周志光 趙錦一 劉浩

摘要：隨著計算機技術(shù)的發(fā)展，以物聯(lián)網(wǎng)、云計算和大數(shù)據(jù)為代表的第三次信息化浪潮開始涌現(xiàn)。在土木工程領(lǐng)域，大數(shù)據(jù)技術(shù)變得不可或缺，社會對土木工程和大數(shù)據(jù)的人才需求也日益迫切。文章簡要介紹了大數(shù)據(jù)概念，并分析了國內(nèi)外大數(shù)據(jù)技術(shù)在土木工程領(lǐng)域的應(yīng)用現(xiàn)狀，提出培養(yǎng)土木工程與大數(shù)據(jù)技術(shù)與應(yīng)用復合型人才的必要性，對土木工程和大數(shù)據(jù)技術(shù)與應(yīng)用復合型人才培養(yǎng)模式進行了探究。

關(guān)鍵詞：大數(shù)據(jù);土木工程;復合型人才;培養(yǎng)模式

中圖分類號：G642;TU?文獻標志碼：A?文章編號：1005?2909（2019）03?0055?06

近年來，隨著互聯(lián)網(wǎng)的飛速發(fā)展，出現(xiàn)了以眾多社交網(wǎng)絡(luò)為代表的新型信息產(chǎn)生方式，人們在互聯(lián)網(wǎng)上產(chǎn)生、傳遞和獲取的數(shù)據(jù)呈爆炸式增長。加之物聯(lián)網(wǎng)、云計算等技術(shù)的興起，數(shù)據(jù)正以前所未有的速度和規(guī)模在產(chǎn)生和被獲取[1]。2012年至2016年，美國實施四輪政策行動，推動形成了大數(shù)據(jù)應(yīng)用的完整布局。歐盟也相繼制定了大數(shù)據(jù)發(fā)展戰(zhàn)略，發(fā)展數(shù)據(jù)驅(qū)動型經(jīng)濟。2014年3月，中國十二屆全國人大第二次會議上，“大數(shù)據(jù)”首次寫入政府工作報告;2015年8月，國務(wù)院發(fā)布《促進大數(shù)據(jù)發(fā)展的行動綱要》[2];2017年，大數(shù)據(jù)戰(zhàn)略重點實驗室發(fā)布首部大數(shù)據(jù)藍皮書《大數(shù)據(jù)藍皮書：中國大數(shù)據(jù)發(fā)展報告No.1》[3];2018年4月，中國信息通信研究院發(fā)布《大數(shù)據(jù)白皮書（2018年）》。顯而易見，人類正在進入大數(shù)據(jù)時代。

土木工程行業(yè)涉及基礎(chǔ)設(shè)施和民用建設(shè)等領(lǐng)域，是中國的基礎(chǔ)和支柱產(chǎn)業(yè)，也是促進國民經(jīng)濟發(fā)展的重要行業(yè)。在土木工程各項目的建設(shè)過程中會產(chǎn)生大量的數(shù)據(jù)，這些數(shù)據(jù)將成為評價工程結(jié)構(gòu)穩(wěn)定、功能效用以及全壽命周期維護的重要指標，并為重大項目決策提供可靠參考。在這樣的大背景下，社會急需土木工程和大數(shù)據(jù)技術(shù)與應(yīng)用復合型人才，而對這一復合型人才培養(yǎng)模式進行探究具有重要的現(xiàn)實意義。

一、 大數(shù)據(jù)概述

（一）大數(shù)據(jù)的定義及特點

大數(shù)據(jù)（Big data），又稱為巨量資料，指的是傳統(tǒng)數(shù)據(jù)處理應(yīng)用軟件不足以處理的大或復雜的數(shù)據(jù)集，也可以定義為有各種來源的大量非結(jié)構(gòu)化和結(jié)構(gòu)化的數(shù)據(jù)。而大數(shù)據(jù)技術(shù)更大的意義在于數(shù)據(jù)被專業(yè)、高效且深度地處理，如通過分布式構(gòu)架挖掘和依托云計算分析處理等，其特點總體概括為“4V”，即大量化（Volume）、多樣化（Variety）、價值化（Value）和快速化（Velocity）。

