數(shù)字化施工淺議

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　　建設(shè)工程施工是一個(gè)高度動(dòng)態(tài)的過程，施工管理極為復(fù)雜，如何應(yīng)用先進(jìn)的技術(shù)手段提高管理的現(xiàn)代化水平已成為施工管理人員的共識(shí)。隨著計(jì)算機(jī)技術(shù)的飛速發(fā)展和互聯(lián)網(wǎng)技術(shù)的日益普及，以互聯(lián)網(wǎng)技術(shù)為基礎(chǔ)，借助于系統(tǒng)仿真技術(shù)，實(shí)現(xiàn)工程項(xiàng)目的可視化、信息化和智能化施工管理，已成為工程項(xiàng)目施工管理的一個(gè)重要研究課題與發(fā)展方向。本文從“數(shù)字化施工管理”的提出背景出發(fā)，重點(diǎn)討論了數(shù)字化施工管理的內(nèi)涵，以及可能實(shí)現(xiàn)的手段。筆者拋磚引玉，以期引來同仁積極探討，并帶來數(shù)字化施工的繁榮。

　　１、數(shù)字化施工的概念及核心思想

　　數(shù)字化施工是在“數(shù)字地球”這一大課題背景下提出的。美國于 1998 年率先提出了“數(shù)字地球”（Digital Earth）的概念[1].嚴(yán)格地講，“數(shù)字地球”是以計(jì)算機(jī)技術(shù)、多媒體技術(shù)和大規(guī)模存儲(chǔ)技術(shù)為基礎(chǔ)，以寬帶網(wǎng)絡(luò)為紐帶，運(yùn)用海量地球信息對(duì)地球進(jìn)行多分辨率、多尺度、多時(shí)空和多種類的三維描述，并利用它作為工具來支持和改善人類活動(dòng)和生活質(zhì)量。

　　與“數(shù)字地球”的概念相似，“數(shù)字化施工”就是將施工過程數(shù)字化，它包括工程全部施工資料的數(shù)字化、網(wǎng)絡(luò)化、智能化和可視化的過程。其核心思想是用數(shù)字化手段整體性地解決工程施工問題并最大限度地利用信息資源。

　　數(shù)字化施工包含的內(nèi)容十分廣泛，涉及到眾多領(lǐng)域的知識(shí)和技術(shù)。它不僅僅指由計(jì)算機(jī)代替?zhèn)鹘y(tǒng)的手工制作報(bào)表，而是有更為廣闊應(yīng)用范疇。如以高速寬帶互聯(lián)網(wǎng)為依托，實(shí)現(xiàn)施工過程信息的共享；借助于計(jì)算機(jī)仿真技術(shù)，進(jìn)行更加準(zhǔn)確高效地配置各生產(chǎn)要素和預(yù)測(cè)工程的未來進(jìn)展；以數(shù)字化為基礎(chǔ)，利用可視化技術(shù)將施工過程有文字和圖表轉(zhuǎn)換為立體圖形，以更為直觀的形式輔助決策；與飛速發(fā)展的人工智能相結(jié)合，實(shí)現(xiàn)施工過程的智能化管理和決策等。

　　２、數(shù)字化施工的內(nèi)涵

　　本文認(rèn)為，數(shù)字化施工的內(nèi)涵應(yīng)包括空間信息與可視化，系統(tǒng)仿真計(jì)算，虛擬現(xiàn)實(shí)和多智能體施工 4 個(gè)部分。

　　2.1空間信息與可視化

　　空間信息是數(shù)字化施工管理的首要前提，它包括施工場(chǎng)地的地形、地貌、建筑物、施工項(xiàng)目等一切空間的信息?？臻g信息技術(shù)是處理空間信息最為有力的工具，它主要包括遙感技術(shù)（ RS）、地理信息系統(tǒng)（GIS）和全球定位系統(tǒng)（GPS），即 3S.其中，地理信息系統(tǒng)在建設(shè)工程施工中具有重要作用。

