李皓軒
(江蘇開(kāi)放大學(xué)(江蘇城市職業(yè)學(xué)院),江蘇 南京 210036)
人工智能(Artificial Intelligence,AI)是一門(mén)以計(jì)算機(jī)技術(shù)為基礎(chǔ),主要研究機(jī)器智能和智能機(jī)械,涉及心理學(xué)、邏輯學(xué)、信息科學(xué)、生物科學(xué)、思維科學(xué)等多學(xué)科知識(shí)的綜合性高新技術(shù)科學(xué)[1]。經(jīng)過(guò)近80年的發(fā)展,人工智能已經(jīng)從發(fā)展初期的“知識(shí)專(zhuān)家系統(tǒng)”,逐步發(fā)展為廣泛應(yīng)用于國(guó)民經(jīng)濟(jì)生活、工業(yè)生產(chǎn)制造、國(guó)防建設(shè)安全、教育信息交流等多領(lǐng)域的主導(dǎo)優(yōu)勢(shì)學(xué)科。傳統(tǒng)土木工程領(lǐng)域設(shè)計(jì)工作計(jì)算量大,建造工作環(huán)境惡劣,屬于勞動(dòng)密集型產(chǎn)業(yè)。而人工智能恰好彌補(bǔ)了傳統(tǒng)土木工程領(lǐng)域的短板,在建筑規(guī)劃設(shè)計(jì)、工程量概算、施工建造、運(yùn)營(yíng)維護(hù)等整個(gè)建筑生命周期均能發(fā)揮重要作用,極大地影響著土木工程的發(fā)展,推動(dòng)土木工程領(lǐng)域不斷提高機(jī)械化、自動(dòng)化、信息化和智能化水平[2]。
對(duì)于土木工程而言,現(xiàn)代土木工程與現(xiàn)代工業(yè)是密切結(jié)合的,但其基礎(chǔ)設(shè)施的機(jī)械化、自動(dòng)化、智能化和信息化的程度還較低,很多工作還是要人力資源來(lái)完成。而在科技高度發(fā)達(dá)、智能化程度高的未來(lái),人工智能技術(shù)必將滲透于人類(lèi)社會(huì)活動(dòng)和生產(chǎn)活動(dòng)的各個(gè)方面,人類(lèi)大規(guī)模體力勞動(dòng)和惡劣環(huán)境下的工作必將被機(jī)器或機(jī)器人所取代。2017年4月,住房和城鄉(xiāng)建設(shè)部發(fā)布公告,批準(zhǔn)《建筑智能化系統(tǒng)運(yùn)行維護(hù)技術(shù)規(guī)范》(JGJ/T 417—2017)作為行業(yè)標(biāo)準(zhǔn),自2017年10月1日起施行。建筑智能化建設(shè)順應(yīng)了建筑業(yè)轉(zhuǎn)型、精細(xì)化時(shí)代的需要,是推進(jìn)新型工程建設(shè)的重要舉措。傳統(tǒng)建筑技術(shù)的轉(zhuǎn)型升級(jí)是世界范圍內(nèi)的熱門(mén)話(huà)題,各國(guó)都提出了建筑產(chǎn)業(yè)化等行業(yè)長(zhǎng)遠(yuǎn)發(fā)展的愿景。我國(guó)應(yīng)充分探索形成中國(guó)模式和經(jīng)驗(yàn),積極應(yīng)對(duì)新一輪科技革命和產(chǎn)業(yè)變革,支持服務(wù)創(chuàng)新引領(lǐng)發(fā)展,引領(lǐng)全球工程教育。因此,為形成基于中國(guó)基礎(chǔ)設(shè)施優(yōu)勢(shì)的強(qiáng)大智能建設(shè)模式,在土木基礎(chǔ)設(shè)施領(lǐng)域,必須及早引入人工智能技術(shù),讓人工智能技術(shù)與土木基礎(chǔ)設(shè)施規(guī)劃、設(shè)計(jì)、建造等工作全方位融合,才能推動(dòng)土木工程的發(fā)展,實(shí)現(xiàn)土木工程的跨越式進(jìn)步。
