人工智能在橋梁工程上的應(yīng)用

何 沐

（南京市寧海中學(xué) 江蘇南京 210000）

前言

互聯(lián)網(wǎng)和計(jì)算機(jī)科學(xué)技術(shù)的快速發(fā)展，創(chuàng)造了一個(gè)個(gè)虛擬世界的奇跡，并不斷改善人們的生活。2016年3月，AlphaGo與世界圍棋冠軍李世石進(jìn)行競賽，結(jié)果以4比1的總比分獲勝，人工智能因此再一次進(jìn)入了大眾的視野。目前，人工智能技術(shù)深刻改變了醫(yī)學(xué)領(lǐng)域、教育領(lǐng)域和以汽車業(yè)為代表的工業(yè)領(lǐng)域。

改革開放后，中國的橋梁建設(shè)取得了很大的成就，目前中國現(xiàn)代橋梁總數(shù)已達(dá)86萬座，其中公路橋梁80萬座，鐵路橋梁6萬座，遠(yuǎn)遠(yuǎn)超過世界其他國家，居世界第一。中國人建設(shè)了許多跨度、規(guī)模和穩(wěn)定性等方面世所罕見的高難度橋梁。[1]

但是，目前我國在橋梁設(shè)計(jì)、施工及運(yùn)維管理還存在許多可以提升的地方。在設(shè)計(jì)階段，橋梁設(shè)計(jì)重復(fù)性工作很多，設(shè)計(jì)人員淪為畫圖人員，眾多設(shè)計(jì)成果得不到有效積累；在施工階段，施工流程繁雜，缺乏經(jīng)驗(yàn)的管理人員經(jīng)常難以有效評估所有的進(jìn)度影響因素和危險(xiǎn)因素，致使施工進(jìn)度的滯后和質(zhì)量的下降，甚至產(chǎn)生危險(xiǎn)的事故；在運(yùn)維管理階段，檢查記錄大都是紙質(zhì)記錄然后錄入到表格中，信息是離散化的，沒有整體性站在全橋的角度考慮。而且運(yùn)維過程中產(chǎn)生了大量的數(shù)據(jù)，比如傳感器記錄的結(jié)果，是沒有得到有效利用的，目前只是作為報(bào)警閾值的核查。

如何利用人工智能技術(shù)實(shí)現(xiàn)橋梁的智能化設(shè)計(jì)、精細(xì)化施工管理及科學(xué)運(yùn)維養(yǎng)護(hù)是未來橋梁的發(fā)展方向。

一、人工智能技術(shù)

人工智能（Artificial Intelligence），英文縮寫為AI。它是研究、開發(fā)、延伸和擴(kuò)展人的智能的理論、方法、技術(shù)及應(yīng)用系統(tǒng)的一門新的技術(shù)科學(xué)，主要包括深度學(xué)習(xí)/機(jī)器學(xué)習(xí)、自然語言處理、計(jì)算機(jī)視覺/圖像識別、手勢控制、虛擬私人助手、智能機(jī)器人、推薦引擎和協(xié)助過濾算法、情境感知計(jì)算、語音翻譯、視頻內(nèi)容自動(dòng)識別等[2]。

目前人工智能技術(shù)在工業(yè)上主要有以下3個(gè)方面：

1.數(shù)據(jù)的可視化分析。通過收集工業(yè)設(shè)備運(yùn)行過程中的各項(xiàng)數(shù)據(jù)（溫度、濕度、能耗、效率等），然后通過人工智能技術(shù)整理數(shù)據(jù)、分析數(shù)據(jù)，根據(jù)分析結(jié)果優(yōu)化生產(chǎn)線降低能耗和檢測設(shè)備是否產(chǎn)生異常；

2.設(shè)備的自我診斷。如果某條生產(chǎn)線出問題，通過人工智能的智能分析，可以迅速定位產(chǎn)生異常的設(shè)備和診斷異常出現(xiàn)的原因，同時(shí)根據(jù)歷史運(yùn)維的記錄或者標(biāo)準(zhǔn)指導(dǎo)維修人員如何修復(fù)出現(xiàn)的問題，甚至讓設(shè)備自我診斷與修正；

3.預(yù)測性維護(hù)。通過跟蹤與分析設(shè)備的運(yùn)行情況，提前發(fā)現(xiàn)可能出現(xiàn)異常的設(shè)備，從而提前通知維護(hù)人員修復(fù)該設(shè)備。

