漫谈悬浮隧道与人工智能

悬浮隧道是一个“未知”事物,预测一个新兴事物的在复杂环境作用下所表现出来的特征,科研是最好的方法。基于科研方法对悬浮隧道的性能做出预测,既要立足于现有庞杂的理论知识,又要创造性的去解决悬浮隧道特有的新现象。科研始终在向前发展,但是其进步又是那么的步履蹒跚,对客观真实世界的认识显得片面和局限。许多学者投入了大量的时间和精力,目的就是希望能够逐步去逼近物理世界的真实,并对可能发生的情况进行预测。

       水动力学的发展
       悬浮隧道处于波、流环境当中,波浪和水流是主要控制载荷,研究悬浮隧道水动力性能能够优化断面形状、减少涡激运动的发生、优化锚索布置,水动力载荷的准确评估影响着结构安全和行车安全。
       在水动力学预报领域,模型试验方法能够给出相对准确的预测,但是受限于试验条件和高昂的模型试验成本,这种方法不会被经常采用。许多学者对数学模拟的方法展开了大量的研究工作,1960年代从航空领域发展出来的Hess-Smith边界元方法被引入到水动力的预报当中,基于无粘、无旋、不可压缩的假设,流动被简化为势流,控制方程也从N-S方程简化为laplace方程,能够准确模拟二维流动。后来学者开始采取切片法,试图用二维流动加上一些经验性修正去模拟三维绕流,边界元法也朝着三维、高阶面元方向发展。但是势流的基本假设就是忽略粘性,这不符合真实的壁面流动特征,边界层理论被引入来描述壁面流动,很长一段时间内内层采取边界层理论和外层采取势流方法的理论被认为是反映了真实的流动特征。1990年代,计算流体力学方法(CFD)的出现是一个划时代的创新,随着计算机图形学的发展以及计算机运算能力的提高,最早用于航空领域的空气动力学预报CFD方法,后来被引入到海洋工程、化学、工业设计等不同领域中,获得良好的反响。CFD方法能够处理壁面粘性、结构物的运动,但是依然存在很多亟待解决的问题,比如尺度效应不能准确模拟,湍流模型中存在太多经验性的假设、直接数值模拟方法求解N-S方程太消耗计算资源等等,这些困难都需要后来人发挥聪明才智去解决。
       回顾这一段水动力学的发展历史,我们可以发现两点:一是空气动力学领域的科技进步直接促进了水动力学领域许多问题的解决;二是计算机领域的技术进步会对各个领域带来变革式的创新。时间的脚步永不停止,历史的车轮滚滚向前,我们现在的发展也会成为历史,历史的规律将继续重复着。

       人工智能的发展
       人工智能时代的到来就是最好的例子。人工智能起源于1940年代出现的神经网络,神经网络将数学和算法的结合,通过建立神经网络数学模型来模仿人类的思维活动。大数据、云计算、互联网、物联网、图形处理等信息技术的发展推动以深度神经网络为代表的人工智能技术飞速发展。人工智能试图模仿人类的感官-视觉、触觉、听觉和嗅觉等,最终目的是发展出具备各种技能的智能机器,模拟人类的听觉(语音识别、机器翻译等)、视觉(图像识别、文字识别等)、说话(语音合成、人机对话等)等等。
       人工智能给水动力预报领域也带来了变革式创新。无论势流方法还是计算流体动力学方法,都是以实际的物理现象为依托,引入非常多的经验性假设,目的就是为了让数学预报更加贴近真实的物理现象。而深度学习算法的引入跳脱了这一传统方法,直接对数据建模,通过算法去再现数据的内在规律,随着计算机领域技术的迅猛发展,各种开源的算法框架层出不穷以及算力日益提升,这个时候水动力学领域的数据显得至关重要。
       在基建行业,深度学习、机器视觉、物联网、云计算等智能制造技术正在推动行业制造模式向工业4.0转型,最终的目的是要实现各项设备全面连网、自动化生产,达到良好的人机协作、创造优质的经济效益。这些技术的成功应用已经初见端倪,比如基于机器视觉降低工地的各项安全风险,基于机器学习算法对各种工程机械进行性能预测、故障诊断和效率优化提升,基于图像识别和深度学习对施工机械作业状态监测和施工反馈控制等等。

人工智能时代的人
       人工智能时代深刻影响着传统意义上的社会分工,简单、可重复的体力劳动的职业比如人工分捡、常规客服、收费员、保安等会被逐步取代。现阶段人工智能解决问题的优势在于逻辑严密和海量的运算能力,优势在于“不易出错”和“精力无限”,这些是人所欠缺的;但是人在面对纷繁芜杂的未知世界,解决问题靠的是广博的知识积累后产生的“直觉”,或许那种“1%的灵感”和灵光乍现的时刻才是人取胜于机器和人之所以为人的根本,人的创造性会愈发重要,“个性”会逐步大于“共性”;未来呈现的是人机协作的工作模式,简单重复性劳动交由机器去完成,而人会从事对创新、创造类要求高的工作。
       相比人工智能机器,人的创造性可能表现在智力和情感两个领域。那些在某块领域内深耕多年,把一个领域内知识融会贯通,能够做到“随心所欲不逾矩”,能够提供新价值的专家必将不可替代;另外在情感领域,相比机器,人在情感能力、同理心和领导力等方面的优势格外明显,“情商”的培养、团队协作能力的获得在未来变得至关重要。
       未来的人才更加注重科学精神和艺术能力的培养,既要具备思维严谨、逻辑完备的科学精神,又要具有直觉、想象力和形象思维能力等艺术能力,才能更好的应对未来不可知的挑战。

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责任编辑:editor

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