工程結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)是建筑工程的基礎(chǔ),也是建筑個(gè)性化實(shí)現(xiàn)的根本保證。對(duì)于建筑工程結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)而言,安全可靠、節(jié)能環(huán)保、科學(xué)合理、抗震等是必須滿(mǎn)足的基本原則[3]。傳統(tǒng)的建筑結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)過(guò)程主要分為結(jié)構(gòu)方案設(shè)計(jì)、初步結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)、施工圖設(shè)計(jì)三個(gè)階段。結(jié)構(gòu)方案設(shè)計(jì)和初步結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)主要依賴(lài)于結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)師的專(zhuān)業(yè)知識(shí)和工程經(jīng)驗(yàn),而施工圖設(shè)計(jì)則更加依賴(lài)于結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)師對(duì)相關(guān)規(guī)范、標(biāo)準(zhǔn)的理解和掌握。建筑結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)與建筑造型設(shè)計(jì)不同,其設(shè)計(jì)思路更偏向于專(zhuān)業(yè)和具體,沒(méi)有較多的主觀影響,因此結(jié)構(gòu)工程師的邏輯運(yùn)算能力是建設(shè)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)滿(mǎn)足基本原則、實(shí)現(xiàn)建筑功能的重要因素[4]。人工智能技術(shù)作為計(jì)算機(jī)技術(shù)的分支,其計(jì)算能力遠(yuǎn)高于普通人,將人工智能技術(shù)應(yīng)用于建筑結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)中,借助人工智能強(qiáng)大的運(yùn)算能力和擬人化的邏輯判斷,可以更加快捷、準(zhǔn)確地得到合理、最優(yōu)的設(shè)計(jì)結(jié)果。
近年來(lái),已有多位學(xué)者對(duì)人工智能應(yīng)用于結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)展開(kāi)研究[5]。蘇國(guó)韶等(2009)提出了一種人工智能的機(jī)器學(xué)習(xí)方法,通過(guò)建立相應(yīng)的預(yù)測(cè)模型以解決邊坡穩(wěn)定性的合理評(píng)價(jià)問(wèn)題,該方法通過(guò)人工智能的邏輯判斷,能夠快速、準(zhǔn)確、可靠地給出各種邊坡穩(wěn)定狀態(tài)的評(píng)價(jià)結(jié)果[6]。
在實(shí)體結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)方面,人工智能也大有可為。漸進(jìn)結(jié)構(gòu)優(yōu)化法是一種基于有限元分析方法的結(jié)構(gòu)拓?fù)鋬?yōu)化設(shè)計(jì)方法[7],由謝億民和Steven于1992年首次提出。通過(guò)與現(xiàn)有的有限元分析軟件連接,該結(jié)構(gòu)優(yōu)化設(shè)計(jì)方法能通過(guò)計(jì)算機(jī)的有限元分析計(jì)算,逐步刪除結(jié)構(gòu)模型中的低效網(wǎng)格,使結(jié)構(gòu)在保證相同的受力方式、相近的承載力和穩(wěn)定性的情況下盡可能使用更少的材料,最終形成一個(gè)“最優(yōu)”的結(jié)構(gòu)形式。