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张喜刚院士:数智赋能 引领桥梁产业创新发展
作者:肖琳芬 发表时间:2022年06月08日

  智能桥梁具有安全、智能、绿色的基本特征,符合国家发展方向更是推动行业高质量发展的重要抓手。中国工程院院士、东南大学桥梁研究中心主任张喜刚在“创新与新兴产业发展国际会议”现代交通工程技术与产业专题会上表示,必须抓住时代机遇,大力推动智能桥梁为主要特征的桥梁产业变革。以下为报告整理。 

    

张喜刚 

    

  「产业高质量发展的必然选择」 

  2015年我组织召开了国内桥梁界的香山科学会议,首次提出了智能桥梁的发展计划,得到了业内广泛认同和交通运输部的大力支持,被列入了交通运输的十大技术方向,已经逐渐成为行业的发展共识。 

    

  之所以提出智能桥梁,是因为我们认识到桥梁的建造是人类与自然、社会、工程的一个智力互动过程。传统的建造主要以“单智互动”为主,形成的经验散布于单体中,往往产生大量设计资源的浪费,影响了产业的进一步发展。 

    

  从人类文明的发展历程来看,将资源集中投放到特定点上,是人类文明发展的主线之一。比如机械化时代是能源资源集中投放的结果,信息化时代是信息资源集中投放的结果。而智能化时代则是经验资源集中投放,智能化为桥梁建造由“单智互动”上升为“众智互动”提供了机遇。 

    

  传统桥梁工程与现代智能技术的结合,必将推动第三代桥梁工程的发展。第一代桥梁工程主要以木、石等天然材料为基础,由人工建造,第二代桥梁工程则是以混凝土、钢等人工材料为基础,由机械建造,第三代的桥梁工程则以智能高性能材料为基础,由智能化的技术建造、管养和使用。 

    

  同时,智能也可以为安全绿色发展赋能。通过“智能+安全可以实现更安全,通过智能+绿色可以实现更绿色。发展智能桥梁、实现桥梁建养用各个环节的众智互动,就是桥梁产业高质量发展的必然选择。 

    

  「把握向智能桥梁进军三个着力点」 

  如今,中国桥梁经过快速发展已经形成了产业升级的良好基础。面对交通强国、新基建、高质量发展的时代发展机遇,中国桥梁领域已经具备了向智能桥梁全面进军的条件。要推动智能桥梁的发展,必须把握好科学谋划、创新实践、迭代发展三个着力点。 

    

  首先是科学谋划,即如何科学推动智能桥梁的发展。发展智能桥梁,先要明确什么是智能桥梁?从智能桥梁内涵的构成来看,我们认为智能桥梁包含三个基本要素——建养技术、管理制度和智能技术,且具有三个基本特征即工业化、数字化和智能化。 

    

  智能桥梁的发展主要存在着功能和性能两个维度的需求。在性能方面要朝着安全、智能、绿色方向提升,在功能方面要向着状态感知、环境感知、管理协同延伸,并且将着眼点拓展到使用阶段和社会治理。换言之,在已有桥梁工程技术发展的基础上,通过与人工智能技术的学科交叉融合。发展智能桥梁的重点,是解决好智能设计、智能建造、智能管养与智能使用这四大方面的关键技术难题。 

    

  综合来看,我们可以给智能桥梁下一个基本定义:智能桥梁是在桥梁全产业链技术充分发展的基础上,面向安全、智能、绿色三大需求,充分融合数字化技术,以智能化为核心,可实现智能设计、智能建造、智能管养、智能使用的新一代桥梁工程。 

    

  「发展核心是突破解决若干关键技术」 

  在明确智能桥梁概念内涵的基础上,要分析把握好关键的需求。在智能建造方面,桥梁建造主要包括设计、制造、安装的主要过程,人、机、料、法、环等关键要素的控制,面临着多因素识别分析、多目标优化决策、多任务协同控制的几个挑战。 

    

