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朱合华院士:立足数字底座 推动智慧基础设施蓬勃发展 中国产学研合作促进会 2022-11-23 09:16 关注 文章刊登于《中国科技产业》杂志 202211期“院士专论” 党的二十大报告中

放大字体  缩小字体 发布日期:2023-02-10  来源:朱合华院士:立足数字底座 推动智慧基础设施蓬勃发展 中国产  浏览次数:167
核心提示:新科院士|同济大学朱合华:数字化地下研究,源于工程,服务于工程 文汇客户端 2021-11-18 08:29:39 朱合华,男,1962年10月生。1989年10月获得同济大学结构工程专业(地下结构方向)工学博士学位。现为同济大学特聘教授、国家注册土木(岩土)工程师,兼任教育部土木信息技术工程研究中心主任、同济大学隧道及地下建筑工程学科方向负责人。30多年来一直从事隧道与地下空间领域的教学和科研工作,曾入选教育部长江学者特聘教授、国家973项目首席科学家。 “数字化地下研究,源于工程,高
中国给水排水2026年城镇污泥处理处置技术与应用高级研讨会(第十七届)邀请函暨技术报告论文征集启事 (同期召开固废大会、工业污泥大会、循环经济发展大会、渗滤液大会、高浓度难降解工业废水处理大会)

中国给水排水2026年城镇污泥处理处置技术与应用高级研讨会(第十七届)邀请函暨技术报告论文征集启事 (同期召开固废大会、工业污泥大会、循环经济发展大会、渗滤液大会、高浓度难降解工业废水处理大会)
 



新科院士|同济大学朱合华:数字化地下研究,源于工程,服务于工程
文汇客户端 2021-11-18 08:29:39
 
 
朱合华,男,1962年10月生。1989年10月获得同济大学结构工程专业(地下结构方向)工学博士学位。现为同济大学特聘教授、国家注册土木(岩土)工程师,兼任教育部土木信息技术工程研究中心主任、同济大学隧道及地下建筑工程学科方向负责人。30多年来一直从事隧道与地下空间领域的教学和科研工作,曾入选教育部长江学者特聘教授、国家973项目首席科学家。
 
“数字化地下研究,源于工程,高于工程,服务于工程。”新晋中国工程院院士、同济大学土木工程学院朱合华教授长期从事岩体强度理论及地下结构全寿命设计方法、地下空间防灾安全和智慧地下基础设施建设的研究。
 
他是国际上较早开展数字地下空间与工程(DUSE)研究的学者之一,被国际同行认为是“城市基础设施规划、设计、施工和维护信息集成方法的国际开拓者之一”。
 
 
 
与数字化结缘40多年
 
“年少时,我误打误撞地与数字化开始结缘。”1986年9月,朱合华考入同济,师从孙钧、杨林德两位恩师攻读结构工程专业(地下结构方向)博士。从此,计算机技术、土木工程就成了形影不离的“伙伴”,后来渐渐演化为数字化研究方向,一坚持就是40余年。
 
1993年7月,朱合华进入日本大阪土质试验所和京都大学从事软土地下工程研究。两年多的研究历程,让他清楚了何谓软土地下工程的世界先进水平。令人印象深刻的是:该单位长期聘请几位短期工作人员,持续将大阪湾的三维地质数据输入计算机中,形成了大阪湾的地质、地震数据库信息系统,该信息系统在日本国内具有重要的影响。
 
大阪土质试验所所长岩崎先生那句“岩土工程师一定要与地层交朋友”被他牢记在心,这也促成他归国后迅即开展土木与信息学科交叉的研究。
 
从“数字地球”到“数字地层”
 
1999年,朱合华牵头的“城市三维地层信息管理系统的开发与应用”获批上海市教委曙光计划,成为团队数字化研究工作布局的起点。
 
从此,地下空间与工程数字化成为朱合华团队的鲜明特色。从一开始研究数字地层、数字地下空间,到后来研究数字化工程,一步一个脚印,课题从工程中来,成果到工程中去。团队的研究领域遍布数字地下空间、数字化工程两大园地,数字地下空间研究的足迹遍布上海世博地下空间、常州地下空间、延安新城地下基础设施等,数字化工程的研究遍布广州龙头山双洞八车道公路隧道、淮南望峰岗煤矿、上海长江隧道等。
 
