人工智能驅動下土木工程行業發展的機遇與挑戰

孫振宇 譙斕 王孟佳

摘?要：人工智能已廣泛地應用于人類和生活的各個方面，同時也是目前各領域的研究和應用熱點，為土木工程行業帶來了諸多機遇與挑戰。為此，本文從工程建造、智能監管與運維、資源管理與優化等方面，結合鐵軌病檢測、BIM模型、人工智能神經網絡構建、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的促進作用，并從土木從業人員工作環境及效率、經濟與社會發展、土木從業人員狀況等方面分析其影響，最后對土木工程行業的智能化進行了展望。

關鍵詞：土木工程；人工智能；機遇與挑戰；智能建造

傳統的土木工程設計規劃、人力施工建造、人為監督與質量檢測能很好地滿足20世紀及以前的社會發展需求。然而，步入21世紀，傳統的土木工程建設方式已逐漸跟不上飛速發展的社會節奏以及日新月異的變化速度。以鐵軌病檢測為例，鐵軌承擔四面八方的客運量和貨物運輸，而作為承載體的鐵軌及道砟由于長年累月暴露于風雨陽光下，在疲勞荷載作用下難免會產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、數量眾多、穿行地帶復雜多樣，而鐵軌病類型大多是重復的，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，現代工程建造中材料利用率不高，對環境也已造成相當大的威脅。如建造施工過程中嚴重漫長的噪聲污染、城市建筑看似光鮮亮麗實則影響巨大的光污染等，現代土木工程還有大量問題亟待改善解決。

步入現代，人工智能這一高科技大軍猛然興起。不同于傳統機器或電子設備，人工智能包羅萬象，能夠自我學習、不斷發展與完善，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，各行業智能服務系統既為需要幫助的人們帶來極大便利，也能夠減輕相關工作人員負擔，提高工作效率。顯然，人工智能已然是人們生產生活的重要伙伴。

因此，在土木工程行業中應用人工智能，會極大地提高行業工作效率，資源利用和分配也會更加合理，施工建造進程能得到大幅提升，對于土木工程行業的壯大及社會發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發展的機遇與挑戰。

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域的發展壯大與積極應用，土木工程也迎來了與之相適應的人工智能技術。智能建造、智慧工程等高新技術助力現代工程建造，極大地提高了工作效率、工作質量，土木行業發展得到了深刻變革。

在實際工程建造中，人工智能與智能建造相輔相成。人工智能技術通過智能算法分析施工現場數據并進行反饋，實現對施工過程的實時智能管控，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驅動和軸面協同為核心，實現了智能建造與協同設計管控，成為又一張“中國智造”的亮麗名片。

智能建造技術融合了工程建設與信息、智能化等要素，貫穿于整個土木工程的設計、施工和運營管理等多個環節，發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，施工過程中采用BIM+GIS多源信息融合感知技術，構建了智能監管系統平臺，在施工過程中實時反饋監測數據，對隧道施工和周邊建筑物安全起到了關鍵作用。

其中，BIM（建筑信息模型）以三維模型的形式展示建筑設施，使建筑設計可視化。它能分解建筑結構具體信息，并對施工過程及環境進行實時監控預警。BIM還能存儲建筑信息資源，實現施工人員的質量檢查，極大地提高了工程建造的成功率。BIM還可應用于虛擬仿真技術、三維掃描技術，使工程建造全過程透明可視化。這些技術減少了實地考察需要，在一定程度上也極大解放了人力，提高了行業安全性［2］。

同時，智能裝備和建筑機器人可按計算機程序或人類的指令工作，代替或協助人完成施工任務［3］。在土木工程建造的高風險工序中，通過智能裝備或機器人代替人工操作，一方面實現自動化生產，另一方面降低了人員風險。同樣以隧道工程為例，當圍巖條件極差時極易發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器人進行施工，可有效規避施工風險，同時施工質量也有所保障。

1.2?人工智能加持智能監管與運維

人工智能技術主要通過智能算法、數據智能傳輸以及工程建模等技術手段進行實際應用，與人工方式相比，不僅工作效率更高，且數據統計精確度也較高，目前已開始應用于土木工程數據監測以及工程建模等工作上［4］。

土木工程的監測工作中主要通過應用SIM函數進行工程數據的監測［5］。對人工智能設備的BP神經網絡結構進行改進，可以保證其結構和數據監測的穩定性。通過構建GABP神經網絡，優化內部數據結構，也可將人工智能更好地融入土木工程監測建設中。同時，還可構建以粒子群為算法的PSOBP神經網絡，無須多次進行數據調整，具有一定流程穩定性，但其計算過程中未進行混合函數運算。此外，在參數設置中也要保持合理數值，如在參數更新過程中，可根據迭代次數進行設置［6］。

人工智能設備往往還涉及設備的組合運用等，為了保證設備運行質量和效果，需對設備進行良好的維護，從而保證數據監測等工作的可靠性。如澆筑混凝土時，若在溫控工作等方面存在數據誤差，則將影響工程的穩定施工，而人工智能設備則可通過內部算法以及科學的數據監測減小制作誤差［7］。再如人工智能數據分析結合鐵軌探傷能夠自動檢測篩選各類鐵軌病害，及時發出警告提醒。相對于傳統的人工檢測，智能檢測效率大大提升，其準確度及病因分析、對癥下藥能力也得到了極大提升。

