筑龙首页

[分享]智能机器设计桥梁可行吗?

发表于2018-06-12    594人浏览    1人跟帖    复制链接  只看楼主

筑龙币+0

追74256

20世纪90年代初,同济大学的石洞教授率领一批青年才俊完成了我国首个公路桥梁CAD辅助设计系统,虽然该系统早已成过去,但它一直是现代桥梁CAD的基本构成方式,不同的是引入了数据库技术、完善了菜单驱动系统、丰富了设计内容、提高了自动化集成程度。

到目前为止,不管是哪个桥梁CAD辅助设计系统都需要输入大量数据驱动计算机才能完成特定的工作,换句话说,设计者对工作的开始与结束都是预知的,这正是“辅助设计”与“智能设计”的不同。

如何定位“智能设计”

怎么定位“智能设计”呢,因为考虑因素全面、工作情绪稳定,所以它的工作结果总会超出预期。

众所周知的人工智能是通过机器学习算法来模拟人类的思考与决策的计算机实现的过程,并得到特定问题的解答。一谈到人工智能,人们往往都会联想到机器具有的学习能力,而实际上人工智能是由统计学发展起来的一系列数学方法,有卷积神经网络这样的高级算法,也有经典的回归分类算法,归根到底就是一些算法的组合应用,人所赋予机器的一切能力都可以称为人工智能,当然学习是其中的重要特征。古人讲“道法自然”,向自然规律学习、钻研很重要,比如仿生学。所以,我们不应忽视这类学习的意义。例如,一台具有学习能力的非专业机器与一台专门用于桥梁设计的机器(如有),哪个更能胜任桥梁设计?我想,打败世界级围棋高手的阿尔法狗应该不是通用机器人,而是为此专门构建的,这就是“桥梁智能设计”机器应专注的能力,而不是说一台桥梁设计机器人同时还是保姆。所以,机器人同样是术业有专攻。

对于桥梁智能设计中的总体方案比选来说,穷举法是保证方案不遗漏的可靠手段,穷举出所有可行的方案之后,再进行优劣评测。评测方法为现有技术,计算机速度越来越快,不怕多算,计算机速度的不断提升就是为了计算更多的各类数学模型。

众多方案由机器提出后,采用统一的比选原则对方案进行全面的优劣排序,得到最优的几个方案(有时也会难分伯仲),而真正的关键还是在于最初的穷举过程有没有出现遗漏,以及如何让穷举的过程更加合理、更加快速,或者说,更加接近人类的工作过程,但方法可以不同。因为人类是不会采用穷举法做方案设计的,所以穷举也不是无穷无尽、漫无边际的。

智能设计构想举例

以铁路桥梁设计为例,阐述智能设计的基本构想,并以阶段成果说明其可行性。

针对铁路桥梁设计编制的QS程序,QS即桥思,指桥梁智能设计,终极目标是自动完成设计工作,无须人工介入,只需导入勘察资料,如地形、设计水位、通航或立交要求、线路标高或竖曲线等。注意,一定是导入资料而不是让机器看一眼,因为工程讲究严谨、准确。系统可以在勘察数据获得的第一时间把孔跨布置方案做出来,并即时反馈给线路专业,对优化选线也有帮助。

系统将由四大部分组成:智能前处理(超现实的核心内容)、计算校验、智能调整及生成图文。智能主要体现在智能前处理部分,其余部分或多或少已经是现有技术所涵盖的内容。所以,目前研究探索的重点也是智能前处理部分。

系统编制对应现行建设程序,也把设计阶段分为预可、可研、初设、施工图四个阶段。其中最难的是预可阶段,因为要遵守阶段继承性基本原则,智能设计的起始阶段很重要,若没有继承原则就不称其为人工智能,结果会陷入翻来覆去的死循环,所以,关键在于提出和选择方案。程序设计的四个阶段主要工作如下——

