现代信息技术对地下工程建设的影响分析及启示

1、现代信息技术对地下工程建设的影响分析及启示1、前言现代信息技术是指上世纪70年代以来，随着微电子技术、计算机技术和通信技术的发展，围绕着信息的产生、收集、存储、处理、检索和传递，形成的一个全新的、用以开发和利用信息资源的高技术群，包括微电子技术、通信技术、计算机技术、各类软件及系统集成技术、传感技术、机器人技术、自动控制技术、多媒体技术等。现代信息技术正以前所未有的广度和深度影响着社会的方方面面。地下工程作为传统学科土木工程的一个方向，在现代信息技术的推动下，不断进行技术创新，逐渐实现地下工程建设的机械化、信息化施工甚至无人化施工，并且引入了最新的数字化技术、虚拟技术和人工智能技术，从工程的规

2、划、设计、施工、维护等方面体现着地下工程的发展趋势。21世纪是开发利用地下空间的时代，现代信息技术将对其产生深远的影响，也给从事地下工程建设的工程师带来了机遇和挑战。2、现代信息技术在地下工程建设中的应用2.1 信息化设计与施工技术由于地下工程的受力特点及复杂性，其测试与监测技术一直受到工程界的高度重视。从场地水文地质和工程物理力学特性试验，到开挖与支护过程中的同步监测，以及地下构筑物建成投入使用，测试和监测技术不仅对计算理论，而且对整个工程施工技术水平的提高将产生深刻的影响。上世纪50年代国际上就开始通过对地下工程的量测来监视围岩和支护的稳定性，并应用现场监测结果来修正设计、指导施工。近年来

3、，现场量测又与工程地质、力学分析紧密结合，正在逐渐形成一整套监控设计（或称信息设计）的原理与方法，较好地反应与适应地下工程的规律和特点。城市地下隧道工程开挖引起的上覆岩（土）层的变形将有可能直接影响沿线地表设施和邻近建（构）筑物的安全正常使用，因此信息化施工显得更为重要。以上海的地铁建设为例，目前全市在建轨道交通总里程已达104公里，又有5个项目将先后开工，涉及长度110公里。在今后的几年里，每年将同时有100多公里的地铁在建设，每年将平均有40多公里的地铁被建成。目前上海地铁工程所面临的问题是：1)规模大，工程多；2)有经验的管理人员有限；3)施工单位水平良莠不齐；4)工程难度增加。以上的这

4、些问题，给大规模的地铁建设带来了很大的隐患。因此，利用现代信息技术实现地铁建设的信息化施工，可以有效地确保施工安全，目前采用的网络监控系统如图1所示。图1 网络监控系统架构另外，以目前通用的用于城市地铁施工的盾构法隧道为例，基于计算机应用技术、网络技术、数据库、多媒体、仿真、光纤通信等高新技术建立起来的“盾构隧道施工多媒体监控与仿真系统主控程序与数据库系统”，实现了视频监视、施工参数监测与控制、地面沉降仿真预测、3D动画显示等功能。这对保障环境安全、提高施工质量和生产效率、提高施工信息化程度和管理水平有重大意义。2.2 自动控制技术地下工程建设中，施工机械通常在恶劣的工作环境中作业，操作人员为

5、完成施工任务，一方面要规范操作，频繁调节作业装置，劳动强度增大，一方面又要提高作业效率和质量，技术难度增大；挖掘机虽然是停机挖掘，但其作业装置为多自由度系统，作业过程中往往要求有两个或多个动作(如挖掘与提升、提升与回转等)同时进行其作业循环过程的多样性和复杂性，无论对操作经验少或多的人员都有一定困难和问题。因此实现作业装置的自动控制是工程机械机电一体化的一个重要课题，对于减轻操作手劳动强度，提高生产率和作业水平具有重要的现实意义。现代控制技术、传感器技术、微机及其接口技术、液压伺服与比例技术等科技成果为此项改造提供了理论和物质保证，使微机自动控制成为可能。随着城市地下空间开发利用技术的发展，各

6、种科技含量高的施工设备系统不断涌现，把人们从艰苦的人力作业中解放出来。由上海市建工集团基础工程公司牵头，联合上海交通大学开发实施的2004年度市科委重大攻关科研课题“现代气压沉箱设计施工技术与设备研究”于2007年11月10日结题并通过专家组验收，宣告了人工挖土成为历史，工人们再也不担心会患职业病，而只要舒适地坐在地面上的空调机房里，操纵地下的机器手臂，就能高效地完成艰巨的开挖任务（图2）。图2 气压沉箱遥控施工系统2.3 数字化与虚拟现实技术地下空间的不可见性给地下工程施工带来了许多不利影响，数字化将地下空间变得透明起来，逐渐成为解决某些岩土工程问题的一条有效途径。数字地下空间与工程是指以三

