文章刊登于《中國科技產(chǎn)業(yè)》雜志

202211期“院士專論”

黨的二十大報告中明確指出：必須堅持科技是第一生產(chǎn)力、人才是第一資源、創(chuàng)新是第一動力，深入實施科教興國戰(zhàn)略、人才強國戰(zhàn)略、創(chuàng)新驅(qū)動發(fā)展戰(zhàn)略，開辟發(fā)展新領(lǐng)域新賽道，不斷塑造發(fā)展新動能新優(yōu)勢。作為新形勢下的創(chuàng)新發(fā)展，《“十四五”全國城市基礎(chǔ)設(shè)施建設(shè)規(guī)劃》早已布局，圍繞構(gòu)建系統(tǒng)完備、高效實用、智能綠色、安全可靠的現(xiàn)代化基礎(chǔ)設(shè)施體系，提出了“加快新型城市基礎(chǔ)設(shè)施建設(shè)，推進城市智慧化轉(zhuǎn)型發(fā)展”的重點任務(wù)。但當(dāng)下的城市基礎(chǔ)設(shè)施仍面臨著發(fā)展不平衡、不充分，體系化水平較低，設(shè)施運行效率和效益有待提高等一系列發(fā)展瓶頸。為了實現(xiàn)科學(xué)統(tǒng)籌與系統(tǒng)協(xié)調(diào)，推動智慧基礎(chǔ)設(shè)施的蓬勃發(fā)展，首先應(yīng)該明確其發(fā)展目標(biāo)、發(fā)展范式與發(fā)展路徑。

1 何謂智慧——厘清智慧基礎(chǔ)設(shè)施的發(fā)展目標(biāo)

近年來，“智慧城市”、“智慧基礎(chǔ)設(shè)施”、“智慧交通”、“智慧社區(qū)”等理念層出不窮，但諸多“智慧化”討論的背后仍然缺乏以目標(biāo)為導(dǎo)向的頂層設(shè)計與統(tǒng)籌規(guī)劃，從而無法有效引導(dǎo)智慧基礎(chǔ)設(shè)施等行業(yè)健康、有序的發(fā)展。

智慧基礎(chǔ)設(shè)施發(fā)展目標(biāo)的不明晰，歸根結(jié)底在于缺乏對“智慧”這一概念的清晰解讀。“智慧”是對人類品質(zhì)的最高評價，指向人的全面發(fā)展與美好生活，指向社會的整體繁榮。同樣地，將“智慧”視作當(dāng)代基礎(chǔ)設(shè)施的最高形態(tài)與最高發(fā)展目標(biāo)，具有合理性。

因此，厘清智慧基礎(chǔ)設(shè)施的智慧內(nèi)涵應(yīng)從解讀人的智慧品質(zhì)著手。人的智慧是一個多結(jié)構(gòu)、多維度的豐富統(tǒng)一體；相應(yīng)地，智慧基礎(chǔ)設(shè)施也應(yīng)具備多元且全面的發(fā)展方向�；�于哲學(xué)、心理學(xué)領(lǐng)域?qū)θ说闹腔塾^的闡述，可以將“自我認(rèn)知與調(diào)節(jié)的能力”等隸屬于人的智慧屬性嵌入到傳統(tǒng)基礎(chǔ)設(shè)施的建設(shè)需求中，進而提煉出當(dāng)代智慧基礎(chǔ)設(shè)施的四個具體發(fā)展目標(biāo)——韌性、智能、綠色、人文。

基礎(chǔ)設(shè)施的智慧內(nèi)涵還可進一步表征為以韌性、智能、綠色、人文四項品質(zhì)的函數(shù)為自變量的泛函，由此可對基礎(chǔ)設(shè)施的智慧化程度進行量化乃至客觀評價，從而為科學(xué)指導(dǎo)智慧基礎(chǔ)設(shè)施建設(shè)的頂層設(shè)計提供理論依據(jù)。

2 數(shù)字化——當(dāng)代智慧基礎(chǔ)設(shè)施的發(fā)展范式

上世紀(jì)90年代中期以來，數(shù)字化逐漸成為不可逆轉(zhuǎn)的發(fā)展態(tài)勢，從生活到生產(chǎn)，人們已經(jīng)到了離開數(shù)字化技術(shù)而無法生存的地步。在當(dāng)今數(shù)字化轉(zhuǎn)型的大背景下，數(shù)字化技術(shù)正在改變土木基礎(chǔ)設(shè)施的建設(shè)與運維方式。以人力為主的勞動密集型工地正在向以機器人建造為主的智能建造方向發(fā)展，是基礎(chǔ)設(shè)施的安全建造和韌性提升的新手段；借助數(shù)字化技術(shù)，讓基礎(chǔ)設(shè)施成為可感知、可愈合、可修復(fù)的智能體，是實現(xiàn)基礎(chǔ)設(shè)施高質(zhì)量建設(shè)目標(biāo)的新載體；依賴數(shù)字化技術(shù)，從根本上改變基礎(chǔ)設(shè)施建設(shè)的高能耗、高碳生產(chǎn)方式，已成為綠色和低碳建造的新契機；將數(shù)字與人文藝術(shù)融合起來，提升基礎(chǔ)設(shè)施的人文品質(zhì)，是達(dá)成基礎(chǔ)設(shè)施人本思想體現(xiàn)的新動向。因此，數(shù)字化技術(shù)是復(fù)雜基礎(chǔ)設(shè)施建設(shè)過程智慧化的根本保障。

