《隧道及地下工程信息化技术与应用》课件 第一章 绪论

第一章绪论东南大学土木工程学院《隧道及地下工程信息化技术与应用》内容提纲隧道及地下工程发展现状1隧道及地下工程的科学基础与思维方式2隧道及地下工程信息技术导论3隧道及地下工程信息化技术概述41.1隧道及地下工程发展现状城市地下空间发展交通类地下空间公共安全与防灾空间市政基础设施类商业与公共服务空间1.1隧道及地下工程发展现状城市地下空间发展截至2022年底，中国城市地下空间累计建筑面积29.62亿m2。中国城市地下空间新增建筑面积（含轨道交通、综合管廊等）约2.62亿m2，约占同期城市建（构）筑物竣工面积的23%。2016~2023年我国城市轨道交通新增建设里程以及增长率1.1隧道及地下工程发展现状重大基础设施建设近年来，随着我国基础设施建设步伐的加快，一系列国家重大工程相继启动。1.1隧道及地下工程发展现状隧道及地下工程智能建造智能建造传统建造方式物联网5G通信人工智能内容提纲隧道及地下工程发展现状1隧道及地下工程的科学基础与思维方式2隧道及地下工程信息技术导论3隧道及地下工程信息化技术概述41.2隧道及地下工程的科学基础与思维方式工业时代的科学基础与思维方式世界万物是运动的，而且这些运动遵循着特定的规律，这些规律是可以被认识的。——机械思维机械思维对人类文明的促进作用：把各种问题都归结为机械的问题。通过科学研究发现规律、描述规律、运用规律预测未来。任何一个复杂的问题都可以分解成若干个简单的问题。1.2隧道及地下工程的科学基础与思维方式工业时代的科学基础与思维方式第一次工业革命时期的机械思维：火车、打字机、乐器、钟表、差分机、……第二次工业革命时期的机械思维（电成为主要动力）：飞艇、飞机、洗衣机、留声机、……近代隧道及地下工程采用了工业时代诞生的机械思维方式来思考问题，把各种问题都归结为机械的问题，通过科学研究发现规律、描述规律、运用规律，就能实现预测未来。1.2隧道及地下工程的科学基础与思维方式信息时代的科学基础与思维方式控制论思维方式机械思维是对未来做一种尽可能确定的预测，控制论思维则是根据变化不断调整。信息论思维方式一个系统中不确定性越多，熵越大；要消除不确定性就要引入信息，引入多少信息要看系统的不确定性有多大。系统论思维方式整体的性能未必能通过局部性能的优化而实现。1.2隧道及地下工程的科学基础与思维方式信息时代的科学基础与思维方式（1）控制论系统对刺激的反映特性任何系统（人体、股市、商业、产业等）在外界环境刺激（称为输入）下必然做出反应（称为输出），然后反过来影响系统本身。系统自我调节机制为了维持一个系统的稳定，或者为了对它进行优化，可以将它对刺激的反应反馈回系统中，这最终可以让系统产生一个自我调节的机制。1.2隧道及地下工程的科学基础与思维方式信息时代的科学基础与思维方式（2）信息论香农第一定律（香农信源编码定律）、香农第二定律最大熵原理一个系统中不确定性越多，熵越大；要消除不确定性就要引入信息，引入多少信息要看系统的不确定性有多大。在对未知事件发生的概率分布进行预测时，应当满足全部已知的条件，而对未知的情况不要做任何主观假设。1.2隧道及地下工程的科学基础与思维方式信息时代的科学基础与思维方式（3）系统论有生命的系统VS非生命的系统前者是一个开放的系统，需要和外界进行物质、能量或者信息的交换；后者为了其稳定性，需要和外界隔绝，才能保持其独立性。热力学第二定律封闭系统总是朝熵增加的方向变化，即从有序变为无序。开放的系统可以和周围进行物质、能量和信息交换，引入“负熵”让系统变得有序。1.2隧道及地下工程的科学基础与思维方式智能时代的科学基础与思维方式智能时代急速到来2016/5，国务院发布《“互联网+”人工智能三年行动实施方案》。2017/11，新一代人工智能发展规划暨重大科技项目启动。

