現(xiàn)代信息技術(shù)對地下工程建設(shè)的影響分析及啟示

現(xiàn)代信息技術(shù)對地下工程建設(shè)的影響分析及啟示1、前言現(xiàn)代信息技術(shù)是指上世紀(jì)70年頭以來，隨著微電子技術(shù)、計(jì)算機(jī)技術(shù)和通信技術(shù)的發(fā)展，圍圍著信息的產(chǎn)生、收集、存儲、處理、檢索和傳遞，形成的一個(gè)全新的、用以開發(fā)和利用信息資源的高技術(shù)群，包括微電子技術(shù)、通信技術(shù)、計(jì)算機(jī)技術(shù)、各類軟件及系統(tǒng)集成技術(shù)、傳感技術(shù)、機(jī)器人技術(shù)、自動限制技術(shù)、多媒體技術(shù)等?，F(xiàn)代信息技術(shù)正以前所未有的廣度和深度影響著社會的方方面面。地下工程作為傳統(tǒng)學(xué)科—土木工程的一個(gè)方向，在現(xiàn)代信息技術(shù)的推動下，不斷進(jìn)行技術(shù)創(chuàng)新，漸漸實(shí)現(xiàn)地下工程建設(shè)的機(jī)械化、信息化施工甚至無人化施工，并且引入了最新的數(shù)字化技術(shù)、虛擬技術(shù)和人工智能技術(shù)，從工程的規(guī)劃、設(shè)計(jì)、施工、維護(hù)等方面體現(xiàn)著地下工程的發(fā)展趨勢。21世紀(jì)是開發(fā)利用地下空間的時(shí)代，現(xiàn)代信息技術(shù)將對其產(chǎn)生深遠(yuǎn)的影響，也給從事地下工程建設(shè)的工程師帶來了機(jī)遇和挑戰(zhàn)。2、現(xiàn)代信息技術(shù)在地下工程建設(shè)中的應(yīng)用2.1信息化設(shè)計(jì)與施工技術(shù)由于地下工程的受力特點(diǎn)及困難性，其測試與監(jiān)測技術(shù)始終受到工程界的高度重視。從場地水文地質(zhì)和工程物理力學(xué)特性試驗(yàn)，到開挖與支護(hù)過程中的同步監(jiān)測，以及地下構(gòu)筑物建成投入運(yùn)用，測試和監(jiān)測技術(shù)不僅對計(jì)算理論，而且對整個(gè)工程施工技術(shù)水平的提高將產(chǎn)生深刻的影響。上世紀(jì)50年頭國際上就起先通過對地下工程的量測來監(jiān)視圍巖和支護(hù)的穩(wěn)定性，并應(yīng)用現(xiàn)場監(jiān)測結(jié)果來修正設(shè)計(jì)、指導(dǎo)施工。近年來，現(xiàn)場量測又與工程地質(zhì)、力學(xué)分析緊密結(jié)合，正在漸漸形成一整套監(jiān)控設(shè)計(jì)（或稱信息設(shè)計(jì)）的原理與方法，較好地反應(yīng)與適應(yīng)地下工程的規(guī)律和特點(diǎn)。城市地下隧道工程開挖引起的上覆巖（土）層的變形將有可能干脆影響沿線地表設(shè)施和鄰近建（構(gòu)）筑物的平安正常運(yùn)用，因此信息化施工顯得更為重要。以上海的地鐵建設(shè)為例，目前全市在建軌道交通總里程已達(dá)104公里，又有5個(gè)項(xiàng)目將先后開工，涉及長度110公里。在今后的幾年里，每年將同時(shí)有100多公里的地鐵在建設(shè)，每年將平均有40多公里的地鐵被建成。目前上海地鐵工程所面臨的問題是：1)規(guī)模大，工程多；2)有閱歷的管理人員有限；3)施工單位水平良莠不齊；4)工程難度增加。以上的這些問題，給大規(guī)模的地鐵建設(shè)帶來了很大的隱患。因此，利用現(xiàn)代信息技術(shù)實(shí)現(xiàn)地鐵建設(shè)的信息化施工，可以有效地確保施工平安，目前采納的網(wǎng)絡(luò)監(jiān)控系統(tǒng)如圖1所示。