大數(shù)據(jù)技術(shù)及其在土木工程中的應(yīng)用

胡超

摘? ? 要：大數(shù)據(jù)概念現(xiàn)在應(yīng)對復(fù)雜的工程問題上受到重視。在不同的工程領(lǐng)域，大數(shù)據(jù)分析顯著影響了土木工程領(lǐng)域。目前，由于新興檢測監(jiān)測系統(tǒng)提供的大量信息，土木工程系統(tǒng)的運行和維護(hù)正在發(fā)生明顯的轉(zhuǎn)變。大數(shù)據(jù)在這種轉(zhuǎn)型中的關(guān)鍵作用是很好理解的。盡管大數(shù)據(jù)技術(shù)處理大型數(shù)據(jù)具有重要意義，但目前的土木工程信息系統(tǒng)仍然缺乏成功的實施。這個自動化在建工程的主題是努力審查土木工程領(lǐng)域新的大數(shù)據(jù)工具和方法的發(fā)展和關(guān)鍵應(yīng)用。

關(guān)鍵詞：大數(shù)據(jù)技術(shù);土木工程;應(yīng)用要點;分析

1? 前言

大數(shù)據(jù)是指無法在短時間內(nèi)用常規(guī)軟件工具能進(jìn)行捕捉、管理和處理的數(shù)據(jù)集合，是需要通過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)的戰(zhàn)略意義不在于掌握龐大的數(shù)據(jù)信息，而在于對這些含有意義的數(shù)據(jù)進(jìn)行專業(yè)化處理。從技術(shù)層面上，通過對數(shù)據(jù)的專業(yè)處理與云計算，讓大數(shù)據(jù)能被更有效地利用。現(xiàn)代社會，互聯(lián)網(wǎng)發(fā)展迅速，應(yīng)用廣泛，所發(fā)布、傳遞的數(shù)據(jù)信息量龐大。因為現(xiàn)代化企業(yè)都實施信息管理模式，管理系統(tǒng)中存在大量有待處理或已處理的數(shù)據(jù)。分析這些數(shù)據(jù)后，可以利用其數(shù)據(jù)作為獨立存在所無法發(fā)揮出的價值。土木工程是建造各類工程設(shè)施的科學(xué)技術(shù)的統(tǒng)稱，一般來說，建造工程項目體量龐大，工藝復(fù)雜，建造周期長，過程中自然會產(chǎn)生大數(shù)據(jù)，如果能把這些大數(shù)據(jù)很好地利用起來，會節(jié)省大量時間成本和經(jīng)濟(jì)成本，可見大數(shù)據(jù)技術(shù)在土木工程專業(yè)中有良好的應(yīng)用前景。

2? 大數(shù)據(jù)技術(shù)概念闡述

當(dāng)前大數(shù)據(jù)并沒有統(tǒng)一的定義，不同的定義試圖通過描述大數(shù)據(jù)的特征給出定義。Grobelnik認(rèn)為大數(shù)據(jù)的特征為：體量大（volume）[1]、多樣（variety）和高速（velocity）¨J。國際數(shù)據(jù)公司IDC則認(rèn)為大數(shù)據(jù)具有以下四個特性舊J：（1）體量大：大數(shù)據(jù)處理的數(shù)據(jù)集體量大，一般為TB或PB（1PB=210TB）級別，超出傳統(tǒng)數(shù)據(jù)處理方式的處理能力;（2）多樣：數(shù)據(jù)來源廣泛，包含結(jié)構(gòu)化、半結(jié)構(gòu)化和非結(jié)構(gòu)化數(shù)據(jù);（3）高速：對于大數(shù)據(jù)的處理應(yīng)當(dāng)快速、實時;（4）價值：通過挖掘大數(shù)據(jù)，可以得到隱藏在數(shù)據(jù)中的價值，這些價值是挖掘傳統(tǒng)數(shù)據(jù)所不能得到的。專門用于處理大數(shù)據(jù)的技術(shù)就是大數(shù)據(jù)技術(shù)。IDC將大數(shù)據(jù)技術(shù)定義為：“大數(shù)據(jù)技術(shù)描述了新一代的技術(shù)和架構(gòu)體系，通過高速采集、發(fā)現(xiàn)或分析，提取各種各樣的大量數(shù)據(jù)的經(jīng)濟(jì)價值”，說明大數(shù)據(jù)的高速和價值特征需要通過大數(shù)據(jù)技術(shù)實現(xiàn)。