（1）大量化：數(shù)據(jù)的產(chǎn)生儲存離不開大量傳感器和處理器的應(yīng)用。近半個世紀以來，摩爾定律推動計算機硬件的儲存和處理能力迅速提升，為大量數(shù)據(jù)的產(chǎn)生奠定了良好的物理基礎(chǔ)。在普適計算成為重要特征的今天，以傳感器技術(shù)、網(wǎng)絡(luò)技術(shù)和微電子技術(shù)等為代表的物聯(lián)網(wǎng)行業(yè)的成熟，使得數(shù)據(jù)的產(chǎn)生方式發(fā)生了以感知為特征的變革[4]，所產(chǎn)生并記錄的數(shù)據(jù)體量達到PB級別。

（2）多樣化：大數(shù)據(jù)包含的數(shù)據(jù)不僅數(shù)量巨大而且種類繁多，包括結(jié)構(gòu)化和非結(jié)構(gòu)化數(shù)據(jù)，其中非結(jié)構(gòu)化數(shù)據(jù)逐漸成為大數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)中的主要部分，約占總體數(shù)據(jù)的90%[5]。結(jié)構(gòu)化數(shù)據(jù)，常稱為行數(shù)據(jù)，其嚴格遵循數(shù)據(jù)格式與長度規(guī)范，通過關(guān)系型數(shù)據(jù)庫進行存儲和管理，用二維表結(jié)構(gòu)來加以邏輯表達，如政府行政審批、企業(yè)財務(wù)系統(tǒng)等核心數(shù)據(jù)庫。非結(jié)構(gòu)化數(shù)據(jù)是指不方便使用數(shù)據(jù)庫二維邏輯表達的數(shù)據(jù)，其數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)與內(nèi)容之間無明顯區(qū)分，如文本文檔、圖像照片、音頻視頻等。

（3）價值化：大數(shù)據(jù)價值密度低，但蘊藏巨大的價值。通過強大的機器算法處理，對海量數(shù)據(jù)進行迅速的價值提純，成為應(yīng)用大數(shù)據(jù)技術(shù)的關(guān)鍵。

（4）快速化：包括數(shù)據(jù)產(chǎn)生快和數(shù)據(jù)處理快兩個內(nèi)容。前者基于Web2.0時代數(shù)據(jù)可由用戶主動產(chǎn)生的特點，有多用戶低效率和少用戶高效率的數(shù)據(jù)產(chǎn)出情況;而后者所指的數(shù)據(jù)分析處理則是大數(shù)據(jù)價值鏈的最重要階段：大數(shù)據(jù)系統(tǒng)通過集群運算，與傳統(tǒng)數(shù)據(jù)挖掘技術(shù)不同，其響應(yīng)速度極快，時間窗口小，有利于工程的秒級決策[1]。

（二）大數(shù)據(jù)技術(shù)的影響

大數(shù)據(jù)時代的來臨將影響人類科學研究的方式，成為政府行政決策的重大考慮因素，滲透在國家法律法規(guī)與行業(yè)發(fā)展的日益變化之中，甚至改變著新一代人類的行為思維方式[6]。

同樣，大數(shù)據(jù)技術(shù)也逐漸成為土木工程領(lǐng)域的支撐技術(shù)。在建立工程數(shù)據(jù)庫的基礎(chǔ)上，對大數(shù)據(jù)的深度處理有利于發(fā)現(xiàn)新的工程結(jié)論。大數(shù)據(jù)技術(shù)的應(yīng)用不僅有助于在工程建設(shè)和維護方面逐漸形成由監(jiān)測信息組成的土木工程系統(tǒng)[7]，而且還有利于更新行業(yè)規(guī)范指標，推動土木工程領(lǐng)域標準化、現(xiàn)代化的建設(shè)。