圖1網(wǎng)絡(luò)監(jiān)控系統(tǒng)架構(gòu)另外，以目前通用的用于城市地鐵施工的盾構(gòu)法隧道為例，基于計(jì)算機(jī)應(yīng)用技術(shù)、網(wǎng)絡(luò)技術(shù)、數(shù)據(jù)庫、多媒體、仿真、光纖通信等高新技術(shù)建立起來的“盾構(gòu)隧道施工多媒體監(jiān)控與仿真系統(tǒng)主控程序與數(shù)據(jù)庫系統(tǒng)”，實(shí)現(xiàn)了視頻監(jiān)視、施工參數(shù)監(jiān)測與限制、地面沉降仿真預(yù)料、3D動畫顯示等功能。這對保障環(huán)境平安、提高施工質(zhì)量和生產(chǎn)效率、提高施工信息化程度和管理水平有重大意義。2.2自動限制技術(shù)地下工程建設(shè)中，施工機(jī)械通常在惡劣的工作環(huán)境中作業(yè)，操作人員為完成施工任務(wù)，一方面要規(guī)范操作，頻繁調(diào)整作業(yè)裝置，勞動強(qiáng)度增大，一方面又要提高作業(yè)效率和質(zhì)量，技術(shù)難度增大；挖掘機(jī)雖然是停機(jī)挖掘，但其作業(yè)裝置為多自由度系統(tǒng)，作業(yè)過程中往往要求有兩個(gè)或多個(gè)動作(如挖掘與提升、提升與回轉(zhuǎn)等)同時(shí)進(jìn)行．其作業(yè)循環(huán)過程的多樣性和困難性，無論對操作閱歷少或多的人員都有肯定困難和問題。因此實(shí)現(xiàn)作業(yè)裝置的自動限制是工程機(jī)械機(jī)電一體化的一個(gè)重要課題，對于減輕操作手勞動強(qiáng)度，提高生產(chǎn)率和作業(yè)水平具有重要的現(xiàn)實(shí)意義。現(xiàn)代限制技術(shù)、傳感器技術(shù)、微機(jī)及其接口技術(shù)、液壓伺服與比例技術(shù)等科技成果為此項(xiàng)改造供應(yīng)了理論和物質(zhì)保證，使微機(jī)自動限制成為可能。隨著城市地下空間開發(fā)利用技術(shù)的發(fā)展，各種科技含量高的施工設(shè)備系統(tǒng)不斷涌現(xiàn)，把人們從艱苦的人力作業(yè)中解放出來。由上海市建工集團(tuán)基礎(chǔ)工程公司牽頭，聯(lián)合上海交通高校開發(fā)實(shí)施的2004年度市科委重大攻關(guān)科研課題“現(xiàn)代氣壓沉箱設(shè)計(jì)施工技術(shù)與設(shè)備探討”于2007年11月10日結(jié)題并通過專家組驗(yàn)收，宣告了人工挖土成為歷史，工人們再也不擔(dān)憂會患職業(yè)病，而只要舒適地坐在地面上的空調(diào)機(jī)房里，操縱地下的機(jī)器手臂，就能高效地完成艱難的開挖任務(wù)（圖2）。圖2氣壓沉箱遙控施工系統(tǒng)2.3數(shù)字化與虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)地下空間的不行見性給地下工程施工帶來了很多不利影響，數(shù)字化將地下空間變得透亮起來，漸漸成為解決某些巖土工程問題的一條有效途徑。數(shù)字地下空間與工程是指以三維數(shù)字地層為依托，采納計(jì)算機(jī)信息化手段對地下建（構(gòu)）筑物和管線的勘察、設(shè)計(jì)、施工、監(jiān)測和運(yùn)營維護(hù)等數(shù)據(jù)進(jìn)行集中和高效的管理，實(shí)現(xiàn)地下空間與工程的三維直觀顯示、空間分析和數(shù)據(jù)查詢與挖掘、專業(yè)應(yīng)用和說明等，目的為地下工程建設(shè)過程及后期的養(yǎng)護(hù)和管理、健康狀態(tài)評估供應(yīng)精確的地質(zhì)資料、設(shè)計(jì)信息、施工數(shù)據(jù)和監(jiān)測信息等，最終實(shí)現(xiàn)對地下工程全生命周期的數(shù)字化，建成數(shù)據(jù)共享的信息管理平臺。1989年，美國VPLResearch公司的奠基人JaronLanier提出了VirtualReality一詞，用以統(tǒng)一表述各種借助計(jì)算機(jī)技術(shù)及最新研制的傳感裝置所創(chuàng)建的一種嶄新的模擬環(huán)境的概念，目前被稱為虛擬現(xiàn)實(shí)。虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)是多媒體技術(shù)發(fā)展的更高境界，是這些技術(shù)更高層次的集成和滲透，它能給用戶以逼真的體驗(yàn)，為人們探究宏觀世界和微觀世界中不便干脆視察的事物運(yùn)動變更規(guī)律供應(yīng)了極大的便利。由于其迷人前景，一經(jīng)問世就受到了高度重視?；谔摂M現(xiàn)實(shí)的地下工程方案設(shè)計(jì)是指在虛擬環(huán)境中，建立巖土工程中各對象的三維模型和有限元模型（虛擬模型），形成基于計(jì)算機(jī)的具有肯定功能的仿真系統(tǒng)，對系統(tǒng)中的模型進(jìn)行參數(shù)化設(shè)計(jì)和動態(tài)分析，并依據(jù)動態(tài)分析的結(jié)果，在人機(jī)交互的可視化環(huán)境中對方案進(jìn)行修改。2.4人工智能技術(shù)人工智能技術(shù)是一個(gè)多學(xué)科、綜合性的探討領(lǐng)域，涉及神經(jīng)科學(xué)、語言學(xué)、腦科學(xué)、認(rèn)知科學(xué)、計(jì)算機(jī)科學(xué)和數(shù)理科學(xué)等，是基于連接機(jī)制的人工智能模擬。人工智能主要反映在如何使計(jì)算機(jī)來模擬人基于直覺的推理過程，是智能技術(shù)在專家直覺閱歷基礎(chǔ)上再與計(jì)算機(jī)給予的推理相結(jié)合，以求更進(jìn)一步地模擬與代替專家的智能。人工智能一個(gè)很活躍的分支就是智能決策專家系統(tǒng)和神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)的探討。模糊數(shù)學(xué)、神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)、遺傳算法是現(xiàn)階段人工智能探討的主要內(nèi)容。目前，人工智能技術(shù)在地下工程領(lǐng)域已經(jīng)有了廣泛的應(yīng)用。如早期己建人防地下工程興廢決策專家系統(tǒng)，隧道及地下結(jié)構(gòu)巖溶災(zāi)難預(yù)報(bào)專家系統(tǒng)以及采礦巷道圍巖支護(hù)設(shè)計(jì)專家系統(tǒng)和機(jī)構(gòu)行巖質(zhì)邊坡穩(wěn)定性分析專家系統(tǒng)等。這些專家系統(tǒng)多數(shù)是以產(chǎn)生式規(guī)劃組成的學(xué)問庫，對于處理不精確性問題一般采納了模糊推理和概率統(tǒng)計(jì)方法。近年來，專家系統(tǒng)已經(jīng)拓展應(yīng)用于巖石工程系統(tǒng)和巖石工程參數(shù)重要性分析，在采掘巷道分類指標(biāo)問題的聚類分析以及巷道支護(hù)決策探討等方面亦有了初步應(yīng)用。3、影響分析3.1提高地下工程建設(shè)的效率與科學(xué)性，促進(jìn)行業(yè)進(jìn)步在21世紀(jì)的信息社會，對信息的擁有成為確定競爭成敗的關(guān)鍵。市場競爭的不斷強(qiáng)化，對于地下工程建設(shè)的效率、技術(shù)、經(jīng)濟(jì)和平安等各方面性能都提出了新的要求。作為企業(yè)，主動地收集有用信息，運(yùn)用最新技術(shù)，提高生產(chǎn)效率，降低生產(chǎn)成本，樹立企業(yè)形象,提高競爭實(shí)力，都有賴于信息技術(shù)和計(jì)算機(jī)技術(shù)的運(yùn)用。從設(shè)計(jì)來看，首先是相關(guān)專業(yè)的計(jì)算機(jī)應(yīng)用水平較高，進(jìn)行設(shè)計(jì)所需數(shù)據(jù)的輸入及成果輸出都須要符合標(biāo)準(zhǔn)化，乃至必需采納計(jì)算機(jī)文件形式；其次，大量繁瑣的手工計(jì)算和制圖正在被電腦所代替，工作效率不斷提高，資料的保存、檢索和修改更加快捷。