  智能建造就是要解决多环节、多源头数据的智能感知、传递、管理、学习、控制等关键。因此,需要针对桥梁建造关键环节及要素,突破智能化的理论方法和技术瓶颈。重点从面向多目标优化的设计方法、场景识别、预制拼装、智能控制等方面开展研究,通过多学科的交叉融合实现基础理论方法、关键算法的突破,来解决桥梁智能建造的“卡脖子”问题。 

    

  桥梁管养面临多时空数据的挖掘分析、多目标优化决策的几个挑战。智能管养需要解决复杂服役环境下桥梁状态的动态感知、科学评估、高效处置等关键技术。 

    

  因此,需要针对桥梁管养的关键环节及要素,突破智能化理论方法和技术瓶颈。面向桥梁智能管养,重点从智能巡检、智能预警、智能诊断、智能决策等方面开展研究,实现预防管养、靶向管养、动态管养,提高管养的有效性、针对性和科学性。 

    

  在智能使用方面,作为一种公共交通基础设施,桥梁的使用主要面临着人、路、车船、环境等多要素动态感知、跨界数据交互、高效决策的技术挑战,智能使用就是要解决高交互要素信息的动态感知、无障交互、状态控制等一系列关键问题。 

    

  因此,需要针对桥梁使用的关键要素及调控,重点突破智能化的控制决策方法等技术瓶颈,面向桥梁智能使用,重点从智能驾驶、智能防控、智能路网、智能决策等方面开展研究,实现桥车协同、桥船协同、桥路协同,进而实现桥梁工程的智能管控,助力智能化社会的治理。 

    

  发展智能桥梁,核心是要突破解决若干的关键技术,比如在智能设计方面需要攻克桥梁智能设计理论,优化算法、设计流程、软件平台等关键技术。在智能建造方面,需要攻克以工业化、数字化、智能化为特征的桥梁智能建造的关键技术及装备。 

    

  在智能管养方面,需要攻克以远程、快速、同步、智能为目标的桥梁智能管养的关键技术及装备;在智能使用方面,需要攻克面向动态感知、决策预警、主动控制、智能服务的桥梁智能使用关键技术及装备。 

    

  「打造智能桥梁要有基本认识」 

  关于智能桥梁的发展路径,显然只靠桥梁专业本身和几个研究单位、生产企业是难以实现的。这需要依靠体制、机制的创新,推动多学科的交叉融合,这也必将带动合作领域、合作模式、合作机制的变化,推动智能桥梁产业群的协同发展。 

    

  因此,我们需要有几个基本认识。一是智能桥梁必须立足于行业现状和实际需求,科学把握传统桥梁和智能桥梁的发展重点,才能充分发挥数智化的产业重塑价值,推动产业升级,满足未来需求。 

    

  二是智能桥梁必须立足于行业需求,依靠体制机制创新,整合内外部的资源,实施多学科交叉融合研究,产业群协同攻关才能科学推进。 

    

  三是智能桥梁作为创新性、探索性的研究,必须有重大的科技计划来牵引,实施长期的科技攻关才能务实推进。 

    

  从战术层面看,也需要有清醒的认识。一是智能桥梁的技术体系应当包括需求链、技术链、价值链三条发展主线,还需要针对智能桥梁,围绕需求链布置技术链,围绕技术链打造价值链。 

    

  二是智能桥梁的发展应当包括三个步骤,即提升桥梁全产业链的技术,建立数字孪生模型,实现建养智能决策,从而实现智能设计、智能建造、智能管养、智能使用,达到安全、智能、绿色的高质量发展目标。 

    

  「立足行业实际做好支撑」 

  综合来看,智能桥梁的发展需要立足于行业实际,重点做好技术、平台、机制、人才这四个方面的支撑。针对智能桥梁的发展有三大发展目标,第一个目标是实现智能建养的关键技术突破及应用,服务于产业、社会的高质量发展需求。第二个目标是面向智能桥梁技术体系,建造新桥梁学科,打造“桥梁+ 智能的复合型人才队伍和一体化的团队。第三个目标是打造面向全产业链、多产业创新的平台和机制,聚合桥梁行业内外部优势资源,畅通创新价值链,打造桥梁的创新共同体。 