工業(yè)領(lǐng)域在許多方面走在土木工程領(lǐng)域的前面，人工智能在工業(yè)上的應(yīng)用會啟發(fā)我們?nèi)绾卧跇蛄汗こ讨袘?yīng)用該技術(shù)提高生產(chǎn)力。

二、人工智能在橋梁設(shè)計(jì)中的作用

橋梁設(shè)計(jì)方的主要工作分為計(jì)算和出圖，故本節(jié)從圖形和模型的檢查、自動(dòng)化設(shè)計(jì)與真實(shí)情況模擬三個(gè)角度介紹人工智能在橋梁設(shè)計(jì)中的作用。

（一）圖紙和模型的檢查

針對工程中規(guī)范多樣化，模型差異化的特點(diǎn)，清華大學(xué)的張荷花等人通過研究各類建筑規(guī)范的規(guī)則，將其轉(zhuǎn)換為計(jì)算機(jī)可以識別的領(lǐng)域規(guī)則；對建筑信息化模型（以下簡稱BIM模型）的信息結(jié)構(gòu)進(jìn)行語義模型的抽?。蝗缓蟾鶕?jù)抽取的語義模型和領(lǐng)域規(guī)則給出BIM模型是否符合建筑規(guī)范的結(jié)論；最后通過大量的BIM模型數(shù)據(jù)的挖掘、清洗與數(shù)理，使得檢查工具自我提升，變得更加智能高效[3]。

（二）自動(dòng)化設(shè)計(jì)

“智能設(shè)計(jì)”是許多設(shè)計(jì)院科研部門一直致力于攻克的領(lǐng)域，其最核心的功能是自動(dòng)出圖。根據(jù)一些邊界條件的設(shè)定，自動(dòng)計(jì)算，自動(dòng)出圖，解決了橋梁設(shè)計(jì)師們要花費(fèi)大量時(shí)間畫圖的痛點(diǎn)，讓其專心于設(shè)計(jì)，是十分有價(jià)值有前景的領(lǐng)域。但橋梁設(shè)計(jì)本身具有較大的隨機(jī)性，稍微復(fù)雜些的工程很難用有限的邊界條件進(jìn)行規(guī)定。如果能把設(shè)計(jì)單位設(shè)計(jì)的橋梁作為一個(gè)學(xué)習(xí)的庫，通過訓(xùn)練一個(gè)人工智能的“設(shè)計(jì)師”，使其能夠吸收眾多設(shè)計(jì)師的成果，相信不僅能快速完成常規(guī)項(xiàng)目，對于復(fù)雜甚至需要?jiǎng)?chuàng)造性的項(xiàng)目也能勝任。

不過，二維圖紙自身數(shù)據(jù)信息是離散的，沒有結(jié)構(gòu)化地存儲起來，無法清晰地用計(jì)算機(jī)語言去理解，故很難用于人工智能尤其是深度學(xué)習(xí)的訓(xùn)練。這也是人工智能技術(shù)目前未能在橋梁設(shè)計(jì)中應(yīng)用的主要原因。未來橋梁的設(shè)計(jì)將由二維平面化改變?yōu)槿S立體化，即BIM時(shí)代。BIM(Building Information Modeling)概念誕生于2002年，由Autodesk公司首次提出，對全球的建筑行業(yè)有很大的影響。BIM的核心理念是通過數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)化存儲的三維模型管理建筑的全生命周期，即建筑的設(shè)計(jì)、施工、運(yùn)維和最終的拆除，并且建筑行業(yè)的各類角色和團(tuán)隊(duì)都可以基于該三維模型進(jìn)行工作上的協(xié)同。一個(gè)模型終生使用，數(shù)據(jù)傳遞完整高效，提高效率、節(jié)約成本。

BIM這種結(jié)構(gòu)化的建筑信息數(shù)據(jù)庫為人工智能技術(shù)在橋梁設(shè)計(jì)中的應(yīng)用奠定了基礎(chǔ)。人工智能可以實(shí)現(xiàn)橋梁各個(gè)構(gòu)件的系統(tǒng)性科學(xué)設(shè)計(jì)。將人工智能運(yùn)用到橋梁設(shè)計(jì)中，可以模擬結(jié)構(gòu)工程師“安全”的理性思維與設(shè)計(jì)師“美觀”的感性思維，從而實(shí)現(xiàn)建筑“制造”向建筑“創(chuàng)造”的轉(zhuǎn)化，最終促進(jìn)智慧化建筑的快速發(fā)展。

