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译文 | 土木工程的未来
建筑微视野 • 10月23日   来源:谢崇峰,滕明睿 清华大学土木工程系暨建设管理系   405
人工智能 未来城市 技术趋势

本文翻译自ASCE期刊Civil Engineering的文章"WHAT LIES AHEAD?"作者Laurie A.Shuster是该刊的编辑。部分插图来源:futureworldvision.org

气候变化。替代能源。高科技建造。无人驾驶汽车。智慧城市。融资变革。

这些问题中的任何一个都可能在未来10、25甚至50年的发展历程中对土木工程领域产生重大影响。如果加在一起,它们之间的相互作用以及它们对设计和建造的影响将会是深远的,甚至是革命性的。

因此,ASCE鼓励工程师立即开始研究那些对建筑环境有重大潜在影响的趋势,以及这些趋势之间如何交叉,互动,影响,进而在未来几十年中,对土木工程师学习、实践和就职方式产生根本性的转变。这项工作被称为——未来世界愿景:基础设施重构(futureworldvision.org)。

该项目始于ASCE及其行业领导者理事会(ILC)召集了一支由工程建筑业内和业外的员工及志愿者组成的团队,以确定哪些文化,社会,经济,环境和技术趋势可能在塑造行业未来方面最重要。这个跨学科的团队发现了100多个这样的趋势,最终将它们缩小到最重要的25个。ASCE的董事会随后聘请了Altman Vilandrie&Co.——一个总部位于波士顿的战略管理公司,专门研究电信,媒体和技术,以进一步将上述趋势缩小到六个,并进行更深一步的探索。

Altman Vilandrie分析了这6种趋势在10、25和50年中的所有可能结果,并以不同的方式将它们组合起来以构建四种可能的未来场景。

趋势和场景在报告《未来世界愿景:基础设施重构》中进行了详细说明,它只是ASCE未来世界愿景项目的第一阶段,这是指导工程师深入研究挑战的起点并保证了这个行业前途无量。

被认为对该行业最重要的六个趋势是:

这些趋势可以朝着任何方向发展。例如,在过去的50年中,气候变化的影响可能会改善或恶化。自动驾驶可能会先影响货运或公共交通系统,然后才影响到驾驶员。通过这种努力创建的四种场景称为“韧性城市”,“先进都市”,“分散定居点”和“不平等飞地”,它们探讨了许多可能性。(四种场景参见文末)

先进都市是为该项目创建的四个场景之一,它预示了无人机和智能城市传感器等技术发展将加速推动都市化的进程。

“这是在国际劳工大会上进行的一系列讨论中得出的。在这次讨论中我们深信,相比过去50年,100年,甚至更长时间,整个土木工程和基础设施的外部环境在未来10年左右的时间里将有更大的变化。”担任Northrop Grumman公司战略总监的Gerald Buckwalter(ASCE助理成员)说。他曾在小布什总统和奥巴马总统的国土安全部国家基础设施咨询委员会任职,之后加入了ASCE的国际劳工大会。Buckwalter领导了一个团队,在ASCE推进这个项目的初始阶段时为其提供建议。“当这些变化朝着你所处的方向发展时,是时候做一些认真的未来分析了。”

场景规划的最大价值——一种大型承包商和政府本身经常使用的方法,也是Buckwalter在Northrop Grumman公司实施的——来自于“你所经历的思考过程,思考哪些趋势是最重要的,对你的职业有最大的影响,它们可能会有什么样的结果,以及它们在相互联系时如何相互影响。”他说,“我们希望与整个ASCE协会分享这一思维过程,以便每个人都能从这一过程中受益。”

显然,材料、可视化技术、设计和建造自动化、能源合成、运输方法以及其他技术的进步将导致重大变化,这些变化将在未来影响设计和建造领域,以及支撑社区的基础设施。“这是我们尽早开始的机会,并找出对建筑环境最理想的未来。”Buckwalter说,“然后你可以从中梳理出什么是土木工程师和ASCE的合适角色?再从中梳理出当前和未来的土木工程师需要什么样的工程能力和技术?”