二、大數(shù)據(jù)技術(shù)在土木工程領(lǐng)域的應(yīng)用現(xiàn)狀

（一）分析工程成本及能耗

建筑能耗與建筑材料、施工及建筑運行時的內(nèi)光照和熱交換等緊密聯(lián)系。Chen[8]結(jié)合大數(shù)據(jù)對建筑廢物的產(chǎn)生和相關(guān)影響因素進行分析，確定影響建筑垃圾產(chǎn)生的原因，然后在數(shù)據(jù)條中考慮建筑廢物的運輸量、運輸時間和運輸合約價格等因素，分析因素間的相關(guān)關(guān)系，最后得出影響建筑廢物重量的因素，為減少建筑廢物提出建議。Shrestha[9]利用蒙大拿州的歷史投標數(shù)據(jù)庫建立相關(guān)指標，對公路建設(shè)成本指數(shù)影響的準確性進行探究。DOca等[10]通過大數(shù)據(jù)技術(shù)分析法蘭克福某辦公樓16個辦公室的能耗，針對不同功能提供節(jié)能方案，以選擇更科學合理的設(shè)計。Chen等[11]通過對某建筑240個房間中各電力設(shè)備耗電的歷史數(shù)據(jù)進行分析，得到相應(yīng)的耗電模型，合理做出未來能耗情況的預測，以及時檢測用電情況，降低耗電節(jié)約能源。Chou等[12]設(shè)計了一套智能決策系統(tǒng)，對臺灣新北市某住宅樓進行檢驗，對減少電力消耗進行指導。

（二）結(jié)構(gòu)健康及破壞監(jiān)測

結(jié)構(gòu)健康檢測是通過無損傳感技術(shù)和結(jié)構(gòu)特征分析來探測結(jié)構(gòu)的力學性能，并通過實時監(jiān)控，對結(jié)構(gòu)進行可靠性、耐久性和承載能力等方面的評估，為預防突發(fā)災(zāi)害或進行維護以及管理決策提供指導依據(jù)的技術(shù)手段[13]。大數(shù)據(jù)技術(shù)可以有效收集儲存和高效處理由傳感器獲取的大量數(shù)據(jù)，運用它可建立結(jié)構(gòu)健康情況的實時監(jiān)控平臺。姜紹飛[14]從多方面歸納和總結(jié)了智能信息處理技術(shù)在結(jié)構(gòu)健康檢測上的研究成果。趙雪鋒等[15]通過基于安卓手機平臺的激光傳感系統(tǒng)來監(jiān)測橋梁的結(jié)構(gòu)位移。霍林生等[16]提出基于圖像識別的殘余變形檢測技術(shù)，用于震后建筑破壞評估和災(zāi)后救援。Catbas、Malekzadeh[17]提出一種基于機器學習的算法，用于處理可移動橋梁機械構(gòu)件產(chǎn)生的復雜數(shù)據(jù)，以進行有效的部件健康監(jiān)測。Han、Golparvar-Fard[18]將可視化數(shù)據(jù)與BIM結(jié)合進行建筑物性能分析，還通過圖像與BIM結(jié)合，提出一種可以解決低效通訊與工程管理問題的可視化分析模型。

