人工智能在土木工程中的應(yīng)用研究

李皓軒

（江蘇開放大學(xué)（江蘇城市職業(yè)學(xué)院）,江蘇 南京 210036）

人工智能（Artificial Intelligence,AI）是一門以計算機(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)科知識的綜合性高新技術(shù)科學(xué)[1]。經(jīng)過近80年的發(fā)展，人工智能已經(jīng)從發(fā)展初期的“知識專家系統(tǒng)”，逐步發(fā)展為廣泛應(yīng)用于國民經(jīng)濟(jì)生活、工業(yè)生產(chǎn)制造、國防建設(shè)安全、教育信息交流等多領(lǐng)域的主導(dǎo)優(yōu)勢學(xué)科。傳統(tǒng)土木工程領(lǐng)域設(shè)計工作計算量大，建造工作環(huán)境惡劣，屬于勞動密集型產(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、工程量概算、施工建造、運(yùn)營維護(hù)等整個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，推動土木工程領(lǐng)域不斷提高機(jī)械化、自動化、信息化和智能化水平[2]。

1 人工智能在土木工程中應(yīng)用的意義

對于土木工程而言，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完成。而在科技高度發(fā)達(dá)、智能化程度高的未來，人工智能技術(shù)必將滲透于人類社會活動和生產(chǎn)活動的各個方面，人類大規(guī)模體力勞動和惡劣環(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)型升級是世界范圍內(nèi)的熱門話題，各國都提出了建筑產(chǎn)業(yè)化等行業(yè)長遠(yuǎn)發(fā)展的愿景。我國應(yīng)充分探索形成中國模式和經(jīng)驗，積極應(yīng)對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，為形成基于中國基礎(chǔ)設(shè)施優(yōu)勢的強(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、建造等工作全方位融合，才能推動土木工程的發(fā)展，實現(xiàn)土木工程的跨越式進(jìn)步。

2 人工智能在土木工程中的應(yīng)用

2.1 人工智能在結(jié)構(gòu)設(shè)計中的應(yīng)用

工程結(jié)構(gòu)設(shè)計是建筑工程的基礎(chǔ)，也是建筑個性化實現(xiàn)的根本保證。對于建筑工程結(jié)構(gòu)設(shè)計而言，安全可靠、節(jié)能環(huán)保、科學(xué)合理、抗震等是必須滿足的基本原則[3]。傳統(tǒng)的建筑結(jié)構(gòu)設(shè)計過程主要分為結(jié)構(gòu)方案設(shè)計、初步結(jié)構(gòu)設(shè)計、施工圖設(shè)計三個階段。結(jié)構(gòu)方案設(shè)計和初步結(jié)構(gòu)設(shè)計主要依賴于結(jié)構(gòu)設(shè)計師的專業(yè)知識和工程經(jīng)驗，而施工圖設(shè)計則更加依賴于結(jié)構(gòu)設(shè)計師對相關(guān)規(guī)范、標(biāo)準(zhǔn)的理解和掌握。建筑結(jié)構(gòu)設(shè)計與建筑造型設(shè)計不同，其設(shè)計思路更偏向于專業(yè)和具體，沒有較多的主觀影響，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)計滿足基本原則、實現(xiàn)建筑功能的重要因素[4]。人工智能技術(shù)作為計算機(jī)技術(shù)的分支，其計算能力遠(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)計結(jié)果。

近年來，已有多位學(xué)者對人工智能應(yīng)用于結(jié)構(gòu)設(shè)計展開研究[5]。蘇國韶等（2009）提出了一種人工智能的機(jī)器學(xué)習(xí)方法，通過建立相應(yīng)的預(yù)測模型以解決邊坡穩(wěn)定性的合理評價問題，該方法通過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)的評價結(jié)果[6]。

在實體結(jié)構(gòu)設(shè)計方面，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)計方法[7]，由謝億民和Steven于1992年首次提出。通過與現(xiàn)有的有限元分析軟件連接，該結(jié)構(gòu)優(yōu)化設(shè)計方法能通過計算機(jī)的有限元分析計算，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“最優(yōu)”的結(jié)構(gòu)形式。經(jīng)過多年研究發(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)計中，尤其是在負(fù)泊松比材料的結(jié)構(gòu)設(shè)計方面，目前的幾種負(fù)泊松比材料的設(shè)計主要基于結(jié)構(gòu)工程師的主觀經(jīng)驗和基于屈曲分析的二維結(jié)構(gòu)設(shè)計，而應(yīng)用漸進(jìn)結(jié)構(gòu)優(yōu)化法可以設(shè)計出力學(xué)性能更優(yōu)的三維負(fù)泊松比材料和結(jié)構(gòu)[8]。但是在實際研究過程中，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)計等實際工程中應(yīng)用取得突破性進(jìn)展、廣泛應(yīng)用于實際土木工程結(jié)構(gòu)設(shè)計的主要因素。這些仍主要依賴于研究人員的主觀經(jīng)驗和判斷，實際試驗驗證的成本往往較高。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，通過人工智能的“專家系統(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。

