人工智能与土木工程

2017-09-18文冲

科学中国人 2017年23期

关键词：智能化测量机器人

文冲

重庆交通大学

人工智能与土木工程

文冲

重庆交通大学

本文主要讨论了土木工程在材料、设计、施工和监控量测等方面所体现出的的智能化趋势以及目前所面临的一些挑战。在此基础上，对未来土木工程的人工智能化进行了畅想。

人工智能；土木工程

前言

当前，“3D打印技术”、“人工智能（AI）”相继成为社会热词和舆论关注焦点。这反映了当下社会对于高新技术投入社会生产，改善生活水平的热烈期望。在国家层面，德国率先提出以制造业智能化为核心目标的“工业4.0”国家战略。此后，美国、日本、英国先后提出了与之相近的制造业战略，我国于2015年也提出了“中国制造2025”工业发展战略。智能化已然掀起了新的一轮技术革新浪潮，而土木工程作为国家工业体系中的重要一环也必然要参与到这股浪潮之中，并且发挥重要作用。那么土木工程相关从业人员了解本行业智能化趋势，为未来智能化革新做好准备就显得十分必要。

1.人工智能相关基本概念

（1）智能系统的定义：具有（部分具有）人类智能或能模拟（部分模拟）人类智能的系统称为智能系统。

（2）智能系统的分类：智能系统可以为“人本系统”与“人为系统”两大类。前者指人类本身的智能系统，如人脑系统，以及人参与活动的经济系统和统计系统等；后者指人类为了自身的需求改造自然所创造的系统，如智能计算机系统、智能机器人系统等，人工智能就属于这一范畴。

（3）智能系统所具备的特征：

①多信息感知与融合。

②知识表达、获取、存储和处理。（主要是识别、推理与决策）。

③联想记忆。

④自治控制，即自相似、自学习、自适应、自组织、自维护。

⑤容错。

值得说明的是一般意义上的人工智能还应具备信念、意图、喜爱、厌恶、诚挚、承诺等理性和情感因素，但就土木工程而言这些特征既不现实也无必要，故土木工程未来的智能化主要应围绕前面5点展开。

2.当前土木工程中的智能化趋势及面临的挑战

2.1 智能测量

卫星测量技术（Satellite Geodetic Surveying）的进步及地理信息系统（Geographic Information System）的建立完善为工程测量的智能化奠定了重要基础。卫星测量利用人造地球卫星进行地面点定位，它较于目前广泛应用的以全站仪为代表的仪器测量具有测量范围广，测量限制条件少，高度自动化、数字化的优势并且能与GIS系统很好的对接。地理信息系统（GIS）是指对地球空间的各种信息进行采集、储存、管理、运算、分析、显示和描述的技术系统。作一个不太恰当的比喻，如果把卫星测量比作经纬仪，那么GIS就相当于绘制出的地形图（当然，卫星测量与GIS的实际功能远不止于此）。基于GIS我们可以获得数字地图，这对于土木工程的设计和施工都具有很重要的参考价值。

目前的卫星测量和GIS都还具有相当的局限性。卫星测量的局限性主要在于其测量精度（一般水平为厘米级）还达不到工程测量的普遍要求。GIS虽然已经在资源环境管理、城市规划等领域得到了较广泛的应用，但其数据的更新和精度等问题仍然亟待解决。

2.2 智能设计

目前为止，设计是整个土木工程行业智能化特征最明显，智能化速度最快的版块。设计部门采用计算机绘图取代传统的手工绘图，大大提高了设计图的绘制效率和质量，这在设计部门的智能化进程中具有里程碑意义。后续各种辅助设计软件的出现，更是加快了设计智能化进程。甚至，我们可以大胆的预测，在整个土木工行业中，设计部门的智能化很有可能最先完成。

（1）设计智能化的必然趋势

传统的土木工程设计方法的形成大致会经历以下阶段；首先，在大量的工程实践和实验理论研究后形成某种设计理论。然后，将该理论应用于工程实践并依据实际对理论进行完善。最终，形成设计规范（规范的完善过程始终进行）。在形成规范后，一种设计方法已经基本成型，并且会有一套非常严格的设计步骤，设计人员便是严格按照这种方法进行设计。这种传统的设计方法十分机械与呆板，对于设计人员而言既枯燥还十分容易出错，人的创造性无从得以发挥。但这种高度标准化，模块化的设计方法十分适宜于改成算法，编成程序由计算机完成，这是设计能够实现智能化的原因之一。

此外，在传统设计中，由于人的计算能力有限，在设计理论阶段就对一些设计要素进行了近似和简化，这不可避免地会产生误差。在早期，由于生产规模不大，生产要求不高，这些误差或许可以接受，但现在越来越多的“超级工程”开始出现，这些工程对于设计精度产生了更高的要求，传统的设计理论必须进行变革。为了适应这种变化，以概率数理统计理论和数值分析理论为基础的现代设计理论开始应用于生产实践，而这种设计理论更是必须基于计算机才能实现，并且随着设计理论的进一步发展，这种联系将会更加紧密，设计的智能化也会愈加明显。

（2）设计智能化的成果举例以及面临的挑战

工程制图软件除了平面绘制外，还实现了3D绘图，比较典型的制图软件有；Auto CAD,Pro/E,UG，3Dmax等。辅助设计软件则出现了包括PKPM，同济曙光，ANASYS等国内外优秀设计软件。这些优秀设计软件的出现显著提高了设计效率与设计质量，但设计智能化仍然面临着挑战。一方面，基于计算机运算的现代设计理论还有待进一步完善和提高；另一方面，计算机的硬软件技术也亟待提高。例如，目前三大数值计算方法有限单元法、有限差分法和离散单元法的应用都不同程度上受到了计算机处理器资源的限制。