　　地理信息系統(tǒng)[2]（GIS，Geographic Information System）是近年來迅速發(fā)展起來的、一門介于地球科學(xué)與信息科學(xué)之間的交叉學(xué)科，亦是地學(xué)空間數(shù)據(jù)與計(jì)算機(jī)技術(shù)相結(jié)合的新型空間信息技術(shù)。它是以采集、存儲(chǔ)、管理、分析、描述和應(yīng)用整個(gè)或部分地球表面（包括大氣層在內(nèi)）與空間和地理分布有關(guān)的數(shù)據(jù)的計(jì)算機(jī)系統(tǒng)。目前，國際上具有代表性 GIS 軟件有：ESRI 公司的 ARC/ INFO，它是目前世界上功能最強(qiáng)最齊全的多平臺(tái) GIS 軟件，具有空間拓?fù)浜途W(wǎng)絡(luò)拓?fù)?，可進(jìn)行各種空間疊加分析和網(wǎng)絡(luò)路徑分析；INTEGRAPH 公司的 GeoMedia Web Map，它的地理數(shù)據(jù)具有空間拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)，屬性數(shù)據(jù)和空間數(shù)據(jù)采用 DBMS 管理，由于沒有統(tǒng)計(jì)專題圖的功能，目前還沒有被廣大用戶廣泛接受；MapInfo公司的 MapXstreme 系統(tǒng)，它的地理數(shù)據(jù)沒有空間拓?fù)潢P(guān)系，采用文件方式管理，具有統(tǒng)計(jì)專題圖功能，是成熟的地理信息系統(tǒng)，也是目前流行的 GIS 工具平臺(tái)，屬性數(shù)據(jù)采用 DBMS 管理；AutoDesk 公司的AutoDesk MapGuide 系統(tǒng)，它的地理數(shù)據(jù)采用文件管理，具有空間拓?fù)潢P(guān)系，但沒有空間分析和網(wǎng)絡(luò)路徑分析功能，屬性數(shù)據(jù)采用 DBMS 管理。

　　GIS 技術(shù)在我國起步較晚，但發(fā)展仍然很快，在應(yīng)用研究方面尤其是通用軟件開發(fā)方面相對(duì)落后。目前較有影響的軟件有：北大遙感所的 Citystar、武漢測(cè)繪科技大學(xué)的 GeoStar、中國地質(zhì)大學(xué)的 MapGIS等。GIS 具有存儲(chǔ)、處理、傳輸和顯示海量地理信息或空間數(shù)據(jù)的功能，可以對(duì)信息進(jìn)行空間分析和可視化表達(dá)，豐富的查詢功能也是 GIS 的一大顯著特點(diǎn)，因而適合用于規(guī)模越來越龐大的工程建設(shè)系統(tǒng)的管理[3].近年來隨三維、四維的數(shù)據(jù)模型日趨成熟，三維、四維的 GIS 也逐漸得到研究和應(yīng)用。天津大學(xué)等將 GIS 技術(shù)與系統(tǒng)仿真技術(shù)相結(jié)合，并廣泛應(yīng)用于水利水電工程的施工領(lǐng)域中，如壩區(qū)地質(zhì)三維可視化、地下洞室和大壩施工過程三維動(dòng)態(tài)演示、施工導(dǎo)截流施工管理、施工場(chǎng)地總布置等，在行業(yè)內(nèi)取得不小的反響[4].另外，與人工智能、面向?qū)ο?、萬維網(wǎng)、虛擬現(xiàn)實(shí)等技術(shù)的結(jié)合的新型地理信息系統(tǒng)不斷的出現(xiàn)，這與施工管理數(shù)字化的趨勢(shì)相符合，因此，也必將在工程建設(shè)領(lǐng)域得到更加深入和廣泛的應(yīng)用。

　　2.2系統(tǒng)仿真計(jì)算

　　系統(tǒng)仿真技術(shù)是 20 世紀(jì) 40 年代末隨著計(jì)算機(jī)技術(shù)的發(fā)展逐步形成的一門新興學(xué)科，它以相似性原理、系統(tǒng)工程方法、信息技術(shù)及應(yīng)用領(lǐng)域相關(guān)專業(yè)技術(shù)為基礎(chǔ)，以計(jì)算機(jī)等設(shè)備為工具，利用系統(tǒng)模型對(duì)真實(shí)的、或設(shè)想的系統(tǒng)進(jìn)行動(dòng)態(tài)研究的一門多學(xué)科的綜合技術(shù)[5].仿真就是通過建立系統(tǒng)模型對(duì)實(shí)際系統(tǒng)進(jìn)行試驗(yàn)研究的過程。隨著仿真技術(shù)的發(fā)展，現(xiàn)代仿真技術(shù)已經(jīng)成為任何復(fù)雜系統(tǒng)不可缺少的分析、研究、設(shè)計(jì)、評(píng)價(jià)、決策和訓(xùn)練的重要手段。