人工智能和物联网

贯穿许多趋势的两个进步是人工智能(AI)的发展和“物联网”(IoT)产生的数据量的增加——特别是“基础设施互联网”(IoI)。越来越多的基础设施或基础设施的某部分被设计成包含传感器的形式,这些传感器通过电线或Wi-Fi连接到其他组件,例如监测它们的健康状况或控制它们的操作。这些IoI设备生成的数据必须被监控、整理和分析。

“我认为将导致某种或其他形式的大规模变化的趋势之一是,内置于各种基础设施中的所有传感器的海量数据和数据分析。” Buckwalter 说,“这将创造一种全新的形式,我们必须弄清楚。”

建筑物、桥梁、管道、甚至河流和小溪中的传感器已经向基础设施设计者、所有者和操作员传递了海量数据。在未来,Buckwalter说,“将会有从基础设施到土木工程师的通信,也会有无生命物体到无生命物体的通信。”他们将分享彼此的地位。然后突然之间,你的基础设施系统(几乎)是活的,因为它们彼此通信并相互响应。      

 

“我们的一些土木工程测量技术将会消失,因为这些测量将是自我支撑的。”Buckwalter说,“这就是未来。”

不久,更复杂的系统将不仅仅能传输数据。“如果任何你定义的人工智能加上,从简单的事物比如自动汽车到更加复杂的思考机器,它都将对我们需要建立,维护或更换的基础设施产生重大影响。”Buckwalter指出。

自动化建造技术

机器学习的进步只会增加复杂性。“这是一个合乎逻辑的结果,计算机将能够相互交流,做出一些人类现在做出的决定。大多数人认为在50年内会有这样的事情发生。那么我们希望机器做出什么样的决定呢?”

根据David J. Odeh, P.E., S.E., F.ASCE(注册工程师,结构工程师,美国土木工程师协会会士)所说,做决定不是AI唯一会取代的事情。他是北普罗维登斯州罗德岛Odeh Engineers 公司的结构工程师兼负责人,也是设计自动化和虚拟现实及增强现实等可视化技术方面的专家。Odeh也是这个项目中ASCE咨询团队的一员。“如今设计的某些环节已经实现了部分自动化,人工智能可以帮助进一步实现自动化。” 他预测道,“当你把这种技术与我们今天拥有的计算机建模工具结合起来,你就会拥有非常强大的工具,这可能会颠覆基础设施的设计。”

如果自动化设计功能能够与自动化建造技术无缝结合,结果将会是真正的变革。Odeh预测:“设计自动化工具与建造和制造技术的直接联系——如计算机控制的制造设备、机器人建造设备和自动化机器人设备,它们可以建造基础设施的各部分,然后在现场组装起来。”

通过无人机将预制件运送到工地,模块化建造可能会更快、更高效。

这将标志着当前工厂建造基础设施构件趋势的下一步。“我们已经看到了建筑模块化的进步。”奥德说,“建筑可以在受控的环境中在工厂里建造,就像轮船和汽车一样。这给我们带来了巨大的生产率收益。如果它们发展到更加普及和实用的程度,这种改变可能会颠覆这个行业。”

如果这种情况发生,许多人可能会质疑土木工程师和建筑工人是否还会有作用。答案是肯定的,但这些作用可能与今天的作用截然不同。“这与几十年来我们在技术上的经历一脉相承。”奥德说,“新技术的出现,既可以自动化,也可以取代以前人们做的事情。三四十年前,如果你走进一个工程办公室,你会看到数十名员工在绘制表格、起草计划。如果你今天走进同一间办公室,那些绘图桌将会因为CAD(计算机辅助设计)和BIM(建筑信息模型)的出现而消失。但是创造出来的是新一代的专业技术人员,他们成为了使用CAD和BIM的专家,并提高了他们的效率,改善了设计习惯。”

他指出土木工程师的角色将会发生变化。“是的,有些职位可能会消失,但工程师有机会参与新的领域,这些领域将变得更加重要。我们不知道所有这些意味着什么,但通过做一些类似‘未来世界展望’的事情,我们可以开始描绘未来可能会是什么样子,这样我们就可以开始让我们的年轻工程师为这些可能性做好准备。”
 
此外,机器人建造技术可以使原本危险的建筑行业变得更安全。可以想象无人机将材料运送到在建的摩天大楼顶部,或使用3d打印设备在峡谷上建造一座拱桥。像U.S.Bionics公司的suitX部门已经在开发人类的“外骨骼”,人们可以穿上它来增强他们的力量、灵活性并提高工作中的安全性,并把目标定在了建筑市场。触觉技术可以让人类利用身体的运动来远程控制机器人的动作,最终可以让工作人员在危险的环境 下建造基础设施,而不会真的危及到他们自己。

这些自动化建造技术很可能会受到建筑材料进步的影响。“我们在办公室和现场谈了很多,关于我们使用的配方,其中科学的变化速度比新材料本身要慢得多。” 一位费城的工程咨询公司Pennoni的工程师Jesse Taylor Gormley, P.E., ENV SP, M.ASCE.(注册工程师,可持续发展未来分析师,美国土木工程协会成员)说,他也是ASCE未来世界展望项目顾问团队的成员。他指出如果3D打印技术在建筑中的使用增加,建筑商使用的材料的性质可能会改变。“我们用来3D打印的材料可能会对建造产生巨大的影响。”他说。