2021/12，中央网信委发布《“十四五”国家信息化规划》。2025/8，国务院印发《关于深入实施“人工智能+”行动的意见》。1.2隧道及地下工程的科学基础与思维方式智能时代的科学基础与思维方式语音识别人脸识别机器翻译智能导航日常生活中的人工智能1.2隧道及地下工程的科学基础与思维方式智能时代的科学基础与思维方式同济大学土木工程垂域大模型东南大学混凝土材料垂域大模型大语言模型……1.2隧道及地下工程的科学基础与思维方式智能时代的科学基础与思维方式大数据思维方式–以计算机识猫为例机器学习方法:把图片大量“喂”给计算机，教计算机是猫或者不是猫。在识别猫的神经网络中有无数的通路，正如人的脑神经一样，每个通路都会输出结果，如果答对了就给这条通路加权；答错了就降低权重。用10万张各种猫的图片做测试之后，那些得到加权的神经通路就组成了一个识别装置（一组复杂的函数联结）。然后就可以识别出新的图片中的猫出来。这就是“监督学习”

。内容提纲隧道及地下工程发展现状1隧道及地下工程的科学基础与思维方式2隧道及地下工程信息技术导论3隧道及地下工程信息化技术概述41.3隧道及地下工程信息技术导论1.3.1信息论简介香农（1948）:《通信的数学理论》ShannonC.E.,Themathematicaltheoryofcommunication,BellSystemTechnicalJournal,1948,27:379-423,623-656为了处理电子信道里信息传递的效率问题，解决的基本问题：在一点上重建另一点上产生的消息。发送者接收者信道或连接1.3隧道及地下工程信息技术导论1.3.1信息论简介如果实验A可能的结果数是n，并且每个实验结果的概率都是相等的（=1/n），当我们收到一条关于实验结果的消息时，我们得到的信息量是多少？

注：信息量的单位是比特1.3隧道及地下工程信息技术导论1.3.1信息论简介问题：

有一个正八面体的骰子，庄家随机地掷出了1到8之间的一个数n。为了知道这个数，最好的方案是询问庄家几个问题？庄家只能回答是或不是。答案：3个问题（I=log28=3）。假定我们要把掷出的那个数用消息发送出去，由于每个数出现的概率等同，因此最佳的编码方案就是用3比特等长编码方案。1.3隧道及地下工程信息技术导论1.3.1信息论简介当实验结果发生的概率不等同时（假设每个结果事件发生的概率是pi）消息m给出的加权平均信息量（又称为熵）是：当pi=1/n时，H=log2n。香农信息论中从没有定义什么是“信息”，只是提到信息量。香农信息论是经典信息论或统计信息论。1.3隧道及地下工程信息技术导论1.3.2信息的定义信息的定义包括：“信息是被消除的不确定性”。“信息就是信息，不是物质或能量”。“信息是一小段知识”。“信息是被转变成有含义和有适用语境的数据”。“信息是能够被理解的有组织的数据集合”。1.3隧道及地下工程信息技术导论1.3.2信息的定义一般信息论有必要区分一般意义上的信息和关于一个系统R的信息。广义上，对于一个系统R的信息是引起系统R里变化的能力。信息本体论原理O2以一本英文物理教科书为例既不懂英文也不懂物理的人：很少的信息。懂物理但不懂英文的人：给出较多的信息，因为能看懂公式。懂英文但不懂物理的人：给出更多的信息，能用这本书学习物理。既懂英文又懂物理且达到了比这本书还高程度的人：很少的信息。1.3隧道及地下工程信息技术导论1.3.3信息的度量信息的度量关于一个系统R的一项信息I的测量，就是对信息I在系统R（或者严格地，在所选择的信息逻辑系统IF(R)）里引起变化的某种测量。信息测度的多样性量、值、成本、熵、不确定性、平均信息分值、有效性、完整性、相关性、可靠性、真实性等等。1.3隧道及地下工程信息技术导论1.3.3信息的度量价值论原理仅对非常简化的系统才存在一个唯一的信息测度，具有一个发达的信息逻辑系统的任何复杂系统R有许多可以被改变的参数，复杂系统要求许多不同的信息测度。因此，找到一个普适的信息测度是不实际的。由香农信息量所测量的不确定性消除只是可能变化之一，它是一种绝对信息测度，它给出一个信息项本身的量值。1.3隧道及地下工程信息技术导论1.3.4信息、数据和知识数据是对客观事实的记录，是一种资源和可操作对象。知识是对客观事物规律的认识，在逻辑学里，知识用逻辑命题和谓词表示。数据-信息-知识三元组最流行的方法是用金字塔表示它们之间的层次结构关系。数据信息数据信息知识知识数据-信息-知识金字塔这样的金字塔层次结构好理解，但并不好用！1.3隧道及地下工程信息技术导论1.3.4信息、数据和知识信息相关于知识和数据，就像能量相关于物质，可以从物质提取能量，可以从知识/数据提取信息。例如，我们看一本书，书中的知识和数据是信息的载体，我们从中可以提取出信息。