（三）真實(shí)情況模擬

為了研究火災(zāi)、地震等自然災(zāi)害對于橋梁的影響，國內(nèi)外學(xué)者主要通過有限元軟件全面模擬橋梁受到災(zāi)害影響的全過程，把橋梁所處環(huán)境和所得到的各類數(shù)據(jù)之間進(jìn)行融合，得出了危害建筑安全和結(jié)構(gòu)穩(wěn)定的因素，增強(qiáng)了橋梁的可靠性。目前有限元模擬在國內(nèi)應(yīng)用得很廣泛，也配合大量實(shí)驗(yàn)進(jìn)行了對比，但是每個(gè)項(xiàng)目彼此獨(dú)立，許多參數(shù)的選擇和模擬都憑借設(shè)計(jì)人員的經(jīng)驗(yàn)，缺乏一定的科學(xué)性。如果能用人工智能把信息統(tǒng)籌整理起來，可以大大增加效率、降低成本，最關(guān)鍵的是大大增加項(xiàng)目的科學(xué)性。

三、人工智能在橋梁施工中的作用

（一）施工規(guī)劃

橋梁的施工現(xiàn)場往往有3大特點(diǎn)：1.施工環(huán)境千差萬別；2.施工可選方案有很多；3.隨機(jī)事件概率大。這3個(gè)特點(diǎn)導(dǎo)致現(xiàn)場施工管理人員需要根據(jù)具體的施工現(xiàn)場環(huán)境及資源，布置機(jī)械及廠房的位置，規(guī)劃施工機(jī)械的路線及頻率，合理分配材料和人力的使用。根據(jù)具體的施工條件來選擇合適的施工方案，根據(jù)各類隨機(jī)事件的發(fā)生來調(diào)整施工步驟，以達(dá)到效率最高、成本最低的狀態(tài)。但是由于各種因素的疊加影響和時(shí)間緊迫，哪怕經(jīng)驗(yàn)豐富的施工管理人員也經(jīng)常會做出錯(cuò)誤的判斷。如果可以通過各類因素的整合，通過高擬真的人工智能算法根據(jù)現(xiàn)場情況提出全面而實(shí)際的建議，肯定能大大降低失誤的概率。

在施工前的規(guī)劃及施工過程中的及時(shí)調(diào)整，收集匯總及分析人機(jī)料法環(huán)等多種關(guān)鍵信息，并使其指導(dǎo)施工決策，使整個(gè)施工過程科學(xué)高效，這可以稱之為施工規(guī)劃的智能化。例如，根據(jù)施工單位目前所擁有的機(jī)械和附近材料庫的信息，自動(dòng)規(guī)劃出合理的施工機(jī)械使用方案及材料購置方案，并且匹配運(yùn)輸機(jī)械分配和材料運(yùn)送的方案，最終達(dá)到可行且經(jīng)濟(jì)的最優(yōu)化配置，大大節(jié)約了時(shí)間及財(cái)務(wù)上的壓力。

同時(shí)，如果將來所有橋梁的施工數(shù)據(jù)儲存在統(tǒng)一的數(shù)據(jù)庫里，每座橋梁的基本信息都可以與其他橋梁進(jìn)行分析比對。根據(jù)已有的成功案例迅速導(dǎo)出合理的實(shí)施方案，實(shí)現(xiàn)了施工管理的智能化及現(xiàn)代化。

（二）施工管理

施工安全管理方面，橋梁施工過程中的物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)為橋梁建設(shè)的信息化與智能化奠定了基礎(chǔ)。通過物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)可以實(shí)時(shí)掌握橋梁各個(gè)構(gòu)件在生產(chǎn)、運(yùn)輸、存放、吊裝施工及后期運(yùn)維過程中的信息變化與碰撞檢測，同時(shí)可以感知各構(gòu)部件信息匹配及實(shí)時(shí)情況，做到事故發(fā)生的提前預(yù)報(bào)，從而降低事故發(fā)生的概率、提高施工過程中的安全性。例如，在橋梁基坑開挖過程中，可以快速檢測基坑的尺寸，實(shí)時(shí)分析數(shù)據(jù)是否在安全的范圍內(nèi)，為進(jìn)一步推動(dòng)后續(xù)施工過程提供了切實(shí)有效的依據(jù)，保證了施工過程的安全性。

施工進(jìn)度管理方面，利用人工智能技術(shù)構(gòu)建進(jìn)度與資源之間的關(guān)系模型，并找出人機(jī)料法環(huán)等資源變化對于進(jìn)度的影響方式及其比重。在資源及施工情況發(fā)生變化時(shí)，可以及時(shí)定量地獲得該變化對于施工進(jìn)度的影響，同時(shí)可以通過該模型找出最優(yōu)化的彌補(bǔ)方案，使得施工進(jìn)度的調(diào)整更具動(dòng)態(tài)性和科學(xué)性。

