基于人工智能技術(shù)的橋梁工程課程群重構(gòu)與應(yīng)用

于文龍 崔鳳坤

關(guān)鍵詞：人工智能；橋梁工程：實(shí)踐教學(xué)

1引言

新基建驅(qū)動(dòng)下，“人工智能+"（以下簡(jiǎn)稱“AI+”），即人工智能與傳統(tǒng)產(chǎn)業(yè)的深度融合及產(chǎn)業(yè)應(yīng)用，已經(jīng)成為新舊動(dòng)能轉(zhuǎn)換的核心動(dòng)力。在此背景下，高等學(xué)校在傳統(tǒng)課程建設(shè)中如何融人“AI+”相關(guān)知識(shí)和技術(shù)，培養(yǎng)學(xué)生能夠適應(yīng)新基建環(huán)境下的就業(yè)需求，給高校的課程建設(shè)和人才培養(yǎng)帶來(lái)了新的挑戰(zhàn)。

橋梁工程課程群在土木工程專業(yè)中擁有悠久的歷史，主要涉及橋梁設(shè)計(jì)、檢測(cè)等多方面內(nèi)容。橋梁設(shè)計(jì)貫穿于橋梁工程教學(xué)的整個(gè)過(guò)程，但是，目前在橋梁工程課程中，與設(shè)計(jì)相關(guān)的內(nèi)容都比較傳統(tǒng)[1]。傳統(tǒng)的設(shè)計(jì)計(jì)算方法沒(méi)有與時(shí)俱進(jìn)，跟不上當(dāng)前社會(huì)發(fā)展步伐。橋梁檢測(cè)是橋梁維修養(yǎng)護(hù)的基礎(chǔ)，在地方高校促進(jìn)產(chǎn)教融合與推動(dòng)傳統(tǒng)工科升級(jí)改造的雙重背景下，傳統(tǒng)橋梁檢測(cè)課程亟需引入高新AI技術(shù)[2]?，F(xiàn)行橋梁工程課本中，還未涉及結(jié)構(gòu)健康監(jiān)測(cè)系統(tǒng)的相關(guān)知識(shí)。在人工智能背景下，當(dāng)前橋梁工程的課程架構(gòu)和知識(shí)體系，不能滿足高校對(duì)學(xué)生的教育要求?！癆I+健康監(jiān)測(cè)”課程內(nèi)容的重構(gòu)，能夠填補(bǔ)專業(yè)知識(shí)空缺，更加貼合專業(yè)發(fā)展現(xiàn)狀。

2“Al+設(shè)計(jì)”橋梁工程課程內(nèi)容改革

2.1基于大數(shù)據(jù)技術(shù)的橋梁設(shè)計(jì)課程

對(duì)于橋梁工程中的大數(shù)據(jù)[3-4]，根據(jù)時(shí)間特點(diǎn)分類，可分為靜態(tài)數(shù)據(jù)和動(dòng)態(tài)數(shù)據(jù)。靜態(tài)數(shù)據(jù)是基于既有橋梁工程獲得的，包含信息資源數(shù)據(jù)庫(kù)和科研數(shù)據(jù)。存放在信息資源數(shù)據(jù)庫(kù)中的數(shù)據(jù)，能夠進(jìn)行不定時(shí)且小范圍的更新，這些數(shù)據(jù)是相對(duì)比較靜態(tài)的。根據(jù)橋梁所屬區(qū)域，國(guó)家和地方相關(guān)部門都建有相應(yīng)的橋梁工程資料數(shù)據(jù)庫(kù)，以保存當(dāng)?shù)貥蛄旱幕緮?shù)據(jù)。

在橋梁設(shè)計(jì)前，需要進(jìn)行大量的現(xiàn)場(chǎng)資料調(diào)查以及設(shè)計(jì)方案選定工作。大數(shù)據(jù)技術(shù)可以對(duì)大量現(xiàn)場(chǎng)勘探的數(shù)據(jù)以及既有設(shè)計(jì)圖紙進(jìn)行快速處理與分析，找到具有相同建設(shè)背景的設(shè)計(jì)方案以供參考[5]。并且，橋梁靜態(tài)數(shù)據(jù)中的科研數(shù)據(jù)主要來(lái)自各大高校的橋梁建模仿真實(shí)驗(yàn)。為使學(xué)生進(jìn)一步理解大數(shù)據(jù)技術(shù)，在橋梁設(shè)計(jì)教學(xué)中，引入橋梁建模教學(xué)。通過(guò)MIDAS等橋梁建模軟件，開(kāi)展目前最常用的中、小跨徑橋梁的建模以及數(shù)據(jù)分析工作，并結(jié)合專業(yè)課老師課堂講解、學(xué)生課后練習(xí)，讓學(xué)生對(duì)橋梁大數(shù)據(jù)中的靜態(tài)數(shù)據(jù)加深理解。