知识-信息-物质-能量（KIME）正方形能量物质包含信息知识/数据包含相似≈相似≈1.3隧道及地下工程信息技术导论1.3.4信息、数据和知识上图表明，在信息的作用下，数据可以转变为知识。数据与知识之间关系可以这样形象地解释：数据和知识像分子，例如数据像水分子，它有三个原子，知识像DNA分子，它结合了几十亿个原子；在信息的作用下，可以把数据转变为知识（例如把4种脱氧核苷酸A，T，C，G连接而成的DNA长链）。数据-信息-知识三元组数据知识信息1.3隧道及地下工程信息技术导论1.3.4信息、数据和知识数据知识世界期望信息刺激主体行动数据深植于世界的物理性质当中，信息则深植于个人的评估和预期中。信息是一个有知识背景的人能够从数据当中提取的东西，并可以形成新的知识。信息提取依赖于现有的知识体系，包括算法和逻辑、模型和语言、操作和程序、目标和问题表示等。数据到知识的转变1.3隧道及地下工程信息技术导论1.3.5信息化过程信息化过程通常由信息采集、处理、表达、分析和服务几部分组成。采集：从源头上能够提取或产生信息，类似于产生能量。处理和表达：让信息更易使用、更易流动，类似于转变能量的形式，将能量从低级形式向更易于流动和使用的高级形式转变。分析：用知识从现有的信息中进一步提取新的信息，增加信息量，类似于增大能量。服务：选择或建立信息逻辑系统，让信息对信息逻辑系统产生作用，类似于让能量发挥实际作用，让能量去做“功”。信息源信息逻辑系统信息一般信息论下的信息三元组内容提纲隧道及地下工程发展现状1隧道及地下工程的科学基础与思维方式2隧道及地下工程信息技术导论3隧道及地下工程信息化技术概述41.4隧道及地下工程信息化技术概述1.采集2.处理3.建模4.表达5.分析6.服务自动化半自动化数据标准化视觉模型信息模型信息集成数据可视智能评价智能预测数字化服务信息化服务数字信息流隧道及地下工程信息化技术流程1.4隧道及地下工程信息化技术概述1.4.1信息采集隧道及地下工程信息采集方法是指利用各种途径与手段，获取工程建设与运营阶段所需的各种数据。数字图像技术三维激光扫描技术无线传感网络1.4隧道及地下工程信息化技术概述1.4.2信息处理多源异构数据是指隧道及地下工程在不同阶段，采用不同采集技术、软件、数据格式和管理方式所形成的多样化数据集。数据标准化是对数据定义、组织、监督和保护进行标准化的过程，是信息处理的一个重要环节。数据标准化描述与储存自动化监测设备现有数据资料格式1格式2格式3…统一数据格式1.4隧道及地下工程信息化技术概述1.4.3信息建模在隧道及地下工程领域，信息建模的核心在于构建合适的信息模型。旨在从信息角度出发，构建能够全面反映对象特性与功能的模型框架，并借助特定语言来精确表达这些信息，以促进更有效的信息交流与沟通。1.4隧道及地下工程信息化技术概述1.4.4信息表达隧道及地下工程信息表达包括