　　國外從 70 年代開始將仿真技術(shù)應(yīng)用到工程施工過程仿真，以循環(huán)網(wǎng)絡(luò)仿真軟件為代表的一系列軟件已廣泛地應(yīng)用在隧洞施工、土石方開挖、橋梁施工、管道施工等工程施工領(lǐng)域，如 Halpin 用于工程施工過程仿真的 CYCLONE，Moavenzadeh 用于費(fèi)用預(yù)測(cè)的隧道施工仿真軟件 TCM，Clemmins 用于土方工程施工仿真的 SCRAPESIM，Kavanagh 用于代替 CPM 的循環(huán)網(wǎng)絡(luò)仿真系統(tǒng) SIREN，Odeh 基于知識(shí)的施工計(jì)劃仿真系統(tǒng) CIPROS，以及 Huang 用于施工過程動(dòng)態(tài)交互仿真的 DISCO 等[6].20 世紀(jì) 90年代以來，系統(tǒng)仿真的研究主要集中在：分布式交互仿真（Distributed Interactive Simulation）、面向?qū)ο蠓抡妫∣bject-Oriented Simulation）、智能仿真（Intelligent Simulation）、可視化仿真（Visual Simulation）、多媒體仿真（Multimedia Simulation）和虛擬現(xiàn)實(shí)（Virtual Reality）等[7].

　　可視化與仿真相結(jié)合生成可視化施工管理過程，80 年代初天津大學(xué)首先把仿真技術(shù)引入水電工程施工領(lǐng)域，隨后對(duì)大型地下洞室群、混凝土壩的施工過程進(jìn)行仿真研究，尤其是近期大量富有開拓性的研究成果，在眾多大型實(shí)際工程中得到了成功地應(yīng)用。目前，其他高等院校及科研單位也在隧道施工、水利水電施工、港口工藝方案設(shè)計(jì)和土方運(yùn)輸?shù)确矫妫M(jìn)行了仿真研究。

　　2.3虛擬現(xiàn)實(shí)

　　所謂虛擬現(xiàn)實(shí)（Virtual Reality，簡稱 VR），就是采用以計(jì)算機(jī)技術(shù)為核心的現(xiàn)代高新科技生成逼真的集視覺、聽覺、觸覺與嗅覺為一體的特定范圍的模擬環(huán)境，通過多種傳感設(shè)備（如頭盔顯示器、立體眼鏡、數(shù)據(jù)手套、數(shù)據(jù)衣等）使用戶以自然的方式與模擬環(huán)境中的物體進(jìn)行交互，從而產(chǎn)生身臨其境的感受和體驗(yàn)。虛擬現(xiàn)實(shí)有重要的 3 I 特性：

　?。?）Immersion（沉浸度）。VR 系統(tǒng)不再像傳統(tǒng)的計(jì)算機(jī)接口技術(shù)一樣，用戶與計(jì)算機(jī)的交互方式已經(jīng)是自然的，就像現(xiàn)實(shí)中人與自然的交互一樣。

　　（2）Interaction（交互性）。VR 系統(tǒng)區(qū)別于傳統(tǒng)三維動(dòng)畫的特征是用戶不再被動(dòng)地接受計(jì)算機(jī)所給予的信息，或者是旁觀者，而是能夠使用交互輸入設(shè)備來操縱虛擬物體，以改變虛擬世界的。

　?。?）Imagination（想象性）。用戶利用 VR 系統(tǒng)可以從定性和定量綜合集成的環(huán)境中獲得感性和理性的認(rèn)識(shí)，從而深化概念和萌發(fā)新意。

