數(shù)字化施工淺議

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　　建設工程施工是一個高度動態(tài)的過程，施工管理極為復雜，如何應用先進的技術手段提高管理的現(xiàn)代化水平已成為施工管理人員的共識。隨著計算機技術的飛速發(fā)展和互聯(lián)網技術的日益普及，以互聯(lián)網技術為基礎，借助于系統(tǒng)仿真技術，實現(xiàn)工程項目的可視化、信息化和智能化施工管理，已成為工程項目施工管理的一個重要研究課題與發(fā)展方向。本文從“數(shù)字化施工管理”的提出背景出發(fā)，重點討論了數(shù)字化施工管理的內涵，以及可能實現(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].嚴格地講，“數(shù)字地球”是以計算機技術、多媒體技術和大規(guī)模存儲技術為基礎，以寬帶網絡為紐帶，運用海量地球信息對地球進行多分辨率、多尺度、多時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和生活質量。

　　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、網絡化、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)字化施工包含的內容十分廣泛，涉及到眾多領域的知識和技術。它不僅僅指由計算機代替?zhèn)鹘y(tǒng)的手工制作報表，而是有更為廣闊應用范疇。如以高速寬帶互聯(lián)網為依托，實現(xiàn)施工過程信息的共享；借助于計算機仿真技術，進行更加準確高效地配置各生產要素和預測工程的未來進展；以數(shù)字化為基礎，利用可視化技術將施工過程有文字和圖表轉換為立體圖形，以更為直觀的形式輔助決策；與飛速發(fā)展的人工智能相結合，實現(xiàn)施工過程的智能化管理和決策等。

　　２、數(shù)字化施工的內涵

　　本文認為，數(shù)字化施工的內涵應包括空間信息與可視化，系統(tǒng)仿真計算，虛擬現(xiàn)實和多智能體施工 4 個部分。

　　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，它包括施工場地的地形、地貌、建筑物、施工項目等一切空間的信息。空間信息技術是處理空間信息最為有力的工具，它主要包括遙感技術（ 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、一門介于地球科學與信息科學之間的交叉學科，亦是地學空間數(shù)據(jù)與計算機技術相結合的新型空間信息技術。它是以采集、存儲、管理、分析、描述和應用整個或部分地球表面（包括大氣層在內）與空間和地理分布有關的數(shù)據(jù)的計算機系統(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最齊全的多平臺 GIS 軟件，具有空間拓撲和網絡拓撲，可進行各種空間疊加分析和網絡路徑分析；INTEGRAPH 公司的 GeoMedia Web Map，它的地理數(shù)據(jù)具有空間拓撲結構，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)沒有空間拓撲關系，采用文件方式管理，具有統(tǒng)計專題圖功能，是成熟的地理信息系統(tǒng)，也是目前流行的 GIS 工具平臺，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，具有空間拓撲關系，但沒有空間分析和網絡路徑分析功能，屬性數(shù)據(jù)采用 DBMS 管理。

　　GIS 技術在我國起步較晚，但發(fā)展仍然很快，在應用研究方面尤其是通用軟件開發(fā)方面相對落后。目前較有影響的軟件有：北大遙感所的 Citystar、武漢測繪科技大學的 GeoStar、中國地質大學的 MapGIS等。GIS 具有存儲、處理、傳輸和顯示海量地理信息或空間數(shù)據(jù)的功能，可以對信息進行空間分析和可視化表達，豐富的查詢功能也是 GIS 的一大顯著特點，因而適合用于規(guī)模越來越龐大的工程建設系統(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用。天津大學等將 GIS 技術與系統(tǒng)仿真技術相結合，并廣泛應用于水利水電工程的施工領域中，如壩區(qū)地質三維可視化、地下洞室和大壩施工過程三維動態(tài)演示、施工導截流施工管理、施工場地總布置等，在行業(yè)內取得不小的反響[4].另外，與人工智能、面向對象、萬維網、虛擬現(xiàn)實等技術的結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)字化的趨勢相符合，因此，也必將在工程建設領域得到更加深入和廣泛的應用。

　　2.2系統(tǒng)仿真計算

　　系統(tǒng)仿真技術是 20 世紀 40 年代末隨著計算機技術的發(fā)展逐步形成的一門新興學科，它以相似性原理、系統(tǒng)工程方法、信息技術及應用領域相關專業(yè)技術為基礎，以計算機等設備為工具，利用系統(tǒng)模型對真實的、或設想的系統(tǒng)進行動態(tài)研究的一門多學科的綜合技術[5].仿真就是通過建立系統(tǒng)模型對實際系統(tǒng)進行試驗研究的過程。隨著仿真技術的發(fā)展，現(xiàn)代仿真技術已經成為任何復雜系統(tǒng)不可缺少的分析、研究、設計、評價、決策和訓練的重要手段。

　　國外從 70 年代開始將仿真技術應用到工程施工過程仿真，以循環(huán)網絡仿真軟件為代表的一系列軟件已廣泛地應用在隧洞施工、土石方開挖、橋梁施工、管道施工等工程施工領域，如 Halpin 用于工程施工過程仿真的 CYCLONE，Moavenzadeh 用于費用預測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)網絡仿真系統(tǒng) SIREN，Odeh 基于知識的施工計劃仿真系統(tǒng) CIPROS，以及 Huang 用于施工過程動態(tài)交互仿真的 DISCO 等[6].20 世紀 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）、面向對象仿真（Object-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（Virtual Reality）等[7].