2.2“AI+設(shè)計(jì)”橋梁工程課程內(nèi)容應(yīng)用

將AI技術(shù)應(yīng)用于橋梁設(shè)計(jì)課程中，能夠?qū)W(xué)生的學(xué)習(xí)產(chǎn)生較大的幫助作用，從而進(jìn)一步有效提升學(xué)生的競(jìng)爭(zhēng)優(yōu)勢(shì)。其主要體現(xiàn)在通過(guò)在橋梁工程設(shè)計(jì)中融人大數(shù)據(jù)技術(shù)、支持向量機(jī)技術(shù)，學(xué)生對(duì)橋梁設(shè)計(jì)課程的認(rèn)知與理解更加直觀深刻，有利于學(xué)生更好地掌握橋梁設(shè)計(jì)課程中的重點(diǎn)內(nèi)容，激發(fā)了學(xué)生對(duì)于專業(yè)課程學(xué)習(xí)的積極性，提高了學(xué)生的實(shí)踐能力以及數(shù)字化思維。通過(guò)加強(qiáng)對(duì)相關(guān)AI技術(shù)軟件的學(xué)習(xí)，為學(xué)生在將來(lái)的工程實(shí)踐、設(shè)計(jì)工作中奠定了堅(jiān)實(shí)的專業(yè)基礎(chǔ)，使學(xué)生的專業(yè)水平和技術(shù)競(jìng)爭(zhēng)力更加突出。

為了讓學(xué)生更好地掌握AI技術(shù)在橋梁設(shè)計(jì)中的應(yīng)用，對(duì)橋梁工程課程進(jìn)行改革，在課程中，專門拿出課時(shí)對(duì)AI技術(shù)在橋梁設(shè)計(jì)內(nèi)容中的應(yīng)用進(jìn)行講解。同時(shí)，另外安排相應(yīng)課程設(shè)計(jì)，并在課程設(shè)計(jì)中融人相關(guān)的人工智能技術(shù)，以進(jìn)一步培養(yǎng)、加強(qiáng)學(xué)生在橋梁設(shè)計(jì)中應(yīng)用大數(shù)據(jù)技術(shù)、支持向量機(jī)等人工智能技術(shù)的能力，進(jìn)而更好地與將來(lái)工作接軌。

3“AI+檢測(cè)”橋梁工程課程內(nèi)容改革

3.1基于BIM技術(shù)的橋梁檢測(cè)課程

建筑信息模型（Building Information Modeling，BIM）是一項(xiàng)新型的技術(shù)手段，具體內(nèi)容是在工程項(xiàng)目全壽命周期內(nèi)應(yīng)用3D或4D信息技術(shù)進(jìn)行設(shè)計(jì)、算量、施工、管理及運(yùn)營(yíng)[6]。隨著我國(guó)交通基礎(chǔ)設(shè)施建設(shè)的高速發(fā)展，BIM技術(shù)被應(yīng)用于越來(lái)越多的工程項(xiàng)目，它的優(yōu)勢(shì)在于能夠整合海量的數(shù)據(jù)項(xiàng)目信息，提供項(xiàng)目全過(guò)程信息檔案，實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)采集與管理的一體化與智能化。

在橋梁檢測(cè)方面，基于BIM技術(shù)，應(yīng)用Revit建模軟件建立三維橋梁結(jié)構(gòu)模型，進(jìn)而為橋梁檢測(cè)方案優(yōu)化奠定基礎(chǔ)，并且使各項(xiàng)數(shù)據(jù)采集達(dá)到更加精確的效果，以及實(shí)現(xiàn)過(guò)程管理的可視化。在進(jìn)行橋梁檢測(cè)前，工作人員根據(jù)構(gòu)建的橋梁模型，能夠精確而高效地確定傳感器數(shù)量，同時(shí)布置所需的敏感性指標(biāo)，特別是橋梁檢測(cè)盲區(qū)，基于此，既提高了工作效率，又實(shí)現(xiàn)了對(duì)橋梁檢測(cè)和評(píng)估的智能化。

3.2“AI+檢測(cè)”橋梁工程課程內(nèi)容應(yīng)用

將BIM技術(shù)、卷積神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)等人工智能技術(shù)與橋梁檢測(cè)課程相結(jié)合，預(yù)期取得以下教學(xué)效果。