在过去的十年里,传统建筑材料甚至有了显著的进步。“我了解到一种新型的合金,它可以达到塑性变形范围,然后恢复。” Gormley说,“这应该会导致长期变形,但不知为何却不会。我的反应是“哇!”。

“其他材料也在进步。我们正在用自我修复的混凝土做一些很棒的事情。” Gormley说。

更好、更耐用的材料可以在很大程度上帮助建设更可持续、更有韧性的社区,这可能在未来随着环境的变化而需要。

智能交通

智能交通是另一个吸引了工程界内外许多领导大量关注的趋势。无论是车辆到基础设施的通信,个人或公共交通的无人驾驶汽车,还是超级高铁,在人员和货物运输效率方面的创新都在不断增加。随着这些变化的继续,从需要设计的道路和桥梁,到人们居住的地方,都将受到影响。“如果你回到几年前,人们还在抱怨超级高铁,但后来这种讨论就消失了。” Gormley指出。“接着自动驾驶汽车出现了,它们似乎把一切都向前推进了一步。突然间我听说有一个计划,要在五到十年内连接费城到匹兹堡的超级高铁!它将在半小时内到达目的地,这会改变你认知通勤的视角。”

这种运输方式的转变可能会对土建设计产生重要影响。“如果自动驾驶汽车在未来占据主导地位,并与磁悬浮列车和超级高铁等新形式的公共交通相结合,那将从根本上影响城市的建设方式。”奥德说,“它甚至会改变一些基本的东西,比如街道、人行道和桥梁的设计。”

如果自动驾驶汽车在未来变得无处不在,就没有必要整天把它们停在城市停车场。停车场或它们占用的土地可以被重新用作办公室、住宅和绿色空间。

气候变化

当谈到可能具有最大整体影响的趋势时,也许没有什么比气候变化更具有挑战性。温度变化、海平面上升、干旱和洪水、日益恶化的风暴、融化的永久冻土层、不断上升的地下水水位以及其他一系列事件可能会影响一切,从食品和水供应到废水和雨水系统、交通、能源等等。“看看几年前南非的情况,当时整个城市的饮用水都快用完了。” Gormley说,“这是一个非常真实的场景。”

他说就目前而言,美国已经为水资源短缺做了更好的准备。“但如果我们让基础设施继续恶化,情况就不会这样了。”

没有人确切地知道气候变化的影响在长期内将如何显现,但许多城镇现在已经感受到了这种影响,并在为更多的影响打算。“我认为人们对气候变化的看法已经改变了,” Gormley说, “过去主要是在缓解方面:我们能做些什么来防止这些变化的发生?随着我们逐渐接受这些变化已经在发生,而且速度很快,我们的战略也越来越适应变化。”

这种情况下需要融资。无论这些资金是来自政府、私人个体,还是两者的某种组合,这是在四个场景中以多种方式处理的一个主题。“其中一些项目表明,我们将找到一种方法,使基础设施的公共融资可靠而有效,并通过加强监管来帮助我们。” Odeh说,“在某些情况下,政府融资肯定会继续受到挑战,就像今天这样。私人融资的作用会变得更加重要,实际上会取代大部分公共融资。这是一个不同类型的世界。”

工程师们需要像现在一样,继续引导充足的公共资金分配。Odeh说:“ASCE坚信,公共资金对于维护和升级我们未来的基础设施至关重要。”

新型土木工程师

也许最基本的变化,这些趋势及其相互作用,可能会创造一种新型的土木工程师——擅长数据分析,善于合作和协调多种领域的专业人员,并且能够看到系统如何与其他系统交互,创造一些更大、更复杂的系统——这种方法也被称作系统工程。“土木工程师必须成为系统工程和系统集成的大师。”Buckwalter说,“这是一个即将到来的非常趋同的世界。系统之间相互连接并协同工作。一位土木工程师可能不仅仅是在和一位结构工程师或机械工程师交谈,而是在和一位化学家和一位生物学家交谈。我们已经看到了它的早期阶段。”

对土木工程师来说,将基础设施系统整合在一起,并考虑它们将如何相互影响是一个重要的角色。“这比他们以前做的要复杂得多,总得有人去做。” Buckwalter指出,“如果土木工程师不这样做,就会有其他人站出来填补空缺。但从逻辑上讲,土木工程师才是正确的人选。”