3? 大數(shù)據(jù)技術(shù)在土木工程中的應(yīng)用方法

3.1? 為建筑能耗提供輔助計算

建筑能耗其中最關(guān)鍵的因素就是建筑占用所造成的，它對的一個重要因素是建筑占用，它對建筑光照、熱交換等內(nèi)部結(jié)構(gòu)都造成了直接影響。專業(yè)人士在數(shù)據(jù)處理軟件應(yīng)用上深入提出挖掘土木工程相關(guān)數(shù)據(jù)價值的概念，從而明確建筑占用數(shù)據(jù)，輔助分析建筑能耗問題。首先利用傳感器獲取一系列數(shù)據(jù)信息，分析一棟辦公樓其中16個辦公室在為期2年內(nèi)間隔10分鐘所采集的占用數(shù)據(jù)，在此占用數(shù)據(jù)基礎(chǔ)條件下，進(jìn)行歸納、分類、綜合，獲得有關(guān)聯(lián)的建筑占用時間表，分成4種工作模型。在分析工程建筑能耗時，可以將4種工作模型輸入數(shù)據(jù)軟件，針對辦公樓的設(shè)計、各辦公室的能源消耗等做出分析、研究，再提出有效的節(jié)能方案，選擇最科學(xué)、合理的工程設(shè)計[2]。另外，其他國際專家Lee等也通過電力設(shè)備耗電的歷史數(shù)據(jù)，得出相應(yīng)的耗電模型，并根據(jù)此模型推算出未來一段時間內(nèi)所消耗的電力數(shù)據(jù)。這項研究主體主要是擁有240間辦公室、會議廳、機房的工程寫字樓，同樣利用傳感器從4月份到9月份間隔一分鐘就采集一次耗電數(shù)據(jù)，其中包括燈光照明設(shè)備、空調(diào)電氣設(shè)備、辦公設(shè)備等，所采集的數(shù)據(jù)內(nèi)存有10GB之多，信息量巨大。提取、分類、歸納之后，最終得出設(shè)備耗電平均每天的歷史數(shù)據(jù)。

3.2? 對建筑破壞結(jié)果準(zhǔn)確檢測

通常，我們在震后地區(qū)會發(fā)現(xiàn)無人機的“小身影”，這是專家再利用無人機圖像檢測建筑破壞的結(jié)果。較短時間內(nèi)，無人機就可以獲得成千上萬張圖像，圖像處理的高效、快速對于建筑破壞后的救援、評估工作影響較大。就有專家提出可以利用大數(shù)據(jù)技術(shù)處理無人機拍攝的圖片，盡可能快地獲得檢測建筑破壞的結(jié)果。這個處理環(huán)節(jié)其實就是利用建筑破壞前的數(shù)據(jù)信息，通過坐標(biāo)、海拔、區(qū)域范圍來模擬出震前建筑模型，利用無人機震后拍攝的圖像，提取連測點、校正相機清晰度，進(jìn)行密集匹配還原工作，從而模擬出震后建筑模型。再對震前建筑模型跟震后建筑模型的數(shù)據(jù)進(jìn)行比較，找出差異點，這樣的話，就能得到三維的建筑破壞結(jié)果，在一定程度上有助于災(zāi)后重建工作的高效進(jìn)行。另一方面，大數(shù)據(jù)技術(shù)檢測建筑破壞的速度整整比傳統(tǒng)的計算機處理分析快了10倍以上，發(fā)揮其效率高、速度快的特性。如果把這些建筑破壞結(jié)果形成的數(shù)據(jù)庫進(jìn)行分類總結(jié)，進(jìn)行相關(guān)破壞形式分析，對不同形式、不同場地、不同高度的建筑破壞進(jìn)行分類儲存，那么對相似的新建項目的抗震也有很高的借鑒價值。