然而，如何開展基礎(chǔ)設(shè)施的數(shù)字化賦能？為此我們經(jīng)過了長達(dá)20多年的研究探索。自2012年，我們從信息流和軟硬件一體化出發(fā)，率先創(chuàng)建“智慧基礎(chǔ)設(shè)施”服務(wù)體系，目前已初步建成了具有完全自主知識產(chǎn)權(quán)的創(chuàng)新型、開放式的基礎(chǔ)設(shè)施智慧服務(wù)系統(tǒng)（iS3），并著力打造基于數(shù)字孿生的智慧基礎(chǔ)設(shè)施數(shù)字底座，從而為解決土木信息工程領(lǐng)域的“卡脖子”技術(shù)難題，實現(xiàn)以數(shù)字化引領(lǐng)、專業(yè)化攻關(guān)、市場化驅(qū)動的土木信息工程通用數(shù)字底座，并加快推進數(shù)字化場景應(yīng)用。

3 工程聚焦——探討智慧基礎(chǔ)設(shè)施的發(fā)展路徑

在數(shù)字化的基礎(chǔ)上，全面提升基礎(chǔ)設(shè)施的韌性、智能、綠色與人文品質(zhì)，提高智慧基礎(chǔ)設(shè)施的建設(shè)質(zhì)量與服務(wù)水平，離不開各類新技術(shù)、新材料、新工藝、新方法的研發(fā)、應(yīng)用與推廣。在明確發(fā)展目標(biāo)與發(fā)展范式的基礎(chǔ)上，各行各業(yè)應(yīng)堅持目標(biāo)導(dǎo)向與問題導(dǎo)向，聚焦工程難題，提升自主創(chuàng)新能力，從而真正助力智慧基礎(chǔ)設(shè)施的行業(yè)進步與發(fā)展。

3.1 韌性是智慧基礎(chǔ)設(shè)施的根本保障

在人的智慧觀中，韌性體現(xiàn)的是清晰的自我認(rèn)識、穩(wěn)定的自我調(diào)節(jié)能力以及感知、理解、適應(yīng)、改變環(huán)境的能力。對于基礎(chǔ)設(shè)施而言，韌性是其在服役期內(nèi)高質(zhì)量運轉(zhuǎn)的根本保障。韌性的基礎(chǔ)設(shè)施不僅需在一般環(huán)境中保證全壽命期內(nèi)的良好狀態(tài)，還需要在面對突發(fā)狀況如火災(zāi)、地震等災(zāi)險時，最大程度地保持結(jié)構(gòu)與內(nèi)部環(huán)境的安全以及相關(guān)系統(tǒng)的穩(wěn)定。此外，韌性基礎(chǔ)設(shè)施一旦發(fā)生損壞，應(yīng)可以通過自修復(fù)能力或借助外部的修補措施盡快恢復(fù)到原有的健康狀態(tài)。

基礎(chǔ)設(shè)施韌性的提升離不開相關(guān)理論研究的創(chuàng)新與突破。以隧道工程為例，為了保障良好的服役狀態(tài)，需要開發(fā)耐久性更好甚至具有自修復(fù)性能的材料與構(gòu)件，提出更為優(yōu)化的隧道防水體系等；為了更好的應(yīng)對災(zāi)險，需要研究隧道的自抗火結(jié)構(gòu)體系與韌性防災(zāi)救援技術(shù)等。

3.2 智能是智慧基礎(chǔ)設(shè)施的技術(shù)支撐

在人的智慧觀中，智能體現(xiàn)的是足夠的知識積累、解決問題的思維與實踐能力、創(chuàng)新能力以及對既有知識進行總結(jié)同時獲取新知識的能力。對于基礎(chǔ)設(shè)施而言，智能是其智慧化建設(shè)必不可少的技術(shù)支撐。在基礎(chǔ)設(shè)施的全壽命期中，需要處理大量的信息并進行無數(shù)的決策，能夠借助“足夠的知識積累”與龐雜的現(xiàn)場或虛擬信息進行科學(xué)且高效的決策，是智能化建設(shè)的一項基本要求。