围绕着这些工程,团队相继研究开发出“复合纤维和预应力管片结构技术”“盾构地层适应性理论和试验方法”“大断面、高水压、近间距下盾构施工微扰动控制技术”等一系列方法与技术,解决了复杂环境下地下建筑结构设计分析、施工安全与控制的一个又一个难题,主持的项目“软土盾构隧道设计理论与施工控制技术及应用”获2008年国家科技进步奖二等奖。
 
近年来,他又针对大规模、集群化的地下空间的建造难题,组织国内相关单位联合攻关。经过多年的艰苦努力,攻克了当前我国在城市高密集地区建造地下空间面临的周边环境控制、改扩建及安全穿越等难题,建立了以点状新建与改扩建、线状穿越、面上集成示范为主线的核心技术体系,成功应用于多项重大工程,并被遴选为国家注册土木工程师(岩土)继续教育内容,培训了近万名注册工程师。得益于这些应用,他主持的项目“城市高密集区大规模地下空间建造关键技术及其集成示范”,2016年获国家科技进步奖二等奖,该成果为我国城市地下空间领域的第一个国家级科技成果。在城市地下空间与地下工程领域,朱合华十年中两次以第一完成人身份获国家科技进步奖二等奖。
 
数字化地下课题与工程的“比翼双飞”,团队实现了基础理论和前沿交叉研究的良性循环。他们提出了地下空间工程全寿命数据采集-表达-分析-服务的数字化范式,开辟数字地下空间工程新方向。研究成果成功应用于上海长江通道、贵州高速公路网、上海地铁网等重大工程,极大提高了工程安全、质量和效率,推动了工程建造和运维的数字化转型发展。
 
朱合华因此受邀为英国剑桥大学智慧基础设施国际顾问、国际岩土工程联盟(FedIGS)数据标准委员会(JTC2)主席;创办了我国地下空间领域的第一本国际学术期刊Underground Space(地下空间)。2015年,他因在数字地下空间与工程方面的成就得到了德国洪堡基金会的认可,获得了第44届德国洪堡研究奖,是中国土木工程界目前的唯一获奖者;他还获得了第20届卞学鐄学术贡献奖。
 
 
 
首创基础设施智慧服务系统iS3
 
本世纪以来,“数字地下空间与工程”成为团队的主攻方向,团队围绕这一方向,先后完成了14篇博士学位论文、17篇硕士学位论文。经过近二十年的努力,团队成员们齐心协力构建起数字地下空间的理论体系、工程方法和数据库,初步完成了数字化地下体系建设,构建出“工程数字化”创新技术核心,已经在城市轨道交通、高速公路等领域得到广泛的应用。
 
BIM(建筑信息模型)是中国工程界耳熟能详的新工具。我们为什么老是跟着人家转?为什么不能提出自己的理念和平台?为此,朱合华团队经过长期思考和一年多的充分讨论,创建了基础设施智慧服务系统iS3 (infrastructure Smart Service System, 2013),即基础设施全寿命数据采集、处理、表达、分析的一体化智慧决策服务系统。iS3系统集先进性、开放性和实用性为一体,是国际上第一个开源的基础设施智慧服务系统。
 
大数据、云计算、数字孪生等信息新技术不断涌现。在数字化转型和智能建造的大潮中,如何借助现代信息技术手段,在人迹罕至的高山峻岭地区修建地下交通基础设施?朱合华提出开展岩体隧道动态设计的远程诊断分析,即将iS3平台作为数字底座,实现了基于数字孪生技术的岩体隧道支护的三维动态设计技术。三维动态设计技术成功应用于四川峨汉大峡谷隧道(最大埋深1940米,世界最深的公路隧道)施工中,仅用10分钟完成了现场三维远程实时动态支护设计,这在国际上首次实现,是隧道动态设计的重大技术突破。目前该技术已逐渐在公路、铁路交通领域得到推广应用,有力助推了地下空间与工程的数字化转型发展。
 
“iS3系统的生态化建设和推广应用永远在路上。”如今,朱合华正率领团队开展交通地下工程的智能建造和智慧运维,以及城市地下基础设施的智慧化管控等相关技术研究和产品研发。
 

新科院士|同济大学朱合华:数字化地下研究,源于工程,服务于工程


 

朱合华,男,1962年10月生。1989年10月获得同济大学结构工程专业(地下结构方向)工学博士学位。现为同济大学特聘教授
 

 

 





朱合华院士:立足数字底座 推动智慧基础设施蓬勃发展

中国产学研合作促进会

2022-11-23 09:16
关注

 

