建設工程施工是一個(gè)高度動(dòng)態(tài)的過(guò)程，施工管理極為復雜，如何應用先進(jìn)的技術(shù)手段提高管理的現代化水平已成為施工管理人員的共識。隨著(zhù)計算機技術(shù)的飛速發(fā)展和互聯(lián)網(wǎng)技術(shù)的日益普及，以互聯(lián)網(wǎng)技術(shù)為基礎，借助于系統仿真技術(shù)，實(shí)現工程項目的可視化、信息化和智能化施工管理，已成為工程項目施工管理的一個(gè)重要研究課題與發(fā)展方向。本文從“數字化施工管理”的提出背景出發(fā)，重點(diǎn)討論了數字化施工管理的內涵，以及可能實(shí)現的手段。筆者拋磚引玉，以期引來(lái)同仁積極探討，并帶來(lái)數字化施工的繁榮。

　　１、數字化施工的概念及核心思想

　　數字化施工是在“數字地球”這一大課題背景下提出的。美國于 1998 年率先提出了“數字地球”（Digital Earth）的概念[1].嚴格地講，“數字地球”是以計算機技術(shù)、多媒體技術(shù)和大規模存儲技術(shù)為基礎，以寬帶網(wǎng)絡(luò )為紐帶，運用海量地球信息對地球進(jìn)行多分辨率、多尺度、多時(shí)空和多種類(lèi)的三維描述，并利用它作為工具來(lái)支持和改善人類(lèi)活動(dòng)和生活質(zhì)量。

　　與“數字地球”的概念相似，“數字化施工”就是將施工過(guò)程數字化，它包括工程全部施工資料的數字化、網(wǎng)絡(luò )化、智能化和可視化的過(guò)程。其核心思想是用數字化手段整體性地解決工程施工問(wèn)題并最大限度地利用信息資源。

　　數字化施工包含的內容十分廣泛，涉及到眾多領(lǐng)域的知識和技術(shù)。它不僅僅指由計算機代替傳統的手工制作報表，而是有更為廣闊應用范疇。如以高速寬帶互聯(lián)網(wǎng)為依托，實(shí)現施工過(guò)程信息的共享；借助于計算機仿真技術(shù)，進(jìn)行更加準確高效地配置各生產(chǎn)要素和預測工程的未來(lái)進(jìn)展；以數字化為基礎，利用可視化技術(shù)將施工過(guò)程有文字和圖表轉換為立體圖形，以更為直觀(guān)的形式輔助決策；與飛速發(fā)展的人工智能相結合，實(shí)現施工過(guò)程的智能化管理和決策等。

　　２、數字化施工的內涵

　　本文認為，數字化施工的內涵應包括空間信息與可視化，系統仿真計算，虛擬現實(shí)和多智能體施工 4 個(gè)部分。

　　2.1空間信息與可視化

　　空間信息是數字化施工管理的首要前提，它包括施工場(chǎng)地的地形、地貌、建筑物、施工項目等一切空間的信息�？臻g信息技術(shù)是處理空間信息最為有力的工具，它主要包括遙感技術(shù)（ RS）、地理信息系統（GIS）和全球定位系統（GPS），即 3S.其中，地理信息系統在建設工程施工中具有重要作用。

　　地理信息系統[2]（GIS，Geographic Information System）是近年來(lái)迅速發(fā)展起來(lái)的、一門(mén)介于地球科學(xué)與信息科學(xué)之間的交叉學(xué)科，亦是地學(xué)空間數據與計算機技術(shù)相結合的新型空間信息技術(shù)。它是以采集、存儲、管理、分析、描述和應用整個(gè)或部分地球表面（包括大氣層在內）與空間和地理分布有關(guān)的數據的計算機系統。目前，國際上具有代表性 GIS 軟件有：ESRI 公司的 ARC/ INFO，它是目前世界上功能最強最齊全的多平臺 GIS 軟件，具有空間拓撲和網(wǎng)絡(luò )拓撲，可進(jìn)行各種空間疊加分析和網(wǎng)絡(luò )路徑分析；INTEGRAPH 公司的 GeoMedia Web Map，它的地理數據具有空間拓撲結構，屬性數據和空間數據采用 DBMS 管理，由于沒(méi)有統計專(zhuān)題圖的功能，目前還沒(méi)有被廣大用戶(hù)廣泛接受；MapInfo公司的 MapXstreme 系統，它的地理數據沒(méi)有空間拓撲關(guān)系，采用文件方式管理，具有統計專(zhuān)題圖功能，是成熟的地理信息系統，也是目前流行的 GIS 工具平臺，屬性數據采用 DBMS 管理；AutoDesk 公司的AutoDesk MapGuide 系統，它的地理數據采用文件管理，具有空間拓撲關(guān)系，但沒(méi)有空間分析和網(wǎng)絡(luò )路徑分析功能，屬性數據采用 DBMS 管理。

