文章刊登于《中國(guó)科技產(chǎn)業(yè)》雜志

202211期“院士專(zhuān)論”

黨的二十大報(bào)告中明確指出：必須堅(jiān)持科技是第一生產(chǎn)力、人才是第一資源、創(chuàng)新是第一動(dòng)力，深入實(shí)施科教興國(guó)戰(zhàn)略、人才強(qiáng)國(guó)戰(zhàn)略、創(chuàng)新驅(qū)動(dòng)發(fā)展戰(zhàn)略，開(kāi)辟發(fā)展新領(lǐng)域新賽道，不斷塑造發(fā)展新動(dòng)能新優(yōu)勢(shì)。作為新形勢(shì)下的創(chuàng)新發(fā)展，《“十四五”全國(guó)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(shí)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(jìn)城市智慧化轉(zhuǎn)型發(fā)展”的重點(diǎn)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(yùn)行效率和效益有待提高等一系列發(fā)展瓶頸。為了實(shí)現(xiàn)科學(xué)統(tǒng)籌與系統(tǒng)協(xié)調(diào)，推動(dòng)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(lái)，“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(jì)與統(tǒng)籌規(guī)劃，從而無(wú)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(duì)“智慧”這一概念的清晰解讀。“智慧”是對(duì)人類(lèi)品質(zhì)的最高評(píng)價(jià)，指向人的全面發(fā)展與美好生活，指向社會(huì)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(gè)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(jìn)而提煉出當(dāng)代智慧基礎(chǔ)設(shè)施的四個(gè)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(jìn)一步表征為以韌性、智能、綠色、人文四項(xiàng)品質(zhì)的函數(shù)為自變量的泛函，由此可對(duì)基礎(chǔ)設(shè)施的智慧化程度進(jìn)行量化乃至客觀評(píng)價(jià)，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(jì)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(lái)，數(shù)字化逐漸成為不可逆轉(zhuǎn)的發(fā)展態(tài)勢(shì)，從生活到生產(chǎn)，人們已經(jīng)到了離開(kāi)數(shù)字化技術(shù)而無(wú)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(yùn)維方式。以人力為主的勞動(dòng)密集型工地正在向以機(jī)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(shí)現(xiàn)基礎(chǔ)設(shè)施高質(zhì)量建設(shè)目標(biāo)的新載體；依賴(lài)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(jī)；將數(shù)字與人文藝術(shù)融合起來(lái)，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(dòng)向。因此，數(shù)字化技術(shù)是復(fù)雜基礎(chǔ)設(shè)施建設(shè)過(guò)程智慧化的根本保障。

然而，如何開(kāi)展基礎(chǔ)設(shè)施的數(shù)字化賦能？為此我們經(jīng)過(guò)了長(zhǎng)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(shí)產(chǎn)權(quán)的創(chuàng)新型、開(kāi)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(shí)現(xiàn)以數(shù)字化引領(lǐng)、專(zhuān)業(yè)化攻關(guān)、市場(chǎng)化驅(qū)動(dòng)的土木信息工程通用數(shù)字底座，并加快推進(jìn)數(shù)字化場(chǎng)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(kāi)各類(lèi)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(jiān)持目標(biāo)導(dǎo)向與問(wèn)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(jìn)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(shí)、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(duì)于基礎(chǔ)設(shè)施而言，韌性是其在服役期內(nèi)高質(zhì)量運(yùn)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(duì)突發(fā)狀況如火災(zāi)、地震等災(zāi)險(xiǎn)時(shí)，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(guò)自修復(fù)能力或借助外部的修補(bǔ)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(kāi)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(kāi)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(duì)災(zāi)險(xiǎn)，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(shí)積累、解決問(wèn)題的思維與實(shí)踐能力、創(chuàng)新能力以及對(duì)既有知識(shí)進(jìn)行總結(jié)同時(shí)獲取新知識(shí)的能力。對(duì)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(jìn)行無(wú)數(shù)的決策，能夠借助“足夠的知識(shí)積累”與龐雜的現(xiàn)場(chǎng)或虛擬信息進(jìn)行科學(xué)且高效的決策，是智能化建設(shè)的一項(xiàng)基本要求。

因此，智能基礎(chǔ)設(shè)施1.0首先應(yīng)實(shí)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(lài)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(shí)時(shí)性等。此外，為了確保智能基礎(chǔ)設(shè)施的創(chuàng)新價(jià)值，在鼓勵(lì)新興技術(shù)應(yīng)用的同時(shí)，還應(yīng)有目的地采集基礎(chǔ)設(shè)施在建設(shè)與運(yùn)維過(guò)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(shí)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(huì)利益的平衡以及對(duì)社會(huì)繁榮的追求�；�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(hù)環(huán)境（減少碳排放量）、減少項(xiàng)目對(duì)社會(huì)的不利影響等。綠色基礎(chǔ)設(shè)施的發(fā)展應(yīng)既能滿(mǎn)足當(dāng)代人的需要，又不對(duì)后代人滿(mǎn)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(yùn)營(yíng)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(kāi)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(jì)理論，以節(jié)能減排為導(dǎo)向的隧道運(yùn)營(yíng)系統(tǒng)的優(yōu)化設(shè)計(jì)等都有效推動(dòng)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(duì)良好生活與社會(huì)繁榮的追求。對(duì)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(shí)為了盡可能滿(mǎn)足不斷變化的用戶(hù)期望，應(yīng)保證基礎(chǔ)設(shè)施與用戶(hù)之間的良好交互。另一方面，基礎(chǔ)設(shè)施承載了越來(lái)越廣泛的人類(lèi)公共行為，開(kāi)始介入越來(lái)越多的人文景觀建構(gòu)，應(yīng)體現(xiàn)更多的藝術(shù)人文價(jià)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(jì)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(shí)代意義或歷史價(jià)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(guò)一系列以用戶(hù)需求為導(dǎo)向的優(yōu)化設(shè)計(jì)與創(chuàng)新方法建設(shè)具有人文價(jià)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(duì)特定工程問(wèn)題提出的局部?jī)?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(lì)各行各業(yè)堅(jiān)持問(wèn)題導(dǎo)向，面對(duì)工程難題力求開(kāi)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(duì)當(dāng)今的各類(lèi)創(chuàng)新解決方案進(jìn)行合理布局，從而推動(dòng)智慧基礎(chǔ)設(shè)施可持續(xù)發(fā)展。