此外，還有很重要的一點(diǎn)是一些技術(shù)含量高的軟件使得各種困難的技術(shù)問題得到合理的簡化，為設(shè)計(jì)供應(yīng)了強(qiáng)有力的技術(shù)支持和幫助。好的軟件不僅將削減工程師的工作量，大大加快設(shè)計(jì)速度，提高效率，更將成為最新技術(shù)的載體，推動科研成果向現(xiàn)實(shí)生產(chǎn)力的全面轉(zhuǎn)化。從施工管理來看，著重于人、財(cái)、物及施工進(jìn)度的項(xiàng)目管理軟件和側(cè)重點(diǎn)在施工監(jiān)測、信息反饋、臨界報(bào)警、應(yīng)急措施等的技術(shù)監(jiān)控管理軟件都處于不斷改進(jìn)當(dāng)中。在大型工程的施工過程當(dāng)中，通過智能化的施工監(jiān)測和信息反饋系統(tǒng)，可以針對施工進(jìn)行全面的質(zhì)量跟蹤和應(yīng)急處理，這使得整個(gè)施工過程得到良好的限制。從教化來看，目前地下工程的從業(yè)人員的素養(yǎng)與要求還有較大的差距，須要不斷提高。而從網(wǎng)絡(luò)中獲得新的技術(shù)信息以及運(yùn)用遠(yuǎn)程教化系統(tǒng)和多媒體教學(xué)等手段將能有效地提高巖土工程從業(yè)人員的整體水平。目前，更具有現(xiàn)實(shí)意義的高技術(shù)含量軟件的普遍運(yùn)用也將主動推動整個(gè)地下工程行業(yè)的技術(shù)進(jìn)步。3.2促使產(chǎn)業(yè)結(jié)構(gòu)發(fā)生變更目前我國從事地下工程建設(shè)的建筑企業(yè)大部分業(yè)務(wù)實(shí)力單一，甚至很多大型企業(yè)只是某一專業(yè)的建筑業(yè)企業(yè)。無論是哪一種企業(yè)，一般都只具備建筑業(yè)產(chǎn)業(yè)中某一環(huán)節(jié)的活動實(shí)力，企業(yè)的專業(yè)范圍較窄，缺少綜合性企業(yè)。在現(xiàn)代信息技術(shù)的推動下，建筑企業(yè)不斷進(jìn)行技術(shù)創(chuàng)新，提高地下工程建設(shè)的機(jī)械化、自動化水平，從而提高企業(yè)的綜合競爭力，總的發(fā)展趨勢將是與資本一體化，與設(shè)計(jì)一體化，供應(yīng)業(yè)主所須要的資金和專業(yè)技術(shù)系統(tǒng)集成服務(wù)，服務(wù)方式將更多的以BOT(Build-Operate-transfer)，EPC(Engineering，Procurement，Construction)方式實(shí)現(xiàn)。通過資本積累、積聚和資本運(yùn)作，以及科技和人才戰(zhàn)略的實(shí)施，徹底打破當(dāng)前建筑業(yè)的縱向和橫向分割，最終形成極少數(shù)智力密集的、集中了大量資本的跨領(lǐng)域龍頭總承包企業(yè)，這些企業(yè)具有資本運(yùn)作實(shí)力、項(xiàng)目經(jīng)營實(shí)力、建筑產(chǎn)品開發(fā)實(shí)力以及較強(qiáng)的資源保證和贏利實(shí)力。建筑企業(yè)受市場結(jié)構(gòu)影響漸漸穩(wěn)定為金字塔型的結(jié)構(gòu)。在金字塔頂端的企業(yè)以資本、技術(shù)、管理密集、綜合型、跨領(lǐng)域?yàn)樘卣?，?shù)量較少；在金字塔中端的企業(yè)以技術(shù)、管理、專業(yè)化為主，數(shù)量較多；在金字塔低端以專業(yè)化服務(wù)和勞務(wù)服務(wù)為主，數(shù)量最多。金字塔型的服務(wù)需求分化重組為：工程總承包公司、施工總承包公司、施工企業(yè)和各類專業(yè)工程公司。要求各層次企業(yè)均能夠以BOT或EPC方式供應(yīng)專業(yè)技術(shù)系統(tǒng)集成服務(wù)或其它綜合性服務(wù)。3.3漸漸變更人類對地下工程的思想觀念，引發(fā)哲學(xué)思索由于地下工程的區(qū)域特性，新材料、新技術(shù)和新施工工藝的應(yīng)用以及超大結(jié)構(gòu)的采納，很多地下工程建設(shè)方面的問題擺在我們面前。