2.2 人工智能在工程材料中的應(yīng)用

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，國內(nèi)外已有不少專家學(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]。通過將人工智能技術(shù)與混凝土配合比設(shè)計相結(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算時間成本。同時，人工智能還可以通過對大量配合比數(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，實現(xiàn)混凝土配合比智能、精準(zhǔn)設(shè)計。

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)的鋼材瑕疵檢測方式主要有人工檢測和單一機(jī)理檢測，但由于鋼材瑕疵形式種類多樣且缺乏統(tǒng)一的鑒定標(biāo)準(zhǔn)，傳統(tǒng)人工檢測效率較低且精準(zhǔn)性難以保證，而單一機(jī)理檢測限制條件較多且在實時性和綜合性檢測能力上存在不足，使得鋼材瑕疵檢測成為鋼材生產(chǎn)和質(zhì)量管理的主要難點。隨著計算機(jī)科學(xué)的發(fā)展，德國Parsytec公司設(shè)計了一種基于圖像采集和處理系統(tǒng)的鋼板表面瑕疵實時動態(tài)檢測系統(tǒng)HTS，可以快速檢測運(yùn)動中的鋼板表面的瑕疵[10]。近年來，國內(nèi)也有學(xué)者將人工智能與建筑鋼材瑕疵實時檢測相結(jié)合[11]，基于深度學(xué)習(xí)設(shè)計了工業(yè)鋼材瑕疵檢測系統(tǒng)模型及相關(guān)代碼，實現(xiàn)了鋼材智能化實時精準(zhǔn)檢測。這極大地減少了鋼材瑕疵檢測的人工成本，提高了鋼材瑕疵檢測的精準(zhǔn)性。隨著人工智能的進(jìn)一步發(fā)展，鋼材瑕疵檢測系統(tǒng)還可以向著檢測精度更高、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，人工智能還可以實現(xiàn)新材料的自主試驗[12]。例如美國空軍研究實驗室的材料和制造部研制的材料制備試驗機(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能自主開展材料制備試驗，包括自主學(xué)習(xí)完成試驗設(shè)計、確定參數(shù)完成試驗實施、評估數(shù)據(jù)優(yōu)化試驗設(shè)計，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，難以完成實際建造。未來隨著信息技術(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、材料試驗、材料制造等方面給土木工程發(fā)展帶來新的動力。

2.3 人工智能在工程造價中的應(yīng)用

工程造價管理是土木工程項目管理的重要核心內(nèi)容之一，是土木工程建設(shè)過程中能否實際建造、達(dá)成設(shè)計目標(biāo)的關(guān)鍵環(huán)節(jié)[13]。目前我國土木工程行業(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，同時人力和機(jī)械的粗放式使用也給工程造價的準(zhǔn)確計算帶來較大難度。

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)用于工程造價管理，在一定程度上改善了傳統(tǒng)工程造價信息來源單一、信息交流困難、信息數(shù)據(jù)復(fù)雜所形成的“信息孤島”問題，提高了各參建單位的信息互動性，更有利于建設(shè)單位進(jìn)行工程造價控制。相比傳統(tǒng)的清單造價管理，智能化的管理系統(tǒng)還提高了工程造價管理的效率和質(zhì)量。目前，國內(nèi)已有學(xué)者采用人工神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)對傳統(tǒng)工程材料螺紋鋼的價格變動趨勢進(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)的螺紋鋼價格趨勢預(yù)測具有一定的準(zhǔn)確性，但具體價格仍有偏差，需要進(jìn)一步分析優(yōu)化算法[15]。

未來，人工智能與工程造價的深度結(jié)合，將進(jìn)一步降低工程造價管理工作對“人”的依賴[16]。通過人工智能技術(shù)的應(yīng)用，將更好地推動工程造價數(shù)據(jù)分析規(guī)模化、精準(zhǔn)化、動態(tài)化，促進(jìn)工程造價管理模式和管理技術(shù)創(chuàng)新發(fā)展[17]。

2.4 人工智能在智能建造中的應(yīng)用

近年來，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程中的體力和腦力勞動[18]，是土木工程未來發(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，施工過程的管理工作將更加高效[19]。在施工建造過程中，應(yīng)用人工智能技術(shù)進(jìn)行項目管理和質(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)是未來施工企業(yè)進(jìn)行施工管理的一個重要發(fā)展趨勢。