文章刊登于《中国科技产业》杂志

 

 

202211期“院士专论”

 

 

党的二十大报告中明确指出:必须坚持科技是第一生产力、人才是第一资源、创新是第一动力,深入实施科教兴国战略、人才强国战略、创新驱动发展战略,开辟发展新领域新赛道,不断塑造发展新动能新优势。作为新形势下的创新发展,《“十四五”全国城市基础设施建设规划》早已布局,围绕构建系统完备、高效实用、智能绿色、安全可靠的现代化基础设施体系,提出了“加快新型城市基础设施建设,推进城市智慧化转型发展”的重点任务。但当下的城市基础设施仍面临着发展不平衡、不充分,体系化水平较低,设施运行效率和效益有待提高等一系列发展瓶颈。为了实现科学统筹与系统协调,推动智慧基础设施的蓬勃发展,首先应该明确其发展目标、发展范式与发展路径。

 

 

1 何谓智慧——厘清智慧基础设施的发展目标

 

 

近年来,“智慧城市”、“智慧基础设施”、“智慧交通”、“智慧社区”等理念层出不穷,但诸多“智慧化”讨论的背后仍然缺乏以目标为导向的顶层设计与统筹规划,从而无法有效引导智慧基础设施等行业健康、有序的发展。

 

 

智慧基础设施发展目标的不明晰,归根结底在于缺乏对“智慧”这一概念的清晰解读。“智慧”是对人类品质的最高评价,指向人的全面发展与美好生活,指向社会的整体繁荣。同样地,将“智慧”视作当代基础设施的最高形态与最高发展目标,具有合理性。

 

 

因此,厘清智慧基础设施的智慧内涵应从解读人的智慧品质着手。人的智慧是一个多结构、多维度的丰富统一体;相应地,智慧基础设施也应具备多元且全面的发展方向。基于哲学、心理学领域对人的智慧观的阐述,可以将“自我认知与调节的能力”等隶属于人的智慧属性嵌入到传统基础设施的建设需求中,进而提炼出当代智慧基础设施的四个具体发展目标——韧性、智能、绿色、人文。

 

 

基础设施的智慧内涵还可进一步表征为以韧性、智能、绿色、人文四项品质的函数为自变量的泛函,由此可对基础设施的智慧化程度进行量化乃至客观评价,从而为科学指导智慧基础设施建设的顶层设计提供理论依据。

 

 

2 数字化——当代智慧基础设施的发展范式

 

 

上世纪90年代中期以来,数字化逐渐成为不可逆转的发展态势,从生活到生产,人们已经到了离开数字化技术而无法生存的地步。在当今数字化转型的大背景下,数字化技术正在改变土木基础设施的建设与运维方式。以人力为主的劳动密集型工地正在向以机器人建造为主的智能建造方向发展,是基础设施的安全建造和韧性提升的新手段;借助数字化技术,让基础设施成为可感知、可愈合、可修复的智能体,是实现基础设施高质量建设目标的新载体;依赖数字化技术,从根本上改变基础设施建设的高能耗、高碳生产方式,已成为绿色和低碳建造的新契机;将数字与人文艺术融合起来,提升基础设施的人文品质,是达成基础设施人本思想体现的新动向。因此,数字化技术是复杂基础设施建设过程智慧化的根本保障。

 

 

然而,如何开展基础设施的数字化赋能?为此我们经过了长达20多年的研究探索。自2012年,我们从信息流和软硬件一体化出发,率先创建“智慧基础设施”服务体系,目前已初步建成了具有完全自主知识产权的创新型、开放式的基础设施智慧服务系统(iS3),并着力打造基于数字孪生的智慧基础设施数字底座,从而为解决土木信息工程领域的“卡脖子”技术难题,实现以数字化引领、专业化攻关、市场化驱动的土木信息工程通用数字底座,并加快推进数字化场景应用。

 

 

3 工程聚焦——探讨智慧基础设施的发展路径

 

 

在数字化的基础上,全面提升基础设施的韧性、智能、绿色与人文品质,提高智慧基础设施的建设质量与服务水平,离不开各类新技术、新材料、新工艺、新方法的研发、应用与推广。在明确发展目标与发展范式的基础上,各行各业应坚持目标导向与问题导向,聚焦工程难题,提升自主创新能力,从而真正助力智慧基础设施的行业进步与发展。

 

 

3.1 韧性是智慧基础设施的根本保障

 

 