    

  同时,对于智能桥梁技术的研究和应用是一个渐进的发展过程,将从局部点装应用到单个桥梁整体应用,再到全行业全面推广应用。基于前面的思考,我们也提出了智能桥梁在未来三个五年计划期内的总体发展目标。预期到2035年桥梁工程数字化率将达到95%以上,建立长期、高效、自动、精准的桥梁监测平台,并具备与国家发展战略相匹配的建管养技术及自主可控装备,形成国家级、区域级的桥梁科技创新平台。 

    

  近几年来围绕着智能桥梁,我们团队以科技计划为牵引,重点围绕着平台建设、团队建设、科技研发开展了一些工作。首先在平台建设方面,面向智能桥梁着力打造了软硬结合的“四位一体”平台矩阵;其次在人才团队方面,已经初步建立了从企业级到集团级、行业级的多层次关于智能桥梁的研究团队。 

    

  三是在技术攻关方面,过去六年间在中国工程院、交通运输部和中交集团的大力支持下,我们已经开展了一些初步研究和实践应用。 

    

  在探索工作的基础上,面向未来我们将立足智能桥梁,实施长期的科技攻关计划。今年由我作为项目负责人,已经成功申报了“十四五”国家重点研发计划项目。主要围绕桥梁多目标优化的智能设计、智能场景,构部件的智能制造和建造机器人智能控制等方面开展研究,力争在“十四五”期间重点围绕桥梁建造过程及要素控制的关键理论方法、核心算法和软件,突破关键科学技术问题,为桥梁智能建造的发展打好理论方法及基础。 

    

  另一个更为长远的计划是交通运输部正在策划的交通运输重大科技专项。推动这一重大科技专项的实施,必将更好地促进智能桥梁的发展。 

    

  「直面共性问题 未来发展可期」 

  如今智能桥梁虽然已经初步成为大家的发展共识,但在实践中仍然存在着三个比较突出的共性问题,阻碍了智能桥梁的可持续发展。一是顶层的统筹规划仍不足,使得发展认识不一致,导致技术的研发不系统;二是横向合作的交流不够,行业内外的创新成果难以共享,优势力量难以聚合;三是产研互动不强,创新成果难真正落地,产业的支撑还很不够,创新成效不足;四是智能建造的人才体系尚未建立,导致科技攻关、建造的实施、管理体系存在着诸多障碍,难以有效支撑智能桥梁的快速发展。 

    

  针对以上问题,发展智能桥梁当前需要做好三方面的工作:一是做好行业的顶层规划,面向高质量发展需求,搭建起支撑智能桥梁发展的“四梁八柱”,加快营造竞争、合作、共享、包容的智能桥梁发展生态,从而实现创新发展。二是加强合作交流,积极发挥平台的资源聚合、成果转化的作用,增强国际互动、促进产业内外、学科内外的合作交流,实现融合发展;三是处理好学校与企业、科研与工程、新旧基建间的协同创新发展关系,进一步夯实人才基础,增强创新潜力,加速产业升级,实现协同发展;四是搭建涵盖技术、技能、管理的完整人才体系,壮大智能设计、制造、施工队伍,实现可持续发展,使智能桥梁真正落地。 

    

  我们要清醒地认识到智能桥梁的发展并非一蹴而就,而且仅仅依靠桥梁人也是不够的,这需要全行业、多学科、多产业间的协同创新,需要持续研究和应用,通过培育实施产业化分阶段地逐步推进。 

    

  当前我们必须瞄准影响智能桥梁发展的“卡脖子”问题,开展多学科的交叉融合研究,重点突破桥梁智能设计、智能场景、多部件智能制造、建造机器人智能控制的关键科学技术问题,研发自主可控的软件系统并进行典型工程场景验证和示范应用。 

    

  通过长期的科技攻关,以桥梁智能建造理论方法为基础,将逐步实现桥梁建养技术的智能化升级,从而推动行业的高质量发展。 

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