2.5 人工智能在施工人員管理中的應(yīng)用

近年來，我國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，安全人員無法及時發(fā)現(xiàn)危險的問題，將計算機(jī)視覺與工地監(jiān)管相融合，能夠及時發(fā)現(xiàn)并阻止危險發(fā)生。通過對施工過程進(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)評估可以檢測出人體或機(jī)械的姿態(tài)信息，包括肢體的朝向等。通過對人體或機(jī)械的行為進(jìn)行預(yù)測，能夠?qū)ξｋU動作發(fā)出警告，并及時發(fā)現(xiàn)傷者。智能生成數(shù)據(jù)集的挖掘機(jī)姿態(tài)評估模型能夠成功評估挖掘機(jī)的姿態(tài)。并且，該模型也適用于其他機(jī)械的姿態(tài)評估。有研究使用低分辨率相機(jī)采集車輛駕駛員的頭部圖像，實時地對駕駛員的頭部姿態(tài)進(jìn)行估計；并提出一種計算駕駛員動態(tài)視野盲區(qū)的方法，實時分析駕駛員的動態(tài)視野盲區(qū)，對進(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)場設(shè)備撞擊造成的傷亡。此外，該評估方法能夠使用智能手機(jī)對施工人員的軀干姿勢進(jìn)行危險評估、判斷施工人員的身體狀況，從而降低錯誤的作業(yè)姿勢對施工人員身體的損害。

2.6 人工智能在防災(zāi)減災(zāi)中的應(yīng)用

防災(zāi)減災(zāi)一直是土木工程領(lǐng)域的研究重點。通過加強(qiáng)風(fēng)險預(yù)警、風(fēng)險管理，提高應(yīng)急處置能力，可以有效減少災(zāi)害損失，實現(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別的建筑易損性評估系統(tǒng)、基于梯度提升和隨機(jī)森林模型的高風(fēng)險建筑識別系統(tǒng)、基于卷積神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)的災(zāi)害自動監(jiān)測系統(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。

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、分類、參數(shù)預(yù)測等諸多方面提高了地震減災(zāi)預(yù)警的準(zhǔn)確性和預(yù)測效率，極大地推動了地震減災(zāi)領(lǐng)域的發(fā)展。

2.7 人工智能在工程維護(hù)中的應(yīng)用

人工智能技術(shù)在土木工程的運(yùn)營和維護(hù)方面也能發(fā)揮重要作用。在工程成果驗收方面，可以通過機(jī)器人來完成。機(jī)器人到達(dá)現(xiàn)場后，可通過激光雷達(dá)對工程建筑物進(jìn)行掃描，以3D的形式呈現(xiàn)在系統(tǒng)中，與原有模型進(jìn)行對比，以找出其中的問題。同時，其還可通過超聲波對地板厚度等進(jìn)行檢測，全方位保障工程的安全和質(zhì)量。之后，機(jī)器人會通過通信系統(tǒng)聯(lián)系甲方，實時傳送現(xiàn)場畫面，讓客戶對整體工程做一個判定。這時候，機(jī)器人就是一個通信介質(zhì)，乙方可通過機(jī)器人與甲方進(jìn)行直接的交流。在驗收過后的維護(hù)方面，可以用無人機(jī)和機(jī)器人來代替，從內(nèi)到外、從上到下對工程進(jìn)行檢修和維護(hù)。

在土木工程后期的運(yùn)營階段，人工智能可負(fù)責(zé)建筑物的監(jiān)控和維護(hù)工作，可以利用無人機(jī)、計算機(jī)視覺、深度學(xué)習(xí)等技術(shù)來完成。例如無人機(jī)在土木工程領(lǐng)域視覺監(jiān)控建設(shè)和運(yùn)行方面的應(yīng)用具有巨大潛力。無人機(jī)通過搭載不同類型的傳感器，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，能及時更新實時工程信息，為緊急救援提供更準(zhǔn)確快速的實時信息，以協(xié)助相關(guān)部門迅速準(zhǔn)確地制定出最佳的應(yīng)急和處置方案。

3 結(jié)語

綜上所述，人工智能在土木工程領(lǐng)域發(fā)揮著無可替代的作用，正在逐漸融入傳統(tǒng)土木工程項目生命周期的各階段，使土木工程項目的設(shè)計更精準(zhǔn)、更高效，節(jié)省勞動力成本，優(yōu)化各工序銜接程序，縮短項目工期，極大地推動工程項目在精細(xì)化、智能化道路上的發(fā)展。