7、维数字地层为依托，采用计算机信息化手段对地下建（构）筑物和管线的勘察、设计、施工、监测和运营维护等数据进行集中和高效的管理，实现地下空间与工程的三维直观显示、空间分析和数据查询与挖掘、专业应用和解释等，目的为地下工程建设过程及后期的养护和管理、健康状态评估提供准确的地质资料、设计信息、施工数据和监测信息等，最终实现对地下工程全生命周期的数字化，建成数据共享的信息管理平台。1989年，美国VPL Research公司的奠基人Jaron Lanier提出了Virtual Reality一词，用以统一表述各种借助计算机技术及最新研制的传感装置所创建的一种崭新的模拟环境的概念，目前被称为虚拟现实。虚拟

8、现实技术是多媒体技术发展的更高境界，是这些技术更高层次的集成和渗透，它能给用户以逼真的体验，为人们探索宏观世界和微观世界中不便直接观察的事物运动变化规律提供了极大的便利。由于其诱人前景，一经问世就受到了高度重视。基于虚拟现实的地下工程方案设计是指在虚拟环境中，建立岩土工程中各对象的三维模型和有限元模型（虚拟模型），形成基于计算机的具有一定功能的仿真系统，对系统中的模型进行参数化设计和动态分析，并根据动态分析的结果，在人机交互的可视化环境中对方案进行修改。2.4 人工智能技术人工智能技术是一个多学科、综合性的研究领域，涉及神经科学、语言学、脑科学、认知科学、计算机科学和数理科学等，是基于连接机制

9、的人工智能模拟。人工智能主要反映在如何使计算机来模拟人基于直觉的推理过程，是智能技术在专家直觉经验基础上再与计算机赋予的推理相结合，以求更进一步地模拟与代替专家的智能。人工智能一个很活跃的分支就是智能决策专家系统和神经网络的研究。模糊数学、神经网络、遗传算法是现阶段人工智能研究的主要内容。目前，人工智能技术在地下工程领域已经有了广泛的应用。如早期己建人防地下工程兴废决策专家系统，隧道及地下结构岩溶灾害预报专家系统以及采矿巷道围岩支护设计专家系统和机构行岩质边坡稳定性分析专家系统等。这些专家系统多数是以产生式规划组成的知识库，对于处理不精确性问题一般采用了模糊推理和概率统计方法。近年来，专家系统

10、已经拓展应用于岩石工程系统和岩石工程参数重要性分析，在采掘巷道分类指标问题的聚类分析以及巷道支护决策研究等方面亦有了初步应用。3、影响分析3.1 提高地下工程建设的效率与科学性，促进行业进步在21世纪的信息社会，对信息的拥有成为决定竞争成败的关键。市场竞争的不断强化，对于地下工程建设的效率、技术、经济和安全等各方面性能都提出了新的要求。作为企业，主动地收集有用信息，使用最新技术，提高生产效率，降低生产成本，树立企业形象,提高竞争能力，都有赖于信息技术和计算机技术的使用。从设计来看，首先是相关专业的计算机应用水平较高，进行设计所需数据的输入及成果输出都需要符合标准化，乃至必须采用计算机文件形式；

11、其次，大量繁琐的手工计算和制图正在被电脑所代替，工作效率不断提高，资料的保存、检索和修改更加快捷。此外，还有很重要的一点是一些技术含量高的软件使得各种复杂的技术问题得到合理的简化，为设计提供了强有力的技术支持和帮助。好的软件不仅将削减工程师的工作量，大大加快设计速度，提高效率，更将成为最新技术的载体，推动科研成果向现实生产力的全面转化。从施工管理来看，着重于人、财、物及施工进度的项目管理软件和侧重点在施工监测、信息反馈、临界报警、应急措施等的技术监控管理软件都处于不断改进当中。在大型工程的施工过程当中，通过智能化的施工监测和信息反馈系统，可以针对施工进行全面的质量跟踪和应急处理，这使得整个施工

