人工智能在土木工程领域的应用研究现状及展望

人工智能在土木工程领域的应用研究现状及展望

罗德昆

身份证号码：452502197711159171

摘要：人工智能是全面提高土木工程领域数字化、自动化、信息化和智能化的重要方法。为全面了解人工智能在土木工程中的发展及应用，定性分析了人工智能的基本研究领域，定量分析了人工智能在土木工程设计、制造、养维护阶段的研究现状，并给出相应的解决办法及研究思路。通过文献综述发现，土木工程领域已开展了大量人工智能研究，但各阶段智能化发展不均衡，实际应用也存在一定局限性，需深入探索神经网络、大数据、深度学习等智能技术在土木工程全生命周期的交叉融合，促进土木工程领域人工智能研究的协同发展。

关键词：土木工程；人工智能；应用研究；展望

引言

建筑业是我国国民经济的支柱产业，在国家建设中发挥了重要作用。近年来，建筑业持续快速发展，为我国的基础设施建设做出了重大贡献。“十三五”期间，建筑业对社会经济的发展起到了积极作用。随着土木工程建设项目的增加，我国的基础设施得到了进一步完善，城市和农村的面貌得到了极大改善，城镇化快速推进，人们的居住和出行质量得到提高。这些建设条件复杂、设计施工难度大的工程项目的建造，促进了我国土木工程技术的突破，使我国的工程建造水平大幅提升，在部分领域已达到国际先进水平。工程建设组织方式较为落后，建造过程中机械化程度不高，精细化、标准化、信息化、专业化程度较低。建筑工人素质偏低，工人年龄偏高。建筑行业与先进制造技术、信息技术等先进技术的结合程度较低。随着我国经济形势的变化，传统的建造方式受到了较大冲击，粗放式的生产方式难以为继。新的经济形势下，土木建筑行业实现高质量发展的必然要求是信息化和智能化。智能建造技术的应用有利于建筑业实现转型升级，实现建筑业的高质量发展。

1人工智能的基础研究领域

1.1自然语言处理

自然语言处理是以计算机为媒介对人类特有的自然语言进行加工处理，使计算机能够像人一样“处理”和“理解”自然语言。在土木工程领域，NLP从基础性的语义相似度、依存句法分析到应用性的人机互动、报告分析等均展现了巨大的应用前景，利用NLP可将无结构化的风险信息、施工图纸信息、施工组织方案信息转化为结构化信息，从而对土木工程建设项目的日常文档进行隐性知识（如危险对象、危险位置、事故原因、事故类型等）挖掘。综合当前研究现状来看，NLP的研究深度和应用范围仍较低，首先表现为建筑领域词库通用性差导致的文件预处理质量不高，这将对NLP过程中的文本数据分词、词性标注等程序产生不利影响；然后是信息提取规则的制定有限，即在土木工程领域中难以获得所有的项目数据（如项目合同书等），导致难以开发用于信息提取的所有可能的规则；此外，NLP的深度学习训练模型与地方性语言有关，同一模型无法处理不同语言的文本信息，因此无法进行有效的迁移学习；最后，当前NLP多用于施工建造阶段，而在设计、养维护等阶段的应用较少，导致土木工程全生命周期文件管理的效率及质量较低。

1.2计算机视觉

计算机视觉是以成像系统代替视觉器官作为输入传感手段，以智能算法代替人类大脑作为处理分析枢纽，从图像、视频中提取符号数字信息进行目标的识别、检测及跟踪，最终使计算机能够像人一样通过视觉来“观察”和“理解”世界。计算机视觉在土木工程领域的混凝土裂缝检测、结构损伤识别、施工现场安全监控等方面得到了大量研究，具有十分广阔的应用前景。

1.3语音识别

语音识别是计算机将输入的语音信号进行识别理解后转换为文本输出的过程，使计算机能够像人一样具备“听觉”功能。在建筑环境中，语音识别可用于车库开关、语音密码锁；在家居环境中，语音识别可用于家电遥感；此外，语音识别还可用于关键词检索、号码语音查询等。在未来的应用研究中，语音识别可为建筑智能安装提供帮助，如建筑路线语音导航、机器人人机交互等，还可为灾后生命体的有效识别提供协助。在土木工程领域，目前语音识别的相关研究及应用较少，研究难点主要集中在噪声处理、鲁棒性和语音模型上。首先，在输入语音信号时，经常会出现各种不同的噪声，提高对噪声的处理是改善语音信号识别准确率的重要一环；其次，现有的语音信号识别系统对环境的依赖性普遍偏高，不同的环境会导致语音信号的识别准确率有较大差异，增强语音识别系统的鲁棒性有助于实现系统的实际应用；最后，在语音交互时，语义、语速及情绪均会影响语音的真实含义，因此语音模型的优化也是研究的重难点。

2人工智能在土木工程中的研究现状

2.1智能设计

2.1.1城市规划设计

城市规划是指对城市发展进行规范、对城市布局进行研究、对城市建设进行部署，合理的城市规划是确保城市有序发展的前提。将人工智能技术应用到城市规划中被视为该领域的标志性变革，使用人工智能技术处理分析影响城市规划的环境地质条件、人与交通行为等客观因素，进行人工智能模式下的规划设计，规避可能出现的规划错误，从而实现智能规划。

2.1.2专家系统

专家系统主要应用于早期的人工智能结构设计中，属智能计算机程序系统，该系统包含了土木工程领域专家水平的知识与经验，以人工智能来模拟专家的决策过程，从而解决领域内需要专家决定的复杂问题。

