智能建造(intelligent construction)是指集成融合传感技术、通信技术、数据技术、建造技术及项目管理等知识,对建造物及其建造活动的安全、质量、环保、进度、成本等内容进行感知、分析、控制和优化的理论、方法、工艺和技术的统称,以促进安全、优质、绿色、高效建造。
智能建造目前还正处于自动化、数字化之后的起步与发展期。数字化是信息处理与表示方式,是将信息载体(文字、图片、图像、信号等)以数字编码形式(通常是二进制)进行储存、传输、加工、处理和应用的技术途径。网络化则表征了人与人、人与物、物与物之间的连接,使得各类数据快速、在线、实时地连接起来。智能化是数字化的升华,通过智能化手段分析数据是释放数据价值的有效手段。智能化不再是简单的信息数字化和数据的收集和传递,而是更倾向于复杂信息的分析、处理和反馈,进而实现对某项活动的闭环控制。通常是赋予系统或装备灵敏准确的感知、正确的思维与分析判断、自适应的学习,以及行之有效的执行控制功能等。
数字化与智能化的主要联系如下:
1) 数字生成方式:目前人们提到数字化,更趋向于把它理解为一种技术,即将多模态信息转换为数字,实现多模态数据真实无损失、快速安全传输和储存的技术[39]。智能化则是以数字化技术为基础,希望机器可以在状态不稳定时智能地发出信号、系统感知信号、分析信号、反馈信号,并做出决策解决问题,实现智能化流程中“信息”在“数字”和“接受物可识别的多模态信息”之间的相互转化。 2) 传输方式:智能化的前提需要实现闭环控制系统,即感知、分析、控制,而“信息”流动的载体便是数字,数字承载信息的前提便是数字化。 3) 处理方式:数字化将多元多模态信息处理为“数字信息”,而智能化则是借助数字信息在闭环控制系统的流动,实现对物体状态的快速分析和扁平化的决策处理。 因此,数字化是智能化的必要条件和最重要的基础。数字化能够提高效率,智能化能够创造价值。数字化是途径,智能化是目标和方向。智能化如果没有数字化、网络化的支撑,那么一切基于计算机的智能技术将没有分析的数据和基础。 1) 数据驱动:数据是生产要素,数据驱动则是智能建造的核心要素。智能建造本质特征是要对建造物和建造活动的资源投入、工艺过程、业务流程、结构性态、工程进度、实物成本等信息进行全面感知,进而采集建造物和建造活动的结构化或非结构化的位置和动作等不同属性的特征数据,并建立相应的数据标准库、案例库、规则库和判读库。通过混合策略或者算法自动搜索可供分析和深度学习的特征数据,达到用数据驱动建造工艺过程和业务流程的智能控制。在智能建造过程中,数据成为组织竞争力和建造活动持续进行的重要资源。以水电工程建设为例,为什么建设过程对现场作业人员的位置轨迹采集的数据可以转向合同管理[38]?这些都是数据分析驱动在后台起作用。 2) 在线连接:连接是智能建造的基础。依托传感和无线移动网络通信技术,把建造物、建造活动和管理控制的设备、人和服务相互连接起来,并迅速将感知采集、识别到的信息传递到控制处理中心,同时也可迅速传递智能系统反馈给前端的信息。智能建造中的精准识别是多元多模态数据采集的前提,通过对建造物和建造活动的视频识别和音频识别技术,对采集的建造活动现场的原始信息进行领域识别,确定信息的含义及特定对象的存在,并为在线连接做出适应调整服务,这将增强智能建造活动的现场感、生动性和多样性。目前在重大基础设施建造现场复杂地形和动态工程环境下,采用移动端、PC端互联网以及物联网等通信技术,实现在线网络连接的时空响应精度和速度的程度,决定了智能建造在未来发展和深化的程度。 3) 闭环调控:智能建造的另一个显著特征是对建造活动、工艺过程或建造设备的灵敏感知、快速分析和反馈控制的闭环调控。灵敏感知是指通过智能传感器技术,灵敏地感知建造环境的变化,如温度、浓度、轨迹以及压力等;快速分析是指通过深度学习、人工智能、大数据分析等智能技术,对多模态、海量和实时接收到的信息进行快速分析,至少给出有助于决策的结果;反馈控制是指通过自动控制技术等,根据感知到的环境条件和过程数据,运用优化决策,自动控制生产过程,控制的目标可以是人(某些环节还未完全达到无人智能化生产或将依场景需求保留有人生产)或者机器和设备。 4) 持续优化:通过云计算、模糊处理、优化函数分析技术或人工智能技术,针对建造过程中的决策环节,给出自主优化决策方案及其依据,从而辅助决策人员实现建造过程的最大效能。持续优化除对智能建造系统提出建议外,也对建造的过程提出适应纠错。通过扁平化的管理,提出敏捷的预警预控。让每一个项目或者全过程的建造活动均能闭环调控,又能在持续优化中发展,使建造活动更高效、更智能。 5) 认知反应:一个真正完整的智能建造过程或者系统具有对信息、控制行为的思考认知过程,从而提高判断学习能力、自适应功能、判断决策能力、容错能力、自组织能力和对复杂问题进行有效处理的全局控制能力。智能建造中涉及的认知反应其实是在全面感知、识别比对的基础上,对建造活动和建造对象的关键资源和管理要素具有思考、认识与调整的能力,使参与建造的智能系统或智能体(智能装备)具有对应人类思维及心理的性能,它可以使建造过程中的人了解智能体的能力及心理,使两者之间的交互更加有效和便捷,最终使得建造智能系统或智能体更好地理解和服务于人类的建造活动。 6) 协作共享:智能建造通过自动化和智能体(智能装备)如机器人等技术,利用智能化系统替代人从事特殊环境中的作业,进而提高工作效率,减少对劳动力的需求。从感知、分析、控制、反馈到持续优化,真正做到全过程无人智能化共享作业、可视化阳光作业。智能建造通过工程建造各方在智能建造管理平台上的跨地域协同实时工作,依靠数据流动、在线连接、闭环调控和持续优化的认知过程,去掉传统建造过程中不必要的环节或者资源,使工程现场建设者、物质设备供应商和技术咨询服务提供商、让科研人员以及专家团队消除地域时空限制,而直接真实地融入建造活动。智能建造技术与管理创新体现了施工全过程的全面精细化的控制,构建了新的协作共享生产关系,让生产资料流动更高效,从而提升价值创造能力,促进生产力的提高。*素材来之清华大学学报《智能建造闭环控制理论》