經(jīng)過(guò)多年研究發(fā)展,該方法目前已被廣泛應(yīng)用于航空工程、機(jī)械工程、土木工程等的力學(xué)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)中,尤其是在負(fù)泊松比材料的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)方面,目前的幾種負(fù)泊松比材料的設(shè)計(jì)主要基于結(jié)構(gòu)工程師的主觀經(jīng)驗(yàn)和基于屈曲分析的二維結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì),而應(yīng)用漸進(jìn)結(jié)構(gòu)優(yōu)化法可以設(shè)計(jì)出力學(xué)性能更優(yōu)的三維負(fù)泊松比材料和結(jié)構(gòu)[8]。但是在實(shí)際研究過(guò)程中,有限元模型的準(zhǔn)確建立、荷載分布的精確分析、受力狀態(tài)的正確判斷、大規(guī)模的批量運(yùn)算是制約漸進(jìn)結(jié)構(gòu)優(yōu)化法在負(fù)泊松比材料設(shè)計(jì)等實(shí)際工程中應(yīng)用取得突破性進(jìn)展、廣泛應(yīng)用于實(shí)際土木工程結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)的主要因素。這些仍主要依賴(lài)于研究人員的主觀經(jīng)驗(yàn)和判斷,實(shí)際試驗(yàn)驗(yàn)證的成本往往較高。而人工智能的深度學(xué)習(xí)和強(qiáng)大計(jì)算能力恰好能在這一方面為結(jié)構(gòu)優(yōu)化法提供新的研究路徑,通過(guò)人工智能的“專(zhuān)家系統(tǒng)”,可以更加快速、準(zhǔn)確地利用漸進(jìn)結(jié)構(gòu)優(yōu)化法進(jìn)行結(jié)構(gòu)的優(yōu)化設(shè)計(jì)。
工程材料是組成建筑物的最小單位,也是影響建筑功能的重要因素。隨著人工智能算法的發(fā)展和普及,國(guó)內(nèi)外已有不少專(zhuān)家學(xué)者將機(jī)器學(xué)習(xí)和智能優(yōu)化算法等人工智能算法應(yīng)用于混凝土技術(shù)的研究中[9]。通過(guò)將人工智能技術(shù)與混凝土配合比設(shè)計(jì)相結(jié)合,可以建立基于機(jī)器深度學(xué)習(xí)和最優(yōu)化算法的混凝土配合比優(yōu)化模型。相比于傳統(tǒng)的混凝土配合比設(shè)計(jì)方法,利用人工智能建立的混凝土配合比優(yōu)化模型不但在力學(xué)性能、材料性能分析方面更加精準(zhǔn),還可以節(jié)約大量的建模人工成本和計(jì)算時(shí)間成本。同時(shí),人工智能還可以通過(guò)對(duì)大量配合比數(shù)據(jù)的深度學(xué)習(xí),進(jìn)一步優(yōu)化混凝土配合比模型,實(shí)現(xiàn)混凝土配合比智能、精準(zhǔn)設(shè)計(jì)。
除了混凝土,鋼材也是廣泛應(yīng)用于建筑工程的主要材料之一,在建筑物中起到主要承載作用。鋼結(jié)構(gòu)建筑中,鋼材表面的裂紋、隙縫、斑點(diǎn)等瑕疵是影響鋼材材料性能的主要因素。嚴(yán)重的鋼材瑕疵會(huì)導(dǎo)致建筑結(jié)構(gòu)出現(xiàn)失穩(wěn)和破壞,因此鋼材瑕疵的檢測(cè)是工程建設(shè)質(zhì)量管理的重要環(huán)節(jié)。常規(guī)的鋼材瑕疵檢測(cè)方式主要有人工檢測(cè)和單一機(jī)理檢測(cè),但由于鋼材瑕疵形式種類(lèi)多樣且缺乏統(tǒng)一的鑒定標(biāo)準(zhǔn),傳統(tǒng)人工檢測(cè)效率較低且精準(zhǔn)性難以保證,而單一機(jī)理檢測(cè)限制條件較多且在實(shí)時(shí)性和綜合性檢測(cè)能力上存在不足,使得鋼材瑕疵檢測(cè)成為鋼材生產(chǎn)和質(zhì)量管理的主要難點(diǎn)。