2.3 智能施工

在土木工程施工中，越来越多的先进大型机械设备投入生产实践，机械化与自动化水平大大提高。如公路沥青路面施工中的履带式沥青混合料摊铺机，桥梁施工中的移动模架造桥机，隧道施工中的TBM盾构机都是自动化程度很高的施工机械。这些机械的应用显著地提高了施工效率与施工质量，但是施工机械距离“智能”还有相当的距离。

我国相关领域的专家、研究人员已经开始了机械智能化的相关工作并取得了可喜的进展。如我国研制出的隧道凿岩机器人具有自主研发的SUNWARD隧道凿岩机器人控制系统，是我国工程机械智能化和特种机器人研究取得的突出成绩。由此可以看出未来工程机械的智能化离不开工程特种机器人的研发与进步。

工程特种机器人，我们可以浅显地理解为由计算机系统控制的施工机械，目前我们具有比较成熟的计算机系统开发技术，施工机械的自动化也达到一定的水平，但要实现二者真正的融合，却是个难题，这也是工程机械智能化的主要障碍之一。另一方面，生产实际中，机械作业环境可能发生变化，机械与环境的交互作用更加复杂，控制更加困难，要求的智能化程度更高。

2.4 智能材料

近年来，以智能混凝土为代表的智能建材开始在超大桥梁，超高层建筑物，水坝，海洋开采油井平台系统等这些大型工程中得到应用，有效地降低了维护和检测费用，并且有助于及时掌控土木工程结构的安全使用状况。

智能建材发展十分迅速，尤其是智能混凝土的研究开发，目前已经取得了比较突出的进步。通过掺入碳纤维和光纤维，制作出了能和计算机实现数据对接的损伤自诊断混凝土。我国同济大学的研究人员还通过在混凝土中添加电流变体，研制出能够在台风和地震等自然灾害条件下可以自动调节承载能力和减缓结构振动的自调节智能混凝土。能够实现裂缝自愈合的自修复混凝土也取得了突破性进展。

总的来说，目前智能材料的发展大致可分为两类，一类是以自诊断混凝土为代表的，通过与计算机进行信息对接以监控量测为主要功能和目的的智能材料，这是较低等级的智能材料；第二类则是以自调节和自修复混凝土为代表的除了能够实现向外部反映结构内部信息外，还可以根据外部指令和环境变化自动调节结构功能的高级智能材料。这两类智能材料的研究都取得了一定的进展，在生产实际中也得到了不同程度的应用，但智能材料要实现大规模的应用，甚至取代传统混凝土，降低成本的经济问题是其绕不过去的一道坎。

2.5 监控量测

监控量测在隧道施工应用较多，在桥梁检测中也得到广泛应用。目前，监控量测的主要手段以电测法为主，光测法也得到了一定程度的应用。

电测法，主要是通过在结构中预埋电应变片，将结构内部的应变信息以电信号的形式传出，可以与计算机形成对接。电测法的局限性在于只能对实物重点部位进行逐点监测,而无法对整个结构的全场受力情况进行表示。

随着光弹性应力分析理论的发展，出现了白光散斑法、云纹法等光力学量测方法，这类光力学量测方法可以实现对物体表面变形的全场性测量,其抗干扰能力也大大强于电测法。这类方法主要缺点在于无法测定物体内部变形。但已有学者提出以光测法测得的表面数据为边界条件，通过有限元计算从而得到物体内部的变形和应力的改良措施。

无论是电测法还是光测法，它们的核心是传感器，所以未来监控量测的发展主要取决于传感器的发展。传感器的发展主要包括两个方面，一方面是传感器自身材料的发展，显然这与智能材料的发展密切相关；另外一方面是传感器之间如何实现无线连接、协同工作，并且与外界的数字设备实现信息交互，即形成所谓的传感器网络。

3.未来土木工程人工智能化畅想

笔者认为未来土木工程的人工智能化将主要经历两个阶段：单元智能化阶段和复合智能化阶段。

3.1 单元智能化阶段

单元化智能阶段指测量、设计、施工这些环节都初步完成了各自的智能化，三者的联系有所加强，但彼此之间仍然是相对独立的单元。

各单元的的智能化水平应基本达到以下标准：测量单元将实现完全且精准的全天候卫星测量并且测量数据直接与GIS系统对接，GIS系统数据实现实时更新，人不参与直接测量工作，转而进行GIS系统的的开发管理；监控量测单元分为两部分，一部分作为监控量测机器人主要从事前期设计需要的数据采集工作，另一部分以智能材料的形式存在于结构中为后期保养维修提供数据；设计单元将形成以计算机软件设计，数值分析软件模拟验算为主，人主要从事软件开发，设计检查工作；施工单元中施工机器人得到广泛应用，可直接接受设计单元的数字图纸，照图施工，人主要从事机器人开发和维护工作。

各单元将实现无线数据联系与共享。在单元智能化阶段，传统意义上人的脑力劳动大部分被智能设备取代，生产效率大大提高。但这只是人工智能的初级阶段，因为传统的生产模式“测量→设计→施工”仍然没有得到改变，各个环节之间仍然存在明显的时间差异效应，即仍然存在设计与实际相左的风险。智能化水平仍然具有上升空间。

单元智能化简图

3.2 复合智能化阶段

复合智能化阶段是指设计程序、监控量测机器人、施工机器人复合集成为工程综合智能机器人，实现即时量测，即时设计，即时施工的高级智能阶段。应当指出这个阶段必须满足相当高标准的条件，才有可能达到。在初级阶段的基础上，各单元智能化水平进一步提高，机器人与现实交互能力达到相当水平，计算机数据处理能力达到相当水平，在设计质量得到保障的前提下，设计速度显著提高即实现“动态设计”，在这样的条件下复合智能化有可能得到实现。