)的改變，治理對(duì)象也未能充分考慮水循環(huán)多過(guò)程，且難以適應(yīng)變化環(huán)境下水安全綜合應(yīng)對(duì)的需求，長(zhǎng)效機(jī)制缺乏。富自然功能協(xié)調(diào)流域建設(shè)不僅關(guān)注水量調(diào)蓄，還要凈化環(huán)境與保育生態(tài)系統(tǒng)。

（3）全面吸收了海綿田和海綿城市建設(shè)的精髓，實(shí)現(xiàn)多維立體調(diào)蓄。相對(duì)于流域來(lái)說(shuō)，海綿城市建設(shè)只是“點(diǎn)”尺度的調(diào)控，海綿田建設(shè)只是“斑塊”尺度，均是單一過(guò)程的調(diào)控；富自然功能協(xié)調(diào)流域?qū)⒁粤饔驗(yàn)榛締卧M(jìn)行多維立體調(diào)控。

開(kāi)展富自然功能協(xié)調(diào)流域建設(shè)，既是流域綜合治理的需要，也是人類(lèi)文明發(fā)展的必然趨勢(shì)，經(jīng)濟(jì)效益明顯、社會(huì)意義重大。

2.水利水電工程群多目標(biāo)聯(lián)合調(diào)度技術(shù)

水利水電工程群多目標(biāo)聯(lián)合調(diào)度以人與自然和諧共生、維系和保育河湖生態(tài)完整性為指導(dǎo)思想，以水系統(tǒng)為核心構(gòu)建水-生態(tài)-能源耦合系統(tǒng)一體化調(diào)控，并耦合大數(shù)據(jù)、云計(jì)算等智慧化技術(shù)，實(shí)現(xiàn)復(fù)雜巨系統(tǒng)的多目標(biāo)聯(lián)合調(diào)度，是對(duì)相互間具有水文、水力聯(lián)系的水庫(kù)以及相關(guān)設(shè)施進(jìn)行統(tǒng)一協(xié)調(diào)調(diào)度，從而獲得單獨(dú)調(diào)度難以實(shí)現(xiàn)的更大效益。

隨著水文氣象預(yù)報(bào)、計(jì)算機(jī)應(yīng)用技術(shù)以及復(fù)雜系統(tǒng)控制科學(xué)的不斷進(jìn)步，必將產(chǎn)生一些適用于水庫(kù)群系統(tǒng)調(diào)度的新理論和新技術(shù)，具有廣闊的發(fā)展應(yīng)用前景，主要可概括為以下幾個(gè)方面：①在實(shí)時(shí)預(yù)報(bào)調(diào)度方面，對(duì)變化環(huán)境下氣象水文預(yù)報(bào)不確定進(jìn)行量化分析，以及實(shí)現(xiàn)耦合預(yù)報(bào)不確定滾動(dòng)調(diào)度決策；②在面向生態(tài)的調(diào)度方面，建立河流生態(tài)健康評(píng)價(jià)機(jī)制以及面向生態(tài)的水庫(kù)群多目標(biāo)綜合調(diào)度模式；③在多能源互補(bǔ)調(diào)度方面，結(jié)合系統(tǒng)論、控制論等理論方法解析水庫(kù)群系統(tǒng)與新能源系統(tǒng)的互饋關(guān)系，建立水-能一體化的聯(lián)合調(diào)度機(jī)制。