（三）結(jié)構(gòu)承載能力與破壞準則研究

對混凝土的破壞特性，盡管在小數(shù)據(jù)環(huán)境中已有很多類型的本構(gòu)模型和恢復力模型，但由于混凝土材料的變異性，從大數(shù)據(jù)的視角看誤差比較大[13]。大數(shù)據(jù)技術(shù)不僅可以為此提供足夠的數(shù)據(jù)和良好的擬合能力，還有助于更新人們對結(jié)構(gòu)承載力和破壞準則的認識。Gandomi[19]提出一種進階的大數(shù)據(jù)挖掘計算方法，采用多對象遺傳算法模型，利用混凝土數(shù)據(jù)庫，通過批量處理數(shù)據(jù)及分布式計算機并行計算，擬合出良好的混凝土徐變模型。馬如進[20]通過收集車輛實際荷載信息和橋梁模型數(shù)據(jù)，確定構(gòu)件疲勞修正系數(shù)，計算鋼箱梁構(gòu)造細節(jié)疲勞壽命，從而對西侯門大橋大跨度梁橋進行疲勞壽命分析。Kim[21]利用美國所有橋梁統(tǒng)計數(shù)據(jù)，結(jié)合規(guī)范并通過大數(shù)據(jù)技術(shù)推測每個區(qū)域的橋梁損傷程度，綜合考慮橋梁建造時間、建筑材料荷載和使用條件等因素，預測全美的橋梁損傷情況。大數(shù)據(jù)技術(shù)還可以為結(jié)構(gòu)的計算分析提供云計算平臺，如設(shè)計有限元分析仿真系統(tǒng)架構(gòu)和云計算環(huán)境下有限元分析仿真系統(tǒng)的服務(wù)模式及服務(wù)流程[22]。

三、培養(yǎng)土木工程和大數(shù)據(jù)技術(shù)與應(yīng)用復合型人才的必要性

中國首份《大數(shù)據(jù)人才報告》顯示，預計2019年至2021年，全國大數(shù)據(jù)人才缺口將達到約150萬。而目前大數(shù)據(jù)人才僅不足50萬，滿足各行業(yè)大數(shù)據(jù)需求的人才資源存在總體短缺的情況，且有超過七成的大數(shù)據(jù)人才集中在北上廣深等地區(qū)，人才分布呈現(xiàn)大城市集中分布的特點。

面對如此情況，政府提出設(shè)立加快大數(shù)據(jù)研究的專項計劃，并擬定實施相關(guān)的規(guī)劃政策。許多大型企業(yè)和組織也積極對大數(shù)據(jù)技術(shù)進行投資，成立大數(shù)據(jù)的產(chǎn)品研發(fā)團隊和實驗室。此外，許多高等院校也投入到建設(shè)大數(shù)據(jù)研究機構(gòu)、研究大數(shù)據(jù)技術(shù)及設(shè)立相關(guān)應(yīng)用專業(yè)的工作中來?？偟膩碚f，目前中國大數(shù)據(jù)在各行業(yè)的應(yīng)用快速發(fā)展，但是相應(yīng)的人才培養(yǎng)機制的建立和完善還需要加快速度，大數(shù)據(jù)發(fā)展面臨嚴峻的人才短缺問題。

此外，隨著土木工程行業(yè)信息化的日益成熟和工程數(shù)據(jù)量的增加，大數(shù)據(jù)技術(shù)可以在工程建設(shè)的各個階段起到越來越高效且準確的指導作用[23]。盡管大數(shù)據(jù)技術(shù)與土木工程的應(yīng)用結(jié)合已然成為行業(yè)發(fā)展的重要方向，但是土木工程領(lǐng)域的大數(shù)據(jù)人才卻十分緊缺，這也導致行業(yè)的發(fā)展對復合型人才的需求更加迫切。高校作為人才培養(yǎng)的主體，應(yīng)該認識到該領(lǐng)域人才培養(yǎng)的必要性[24]。高?？梢岳靡延械膸熧Y和設(shè)施基礎(chǔ)，通過課程設(shè)置、專業(yè)培養(yǎng)模式革新等，加快推進土木工程與大數(shù)據(jù)技術(shù)與應(yīng)用復合型人才的培養(yǎng)。