（1）將教材與教學(xué)內(nèi)容進(jìn)行更新。雖然當(dāng)前關(guān)于橋梁工程的各種新理論和新技術(shù)不斷地被研究應(yīng)用，但是我國(guó)橋梁工程課程中很多內(nèi)容依舊基于初期理論編寫教材并進(jìn)行授課，橋梁檢測(cè)方面教材更新速度遠(yuǎn)遠(yuǎn)落后于時(shí)代的發(fā)展速度。故通過(guò)在橋梁檢測(cè)課程中融人人工智能（AI）技術(shù)，能夠培養(yǎng)新基建型學(xué)生，滿足基建行業(yè)對(duì)復(fù)合型人才的需求，進(jìn)一步促進(jìn)我國(guó)交通基礎(chǔ)設(shè)施建設(shè)，從而為建設(shè)交通強(qiáng)國(guó)做出積極貢獻(xiàn)。

（2）增強(qiáng)學(xué)生的學(xué)習(xí)積極性。通過(guò)在橋梁檢測(cè)課堂中引入BIM技術(shù)教學(xué)，學(xué)生能夠應(yīng)用Revit建模軟件建立橋梁模型，從而更容易理解與橋梁檢測(cè)相關(guān)聯(lián)的理論信息，最終達(dá)到較好地掌握相關(guān)知識(shí)點(diǎn)的教學(xué)效果?；贐IM技術(shù)與橋梁檢測(cè)結(jié)合的實(shí)際工程案例，開(kāi)展實(shí)踐性教學(xué)活動(dòng)，帶領(lǐng)學(xué)生現(xiàn)場(chǎng)參觀橋梁，講解各種橋梁病害，既拉近了教師與學(xué)生的距離，又增強(qiáng)了師生感情，進(jìn)而提高學(xué)生學(xué)習(xí)積極性。

4“AI+健康監(jiān)測(cè)”橋梁工程課程內(nèi)容改革

基于人工神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)的健康監(jiān)測(cè)課程。人工神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)能夠模擬人類大腦神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)和作用，基于數(shù)學(xué)模型進(jìn)行信息重復(fù)化處理。既有相關(guān)研究表明：對(duì)于大容量數(shù)據(jù)處理、信息分布式存儲(chǔ)和知識(shí)學(xué)習(xí)方面，人工神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)的優(yōu)勢(shì)十分突出，人工神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)的這些優(yōu)點(diǎn)在結(jié)構(gòu)損傷檢測(cè)應(yīng)用中被證明并且不斷被放大。

Arangio等[7]研究發(fā)現(xiàn)，貝葉斯神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)能夠適應(yīng)斜拉橋結(jié)構(gòu)損傷識(shí)別：Dackermann等[8]將倒頻譜分析和人工神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)結(jié)合應(yīng)用，得到的相應(yīng)測(cè)量值能夠?qū)Y(jié)構(gòu)損傷位置進(jìn)行定位。

通過(guò)人工神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)知識(shí)與橋梁工程相結(jié)合的教學(xué)措施，能夠使學(xué)生的專業(yè)素養(yǎng)得到一定的提高，培養(yǎng)學(xué)生對(duì)于此類專業(yè)問(wèn)題的興趣，能夠有效增進(jìn)學(xué)生學(xué)習(xí)新事物的積極性，大大提升學(xué)生的創(chuàng)新能力，使其更好地適應(yīng)當(dāng)今就業(yè)環(huán)境，從而實(shí)現(xiàn)高質(zhì)量教學(xué)的目標(biāo)。

5結(jié)束語(yǔ)

通過(guò)人工智能技術(shù)與傳統(tǒng)橋梁設(shè)計(jì)內(nèi)容相結(jié)合，不僅提高了學(xué)生的學(xué)習(xí)興趣、學(xué)習(xí)積極性，且讓學(xué)生較好地掌握了一些人工智能技術(shù)在橋梁設(shè)計(jì)中的應(yīng)用，教學(xué)效果顯著。橋梁檢測(cè)課程質(zhì)量的提升不僅有利于培養(yǎng)學(xué)生的實(shí)際操作能力、數(shù)字化思維能力，而且有助于提升學(xué)生的融合創(chuàng)新能力。將人工神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)等人工智能技術(shù)引入橋梁健康監(jiān)測(cè)課程中，既補(bǔ)充了橋梁健康監(jiān)測(cè)與評(píng)估知識(shí)理論，又促進(jìn)了橋梁工程與其他學(xué)科的深度交叉、融合，從而培育出具備更高專業(yè)素養(yǎng)的新型人才。