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丁烈云院士:智能技术促进绿色城市发展
作者: 发表时间:2023年02月08日
近日,中国工程院院士丁烈云在“USS: 城市科学与可持续发展在线系列讲座中指出,十四五规划提出要发展智能建造,智能建造是以智能技术为核心的现代信息技术、以工业化为主导的先进的建造技术,深度融合后所形成的工程建造新模式。信息技术催生了城市建设新方式,创新城市运维新模式并增强美好生活新体验。以下为公开报告整理(有删减)。

 

新一轮科技革命有两个最基本的特征:技术核心为人工智能,产业形态是数字经济。不少国家都把人工智能列为国家战略,比如我国“十四五”规划涉及七个方面的前沿领域,排在第一位的就是新一代人工智能。美国也颁布了《无尽前沿法案》,决定重点资助支持10项科学技术的发展,其中排在第一位的也是人工智能。

 

当前企业都面临着数字化转型,什么是数字经济?简单而言,是将数字作为非常重要的经济活动要素参与经济活动的全过程。数字产业化主要指信息产业,产业数字化主要指建筑业、制造业、医疗卫生等传统产业。两个产业结合后是垂直赋能的关系,会产生一些新的业态。比如智能健康建设、智慧城市、数字媒体等。这些新业态到底归属原来的哪个行业?其实很难将其归属到原来的行业。如在智能健康建设中,智能属于信息行业、健康是医疗卫生行业、建筑属于建筑业,所以它是复合的,也分不清楚归属第二产业或第三产业。数字化赋能传统产业,而传统产业又为数字化产业、信息化产业发展提供了广阔市场。《“十四五”数字经济发展规划》提出,到2025年数字经济核心产业增加值占国内生产总值比重达到10%。核心产业增加值就是数字产业化,目前产业数字化已经达到30%以上。

 

催生城市建设新方式

自改革开放以来,我国高速工业化带来大制造,高速的城镇化带来大建造。阿卡迪全球建筑资产财富指数显示,我国建筑资产位居全球第一。我国城市整体建造方式属于粗放式,建筑寿命只是欧洲的四分之一。在资源的消耗方面,我国每平方米建筑的用钢材比发达国家多出10%以上,每立方米混凝土用的水泥也高得多。建筑全寿命周期的碳排放占全国碳排放的50%,建筑运维占全国碳排放的21.6%。此外,虽然施工所产生的碳排放只占了所有碳排放的1%,但所产生的三分之一的城市垃圾也要消耗能源。

 

要利用智能技术、工业化的技术转变建造方式,降低由建筑业产生的城市垃圾。“十四五”规划提出要发展智能建造,智能建造是以智能技术为核心的现代信息技术、以工业化为主导的先进的建造技术,深度融合后所形成的工程建造新模式。

 

其中,要强调的一是智能技术,包括数字化技术、网络化技术,二是先进建造技术。先进建造技术是先进的工业化技术,而建筑是个性化的产品,无法成为工业化的建造方式,因此要将这两者结合起来,我将其总结为“一软、一网、一硬、一平台”。

 

“一软”就是软件定义工程产品,可以通过数理逻辑描述出建筑的形式逻辑,大大提高建筑的设计效果;“一网”将工程要素的人、机、料、法、环进行了智能感知与互联;“一硬”是智能建造技术要依靠机器建造;“一平台”是工程大数据服务平台。

 

这四项技术中,第一个是工程软件“补短板”,要提升智能化的设计能力;第二个是工程物联网“扬长项”;第三个是工程机械“促升级”,要打造人机共融的建造系统;最后一个是工程大数据平台要“强优势”,挖掘数据对工程的价值。

 

开发了各种各样的平台、积累了各种各样的数据,但这些数据到底对城市建设城市发展有什么样的促进作用?其中关于数据的分析挖掘是不够的。同时,数据分析更多是基于一种统计学的相关分析,而不是基于基理模型的因果关系分析。

 

因此在工程大数据的挖掘过程当中,如何将统计模型与基理模型结合起来,使得模型具有可解释性,这也是今后发展的一个方向。通过智能技术使得城市建设方式发生了变化,取代原来粗放式的、产生大量建筑垃圾和城市污染建设方式。

 

创新城市运维新模式

阿卡迪全球建筑资产财富指数显示,中国的建筑资产排名世界第一,建筑碳排放占全国整体碳排放的二分之一。如果建筑碳排放不降低,我国很难达到降碳目标。在能耗很大的运维阶段,如何利用智能技术进一步降低碳排放?