隨著計(jì)算機(jī)科學(xué)的發(fā)展,德國(guó)Parsytec公司設(shè)計(jì)了一種基于圖像采集和處理系統(tǒng)的鋼板表面瑕疵實(shí)時(shí)動(dòng)態(tài)檢測(cè)系統(tǒng)HTS,可以快速檢測(cè)運(yùn)動(dòng)中的鋼板表面的瑕疵[10]。近年來(lái),國(guó)內(nèi)也有學(xué)者將人工智能與建筑鋼材瑕疵實(shí)時(shí)檢測(cè)相結(jié)合[11],基于深度學(xué)習(xí)設(shè)計(jì)了工業(yè)鋼材瑕疵檢測(cè)系統(tǒng)模型及相關(guān)代碼,實(shí)現(xiàn)了鋼材智能化實(shí)時(shí)精準(zhǔn)檢測(cè)。這極大地減少了鋼材瑕疵檢測(cè)的人工成本,提高了鋼材瑕疵檢測(cè)的精準(zhǔn)性。隨著人工智能的進(jìn)一步發(fā)展,鋼材瑕疵檢測(cè)系統(tǒng)還可以向著檢測(cè)精度更高、操作界面更方便直觀、應(yīng)用范圍更加廣泛的方向進(jìn)一步優(yōu)化迭代。
除了工程材料混凝土與鋼材,人工智能還可以實(shí)現(xiàn)新材料的自主試驗(yàn)[12]。例如美國(guó)空軍研究實(shí)驗(yàn)室的材料和制造部研制的材料制備試驗(yàn)機(jī)器系統(tǒng)——“自主研究系統(tǒng)”(ARES),于2016年首次公布。ARES主要由自動(dòng)化反應(yīng)器和智能控制軟件組成,基于人工智能的智能控制軟件是ARES系統(tǒng)的核心。利用該控制軟件,ARES能自主開(kāi)展材料制備試驗(yàn),包括自主學(xué)習(xí)完成試驗(yàn)設(shè)計(jì)、確定參數(shù)完成試驗(yàn)實(shí)施、評(píng)估數(shù)據(jù)優(yōu)化試驗(yàn)設(shè)計(jì),從而形成自我深度學(xué)習(xí)循環(huán)。目前,ARES系統(tǒng)已經(jīng)成功應(yīng)用于納米材料的研制,推動(dòng)了高端工程材料的進(jìn)一步發(fā)展。
目前制約土木工程行業(yè)蓬勃發(fā)展的主要瓶頸之一便是材料性能。理論上可行的工程創(chuàng)新構(gòu)造往往缺乏與之相匹配的工程材料,難以完成實(shí)際建造。未來(lái)隨著信息技術(shù)的不斷發(fā)展,人工智能與工程材料的結(jié)合將在材料設(shè)計(jì)、材料試驗(yàn)、材料制造等方面給土木工程發(fā)展帶來(lái)新的動(dòng)力。
工程造價(jià)管理是土木工程項(xiàng)目管理的重要核心內(nèi)容之一,是土木工程建設(shè)過(guò)程中能否實(shí)際建造、達(dá)成設(shè)計(jì)目標(biāo)的關(guān)鍵環(huán)節(jié)[13]。目前我國(guó)土木工程行業(yè)仍普遍采用較為粗放的生產(chǎn)方式,在工程材料的使用方面還存在較大的浪費(fèi),同時(shí)人力和機(jī)械的粗放式使用也給工程造價(jià)的準(zhǔn)確計(jì)算帶來(lái)較大難度。
隨著“智能建造”概念的提出與發(fā)展,BIM技術(shù)、大數(shù)據(jù)技術(shù)等逐步被應(yīng)用于工程造價(jià)管理,在一定程度上改善了傳統(tǒng)工程造價(jià)信息來(lái)源單一、信息交流困難、信息數(shù)據(jù)復(fù)雜所形成的“信息孤島”問(wèn)題,提高了各參建單位的信息互動(dòng)性,更有利于建設(shè)單位進(jìn)行工程造價(jià)控制。相比傳統(tǒng)的清單造價(jià)管理,智能化的管理系統(tǒng)還提高了工程造價(jià)管理的效率和質(zhì)量。目前,國(guó)內(nèi)已有學(xué)者采用人工神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)對(duì)傳統(tǒng)工程材料螺紋鋼的價(jià)格變動(dòng)趨勢(shì)進(jìn)行預(yù)算研究[14],研究結(jié)果表明,基于人工智能的神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)技術(shù)的螺紋鋼價(jià)格趨勢(shì)預(yù)測(cè)具有一定的準(zhǔn)確性,但具體價(jià)格仍有偏差,需要進(jìn)一步分析優(yōu)化算法[15]。