地下工程的飛躍發(fā)展，須要我們結(jié)合實(shí)際，突破傳統(tǒng)的思維方式，運(yùn)用科學(xué)哲學(xué)思想來適應(yīng)其發(fā)展。隨著科學(xué)技術(shù)的發(fā)展，人們對地下工程的相識在不斷發(fā)生著變革，理論探討從簡潔到困難，探討方法已由物理模擬轉(zhuǎn)為數(shù)值模擬，探討手段也從低級轉(zhuǎn)向高級，全部這些變更都與現(xiàn)代信息技術(shù)相關(guān)。現(xiàn)代信息技術(shù)使人們對地下工程的相識和解決問題的思維方法有了根本的變更，相識到作為人類賴以生存和發(fā)展的環(huán)境，巖土工程涉及到人類社會、經(jīng)濟(jì)、環(huán)境等各個(gè)方面，與能源、交通、生產(chǎn)、生活親密相關(guān)，如水庫高壩、高層建筑、道路橋梁、港口碼頭、地鐵隧道等，它的開發(fā)水平與建設(shè)速度從側(cè)面反映了一個(gè)國家的現(xiàn)代化發(fā)展水平。同時(shí)，現(xiàn)代信息技術(shù)為地下工程的探討供應(yīng)了有效的探討手段和技術(shù)方法。微電子技術(shù)，尤其是計(jì)算機(jī)技術(shù)的應(yīng)用和普及，為計(jì)算大型困難的巖土工程問題供應(yīng)了計(jì)算工具，使得地下工程的探討更趨于好用?，F(xiàn)代信息技術(shù)所帶來的新觀念和新思想也影響著地下工程的探討，使其在科學(xué)理論和工程技術(shù)方面都有了很大進(jìn)展，使得規(guī)模宏大的三峽工程、具有特大埋深和長度的南水北調(diào)隧道工程、具有高難度的各類大跨度城市地下工程等的實(shí)現(xiàn)都成為了可能。同時(shí)，人們也漸漸相識到，巖土性質(zhì)極其困難性，具有高度的不確定性；應(yīng)當(dāng)從宏觀上把握處理，適于東方哲學(xué)思想；土中的對象和主體是轉(zhuǎn)化與相通的；土是一個(gè)流淌變更的系統(tǒng)，其應(yīng)力變形與土的組成、狀態(tài)和結(jié)構(gòu)是耦合的；沒有理論，地下工程不能成為科學(xué)；巖土工程要體現(xiàn)人與自然和諧共處。3.4一些負(fù)面影響1）現(xiàn)代信息技術(shù)在促使地下工程領(lǐng)域飛速發(fā)展的同時(shí)，也使得從事地下工程建設(shè)的工程師對其產(chǎn)生了嚴(yán)峻的依靠性，漸漸偏離試驗(yàn)和工程實(shí)踐，特殊是嚴(yán)峻依靠于計(jì)算機(jī)進(jìn)行數(shù)值分析，不對軟件計(jì)算結(jié)果及所采納的理論和方法進(jìn)行分析，沒有考慮到地下工程的區(qū)域性和特有性，從而使得設(shè)計(jì)結(jié)果可能遠(yuǎn)遠(yuǎn)偏離實(shí)踐。2）現(xiàn)代信息技術(shù)給人類帶來了高效、便利的信息服務(wù)，同時(shí)也使人類信息環(huán)境面臨很多前所未有的難題，如學(xué)問產(chǎn)權(quán)問題、信息污染問題、信息平安問題等。4、結(jié)論及啟示我們正在進(jìn)入一個(gè)新的時(shí)代，一個(gè)以學(xué)問、信息為特征的時(shí)代?，F(xiàn)代信息技術(shù)正在使地下工程這一傳統(tǒng)的學(xué)科領(lǐng)域漸漸實(shí)現(xiàn)信息化，以實(shí)現(xiàn)社會發(fā)展的須要。地下工程建設(shè)的信息化，提高了提高地下工程建設(shè)的效率與科學(xué)性，促進(jìn)了行業(yè)的進(jìn)步；促使產(chǎn)業(yè)結(jié)構(gòu)發(fā)生變更，使得地下工程領(lǐng)域引進(jìn)越來越多現(xiàn)代高新技術(shù)的成果；漸漸變更人類對地下工程的思想觀念，引發(fā)哲學(xué)思索；同時(shí)也帶來了一些負(fù)面影響。其影響其實(shí)我們，作為一個(gè)從事地下工程建設(shè)的工程師，須要把握住現(xiàn)代信