四、人工智能在橋梁運(yùn)維中的作用

（一）運(yùn)維數(shù)據(jù)處理

由于運(yùn)維階段是橋梁全生命周期中時(shí)間跨度最長的部分。橋梁在運(yùn)維過程中會產(chǎn)生大量的數(shù)據(jù)，比如說傳感器記錄的數(shù)值，巡檢人員拍攝的照片及測量的數(shù)據(jù)和天氣情況、車流量等。對于橋梁運(yùn)維人員，信息量巨大、關(guān)鍵信息難以提取、各類因素之間相互影響導(dǎo)致了運(yùn)維的效率較低。而且橋梁監(jiān)測的結(jié)構(gòu)參數(shù)很多，包括應(yīng)變、加速度、速度、位移、溫度、旋轉(zhuǎn)等，再則橋梁結(jié)構(gòu)自身的特性決定了傳感器布置得很多，而且不同的參數(shù)測量采用的原理也大多不一樣，尤其智能傳感器的出現(xiàn)使得測量的信號差異很大[4]。

如果將人工智能與橋梁運(yùn)維相結(jié)合，可以快速處理海量信息，提取關(guān)鍵的數(shù)據(jù)指導(dǎo)運(yùn)維階段的決策，真正實(shí)現(xiàn)及時(shí)預(yù)防和對癥下藥。建筑物故障診斷預(yù)測與健康管理(Building Prognostic and Health Management，B-PHM)是AI+智慧建筑的典型應(yīng)用場景之一[5]。設(shè)備監(jiān)控+設(shè)備管理+能耗監(jiān)測和能源管理=建筑能源管理系統(tǒng)(Building Energy Management System，BEMS)。對復(fù)雜建筑設(shè)備的全生命周期進(jìn)行故障診斷、預(yù)測、健康狀態(tài)評估和健康管理。圖1基于神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)專家系統(tǒng)的故障診斷模型具體案例，以神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)技術(shù)為核心，建立專家系統(tǒng)，采用專家系統(tǒng)的相關(guān)經(jīng)驗(yàn)完成解釋、預(yù)測等工作。

圖1 基于神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)專家系統(tǒng)的故障診斷模型

趙雪峰等人將人工智能與智能手機(jī)相結(jié)合，利用智能手機(jī)拍攝橋梁混凝土裂紋圖片，再利用人工智能深度學(xué)習(xí)中的卷積神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)識別和定位圖片中的裂紋以達(dá)到裂紋檢測的目的。最后提出了基于人工智能與智能手機(jī)相結(jié)合的混凝土裂紋檢測大數(shù)據(jù)模式，調(diào)動(dòng)公眾來收集混凝土裂紋圖片大數(shù)據(jù)，充分利用智能手機(jī)與人工智能技術(shù)的優(yōu)勢，使得混凝土裂紋圖片大數(shù)據(jù)的收集與裂紋檢測成為可能[5]。

（二）運(yùn)維方案管理

橋梁的巡檢十分重要，但往往難度很大且需要大型機(jī)械的輔助，費(fèi)時(shí)費(fèi)力并會影響橋梁的正常通行。因此，近幾年無人機(jī)開始應(yīng)用于橋梁的巡檢中，但人為操作效率低且危險(xiǎn)系數(shù)較大。如果采用人工智能技術(shù)，把巡檢關(guān)鍵點(diǎn)及橋梁三維模型結(jié)合，自動(dòng)生成巡檢路線及拍攝區(qū)域，則能大大增加巡檢的效率。

五、展望

人工智能和大數(shù)據(jù)實(shí)際上是密切相關(guān)的，只有整個(gè)建筑行業(yè)達(dá)到一個(gè)較大的信息化水平，才能有應(yīng)用人工智能的土壤，最終實(shí)現(xiàn)真正意義上的智能化與智慧化。橋梁工程的未來將向著信息化、智能化、自動(dòng)化的方向發(fā)展，橋梁建設(shè)人員應(yīng)該更加注重對信息技術(shù)的學(xué)習(xí)和運(yùn)用。人工智能技術(shù)將提高我們對數(shù)據(jù)的分析和處理能力，能夠使專業(yè)知識數(shù)據(jù)化，從而提高工作的效率和質(zhì)量。我們中學(xué)生也應(yīng)在橋梁智能化上不斷摸索，以便橋梁運(yùn)營更加專業(yè)化。