按照發(fā)展主推力量分類(lèi)，雖然水利水電工程建設(shè)以政府主導(dǎo)為主，但其管理與運(yùn)營(yíng)逐步市場(chǎng)化，故水利水電工程群多目標(biāo)聯(lián)合調(diào)度應(yīng)屬于政府與市場(chǎng)相結(jié)合類(lèi)別；按照顛覆程度進(jìn)行分層，水利水電工程群多目標(biāo)聯(lián)合調(diào)度不僅涉及到整個(gè)水利行業(yè)，還涉及到生態(tài)領(lǐng)域、環(huán)保領(lǐng)域、氣象領(lǐng)域、能源領(lǐng)域等，屬于水-生態(tài)-能源系統(tǒng)的耦合，實(shí)現(xiàn)人與自然和諧共生，體現(xiàn)了習(xí)近平新時(shí)代中國(guó)特色社會(huì)主義思想，故應(yīng)屬于時(shí)代顛覆；按照發(fā)展?fàn)顟B(tài)進(jìn)行分段，水利水電工程群多目標(biāo)聯(lián)合調(diào)度已經(jīng)過(guò)了萌芽期，正在開(kāi)展典型案例探索與關(guān)鍵技術(shù)突破，故正處于突破期；對(duì)關(guān)鍵突破點(diǎn)進(jìn)行判斷，水利水電工程群多目標(biāo)聯(lián)合調(diào)度涉及多學(xué)科交叉，涵蓋水文、氣象、生態(tài)、防洪、發(fā)電、供水、航運(yùn)、電力等，需要綜合運(yùn)用多項(xiàng)技術(shù)，故應(yīng)屬于技術(shù)交叉。綜合來(lái)看，開(kāi)展水利水電工程群多目標(biāo)聯(lián)合調(diào)度，既能最大限度地提高水資源的利用效率，發(fā)揮水資源的經(jīng)濟(jì)效益，又能協(xié)調(diào)社會(huì)、能源、生態(tài)等系統(tǒng)的用水矛盾，經(jīng)濟(jì)效益明顯、社會(huì)意義重大。

（三）建筑工程領(lǐng)域

縱觀建筑工程發(fā)展歷史，預(yù)測(cè)未來(lái)建筑領(lǐng)域的顛覆性技術(shù)可能有以下幾個(gè)方向：一是基于BIM的智慧建造技術(shù)；二是工業(yè)化建造技術(shù)；三是3D打印建造技術(shù)；四是綠色建造技術(shù)。

1. 基于BIM的智慧建造技術(shù)

BIM 技術(shù)是未來(lái)建筑工程項(xiàng)目數(shù)字化建設(shè)的基礎(chǔ)性技術(shù)，是利用數(shù)字模型對(duì)工程進(jìn)行規(guī)劃、設(shè)計(jì)、建造和運(yùn)營(yíng)的全過(guò)程管理，將在項(xiàng)目全壽命周期內(nèi)各個(gè)階段都能有效地實(shí)現(xiàn)建立資源計(jì)劃、控制質(zhì)量安全資金風(fēng)險(xiǎn)、節(jié)省能源、節(jié)約成本和提高效率，將大大提升工程建設(shè)運(yùn)維管理信息化水平和中國(guó)技術(shù)“走出去”軟實(shí)力，將成為未來(lái)工程建設(shè)領(lǐng)域的又一次革命，具有顛覆性意義[9,10]。

按照發(fā)展主推力量不同，基于BIM的智慧建造技術(shù)屬于市場(chǎng)主導(dǎo)的類(lèi)型；按照發(fā)展階段不同，基于BIM的智慧建造技術(shù)屬于突破期。基于BIM的智慧建造技術(shù)將設(shè)計(jì)、施工、運(yùn)維統(tǒng)一起來(lái)，能夠提高建造和管理效率，并且具有節(jié)材和節(jié)約工人的效果，具有良好的經(jīng)濟(jì)價(jià)值。智慧化建造方式，能夠大大節(jié)約勞動(dòng)力，改善建造工人的工作環(huán)境，提高其幸福感，具有重要的社會(huì)價(jià)值。

2. 工業(yè)化建造技術(shù)

建筑建造方式的發(fā)展路徑如圖1所示，隨著挖土機(jī)、混凝土泵車(chē)、塔機(jī)等機(jī)械的成熟和發(fā)展，機(jī)械化施工方式逐步替代了原有的以人力為主的作業(yè)方式。而隨著建筑材料和部品工廠生產(chǎn)方式的推廣，以及裝配式施工方式和綠色施工的發(fā)展，在未來(lái)，工業(yè)化建造可能替代現(xiàn)有的以濕作業(yè)為主的建造方式，成為顛覆性技術(shù)。

隨著施工技術(shù)的發(fā)展和進(jìn)步，未來(lái)工業(yè)化建造方式將成為主流，它能夠提升建筑品質(zhì)、減少環(huán)境污染、保證安全和健康、提高建造效率。在工業(yè)化建造方式中，預(yù)制構(gòu)件在工廠進(jìn)行標(biāo)準(zhǔn)化的生產(chǎn)，再通過(guò)現(xiàn)場(chǎng)專(zhuān)業(yè)工人進(jìn)行裝配式施工，符合綠色低碳、可持續(xù)發(fā)展的理念，相對(duì)于現(xiàn)有的以濕作業(yè)為主的建造方式，工業(yè)化建造是未來(lái)的發(fā)展方向，可能會(huì)成為顛覆性技術(shù)[11,12]。