四、土木工程和大數(shù)據(jù)技術(shù)與應(yīng)用復合型人才培養(yǎng)模式探究

（一）建立和拓寬各學科協(xié)同發(fā)展的新路子

土木工程屬于“離散性”較大的工程領(lǐng)域，工程的特殊性普遍存在，而更加復雜的工程結(jié)構(gòu)、施工及運營管理，尤其需要極高效可靠的運算處理能力。建立各學科協(xié)同發(fā)展的新道路，深化教育改革，創(chuàng)新人才培養(yǎng)體系，是培養(yǎng)土木工程和大數(shù)據(jù)技術(shù)與應(yīng)用復合型人才的重要基礎(chǔ)，也是人才培養(yǎng)重要內(nèi)涵建設(shè)的組成部分。在依托學校土木工程專業(yè)的基礎(chǔ)上，推進學科綜合專業(yè)建設(shè)，順應(yīng)時代趨勢，滿足社會要求，以促進各學科的創(chuàng)新發(fā)展。

（二）加強大數(shù)據(jù)發(fā)展平臺的建設(shè)

目前也有不少高校增設(shè)了大數(shù)據(jù)相關(guān)專業(yè)或平臺。如復旦大學設(shè)有大數(shù)據(jù)學院;清華大學設(shè)有數(shù)據(jù)科學研究院;北京航空航天大學設(shè)有交通大數(shù)據(jù)處理專業(yè);北京大學、中國人民大學等高校設(shè)有大數(shù)據(jù)分析碩士培養(yǎng)協(xié)同創(chuàng)新平臺。建設(shè)大數(shù)據(jù)發(fā)展平臺有利于推動大數(shù)據(jù)與各學科以及學科之間的交叉創(chuàng)新，集聚產(chǎn)業(yè)創(chuàng)新人才，培養(yǎng)應(yīng)用型、復合型的綜合人才，革新傳統(tǒng)管理理念，融匯全方位學術(shù)創(chuàng)新資源，建立滿足工程需求的寬領(lǐng)域研發(fā)團隊，著力創(chuàng)造具有重大市場應(yīng)用價值的科技研究成果。

（三）探索設(shè)立復合型人才實驗班

面向新時代，培養(yǎng)掌握多專業(yè)技能的復合型國家工程師是教育革新的目標和愿望。以同濟大學為例，目前同濟大學土木工程專業(yè)積極推進教育革新工作，設(shè)立土木工程—法學復合人才實驗班（雙學位）、數(shù)學強化班（土木工程+數(shù)學）、力學實驗班（土木工程+力學），施行復合型人才培養(yǎng)計劃。探索設(shè)立土木工程和大數(shù)據(jù)技術(shù)與應(yīng)用復合型人才培養(yǎng)的實驗班，可以集中教學師資，強化學生通用基礎(chǔ)知識的學習，增強理論、實踐和計算的結(jié)合，形成完整的知識結(jié)構(gòu)，使學生在未來參與工程建設(shè)的各個階段，具備更加寬闊的視角，擁有更加強大的數(shù)據(jù)處理技術(shù)和計算分析能力，能有效進行建設(shè)工況的監(jiān)控、決策、運營和維護。