第一阶段  实现预可研阶段目标

1.根据线路标高、桥下控制标高、地面线、地层线、最小孔跨及主孔中心(若有要求)等基本情况进行孔跨布置,获得多种多样的孔跨组合,确保无遗漏。

2.根据各孔跨布置组合分别进行桥式方案设计,特定孔跨组合会有不少于一个的桥式方案。例如,主跨300米可以做拱桥、斜拉桥、甚至刚构桥,而主跨800米可以做斜拉桥、悬索桥,也可以是组合体系,本环节也应确保无遗漏。

3.选用合适算法对每个桥式方案进行造价估算,或许有人质疑这样的估算可信度有多少。所以,系统引入地形条件、水深条件、地震等级、台风影响、地区经济等进行修正,确保比人工做得更好,即使不很准确也无大碍,因为系统将取方案的前10名进入下一阶段继续研究,甚至更多,以免有价值的方案过早被淘汰。总之,机器不怕多算就怕漏算。

4.生成该阶段的图文素材,配合设计文件的编制。

第二阶段 实现可研目标

1.承接上一阶段的前10位方案进行深化设计,采用适当算法拟定结构主要构件的形式和尺寸。例如,桥塔型式和尺寸、梁型和尺寸等,暂不考虑细节,通过自动构建有限元分析模型,完成结构计算。

2.根据结构计算校验并调整结构基本尺寸,使方案可行为准,在此前提下将主要工程数量计算推进一步,使方案更可靠。

3.对每个进入可研阶段的桥式方案进行比较,取前3位作为下一阶段的工作起点,保留1个方案的人工推荐权力,可以不行使。

4.生成该阶段的图文素材,配合设计文件的编制。

第三阶段 实现初步设计目标

1.之前对方案筛选的范围很大,并已进行了相应的优化对比。本阶段承接上阶段的成果,只对前3位方案进行同精度初步设计(注:系统做的比较都是同精度的,这也是机器比人会更客观的优势)。

2.初设中对桥梁结构的轮廓尺寸都必须明确,在前面工作的基础上进一步把倒角之类的细节都确定下来,达到施工图精度。同时对关键构造需要有详细的大样设计,唯一与施工图的差距只是精确所涵盖的范围有限,本阶段只是关注重点部位。

3.通过自动配索、调索检验并优化结构细节,对更细化的工程数量进行计算,达到最严格的深度要求,作为推荐最终实施方案的重要依据,但保留人工干预的渠道。

4.生成该阶段的图文素材,配合设计文件的编制。

第四阶段 实现施工图目标

人工智能最困难的、最关键的部分就是决策,其实这也是人类思维体系中最为核心的部分,也相当费神。为慎重,可在充分保留前期工作的有效性基础上,建议由人来决策实施方案,机器抉择仅供参考和训练积累。

1.对于选定的方案应继承上阶段所确定的设计参数,同时为了执行审查意见而开设人工修改通道,但为避免无度修改而导致较大偏差,程序内设修改过度的警示,以最大程度地利用前期工作成果。

2.优化细节与完善设计,这个很像辅助设计,所以,智能设计与辅助设计是互相包容的关系。

3.结合工程信息化技术(BIM),对推荐的实施方案完成施工图设计,并构建完整的BIM链,以贯穿桥梁全寿命周期,而本系统的出口就是BIM系统的入口。

毫无疑问,桥梁智能设计将会是行业技术的重要发展方向,也是智能技术向产业上游攀爬所将覆盖的范围。中国桥梁人应该率先而动,在有限元计算、辅助设计及BIM技术等方面我们一直在追赶,期望在智能设计方面我们能呈现出欢迎后来者的姿态。