2.2智能建造

2.2.1施工现场智能管理

传统的施工现场管理大多采用人工监察，存在效率低、排查慢、预防性差等问题，利用人工智能技术对施工现场进行智能识别、智能排查、智能报警，有效避免各种违规行为，实现施工现场的智能管理。

2.2.2BIM

建筑信息模型是以建设项目信息数据为输入，通过整合建筑数据实现建筑信息的共享传递，是建设项目物理设施和功能特性的数字化表达。运用BIM技术可有效排查图纸设计错误、降低方案优化成本、缩短施工工期、提高项目效益。

3对于人工智能技术在土木工程中的应用分析

3.1智能建筑中专家控制系统的应用

人工智能技术的一个重要技术部分就是专家控制系统，对于专家控制系统来说，其核心的内容就是对于专家数据信息资料库的建设，在该数据信息资料库的支持下，经过一系列的对比和模拟操作，可以使得系统的控制能力进一步加强。专家控制系统和信息数据资料库可以完成相对应控制系统的构建与运作，在计算机程序的运算下，复刻专家的知识经验来对于出现的情况进行解决。智能建筑在专家控制系统的帮助下，可以对于自身拥有的控制系统进行优化升级，并且处理一些智能建筑运转过程之中出现的问题，专家控制系统利用数据信息资料库，通过输入比对找到相关问题的内容，匹配解决处理措施进行模拟，最后输出最为可靠的解决方案。专家控制系统的中央调节器可以连接智能建筑的各个控制子系统，并对接数据信息资料库，这可以使得诸如电力控制系统、楼宇自动化系统等等系统有着更加有效地控制能力，便于进行综合性的控制。

3.2智能建筑中人工神经网络控制系统的应用

人工神经网络控制系统是人工智能技术的另一个重要技术部分，其也属于智能建筑控制系统的核心技术，在智能建筑的运转中有着关键的作用，可以确保系统能力的优化，提升系统控制反应能力，在自动化方面发挥着重要的作用。人工神经网络控制系统有着非常强大的检测能力，这可以使得智能建筑时刻有对于建筑内部各个部分运行状态的了解，如果有问题出现可以在最快的速度下进行预警，并且接通专家控制系统进行处置；人工神经网络控制系统另一项自学能力可以使得智能建筑更加自动化，其可以进行仿真模型模拟分析，在动态的模拟过程中，对于控制系统能力进行升级，使得控制系统更加精准、灵敏，具备更强大的适应能力，包括图像处理、语音识别等等路径，拓宽了人工神经网络控制系统的学习方式。人工神经网络控制系统可以在计算机网络技术的帮助下完成远程的控制任务，在远程的监控、操作之中，实现不受时间与距离限制的目标。比如在智能建筑设施的一系列运行、工作的过程中，就离不开人工神经网络控制系统的有效运用，其可以完成对于各种需要数据信息的收集，如视频、音频等等，并且及时地将相关数据信息传输回智能决策系统，而且在远程操作下不仅仅可以依据已有的相关操作指令应对问题，还可以对于各种可能突发的情况进行智能化的处理，这离不开人工神经网络控制系统信息的有效传输与智能决策系统的应用。

3.3智能建筑中智能决策系统的应用

智能建筑之中也有着对于智能决策系统的应用，这是人工智能技术的重要体现，智能决策系统可以在最大的程度上提升智能建筑内部系统的运作质量，推动智能建筑向着可持续方向发展。智能建筑在运转的过程之中，会有海量的信息数据产生，智能决策系统可以更加有效的对于这些信息数据进行收集、分析，并且对这些信息数据进行有效的处理，从而解决各个控制系统反馈的问题。智能决策系统的技术理论基础是控制论、管理科学以及运筹学，这能够帮助系统科学利用计算机信息技术，分析、解决系统运作过程中出现的结构化或者是非结构化决策类型的难题，从而提升智能建筑整体运转的流畅程度，促进智能建筑的利用寿命长度。基于计算机网络技术的智能决策系统运用到智能建筑之中，其最为直观的一点就是可以更加有效地对于信息数据进行收集、分析，取决于互联网络的发展，人工神经网络控制系统在每一天都会有海量的信息数据产生的状况下，怎样对这些信息数据进行有效地处理，是人工智能技术可以有效解决的问题。智能决策系统在计算机网络技术的帮助下，可以更加有效地进行数据信息分类，然后依次进行收集、分析，对于信息数据处理更加精准，可以快速地完成处理任务，强化智能建筑的运转效率。

3.4人工智能技术在智能客户端建设方面的应用

信息技术和互联网技术的发展推动了人工智能技术的广泛应用，其中，信息技术是人工智能技术的重要基础和支撑，也是人工智能技术应用发展的先决条件。人工智能技术也充分发挥了信息技术的优势，建设人工智能客户端不仅能够及时监控电力系统中的各项信息数据和设备情况，更实现了信息数据分析和系统自动化诊断。最为突出的一点是，人工智能客户端实现了电力用户与电力企业的有效信息互通，电力企业可以依据用户用电信息及时调整供电策略，及时发现用户用电过程中的故障问题，进而帮助用户快速解决故障，以避免因故障停电给用户带来的经济损失。可见，人工智能客户端不仅能够为电力用户的正常生产生活保驾护航，更能够加强电力企业与用户之间的联系，促使电力企业为用户提供更全面的服务。

结束语

综上所述，人工智能在建筑工程领域发挥着无可替代的作用，正在逐渐渗入传统建筑工程项目生命周期的各阶段，使建筑工程项目的设计更精准、更高效，节省劳动力成本，优化各工序衔接程序，缩短项目工期，极大地推动工程项目在精细化、智能化道路上的发展速度。

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