4? 大數(shù)據(jù)技術(shù)在土木工程中的未來發(fā)展趨勢探索

土木工程中大數(shù)據(jù)技術(shù)應(yīng)用目前還處于起步階段。考慮到土木工程涉及到海量數(shù)據(jù)，特別是，隨著物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)的發(fā)展，可在土木工程的具體對象中可以布置更多的傳感器，以便更方便地采集數(shù)據(jù)，再通過大數(shù)據(jù)技術(shù)進(jìn)行分析，即可更好地把握土木工程的相關(guān)規(guī)律。利用這些規(guī)律就可以更好地進(jìn)行土木工程的建造、維護(hù)等各方面的工作，讓大數(shù)據(jù)技術(shù)在土木工程中發(fā)揮作用。眾所周知，土木工程涉及領(lǐng)域廣泛，沒有任何一位專家敢說完全掌握這個領(lǐng)域的數(shù)據(jù)信息。都是參考各類文獻(xiàn)資料，才對其有所了解，尤其是那類大數(shù)據(jù)技術(shù)應(yīng)用的文獻(xiàn)資料，從而知道針對土木工程這一行業(yè)，大數(shù)據(jù)技術(shù)應(yīng)用于的可行性[3]、著力點，再接著通過實驗去研究、驗證，得到結(jié)果。從這一點就可以看出，專家學(xué)者對大數(shù)據(jù)技術(shù)的研究很有熱情，在土木工程各個領(lǐng)域中，應(yīng)用大數(shù)據(jù)技術(shù)必然成為日后的發(fā)展趨勢。在此基礎(chǔ)上，專家分析大數(shù)據(jù)技術(shù)在土木工程方面的應(yīng)用框架，提出簡單的實例證明結(jié)論，利用文獻(xiàn)對應(yīng)用方面進(jìn)行論證、歸納，得出相應(yīng)規(guī)律性結(jié)論。得到，大數(shù)據(jù)技術(shù)的應(yīng)用范圍，包括建筑、橋梁、道路、隧道等各運作、維護(hù)階段的工程。就連建筑的裝修都包括在內(nèi)。并且，對比工程建筑的設(shè)計、施工過程，運作、維護(hù)所產(chǎn)生的獲取的數(shù)據(jù)量更大、更繁瑣，所要做出的決策也更為關(guān)鍵，可謂是“牽一發(fā)而動全身”。這個階段更加有應(yīng)用大數(shù)據(jù)技術(shù)的必要及優(yōu)勢。對于土木工程來說，未來大數(shù)據(jù)技術(shù)將重點應(yīng)用于工程的運維期間，可謂發(fā)展前景遠(yuǎn)大，當(dāng)然在其它方面，譬如施工、設(shè)計環(huán)節(jié)，大數(shù)據(jù)技術(shù)的應(yīng)用潛力也是不可估量。大數(shù)據(jù)技術(shù)的應(yīng)用主要是在土木工程運行和維護(hù)階段，對象的具體應(yīng)用，包括施工，道路，橋梁等。其中，運行維護(hù)階段與設(shè)計階段和施工階段相比，數(shù)據(jù)采集更方便，數(shù)據(jù)量大，涉及更多決策，采用大數(shù)據(jù)技術(shù)，具有自然優(yōu)勢。因此，在土木工程運行維護(hù)階段，大數(shù)據(jù)技術(shù)應(yīng)用前景廣闊，將為土木工程大數(shù)據(jù)的進(jìn)一步應(yīng)用提供新的見解和指導(dǎo)。大數(shù)據(jù)在這種轉(zhuǎn)型中的關(guān)鍵作用是很好理解的。盡管大數(shù)據(jù)技術(shù)處理大型數(shù)據(jù)具有重要意義，但目前的土木工程信息系統(tǒng)仍然缺乏成功的實施。這個自動化在建工程的主題是努力審查土木工程領(lǐng)域新的大數(shù)據(jù)工具和方法的發(fā)展和關(guān)鍵應(yīng)用。

5? 結(jié)語

目前針對于土木工程行業(yè)，大數(shù)據(jù)所涉及的應(yīng)用方面非常廣泛。隨著信息技術(shù)的發(fā)展，廣泛采集數(shù)據(jù)變得不再困難，工程信息化使得設(shè)計建造能高效、快速地進(jìn)行。土木工程中大數(shù)據(jù)的應(yīng)用有著良好的發(fā)展前景，行業(yè)內(nèi)也需要積極地對大數(shù)據(jù)技術(shù)進(jìn)行分析，重視相關(guān)課題的研究及應(yīng)用。

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