Odeh完全同意。“为了在未来的世界中发挥作用,我们的工程和建筑专业人员需要成为系统集成和相互作用的大师。” 他解释说,“我们不能把自己的学习和实践局限在一个特定的领域。他指出,将系统集成在一起的能力是无法自动化的。这就是为什么工程师如此重要的原因——他们有能力把所有的东西组合在一起。”

Odeh将系统集成的想法视为“土木工程师成为领导者的机会,不仅是为了谋生,也是为了帮助规划未来的世界。”

如果我们想成为领导,我们必须与传统领域之外的人进行对话:政府战略家、规划者、大公司、未来学家、技术专家——甚至是艺术家和其他对世界未来有远见的创意人士,” Odeh说。“我们想在那张桌子上有一个座位,因为它对我们的职业及未来至关重要。”

四种场景

《未来世界愿景:基础设施重构》报告是ASCE的未来世界愿景项目的第一阶段,它描述并分析四种可能的未来场景,可以作为一个起点指导工程师激烈探讨超过10年,20年和50年后,气候变化、替代能源、高新技术建设、无人驾驶车辆、智能城市和公共融资可能发展的趋势——以及这些趋势如何相互作用并转变土木工程师的角色。这些场景的完整描述可以在报告中找到(futureworldvision.org)。下面是每个场景的简要摘要。

场景1:韧性城市

在这种场景下,气候变化开始对城市产生重大的有害影响,尤其是沿海城市。起初对这些变化的反应是缓慢的,但最终随着影响的增加,对保护措施的长期投资需求增加。政府被迫作出反应,生产出更智能、更有韧性的基础设施,但等待的成本很高。

一座韧性城市可能是一座漂浮的城市:丹麦建筑公司Bjarke Ingels Group (BIG)的创始人Bjarke Ingels最近发布了一个用大量木材和竹材建造的漂浮城市效果草图,它可以抵御洪水、地震和海啸。

在这种情况下,10年后严重的干旱和极端风暴会更频繁地发生,从而降低农业生产率。政府和公司开始在材料科学研究上投入更多的资源,希望更多有韧性的材料可以有效地缓解气候变化的影响。利用公私合作来升级城市基础设施以抵御气候变化影响的兴趣日益浓厚。

从现在起的25年里,干旱和农业歉收更加普遍,对粮食和水供应造成了严重的压力。海平面上升威胁着沿海社区的生存。与此同时,农村人口开始越来越多地向城市迁移,增加了城市服务的压力,加剧了对节能、碳平衡解决方案的支持。

50年过去后,公共和私营部门终于联合起来制定适应措施,以应对严峻的环境变化。新材料帮助建筑和基础设施抵御极端天气事件,智能城市技术加上无人公共交通,帮助满足不断增长的城市人口的需求。

该报告指出在韧性城市方案中,工程师将被要求解决问题,并设计与侵蚀海水、极端风暴和不断增长的城市人口相关的基础设施。他们将需要与专家合作,为饮用水网络设计安全的数字控制技术,以及能够应对不断变化的需求的水利设施。他们需要抬高易受海平面上升影响的道路、桥梁、港口和其他基础设施,建造或改善海堤、防洪堤和其他屏障。

新的建筑材料和技术的需求出现,这将导致较高的前期费用。工程师需要接受生命周期成本分析,并善于向利益相关者解释其价值。工程师们需要引领可持续发展的潮流,并参与碳封存、负排放技术和替代能源进步的合作研究。

场景2:先进都市

在这种情况下,全球城市化进程加快,都市形成和发展。各国政府利用技术和有效的城市规划,迅速和有效地适应。城市服务通过使用先进技术实现个性化。城市里的司机放弃了他们的汽车,转而选择无处不在的、自动运行的公共交通工具。以前专门用于驾驶和停车的基础设施被重新用于住房和绿地。自动化的建造工艺和坚固的材料推动了城市的建设,而城市的建设完全由核聚变产生的零排放能源提供燃料。

在10年的时间里,公共和私营部门形成有效的伙伴关系,为都市开发住房、食品和其他服务。智能城市技术正被用于管理稀缺资源和最大化城市服务。洪涝灾害通过使用高科技的施工方法和先进的材料建造基础设施来最小化。无人驾驶技术也在进步。

25年过去后,PPP模式正在资助无人公共交通和核聚变设施。气候的变化,如更高的温度和多变的降雨,影响了农业和水的供应,尽管洪水已被降至最低。智能城市技术仍然被用来最大化城市资源。

到50年后,每个都市的人口都将达到或超过5000万。由于核聚变既便宜又清洁,能源问题可以忽略不计。建筑技术的进步使得建筑成本低、速度快、效率高,这有助于城市适应人口增长。