按照發(fā)展主推力量不同，基于工業(yè)化建造技術(shù)屬于政府與市場(chǎng)相結(jié)合的類(lèi)型；按照發(fā)展階段不同，工業(yè)化建造技術(shù)屬于突破期。工業(yè)化建造方式是按照工業(yè)化大生產(chǎn)的方式建造建筑，能夠提高建造效率和產(chǎn)品性能，具有良好的經(jīng)濟(jì)價(jià)值；工業(yè)化建造方式可以改善建造工人的工作環(huán)境，提高其幸福感，具有重要的社會(huì)價(jià)值。

圖1 建筑建造方式的發(fā)展路徑

3. 3D打印建造技術(shù)

3D打印建造技術(shù)可以完全實(shí)現(xiàn)機(jī)械化，可以完全顛覆傳統(tǒng)的建造方式。3D打印建造能夠建設(shè)更復(fù)雜的建筑，是建筑業(yè)一個(gè)重要的發(fā)展方向。目前，3D打印建造在國(guó)內(nèi)還處于起步階段，其設(shè)備工藝和建造過(guò)程也很少得到批量生產(chǎn)和應(yīng)用，尚未形成針對(duì)特定工藝和方法進(jìn)行系統(tǒng)化的推進(jìn)條件。然而，建筑3D打印以信息化和機(jī)械化為技術(shù)手段，可縮短工期、節(jié)約人工，很大程度上縮小了對(duì)勞動(dòng)力的依賴(lài)，也在很大程度上降低了建筑工人的勞動(dòng)強(qiáng)度，改善了工作環(huán)境，提高了工作效率。因此，未來(lái)有可能成為顛覆性技術(shù)[13～15]。

按照發(fā)展主推力量不同， 3D打印技術(shù)屬于市場(chǎng)主導(dǎo)的類(lèi)型；按照發(fā)展階段不同，3D打印技術(shù)屬于萌芽期。 使用3D打印技術(shù)能夠更方便、更節(jié)約地建造異形建筑和部品，豐富建筑的造型多樣性，具有良好的經(jīng)濟(jì)價(jià)值。3D打印技術(shù)可提高機(jī)械化程度，節(jié)省人力成本，具有重要的社會(huì)價(jià)值。

4. 綠色建造技術(shù)

綠色建造是指工程建造的全過(guò)程，包含工程立項(xiàng)綠色策劃、綠色設(shè)計(jì)和綠色施工三個(gè)階段；但綠色建造不是這三個(gè)階段的簡(jiǎn)單疊加，而是有機(jī)整合。綠色建造能夠促使參與各方立足于工程總體角度，從工程立項(xiàng)策劃、設(shè)計(jì)、材料選擇、樓宇設(shè)備選型、施工過(guò)程等方面進(jìn)行全面統(tǒng)籌，有利于工程項(xiàng)目綠色目標(biāo)的實(shí)現(xiàn)和綜合效益的提高，有可能成為顛覆性技術(shù)[8,16]。

按照發(fā)展主推力量不同，綠色建造技術(shù)屬于政府與市場(chǎng)結(jié)合的類(lèi)型；按照發(fā)展階段不同，綠色建造技術(shù)屬于突破期。

四、結(jié)論及建議

本文研究了鐵路、水利和建筑領(lǐng)域的顛覆性技術(shù)內(nèi)涵，分析了顛覆性技術(shù)發(fā)展態(tài)勢(shì)，給出了工程領(lǐng)域可能會(huì)出現(xiàn)顛覆性創(chuàng)新的技術(shù)發(fā)展方向。在以上研究成果的基礎(chǔ)上，提出鐵路、水利和建筑領(lǐng)域的顛覆性技術(shù)發(fā)展建議。