在人的智慧观中,韧性体现的是清晰的自我认识、稳定的自我调节能力以及感知、理解、适应、改变环境的能力。对于基础设施而言,韧性是其在服役期内高质量运转的根本保障。韧性的基础设施不仅需在一般环境中保证全寿命期内的良好状态,还需要在面对突发状况如火灾、地震等灾险时,最大程度地保持结构与内部环境的安全以及相关系统的稳定。此外,韧性基础设施一旦发生损坏,应可以通过自修复能力或借助外部的修补措施尽快恢复到原有的健康状态。

 

 

基础设施韧性的提升离不开相关理论研究的创新与突破。以隧道工程为例,为了保障良好的服役状态,需要开发耐久性更好甚至具有自修复性能的材料与构件,提出更为优化的隧道防水体系等;为了更好的应对灾险,需要研究隧道的自抗火结构体系与韧性防灾救援技术等。

 

 

3.2 智能是智慧基础设施的技术支撑

 

 

在人的智慧观中,智能体现的是足够的知识积累、解决问题的思维与实践能力、创新能力以及对既有知识进行总结同时获取新知识的能力。对于基础设施而言,智能是其智慧化建设必不可少的技术支撑。在基础设施的全寿命期中,需要处理大量的信息并进行无数的决策,能够借助“足够的知识积累”与庞杂的现场或虚拟信息进行科学且高效的决策,是智能化建设的一项基本要求。

 

 

因此,智能基础设施1.0首先应实现基础设施的数字化表达,从而完成其全寿命期内信息的获取、传输、处理、表达与分析工作,最终助力科学决策。在此基础上基础设施智能品质的提升有赖于相应数字化系统的迭代优化,如提升信息采集的精细度与实时性等。此外,为了确保智能基础设施的创新价值,在鼓励新兴技术应用的同时,还应有目的地采集基础设施在建设与运维过程中产生的大量数据,以助力相关科研成果的孕育与转化。

 

 

3.3 绿色是智慧基础设施的时代责任

 

 

在人的智慧观中,绿色体现的是道德的约束、社会利益的平衡以及对社会繁荣的追求。基础设施的绿色品质主要立足于可持续的发展理念与低碳环保的建设要求,其内涵包括但不局限于:节约资源、节约能源、保护环境(减少碳排放量)、减少项目对社会的不利影响等。绿色基础设施的发展应既能满足当代人的需要,又不对后代人满足其需要的能力构成危害。在当今的“双碳”目标下,在保障基础设施运营效果的基础上尽可能控制其碳排放量,亦是基础设施绿色品质的重要体现。

 

 

绿色基础设施的建设同样离不开新材料、新工艺、新方法等的支撑。以隧道工程为例,低碳材料的研究与投入使用,隧道结构的轻量化设计理论,以节能减排为导向的隧道运营系统的优化设计等都有效推动了智慧隧道的绿色品质提升。

 

 

3.4 人文是智慧基础设施的服务底色

 

 

在人的智慧观中,人文体现的是与人的交往能力、对良好生活与社会繁荣的追求。对于基础设施而言,人文体现了以人为本的重要原则。一方面,基础设施作为服务系统,应保障使用者的安全性、舒适度及精神文化需求,同时为了尽可能满足不断变化的用户期望,应保证基础设施与用户之间的良好交互。另一方面,基础设施承载了越来越广泛的人类公共行为,开始介入越来越多的人文景观建构,应体现更多的艺术人文价值。比如隧道工程作为城市或地区的代表性建构筑物,其洞口与内部设计应具备一定的美学观赏性,融入当地的历史文化特色,或者工程本身应具有时代意义或历史价值。

 

 

基础设施人文品质的提升需要始终秉持“为人民服务”的发展理念,通过一系列以用户需求为导向的优化设计与创新方法建设具有人文价值的基础设施。

 

 

当今的城市基础设施可被视为亟待优化的复杂巨系统。一系列新理论、新方法、新技术、新材料等往往是针对特定工程问题提出的局部优化;而“智慧化”则是当代基础设施发展的全局优化目标。“工程聚焦”的发展路径将鼓励各行各业坚持问题导向,面对工程难题力求开拓创新;“数字化”的发展范式可以提升创新迭代的效率并为城市基础设施的多系统融合与优化提供技术保障;而以韧性、智能、绿色、人文为导向的发展目标则有利于从效益最大化的角度对当今的各类创新解决方案进行合理布局,从而推动智慧基础设施可持续发展。

 

 
 






 
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