12、过程得到良好的控制。从教育来看，目前地下工程的从业人员的素质与要求还有较大的差距，需要不断提高。而从网络中获取新的技术信息以及使用远程教育系统和多媒体教学等手段将能有效地提高岩土工程从业人员的整体水平。目前，更具有现实意义的高技术含量软件的普遍使用也将积极推动整个地下工程行业的技术进步。3.2 促使产业结构发生变化目前我国从事地下工程建设的建筑企业大部分业务能力单一，甚至许多大型企业只是某一专业的建筑业企业。无论是哪一种企业，一般都只具备建筑业产业中某一环节的活动能力，企业的专业范围较窄，缺少综合性企业。在现代信息技术的推动下，建筑企业不断进行技术创新，提高地下工程建设的机械化、自动化水平，从

13、而提高企业的综合竞争力，总的发展趋势将是与资本一体化，与设计一体化，提供业主所需要的资金和专业技术系统集成服务，服务方式将更多的以BOT(Build-Operate-transfer)，EPC(Engineering，Procurement，Construction)方式实现。通过资本积累、积聚和资本运作，以及科技和人才战略的实施，彻底打破当前建筑业的纵向和横向分割，最终形成极少数智力密集的、集中了大量资本的跨领域龙头总承包企业，这些企业具有资本运作能力、项目经营能力、建筑产品开发能力以及较强的资源保证和赢利能力。建筑企业受市场结构影响逐渐稳定为金字塔型的结构。在金字塔顶端的企业以资本、技术、

14、管理密集、综合型、跨领域为特征，数量较少；在金字塔中端的企业以技术、管理、专业化为主，数量较多；在金字塔低端以专业化服务和劳务服务为主，数量最多。金字塔型的服务需求分化重组为：工程总承包公司、施工总承包公司、施工企业和各类专业工程公司。要求各层次企业均能够以BOT或EPC方式提供专业技术系统集成服务或其它综合性服务。3.3 逐渐改变人类对地下工程的思想观念，引发哲学思考由于地下工程的区域特性，新材料、新技术和新施工工艺的应用以及超大结构的采用，许多地下工程建设方面的问题摆在我们面前。地下工程的飞跃发展，需要我们结合实际，突破传统的思维方式，运用科学哲学思想来适应其发展。随着科学技术的发展，人们

15、对地下工程的认识在不断发生着变革，理论研究从简单到复杂，研究方法已由物理模拟转为数值模拟，研究手段也从低级转向高级，所有这些变化都与现代信息技术相关。现代信息技术使人们对地下工程的认识和解决问题的思维方法有了根本的改变，认识到作为人类赖以生存和发展的环境，岩土工程涉及到人类社会、经济、环境等各个方面，与能源、交通、生产、生活密切相关，如水库高坝、高层建筑、道路桥梁、港口码头、地铁隧道等，它的开发水平与建设速度从侧面反映了一个国家的现代化发展水平。同时，现代信息技术为地下工程的研究提供了有效的研究手段和技术方法。微电子技术，尤其是计算机技术的应用和普及，为计算大型复杂的岩土工程问题提供了计算工具

16、，使得地下工程的研究更趋于实用。现代信息技术所带来的新观念和新思想也影响着地下工程的研究，使其在科学理论和工程技术方面都有了很大进展，使得规模宏大的三峡工程、具有特大埋深和长度的南水北调隧道工程、具有高难度的各类大跨度城市地下工程等的实现都成为了可能。同时，人们也逐渐认识到，岩土性质极其复杂性，具有高度的不确定性；应当从宏观上把握处理，适于东方哲学思想；土中的对象和主体是转化与相通的；土是一个流动变化的系统，其应力变形与土的组成、状态和结构是耦合的；没有理论，地下工程不能成为科学；岩土工程要体现人与自然和谐共处。3.4 一些负面影响1）现代信息技术在促使地下工程领域飞速发展的同时，也使得从事地

17、下工程建设的工程师对其产生了严重的依赖性，逐渐偏离实验和工程实践，特别是严重依赖于计算机进行数值分析，不对软件计算结果及所采用的理论和方法进行分析，没有考虑到地下工程的区域性和特有性，从而使得设计结果可能远远偏离实践。2）现代信息技术给人类带来了高效、方便的信息服务，同时也使人类信息环境面临许多前所未有的难题，如知识产权问题、信息污染问题、信息安全问题等。4、结论及启示我们正在进入一个新的时代，一个以知识、信息为特征的时代。现代信息技术正在使地下工程这一传统的学科领域逐渐实现信息化，以实现社会发展的需要。地下工程建设的信息化，提高了提高地下工程建设的效率与科学性，促进了行业的进步；促使产业结构发生变化，使得地下工程领域引进越来越多现代高新技术的成果；逐渐改变人类对地下工程的思想观念，引发哲学思考；同时也带来了一些负面影响。其影响其实我们，作为一个从事地下工程建设的