因此，智能基礎(chǔ)設(shè)施1.0首先應(yīng)實現(xiàn)基礎(chǔ)設(shè)施的數(shù)字化表達(dá)，從而完成其全壽命期內(nèi)信息的獲取、傳輸、處理、表達(dá)與分析工作，最終助力科學(xué)決策。在此基礎(chǔ)上基礎(chǔ)設(shè)施智能品質(zhì)的提升有賴于相應(yīng)數(shù)字化系統(tǒng)的迭代優(yōu)化，如提升信息采集的精細(xì)度與實時性等。此外，為了確保智能基礎(chǔ)設(shè)施的創(chuàng)新價值，在鼓勵新興技術(shù)應(yīng)用的同時，還應(yīng)有目的地采集基礎(chǔ)設(shè)施在建設(shè)與運維過程中產(chǎn)生的大量數(shù)據(jù)，以助力相關(guān)科研成果的孕育與轉(zhuǎn)化。

3.3 綠色是智慧基礎(chǔ)設(shè)施的時代責(zé)任

在人的智慧觀中，綠色體現(xiàn)的是道德的約束、社會利益的平衡以及對社會繁榮的追求。基礎(chǔ)設(shè)施的綠色品質(zhì)主要立足于可持續(xù)的發(fā)展理念與低碳環(huán)保的建設(shè)要求，其內(nèi)涵包括但不局限于：節(jié)約資源、節(jié)約能源、保護環(huán)境（減少碳排放量）、減少項目對社會的不利影響等。綠色基礎(chǔ)設(shè)施的發(fā)展應(yīng)既能滿足當(dāng)代人的需要，又不對后代人滿足其需要的能力構(gòu)成危害。在當(dāng)今的“雙碳”目標(biāo)下，在保障基礎(chǔ)設(shè)施運營效果的基礎(chǔ)上盡可能控制其碳排放量，亦是基礎(chǔ)設(shè)施綠色品質(zhì)的重要體現(xiàn)。

綠色基礎(chǔ)設(shè)施的建設(shè)同樣離不開新材料、新工藝、新方法等的支撐。以隧道工程為例，低碳材料的研究與投入使用，隧道結(jié)構(gòu)的輕量化設(shè)計理論，以節(jié)能減排為導(dǎo)向的隧道運營系統(tǒng)的優(yōu)化設(shè)計等都有效推動了智慧隧道的綠色品質(zhì)提升。

3.4 人文是智慧基礎(chǔ)設(shè)施的服務(wù)底色

在人的智慧觀中，人文體現(xiàn)的是與人的交往能力、對良好生活與社會繁榮的追求。對于基礎(chǔ)設(shè)施而言，人文體現(xiàn)了以人為本的重要原則。一方面，基礎(chǔ)設(shè)施作為服務(wù)系統(tǒng)，應(yīng)保障使用者的安全性、舒適度及精神文化需求，同時為了盡可能滿足不斷變化的用戶期望，應(yīng)保證基礎(chǔ)設(shè)施與用戶之間的良好交互。另一方面，基礎(chǔ)設(shè)施承載了越來越廣泛的人類公共行為，開始介入越來越多的人文景觀建構(gòu)，應(yīng)體現(xiàn)更多的藝術(shù)人文價值。比如隧道工程作為城市或地區(qū)的代表性建構(gòu)筑物，其洞口與內(nèi)部設(shè)計應(yīng)具備一定的美學(xué)觀賞性，融入當(dāng)?shù)氐臍v史文化特色，或者工程本身應(yīng)具有時代意義或歷史價值。

基礎(chǔ)設(shè)施人文品質(zhì)的提升需要始終秉持“為人民服務(wù)”的發(fā)展理念，通過一系列以用戶需求為導(dǎo)向的優(yōu)化設(shè)計與創(chuàng)新方法建設(shè)具有人文價值的基礎(chǔ)設(shè)施。

當(dāng)今的城市基礎(chǔ)設(shè)施可被視為亟待優(yōu)化的復(fù)雜巨系統(tǒng)。一系列新理論、新方法、新技術(shù)、新材料等往往是針對特定工程問題提出的局部優(yōu)化；而“智慧化”則是當(dāng)代基礎(chǔ)設(shè)施發(fā)展的全局優(yōu)化目標(biāo)。“工程聚焦”的發(fā)展路徑將鼓勵各行各業(yè)堅持問題導(dǎo)向，面對工程難題力求開拓創(chuàng)新；“數(shù)字化”的發(fā)展范式可以提升創(chuàng)新迭代的效率并為城市基礎(chǔ)設(shè)施的多系統(tǒng)融合與優(yōu)化提供技術(shù)保障；而以韌性、智能、綠色、人文為導(dǎo)向的發(fā)展目標(biāo)則有利于從效益最大化的角度對當(dāng)今的各類創(chuàng)新解決方案進行合理布局，從而推動智慧基礎(chǔ)設(shè)施可持續(xù)發(fā)展。