1.3?人工智能優化工程及資源管理

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

2?人工智能對土木工程行業的影響

2.1?土木工程工作環境與效率

土木工程工作環境一直是社會界關注的重點，也是限制行業發展的重要因素。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械化和智能化方向轉型。而隨著人工智能的應用，現代信息科技逐步影響了土木行業的工作環境與效率。

在規劃設計方面，通過機器學習和數據分析，人工智能可以處理大量的土地和結構數據，并提供基于這些數據的優化解決方案；人工智能可自動生成和評估多個設計選項，加速設計過程并提高設計質量。在結構設計和優化方面，通過模擬和分析大量數據，人工智能還可以幫助工程師預測和評估結構性能，并優化算法來改進結構設計，以實現更好的耐久性和安全性［9］。在施工安全監測方面，人工智能可監測施工現場的進展情況、質量控制和安全問題；可以幫助識別施工過程中的缺陷或錯誤，并提供實時反饋，以便及時采取糾正措施［10］。

2.2?助推土木行業經濟發展

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目期間做出更好的決策。通過采用人工智能，企業可以以更快、更有效的方式來管理項目。從經濟發展方面考慮，它將為建筑業和土木工程行業帶來許多好處。

人工智能的優點是通過減少人為錯誤、提高生產率、提高決策的準確性和控制質量來實現。首先，可幫助工人更有效地完成工作，從而降低成本；其次，幫助現場工作人員在不同的地理區域或氣候條件下安全、高效地施工，幫助決策者識別工程項目中的潛在風險，并提供應對這些風險所需的資源和措施。

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

2.3?土木行業人員的就業挑戰

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

一方面，將人工智能應用于土木行業，帶來了更多的就業機會。不同于傳統土木的機械化，人工智能時代下的土木行業，將土木工程與3D打印、大數據、智能算法和機械設備等多學科理論與技術等進行交叉融合［12］，在一定程度上為土木行業人員提供了就業機會。

另一方面，人工智能具有高、精、尖的特點，傳統土木行業的機械化任務，如工程制圖、工地勘測等，將由人工智能來完成。據美國智庫卡內基梅隆大學的調查，美國土木工程師行業的就業人數在過去五年中一直在下降，目前約有3.1萬人；而工程技術人員的就業人數則一直在增長，從2008年的約20萬人增加到目前的約40萬人［13］。美國土木工程師協會的調查顯示，土木工程師行業近幾年就業率下降，主要原因是人工智能和機器人技術對該行業帶來的影響。隨著人工智能在土木工程中的應用愈發廣泛，這種情況也可能會有所改變。

3?人工智能在土木行業應用展望

（1）智能材料的研發。材料的逆向設計以學習算法為主要步驟，從工程需求出發，將力學原理與人工智能有機融合，開發出基于第一性原理的材料設計和整合智能框架，經過多次迭代獲得符合設計需求的材料［14］。

（2）土木工程智能建造。通過大數據與物理模型雙驅，建立土木工程系統災害分析模型，實現土木工程智能防災減災［14］。人工智能可與BIM技術結合，提供更智能化的建筑設計和管理。通過對BIM數據的分析和處理，可以自動化生成建筑模型、進行沖突檢測、優化施工過程等［15］。

（3）土木工程智能運維。土木工程的數字化在運營期間相對較為成熟，隨著數字孿生概念的產生和技術發展，智能運維技術也得到了空前關注。在工程施工期間的監測和管理數據通過平臺集成，并劃分不同模塊由專門人員進行管理，在運營期間發現問題時可追本溯源，迅速找出問題癥結所在，進而對癥下藥，快速治理。而工程的智能化還包括應用5G技術能實現結構物的全方位物聯感知，通過內置結構安全狀態分析模型，實現結構運營狀態和功能的實施評估，從而降低運維成本。

盡管人工智能在土木工程領域有很多潛在應用，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量。人類工程師的專業知識和經驗仍然至關重要，他們需要對人工智能的應用進行有效監督和管理，確保智能決策的準確性和安全性。如對于隧道工程而言，由于地質環境和工程施工方法的復雜性和多樣性，工程影響具有唯一性，當工程地質與水文地質環境極端復雜時，既有的數據庫難以支撐隧道工程安全建造，此時則需要經驗豐富的設計研究人員進行深化研究和評估，進而更好地做出決策，而這是人工智能所無法做到的。因此，對于土木工程行業，基礎理論研究仍是重點強調的內容，而人工智能需緊密結合理論分析指導科學設計與施工。

未來要想使人工智能在土木工程行業中得到更好的應用，需均衡其在土木工程各行業的發展，強化土木工程領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；同時還應加強人工智能在土木工程領域的適應能力，針對不同服務對象強化相應能力，從而實現土木工程領域高效、智能、可持續發展。土木行業各個部門之間也應交融合作、共同發展，以更好地解決不同研究團隊間集成度不高、信息孤島等問題，以人工智能技術為切入點實現土木工程全生命周期智能化發展的最終目標［16］。

結語

本文就當下土木工程行業現狀為背景，結合人工智能異軍突起的發展優勢探討了人工智能時代背景下土木工程行業的機遇與挑戰。社會是不斷發展進步的，土木工程作為社會基礎的重要組成部分，傳統土木無法適應現代社會發展需求時，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展都提供良好的助推作用。未來土木工程將進一步向智能化和智慧化方向發展，進而使得土木行業這一傳統專業獲得新的生機，而聚焦于智能建造的高質量創新型人才則必將迎來更為精彩的舞臺。

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基金項目：2022年度北京交通大學教學教改項目“‘城市地下工程課程思政建設”（項目編號：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與研究工作。