智能设计可望实现的途径

现阶段距桥梁智能设计目标蓝图虽然还远,但已经能在一定程度上证明它是可以实现的。

QS如设计人员一样开始工作,从了解勘察资料开始,先对桥址断面进行研读。数据是会说话的,但不会主动说,所以,第一步是要让机器认识地形,使之像工程师看到桥址断面一样,地面线“告诉”我们什么,我们都应该“告诉”机器,这是获得合理布置的前提。包括——①地面线两端的高差;②地面线最大高差;③地面相对较低的区域;④判定是否存在地形控制桥型的情况,比如峡谷、广阔水域的深鸿区等;⑤若为峡谷地形,需要寻找基础搁置位置及开挖施工的代价;⑥峡谷地形拱桥布置原则与执行方法与竖直墩台不同;⑦非峡谷地形的主跨中心与跨度的选择判定,除了指定中心外,是否存在地形控制点等;⑧布孔遵循的基本原则设定;⑨安全线、持力层是判定基础埋深及基础工程数量的重要因素,墩塔位置确定后用于评估基础工程;⑩美学考虑以地面线、水面线、天际线及环境轮廓线为约束条件,对所布孔跨的几何构图进行常识性量化判定,使桥梁在对称、节律、平衡等基本审美因素上不要出格。

图1 QS给出的部分桥式方案

智能机器设计桥梁可行吗?_1

图2 上图的连续梁三维模型

智能机器设计桥梁可行吗?_2

图3 摘取QS程序自动生成方案示意概图中的12个

虽然计算机可以计算人类难以想象的难题,但机器的思维还远没有人类复杂,即使了解了地形的各项特征,要主动产生行动还必须设定激发条件。换句话说,就是在什么条件下产生什么动作?做什么决定?需要教给机器最重要的内容是什么?这与人工智能中说的学习不同,是机器行为基本准则。例如,墩立在地形断面的不同位置,代价是不同的,而在后续过程中,即使在所有条件都相同的条件下,立墩条件不同也会反映出两者的优劣差别,这些属于专业考量的范畴。图3是导入桥址断面数据后由程序自动给出的众多桥式方案,圈中是某个方案放大和梁部结构模型。图4是程序对武汉某过江通道桥梁方案进行的智能设计考验,图中列出了一部分并作了些修饰,其中第一个方案的右侧斜拉桥(见图1)和悬索斜拉方案(见图2)是实际设计提出的两个方案,可见智能设计没有遗漏有价值的方案。

智能机器设计桥梁可行吗?_3

图4 主航道斜拉桥方案

智能机器设计桥梁可行吗?_4

图5 悬索斜拉方案

计算机自主地完成上述图示所做的工作,需要解决的各种算法问题很多,也非常复杂,很难在此详尽叙述,而且现在采用的算法尚未成熟。另外,还没有完全打通设想中的所有环节。所以,本文只是抛砖引玉,希望有更多的技术人员投身其中,使我们的桥梁设计能在这个信息化、智能化的大时代中有更大作为。

智能设计展望

在北斗卫星地图上设定铁路的起始点地名,智能系统找出包括起始点在内的可能设站位置,接着对多组车站组合提出很多个线路方案,然后对各方案的技术经济指标进行计算,最后比选推荐前几名。桥梁专业承接线路专业在卫星地图上剖切纵断面,获得桥址断面和线路标高等基本资料,导入智能桥梁设计系统完成相应的方案设计,提出桥梁方案及造价指标,纳入总体设计文件。

后续设计阶段继承上阶段成果,并根据因时间变化的工程环境,修改完善各专业相关内容,推进到相应的设计深度。如此循序渐进地完成初步设计,最后进入以BIM技术主打的施工图阶段,这就是未来的设计工作呈现的景象。


分享至

分享到微信朋友圈 ×

打开微信"扫一扫",扫描上方二维码
请点击右上角按钮 ,选择 

 发表于2018-06-12  | 只看该作者      

2

大家觉得可行吗?

登录后才能评论,评论超过10个字,有机会获得筑龙币奖励!

猜你爱看

筑龙学社APP扫码

立即免费下载资料

扫码安装筑龙学社
随时随地学习