这一设想的重点是继续目前人口向城市迁移的趋势,从而产生都市。政府投入更多资金研究新的发电方式、智能交通、先进的建筑材料和建造方法,以及智能城市技术。该报告预计机器人和增强现实工具的使用将成为常态,这将提高工人的安全程度。

报告指出,考虑到自动化程度的提高,工程公司将需要重新思考人力资源的最佳利用方式。一个选择是,针对汽车专用基础设施拆除后形成的空间,为无人驾驶汽车和行人设计。

通过“物联网”(IoT)连接基础设施、建筑物和交通将使黑客攻击的危险更加现实,这要求土木工程师采取系统集成方法,并与其他领域的专业人士合作,以确保世界的基础设施保持安全。

场景3:分散定居点

在这种场景下,城市生活退化到许多居民离开城市,进入相对孤立但多少能自给自足的定居点。利用太阳能技术,这些定居点自己产生能量,居民们几乎可以通勤上班,但很少有其他技术进步发生。城市是停滞和不安全的。

从现在起的10年里,关键的基础设施仍然没有得到修复和维护,安全是一个普遍的问题。政府反应迟钝,城市负担过重,效率低下,导致许多人离开。替代能源的研究仍在继续,能源储存也开始商业化。

在25年的时间里,当地团体建立了偏远的定居点,每个定居点都有自己的政府。太阳能和储存这些能源的技术使这些定居点的居民能够“脱离电网”生活。私营电信公司在旧的基础上建立新的基础设施,解决这些网络的安全问题,使定居点居民能够在城市里工作,从而实现大规模的远程通讯。气候变化的影响比最初预测的要有限。

在50年内,新定居点的分布更加均匀,管理更加有效。太阳能电池板嵌入到各种基础设施中,使能源既便宜又清洁。一些智能城市技术正在定居点内使用。

在这种情况下,报告设想了与都市相反的情况;土木工程师将设计更小、更独立的小型车。由于远程办公的普遍存在和对分布式能源网络的依赖,网络安全将成为一个关键问题。工程师们需要用可持续的、可负担的、安全的基础设施来规划更小的社区。

场景4:不平等飞地

在报告最后的场景中,政府完全失败了。那些有能力离开城市前往新定居点的人正在大规模迁移,只留下那些不那么幸运的人。网络安全是一个重大问题,破坏了远程办公的尝试,相反,那些有能力这样做的人会乘坐自动驾驶汽车长途通勤到城市里工作。城市中心受到气候变化和缺少投资的影响。随着私有化进程的推进,一些设计、建造和智能城市的创新正在兴起,但受益的主要是富人。

在10年内,城市遭遇的洪水、其他自然灾害以及网络攻击都在增加,政府无力应对。自动驾驶汽车确实存在,但价格昂贵,导致富人开始离开城市。由于需要纳税的居民越来越少,市政府无法跟上基础设施老化和气候变化的影响。

不到25年,富人就安坐在他们用高科技建造方法搭建的定居点里,居民们继续通勤前往衰落的城市。替代能源的研究开始了。资金短缺的市政府依赖私人公司提供政府曾经提供的服务,结果好坏参半。

在50年内,这些定居点将以现代基础设施、太阳能和智能城市技术为特色。这些城市为富裕的通勤者提供服务,其中一些服务也惠及了较贫穷的居民。由于气候变化的影响仍在继续,韧性的努力只针对那些最具经济意义的领域。

这种情况可以说是最具挑战性的,其重点在于经济和社会不平等趋势的加剧。报告预计,政府资金有限,自然灾害和数字灾害将会增加,这将迫使城市做出非常艰难的决定。在关键基础设施度过使用寿命后,城市必须优先考虑在恢复和韧性方面的支出。

在这种情况下,土木工程师的角色是倡导资源的公平分配。例如,指出无人驾驶基础设施相对于传统交通方式的优势,以及智能城市技术在长期内节省的资金。土木工程师还可以开发从飞地到城市的交通基础设施,以及使无人驾驶汽车和传统汽车共存的系统。土木工程师还需要与网络安全专家、气候风险专家、机器人设计师和城市规划者合作,以确保所有这些系统尽可能有效地协同工作。他们还需要在自动化建设和维修技术、能源和水效率、非传统发电方法以及支持它们的基础设施方面发展专业技能。

制作人:

谢崇峰 博士生(主要研究海洋混凝土结构)

滕明睿 博士生(主要研究建筑结构抗震防灾)

指导教师:冯鹏 教授

清华大学土木系

复合材料结构与新型混凝土结构研究组

本文已标注来源和出处,版权归原作者所有,如有侵权,请联系我们。

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