未來(lái),人工智能與工程造價(jià)的深度結(jié)合,將進(jìn)一步降低工程造價(jià)管理工作對(duì)“人”的依賴(lài)[16]。通過(guò)人工智能技術(shù)的應(yīng)用,將更好地推動(dòng)工程造價(jià)數(shù)據(jù)分析規(guī)?;?、精準(zhǔn)化、動(dòng)態(tài)化,促進(jìn)工程造價(jià)管理模式和管理技術(shù)創(chuàng)新發(fā)展[17]。
近年來(lái),智能制造理念在土木工程領(lǐng)域迅速發(fā)展,利用信息技術(shù)手段可使設(shè)置在土木工程建筑物上的傳感器、網(wǎng)絡(luò)通信等智能設(shè)備與相關(guān)人員協(xié)同工作,部分替代人在制造過(guò)程中的體力和腦力勞動(dòng)[18],是土木工程未來(lái)發(fā)展的方向之一。智能制造技術(shù)涉及范圍較廣,包含BIM技術(shù)、物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)和大數(shù)據(jù)技術(shù)等,與人工智能技術(shù)相輔相成。在人工智能技術(shù)的幫助下,土木工程建造的智能化水平將得到大幅提升,施工過(guò)程的管理工作將更加高效[19]。在施工建造過(guò)程中,應(yīng)用人工智能技術(shù)進(jìn)行項(xiàng)目管理和質(zhì)量監(jiān)督,不僅可以避免人為失誤,還可以有效提高質(zhì)量管理的效率[20]。因此,在房屋建筑施工中應(yīng)用人工智能技術(shù)是未來(lái)施工企業(yè)進(jìn)行施工管理的一個(gè)重要發(fā)展趨勢(shì)。
近年來(lái),我國(guó)的土木工程安全事故頻發(fā),主要原因是工人的不規(guī)范操作、不安全行為以及缺乏監(jiān)督等人為因素[21]。為了解決土木工程工地環(huán)境復(fù)雜,安全人員無(wú)法及時(shí)發(fā)現(xiàn)危險(xiǎn)的問(wèn)題,將計(jì)算機(jī)視覺(jué)與工地監(jiān)管相融合,能夠及時(shí)發(fā)現(xiàn)并阻止危險(xiǎn)發(fā)生。通過(guò)對(duì)施工過(guò)程進(jìn)行監(jiān)控,還能夠提升工人的工作效率,有效縮短工期[22]。人體姿態(tài)評(píng)估可以檢測(cè)出人體或機(jī)械的姿態(tài)信息,包括肢體的朝向等。通過(guò)對(duì)人體或機(jī)械的行為進(jìn)行預(yù)測(cè),能夠?qū)ξkU(xiǎn)動(dòng)作發(fā)出警告,并及時(shí)發(fā)現(xiàn)傷者。智能生成數(shù)據(jù)集的挖掘機(jī)姿態(tài)評(píng)估模型能夠成功評(píng)估挖掘機(jī)的姿態(tài)。并且,該模型也適用于其他機(jī)械的姿態(tài)評(píng)估。有研究使用低分辨率相機(jī)采集車(chē)輛駕駛員的頭部圖像,實(shí)時(shí)地對(duì)駕駛員的頭部姿態(tài)進(jìn)行估計(jì);并提出一種計(jì)算駕駛員動(dòng)態(tài)視野盲區(qū)的方法,實(shí)時(shí)分析駕駛員的動(dòng)態(tài)視野盲區(qū),對(duì)進(jìn)入盲區(qū)的施工人員發(fā)出警告,能夠有效預(yù)防施工現(xiàn)場(chǎng)設(shè)備撞擊造成的傷亡。此外,該評(píng)估方法能夠使用智能手機(jī)對(duì)施工人員的軀干姿勢(shì)進(jìn)行危險(xiǎn)評(píng)估、判斷施工人員的身體狀況,從而降低錯(cuò)誤的作業(yè)姿勢(shì)對(duì)施工人員身體的損害。