　　可視化與仿真相結合生成可視化施工管理過程，80 年代初天津大學首先把仿真技術引入水電工程施工領域，隨后對大型地下洞室群、混凝土壩的施工過程進行仿真研究，尤其是近期大量富有開拓性的研究成果，在眾多大型實際工程中得到了成功地應用。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、港口工藝方案設計和土方運輸?shù)确矫?，進行了仿真研究。

　　2.3虛擬現(xiàn)實

　　所謂虛擬現(xiàn)實（Virtual Reality，簡稱 VR），就是采用以計算機技術為核心的現(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)境中的物體進行交互，從而產生身臨其境的感受和體驗。虛擬現(xiàn)實有重要的 3 I 特性：

　?。?）Immersion（沉浸度）。VR 系統(tǒng)不再像傳統(tǒng)的計算機接口技術一樣，用戶與計算機的交互方式已經是自然的，就像現(xiàn)實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)三維動畫的特征是用戶不再被動地接受計算機所給予的信息，或者是旁觀者，而是能夠使用交互輸入設備來操縱虛擬物體，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識，從而深化概念和萌發(fā)新意。

　　虛擬現(xiàn)實從提出到現(xiàn)在經歷了一個發(fā)展的過程，其建模的工具也越趨于多樣化：一是 Rend386 是一個免費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 動態(tài)鏈接庫的形式發(fā)布的虛擬現(xiàn)實程序庫。在標準 SVGA 下運行，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)實建模語言 VRML（Virtual Reality Modeling Language）是一種網絡上使用的描述三維環(huán)境的場景描述語言，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，該語言功能強大，是實現(xiàn)虛擬現(xiàn)實的較好工具，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)實系統(tǒng)首先在軍事、航天等高科技領域及娛樂和漫游等方面獲得成功的應用，現(xiàn)在工程建設領域也得到應用，如利用 VR的可視化特性，檢驗施工組織設計方案的可行性，或者通過實時交互修改參數(shù)來對不同施工方案進行比較；VR 的交互性也是學校教學或培訓員工的有效工具。

　　2.4多智能體施工

　　智能體（Agent）是指為了實現(xiàn)自己的設計目標或任務而獨立自主的運行，能適應自身所處的環(huán)境，并能不斷地從環(huán)境中獲取知識以提高自身能力，具有學習和推理功能的智能實體。多智能體系統(tǒng)是由多個可計算的智能體組成的集合，其中，每個智能體是一個物理的或抽象的實體，能作用于自身和環(huán)境，并與其它智能體通訊。多智能體技術是人工智能技術的一次質的飛躍。

　　多智能體技術具有自主性、分布性、協(xié)調性，并具有自組織能力、學習能力和推理能力。采用多智能體系統(tǒng)解決實際應用問題，具有很強的適應性和可靠性，并具有較高的問題求解效率。由于在同一個多智能體系統(tǒng)中各智能體可以異構，因此，多智能體技術對于復雜系統(tǒng)具有無可比擬的表達力，它為各種實際系統(tǒng)提供了一種統(tǒng)一的模型，從而為各種實際系統(tǒng)的研究提供了一種統(tǒng)一的框架，其應用領域十分廣闊，具有潛在的巨大市場。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。隨著國民經濟的發(fā)展和新技術、新材料、新工藝的不斷出現(xiàn)，工程項目規(guī)模不斷擴大、形式日益復雜，工程建設過程涉及的單位和個人也越來越多，因而對建設工程管理的統(tǒng)籌性、協(xié)調性、時效性提出的要求就越來越高。對于這樣一個復雜的系統(tǒng)，應用多智能體技術來保證工程建設任務的順利進行時非常合適的。目前，已有學者將多智能體技術應用到綜合整治工程、工程招投標、大型工程的物資供應系統(tǒng)。

　　參考文獻：

　　[1] 江綿康。對“數(shù)字地球”的幾點認識[J].地理信息世界，2003，1（3）：1－3.

　　[2] 胡 鵬，黃杏元，華一新。地理信息系統(tǒng)教程[M].武昌：武漢大學出版社，2002.

　　[3] 黃恩才，趙 彤，于敬海，等。地理信息系統(tǒng)在土木工程中的應用[J].天津理工學院學報，2003，19（3）：96－99.

　　[4] 鐘登華，鄭家祥，劉東海，等。可視化仿真技術及其應用[M].北京：中國水利水電出版社，2002.

　　[5] 康鳳舉。現(xiàn)代仿真技術與應用[M].北京：國防工業(yè)出版社，2001.

　　[6] 李景茹。大型工程施工進度分析理論方法與應用[D].天津：天津大學博士學位論文，2003.

　　[7] 李伯虎，王正中。90 年代計算機仿真技術新動向[J].計算機世界，1992（9）：4－6.