　　GIS 技術(shù)在我國起步較晚，但發(fā)展仍然很快，在應用研究方面尤其是通用軟件開(kāi)發(fā)方面相對落后。目前較有影響的軟件有：北大遙感所的 Citystar、武漢測繪科技大學(xué)的 GeoStar、中國地質(zhì)大學(xué)的 MapGIS等。GIS 具有存儲、處理、傳輸和顯示海量地理信息或空間數據的功能，可以對信息進(jìn)行空間分析和可視化表達，豐富的查詢(xún)功能也是 GIS 的一大顯著(zhù)特點(diǎn)，因而適合用于規模越來(lái)越龐大的工程建設系統的管理[3].近年來(lái)隨三維、四維的數據模型日趨成熟，三維、四維的 GIS 也逐漸得到研究和應用。天津大學(xué)等將 GIS 技術(shù)與系統仿真技術(shù)相結合，并廣泛應用于水利水電工程的施工領(lǐng)域中，如壩區地質(zhì)三維可視化、地下洞室和大壩施工過(guò)程三維動(dòng)態(tài)演示、施工導截流施工管理、施工場(chǎng)地總布置等，在行業(yè)內取得不小的反響[4].另外，與人工智能、面向對象、萬(wàn)維網(wǎng)、虛擬現實(shí)等技術(shù)的結合的新型地理信息系統不斷的出現，這與施工管理數字化的趨勢相符合，因此，也必將在工程建設領(lǐng)域得到更加深入和廣泛的應用。

　　2.2系統仿真計算

　　系統仿真技術(shù)是 20 世紀 40 年代末隨著(zhù)計算機技術(shù)的發(fā)展逐步形成的一門(mén)新興學(xué)科，它以相似性原理、系統工程方法、信息技術(shù)及應用領(lǐng)域相關(guān)專(zhuān)業(yè)技術(shù)為基礎，以計算機等設備為工具，利用系統模型對真實(shí)的、或設想的系統進(jìn)行動(dòng)態(tài)研究的一門(mén)多學(xué)科的綜合技術(shù)[5].仿真就是通過(guò)建立系統模型對實(shí)際系統進(jìn)行試驗研究的過(guò)程。隨著(zhù)仿真技術(shù)的發(fā)展，現代仿真技術(shù)已經(jīng)成為任何復雜系統不可缺少的分析、研究、設計、評價(jià)、決策和訓練的重要手段。

　　國外從 70 年代開(kāi)始將仿真技術(shù)應用到工程施工過(guò)程仿真，以循環(huán)網(wǎng)絡(luò )仿真軟件為代表的一系列軟件已廣泛地應用在隧洞施工、土石方開(kāi)挖、橋梁施工、管道施工等工程施工領(lǐng)域，如 Halpin 用于工程施工過(guò)程仿真的 CYCLONE，Moavenzadeh 用于費用預測的隧道施工仿真軟件 TCM，Clemmins 用于土方工程施工仿真的 SCRAPESIM，Kavanagh 用于代替 CPM 的循環(huán)網(wǎng)絡(luò )仿真系統 SIREN，Odeh 基于知識的施工計劃仿真系統 CIPROS，以及 Huang 用于施工過(guò)程動(dòng)態(tài)交互仿真的 DISCO 等[6].20 世紀 90年代以來(lái)，系統仿真的研究主要集中在：分布式交互仿真（Distributed Interactive Simulation）、面向對象仿真（Object-Oriented Simulation）、智能仿真（Intelligent Simulation）、可視化仿真（Visual Simulation）、多媒體仿真（Multimedia Simulation）和虛擬現實(shí)（Virtual Reality）等[7].

　　可視化與仿真相結合生成可視化施工管理過(guò)程，80 年代初天津大學(xué)首先把仿真技術(shù)引入水電工程施工領(lǐng)域，隨后對大型地下洞室群、混凝土壩的施工過(guò)程進(jìn)行仿真研究，尤其是近期大量富有開(kāi)拓性的研究成果，在眾多大型實(shí)際工程中得到了成功地應用。目前，其他高等院校及科研單位也在隧道施工、水利水電施工、港口工藝方案設計和土方運輸等方面，進(jìn)行了仿真研究。

　　2.3虛擬現實(shí)

　　所謂虛擬現實(shí)（Virtual Reality，簡(jiǎn)稱(chēng) VR），就是采用以計算機技術(shù)為核心的現代高新科技生成逼真的集視覺(jué)、聽(tīng)覺(jué)、觸覺(jué)與嗅覺(jué)為一體的特定范圍的模擬環(huán)境，通過(guò)多種傳感設備（如頭盔顯示器、立體眼鏡、數據手套、數據衣等）使用戶(hù)以自然的方式與模擬環(huán)境中的物體進(jìn)行交互，從而產(chǎn)生身臨其境的感受和體驗。虛擬現實(shí)有重要的 3 I 特性：