防災(zāi)減災(zāi)一直是土木工程領(lǐng)域的研究重點(diǎn)。通過(guò)加強(qiáng)風(fēng)險(xiǎn)預(yù)警、風(fēng)險(xiǎn)管理,提高應(yīng)急處置能力,可以有效減少災(zāi)害損失,實(shí)現(xiàn)工程建設(shè)目標(biāo)。借助人工智能技術(shù),可以在災(zāi)害發(fā)生前建立基于圖像識(shí)別的建筑易損性評(píng)估系統(tǒng)、基于梯度提升和隨機(jī)森林模型的高風(fēng)險(xiǎn)建筑識(shí)別系統(tǒng)、基于卷積神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)的災(zāi)害自動(dòng)監(jiān)測(cè)系統(tǒng)等,完善防災(zāi)減災(zāi)預(yù)警體系,促進(jìn)防災(zāi)減災(zāi)工作落地落實(shí)。
此外,相關(guān)研究還將人工智能技術(shù)引入地震減災(zāi)預(yù)警領(lǐng)域,通過(guò)將深度學(xué)習(xí)等機(jī)器學(xué)習(xí)技術(shù)應(yīng)用于地震數(shù)據(jù)處理業(yè)務(wù)流程,顯著提高地震記錄的完整性和工作效率,在地震檢測(cè)、分類(lèi)、參數(shù)預(yù)測(cè)等諸多方面提高了地震減災(zāi)預(yù)警的準(zhǔn)確性和預(yù)測(cè)效率,極大地推動(dòng)了地震減災(zāi)領(lǐng)域的發(fā)展。
人工智能技術(shù)在土木工程的運(yùn)營(yíng)和維護(hù)方面也能發(fā)揮重要作用。在工程成果驗(yàn)收方面,可以通過(guò)機(jī)器人來(lái)完成。機(jī)器人到達(dá)現(xiàn)場(chǎng)后,可通過(guò)激光雷達(dá)對(duì)工程建筑物進(jìn)行掃描,以3D的形式呈現(xiàn)在系統(tǒng)中,與原有模型進(jìn)行對(duì)比,以找出其中的問(wèn)題。同時(shí),其還可通過(guò)超聲波對(duì)地板厚度等進(jìn)行檢測(cè),全方位保障工程的安全和質(zhì)量。之后,機(jī)器人會(huì)通過(guò)通信系統(tǒng)聯(lián)系甲方,實(shí)時(shí)傳送現(xiàn)場(chǎng)畫(huà)面,讓客戶(hù)對(duì)整體工程做一個(gè)判定。這時(shí)候,機(jī)器人就是一個(gè)通信介質(zhì),乙方可通過(guò)機(jī)器人與甲方進(jìn)行直接的交流。在驗(yàn)收過(guò)后的維護(hù)方面,可以用無(wú)人機(jī)和機(jī)器人來(lái)代替,從內(nèi)到外、從上到下對(duì)工程進(jìn)行檢修和維護(hù)。
在土木工程后期的運(yùn)營(yíng)階段,人工智能可負(fù)責(zé)建筑物的監(jiān)控和維護(hù)工作,可以利用無(wú)人機(jī)、計(jì)算機(jī)視覺(jué)、深度學(xué)習(xí)等技術(shù)來(lái)完成。例如無(wú)人機(jī)在土木工程領(lǐng)域視覺(jué)監(jiān)控建設(shè)和運(yùn)行方面的應(yīng)用具有巨大潛力。無(wú)人機(jī)通過(guò)搭載不同類(lèi)型的傳感器,可以快速獲得大量拍攝區(qū)域的高精度、大比例高清圖像,生成三維模型,能及時(shí)更新實(shí)時(shí)工程信息,為緊急救援提供更準(zhǔn)確快速的實(shí)時(shí)信息,以協(xié)助相關(guān)部門(mén)迅速準(zhǔn)確地制定出最佳的應(yīng)急和處置方案。
綜上所述,人工智能在土木工程領(lǐng)域發(fā)揮著無(wú)可替代的作用,正在逐漸融入傳統(tǒng)土木工程項(xiàng)目生命周期的各階段,使土木工程項(xiàng)目的設(shè)計(jì)更精準(zhǔn)、更高效,節(jié)省勞動(dòng)力成本,優(yōu)化各工序銜接程序,縮短項(xiàng)目工期,極大地推動(dòng)工程項(xiàng)目在精細(xì)化、智能化道路上的發(fā)展。