1. 積極推動(dòng)工程項(xiàng)目智能化建造和運(yùn)維技術(shù)的研究與應(yīng)用

積極研究和推廣基于BIM的工程設(shè)計(jì)建造與管理，深化推進(jìn)工程裝配式技術(shù)發(fā)展和高附加值構(gòu)（配）件的3D打印技術(shù)，實(shí)現(xiàn)設(shè)計(jì)、制造、裝配為一體的工業(yè)化生產(chǎn)目標(biāo)。大力提高工程建設(shè)自動(dòng)化和信息化水平，研究發(fā)展復(fù)雜工況下的機(jī)器人建造技術(shù)，發(fā)展基于物聯(lián)網(wǎng)的低能耗監(jiān)測(cè)傳感器網(wǎng)絡(luò)、故障預(yù)測(cè)與健康管理（PHM）技術(shù)，全面推進(jìn)傳統(tǒng)工程與現(xiàn)代技術(shù)的深度融合，構(gòu)建以人為本的高安全、高質(zhì)量、低能耗、綠色環(huán)保的工程綠色建造模式，實(shí)現(xiàn)以BIM技術(shù)為基礎(chǔ)、現(xiàn)代信息和人工智能技術(shù)為支撐，面向全生命周期的建設(shè)工程新業(yè)態(tài)。

2. 推進(jìn)“智能鐵路”和低真空管道磁懸浮鐵路關(guān)鍵技術(shù)的研究與應(yīng)用

研究智能鐵路建設(shè)、智能設(shè)施與裝備、智能調(diào)度與運(yùn)維、智能安全保障等關(guān)鍵技術(shù)與應(yīng)用，推進(jìn)我國(guó)鐵路智能化發(fā)展，帶給旅客更好體驗(yàn)、牽引經(jīng)濟(jì)和社會(huì)更好發(fā)展，有力支撐“交通強(qiáng)國(guó)”國(guó)家戰(zhàn)略。

結(jié)合都市、都市圈地下空間開(kāi)發(fā)利用方向，以及我國(guó)高鐵隧道比例高的工程實(shí)際，將建造形成地下封閉管道，與磁懸浮高鐵等技術(shù)系統(tǒng)集成，形成低真空管道磁懸浮鐵路系統(tǒng)，運(yùn)營(yíng)時(shí)速600 km及以上，填補(bǔ)航空與輪軌高鐵之間的速度空白，對(duì)于持續(xù)保持我國(guó)高鐵技術(shù)國(guó)際領(lǐng)先地位具有重要的戰(zhàn)略意義。

3. 加快推進(jìn)富自然功能協(xié)調(diào)流域建設(shè)

通過(guò)富自然功能協(xié)調(diào)流域的建設(shè)，健全流域的綜合服務(wù)功能，打造“山水林田湖草”生命體，實(shí)現(xiàn)人與自然和諧共生，將是新時(shí)代治水的新模式。通過(guò)基礎(chǔ)設(shè)施的優(yōu)化布局，實(shí)現(xiàn)水循環(huán)多過(guò)程間、坡面-河道過(guò)程間、地表-土壤-地下過(guò)程間、常態(tài)過(guò)程與極值過(guò)程間的協(xié)調(diào)，讓水和沙“去其應(yīng)該去的地方”，讓資源賦存在其應(yīng)該賦存的區(qū)域，讓土地上生長(zhǎng)其應(yīng)該生長(zhǎng)的生物。

4. 積極探索水-風(fēng)-光多能互補(bǔ)的流域聯(lián)合調(diào)度

水-風(fēng)-光一體化開(kāi)發(fā)調(diào)度符合事物存在的自然規(guī)律，市場(chǎng)需求巨大。通過(guò)風(fēng)電、光電、水電互補(bǔ)運(yùn)行，聯(lián)合調(diào)度，充分利用水電的調(diào)節(jié)性能對(duì)光伏發(fā)電及風(fēng)力發(fā)電進(jìn)行補(bǔ)償，可顯著消弱風(fēng)-光發(fā)電的隨機(jī)性、波動(dòng)性和間歇性弊端。水-風(fēng)-光多能立體開(kāi)發(fā)調(diào)度，能夠充分利用國(guó)土面積，增加優(yōu)質(zhì)、清潔電力供應(yīng)，為國(guó)民經(jīng)濟(jì)健康發(fā)展提供不竭動(dòng)力。

5. 積極推進(jìn)綠色建造

節(jié)約資源、保護(hù)環(huán)境是實(shí)現(xiàn)人類(lèi)社會(huì)可持續(xù)發(fā)展的基礎(chǔ)，因此，在鐵路、水利和建筑領(lǐng)域的工程建造過(guò)程中，均應(yīng)貫徹這一理念，踐行綠色建造。