　�。�1）Immersion（沉浸度）。VR 系統不再像傳統的計算機接口技術(shù)一樣，用戶(hù)與計算機的交互方式已經(jīng)是自然的，就像現實(shí)中人與自然的交互一樣。

　�。�2）Interaction（交互性）。VR 系統區別于傳統三維動(dòng)畫(huà)的特征是用戶(hù)不再被動(dòng)地接受計算機所給予的信息，或者是旁觀(guān)者，而是能夠使用交互輸入設備來(lái)操縱虛擬物體，以改變虛擬世界的。

　�。�3）Imagination（想象性）。用戶(hù)利用 VR 系統可以從定性和定量綜合集成的環(huán)境中獲得感性和理性的認識，從而深化概念和萌發(fā)新意。

　　虛擬現實(shí)從提出到現在經(jīng)歷了一個(gè)發(fā)展的過(guò)程，其建模的工具也越趨于多樣化：一是 Rend386 是一個(gè)免費的程序庫和世界播放器，功能較弱，適于 DOS 環(huán)境。二是 World toolkit for windows 是以Windows 動(dòng)態(tài)鏈接庫的形式發(fā)布的虛擬現實(shí)程序庫。在標準 SVGA 下運行，可以在窗口中顯示帶紋理映射的虛擬世界，也可全屏顯示。三是虛擬現實(shí)建模語(yǔ)言 VRML（Virtual Reality Modeling Language）是一種網(wǎng)絡(luò )上使用的描述三維環(huán)境的場(chǎng)景描述語(yǔ)言，目前已有多種版本。VRML 虛擬空間生成系統可以使用戶(hù)通過(guò)可視化拖放的方法，人機交互生成 VRML 虛擬空間，而用戶(hù)完全不需要掌握 VRML 的語(yǔ)法和規范。四是 OpenGL（開(kāi)放式圖形語(yǔ)言）是一種建立圖形庫的語(yǔ)言，該語(yǔ)言功能強大，是實(shí)現虛擬現實(shí)的較好工具，但由于其編程量大，且較難掌握。五是 CAD、3DSMax、Visual C++、GIS、Matlab simulink工具箱等。

　　虛擬現實(shí)系統首先在軍事、航天等高科技領(lǐng)域及娛樂(lè )和漫游等方面獲得成功的應用，現在工程建設領(lǐng)域也得到應用，如利用 VR的可視化特性，檢驗施工組織設計方案的可行性，或者通過(guò)實(shí)時(shí)交互修改參數來(lái)對不同施工方案進(jìn)行比較；VR 的交互性也是學(xué)校教學(xué)或培訓員工的有效工具。

　　2.4多智能體施工

　　智能體（Agent）是指為了實(shí)現自己的設計目標或任務(wù)而獨立自主的運行，能適應自身所處的環(huán)境，并能不斷地從環(huán)境中獲取知識以提高自身能力，具有學(xué)習和推理功能的智能實(shí)體。多智能體系統是由多個(gè)可計算的智能體組成的集合，其中，每個(gè)智能體是一個(gè)物理的或抽象的實(shí)體，能作用于自身和環(huán)境，并與其它智能體通訊。多智能體技術(shù)是人工智能技術(shù)的一次質(zhì)的飛躍。

　　多智能體技術(shù)具有自主性、分布性、協(xié)調性，并具有自組織能力、學(xué)習能力和推理能力。采用多智能體系統解決實(shí)際應用問(wèn)題，具有很強的適應性和可靠性，并具有較高的問(wèn)題求解效率。由于在同一個(gè)多智能體系統中各智能體可以異構，因此，多智能體技術(shù)對于復雜系統具有無(wú)可比擬的表達力，它為各種實(shí)際系統提供了一種統一的模型，從而為各種實(shí)際系統的研究提供了一種統一的框架，其應用領(lǐng)域十分廣闊，具有潛在的巨大市場(chǎng)。目前多智能體的建模軟件各樣，如 JAVA、Visual C++、VisualBasic、SQL Server、Delphi、PowerBuilder 中的 CLIPS 等。隨著(zhù)國民經(jīng)濟的發(fā)展和新技術(shù)、新材料、新工藝的不斷出現，工程項目規模不斷擴大、形式日益復雜，工程建設過(guò)程涉及的單位和個(gè)人也越來(lái)越多，因而對建設工程管理的統籌性、協(xié)調性、時(shí)效性提出的要求就越來(lái)越高。對于這樣一個(gè)復雜的系統，應用多智能體技術(shù)來(lái)保證工程建設任務(wù)的順利進(jìn)行時(shí)非常合適的。目前，已有學(xué)者將多智能體技術(shù)應用到綜合整治工程、工程招投標、大型工程的物資供應系統。

　　參考文獻：

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