　　虛擬現(xiàn)實(shí)從提出到現(xiàn)在經(jīng)歷了一個(gè)發(fā)展的過程，其建模的工具也越趨于多樣化：一是 Rend386 是一個(gè)免費(fèi)的程序庫和世界播放器，功能較弱，適于 DOS 環(huán)境。二是 World toolkit for windows 是以Windows 動(dòng)態(tài)鏈接庫的形式發(fā)布的虛擬現(xiàn)實(shí)程序庫。在標(biāo)準(zhǔn) SVGA 下運(yùn)行，可以在窗口中顯示帶紋理映射的虛擬世界，也可全屏顯示。三是虛擬現(xiàn)實(shí)建模語言 VRML（Virtual Reality Modeling Language）是一種網(wǎng)絡(luò)上使用的描述三維環(huán)境的場(chǎng)景描述語言，目前已有多種版本。VRML 虛擬空間生成系統(tǒng)可以使用戶通過可視化拖放的方法，人機(jī)交互生成 VRML 虛擬空間，而用戶完全不需要掌握 VRML 的語法和規(guī)范。四是 OpenGL（開放式圖形語言）是一種建立圖形庫的語言，該語言功能強(qiáng)大，是實(shí)現(xiàn)虛擬現(xiàn)實(shí)的較好工具，但由于其編程量大，且較難掌握。五是 CAD、3DSMax、Visual C++、GIS、Matlab simulink工具箱等。

　　虛擬現(xiàn)實(shí)系統(tǒng)首先在軍事、航天等高科技領(lǐng)域及娛樂和漫游等方面獲得成功的應(yīng)用，現(xiàn)在工程建設(shè)領(lǐng)域也得到應(yīng)用，如利用 VR的可視化特性，檢驗(yàn)施工組織設(shè)計(jì)方案的可行性，或者通過實(shí)時(shí)交互修改參數(shù)來對(duì)不同施工方案進(jìn)行比較；VR 的交互性也是學(xué)校教學(xué)或培訓(xùn)員工的有效工具。

　　2.4多智能體施工

　　智能體（Agent）是指為了實(shí)現(xiàn)自己的設(shè)計(jì)目標(biāo)或任務(wù)而獨(dú)立自主的運(yùn)行，能適應(yīng)自身所處的環(huán)境，并能不斷地從環(huán)境中獲取知識(shí)以提高自身能力，具有學(xué)習(xí)和推理功能的智能實(shí)體。多智能體系統(tǒng)是由多個(gè)可計(jì)算的智能體組成的集合，其中，每個(gè)智能體是一個(gè)物理的或抽象的實(shí)體，能作用于自身和環(huán)境，并與其它智能體通訊。多智能體技術(shù)是人工智能技術(shù)的一次質(zhì)的飛躍。

　　多智能體技術(shù)具有自主性、分布性、協(xié)調(diào)性，并具有自組織能力、學(xué)習(xí)能力和推理能力。采用多智能體系統(tǒng)解決實(shí)際應(yīng)用問題，具有很強(qiáng)的適應(yīng)性和可靠性，并具有較高的問題求解效率。由于在同一個(gè)多智能體系統(tǒng)中各智能體可以異構(gòu)，因此，多智能體技術(shù)對(duì)于復(fù)雜系統(tǒng)具有無可比擬的表達(dá)力，它為各種實(shí)際系統(tǒng)提供了一種統(tǒng)一的模型，從而為各種實(shí)際系統(tǒng)的研究提供了一種統(tǒng)一的框架，其應(yīng)用領(lǐng)域十分廣闊，具有潛在的巨大市場(chǎng)。目前多智能體的建模軟件各樣，如 JAVA、Visual C++、VisualBasic、SQL Server、Delphi、PowerBuilder 中的 CLIPS 等。隨著國民經(jīng)濟(jì)的發(fā)展和新技術(shù)、新材料、新工藝的不斷出現(xiàn)，工程項(xiàng)目規(guī)模不斷擴(kuò)大、形式日益復(fù)雜，工程建設(shè)過程涉及的單位和個(gè)人也越來越多，因而對(duì)建設(shè)工程管理的統(tǒng)籌性、協(xié)調(diào)性、時(shí)效性提出的要求就越來越高。對(duì)于這樣一個(gè)復(fù)雜的系統(tǒng)，應(yīng)用多智能體技術(shù)來保證工程建設(shè)任務(wù)的順利進(jìn)行時(shí)非常合適的。目前，已有學(xué)者將多智能體技術(shù)應(yīng)用到綜合整治工程、工程招投標(biāo)、大型工程的物資供應(yīng)系統(tǒng)。

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