 

一是修建智能绿色建筑。并不是装了传感器后,建筑能耗就能够降下来,能源的使用与人的行为密切相关,装了大量传感器就可以感知耗能和供能的情况,再利用大数据进行分析优化才能够降低碳排放。只要在这些方面多做工作,大的公共建筑在两三年后降低15%,甚至20%的能耗是没有问题的。

 

在基础设施的运维中,城市的水是非常重要的基础设施,分为供水与排水。我国供水管的平均泄漏率达高达14%,特别是北方水资源非常珍贵却白白地流失。但是供水管道全都埋在地下,要寻找泄漏的地方很困难,现在仍缺少可从事相关工作机器人的精确感知技术和算法。

 

另一个是污水处理的碳排放问题。城市污水管网的问题比较多,一是集中式的规划不合理,整体污水的排放都集中在污水处理厂,增加了路途中管网的碳排放。二是很多老城区存在泄漏问题以及管道堵塞,一般都会采用机器人清理,但是会出现很多问题——即使是采用最先进的德国机器人也解决不了。应当建立分布式市政污水处理厂,要考虑管网长度、人口密度、污水排放量以及土地规划等,根据这些因素来进行污水系统空间处理的优化。

 

我国的污水排放量是德国的10倍,但污水处理厂数量只是德国的五分之一。城市的土地非常宝贵,不可能建一个污水处理厂放在城市中间。其实可以建地下污水处理厂,虽然看上去成本更高,但从长远的环境目标来看,土地的利用强度更大。

 

目前对于管网病害智能感知状态的评估精度不够,机器人修复与管理也存在问题。另外,如何建立数字孪生、近零碳排放的污水处理厂,或者污水处理厂能源的循环利用问题等都需要考虑。

 

智慧运维是未来发展方向,即车城协同或车路协同。目前无人驾驶主要包括马斯克的技术,车智能而环境不智能,另一套技术是车智能、环境也智能。后者难度更大,但优势在于整个城市中环境也智能,可以知道城市交通数字孪生的状况,大大发挥交通的优化方面,甚至在理论上红绿灯都可以取消。

 

车智能、环境也智能的车城协同,今后发展的最大价值潜力是可以提高城市车行的运行速度,减少碳排放、提高效率。有许多创新城市运维的新模式,比如不少建筑都使用玻璃幕墙,它的安全使命寿命是20~25年。如果超过这一年限,玻璃幕墙的胶会老化脱落。

 

特别在一些南方沿海城市,在台风的作用下胶的老化速度就更快,有时候玻璃幕墙会从建筑物上掉落。不仅会引发生产安全事故,可能还会引发成公共安全事故。而现在可以通过无人机智能感知发现松动的地方,城市运用智能技术运维是大有可为的。

 

增强美好生活新体验

城市应该以人为中心、以人为本,让广大市民感受智能技术带来的方便。比如香港城市大学开展的一个无障碍交通优化项目。中国香港特区属于立体交通,项目利用模型建立3D的行人网络,将道路分成不同的类别如人行道、人行天桥、地下坡道、屋顶路等,通过遥感感知数据进行优化可打通交通的一些瓶颈,为轮椅、婴儿车、手推车提供无障碍的通道等。

 

我们在武汉国际博览中心做了一个智慧停车服务项目。这是一个国际博览中心,建筑面积为70万平方米,地下有3000个车位。在这里我们一共布置了近万个传感器,通过传感器开发智能导航系统,让进入展览中心的客户能方便地找到自己应该停车的位置,离中心哪个地方最近。收集这些数据后,商家也能够为客户提供更多的服务。

 

另外一个应用场景则更多。我国已经进入老龄社会,现在已有2.6亿老人。3%在医院养老,7%为机构养老,90%属于居家养老和社区养老。我们做了一个智能健康屋,通过在屋子里装上传感器,甚至通过智能马桶感知人的需要和姿态。但老年人摔倒后很危险,一摔倒后要赶紧通知亲人或者服务机构及时处理。老年人有自己的隐私,怎么办呢?我们提取的信息是骨骼信息,就像一个火柴签子而不是一个真人的信息,这样能保护老年人的隐私。

 

康复背后更重要的不是信息技术,而是医生的临床经验。哪些人可以进行康复训练、哪些人不能训练以及训练强度等,都要把医学知识嵌入到算法中提供相应服务。同时还要通过分析不同的建筑环境对人有什么样的作用机制,来提供相应的服务,包括建筑的内外部空间等。比如太大的房子也不行,它会增加抑郁症的风险。独居老人的生活配套设施以及社区的设施、应该怎样进行配套等,这都对健康有影响。

 

智能建造与智能技术推动了城市建设的发展、产业的转型,催生出一些新的业态。主要包括三个方面,第一是产品设计,它是算出来的而不是画出来的 ;第二产品的生产,今后像造汽车一样的造房子将成为可能 ;第三是产品形式,会出现智能工程产品与智能服务。手机是智能终端,汽车正在成为智能终端,下一个智能终端是什么?就是建筑智能终端。

 

知名学者、未来学家杰里米·里夫金在2020年出版的《零碳社会》一书中阐述了一个观点,智能技术已经能够改变我们的生活方式,它也会改变我们的行业,会改变城市发展的模式。

 

最后要提的是社会伦理问题。人工智能技术更多是由算法来决定的,所以现在往往是“你一手交隐私,我就一手提供服务”,服务都是由算法来定的,价格是由企业的算法来定的。顾客被这些平台不断地提供似乎很丰富的服务,使得顾客都生活在“楚门的世界”。谷歌的前内部道德设计师特里斯坦·哈里斯认为,技术超越人类有两个阶段,第一个阶段是超越人的弱点,其结果就是让你上瘾,挫伤人的天性。第二个阶段是超越人类智慧,到底能不能超越人类智慧,现在还是一个问号。

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