（四）規(guī)范課程培養(yǎng)體系

建立規(guī)范合理的課程體系是進行復合型人才培養(yǎng)的關(guān)鍵。土木工程和大數(shù)據(jù)技術(shù)與應(yīng)用課程體系的構(gòu)建要從大數(shù)據(jù)技術(shù)發(fā)展與實際工程對復合人才的需要出發(fā)，結(jié)合學校既有的優(yōu)秀教學資源，建立適合學校教學目標和順應(yīng)行業(yè)發(fā)展的綜合課程體系[25-27]，并融合土木工程專業(yè)課程來設(shè)置大數(shù)據(jù)理論教學的公共基礎(chǔ)課、專業(yè)基礎(chǔ)課程和專業(yè)課程，此外還應(yīng)該有實踐教學。公共基礎(chǔ)課程如土木工程信息技術(shù)、計算機導論、計算機原理、程序設(shè)計;專業(yè)基礎(chǔ)課程如操作系統(tǒng)、數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)、數(shù)據(jù)庫及實現(xiàn)、數(shù)值算法與分析、大數(shù)據(jù)系統(tǒng)基礎(chǔ)等;專業(yè)課如大數(shù)據(jù)平臺核心技術(shù)、大數(shù)據(jù)分析與處理、大規(guī)模分布式系統(tǒng)、數(shù)據(jù)挖掘、大數(shù)據(jù)構(gòu)架設(shè)計基礎(chǔ)、數(shù)據(jù)可視化、流計算技術(shù)等;實踐教學如企業(yè)生產(chǎn)實習[28]、認識實習、課程設(shè)計、案例分析報告、專業(yè)素養(yǎng)系列講座及畢業(yè)設(shè)計等。

（五）形成具有可操作性的培養(yǎng)方案細則

在促進學科交叉、平臺建設(shè)和課程體系完善的同時，還應(yīng)形成具有可操作性的土木工程和大數(shù)據(jù)技術(shù)與應(yīng)用復合人才培養(yǎng)方案和實施細則。要注重工程專業(yè)課程和大數(shù)據(jù)技術(shù)理論的基礎(chǔ)教育，以核心專業(yè)課程為中心，非專業(yè)課程為拓展，建立學科間知識融合的教學思路，在課程內(nèi)容方面提供良好的人才培養(yǎng)土壤;培養(yǎng)方案要具體落實到工程實際應(yīng)用，強調(diào)以土木工程應(yīng)用為主導，增強大數(shù)據(jù)技術(shù)為工程服務(wù)的理念，明確教育的培養(yǎng)目標;體現(xiàn)項目創(chuàng)新要求，改革以傳統(tǒng)講授為主的教學模式，更多關(guān)注對學生工程實踐能力的提高。

五、結(jié)語

當前，土木工程信息化的發(fā)展趨勢對行業(yè)建設(shè)者提出了更高的職業(yè)要求，也是高等教育必須面對的一項全新課題。在大數(shù)據(jù)人才緊缺的背景下，積極探索培養(yǎng)土木工程和大數(shù)據(jù)技術(shù)與應(yīng)用復合型人才培養(yǎng)具有十分重要的現(xiàn)實意義。高校作為人才培養(yǎng)的主體，要積極進行教育探索，利用師資力量及研究設(shè)施等優(yōu)勢，以現(xiàn)有的教學經(jīng)驗為基礎(chǔ)，積極創(chuàng)新人才培養(yǎng)模式。在強化工程應(yīng)用人才培養(yǎng)的同時，促進高校內(nèi)各學科間的融合和特色課程體系的完善，培養(yǎng)滿足行業(yè)需求與技術(shù)要求的土木工程和大數(shù)據(jù)技術(shù)與應(yīng)用復合型人才，為解決大數(shù)據(jù)人才短缺的問題提供有效的解決途徑。

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Research on the compound talent training mode of

technology and application of civil engineering and big data

ZHOU Zhiguang，ZHAO Jinyi，LIU Hao

（College of Civil Engineering， Tongji University， Shanghai 200092， P. R. China）

Abstract：

With the development of computer technology， the third wave of informatization represented by the internet of things， cloud computing and big data has begun to emerge. In the field of civil engineering， big data technology has become indispensable， and the demand for talents in civil engineering and big data is increasing. As a result， the demand for training compound talents of civil engineering and big data is becoming stronger and stronger. This paper briefly introduces the concept of big data and lists the application status of big data technologies in civil engineering in domestic and abroad. Then it proposes the necessity of cultivating civil engineering and big data compound talents. Finally， it explores the training mode of compound talents for technology and application of civil engineering and big data.

Key words：big data; civil engineering; compound talents; training mode