華南理工大學土木與交通學院海外學者前沿講座第四十四期，我們邀請到來自美國田納西大學諾克斯維爾分校土木與環(huán)境工程系的李書艾助理教授。本次講座中，李教授為我們分享了他們團隊利用人工智能方法邁向未來智能、安全、可持續(xù)建筑環(huán)境的精彩報告。

近年來，公共衛(wèi)生突發(fā)事件、自然和人為災害以及基礎(chǔ)設(shè)施老舊化等問題越來越嚴重，人們對更加安全、健康和可持續(xù)社區(qū)和建筑環(huán)境的需求也越來越迫切，這為工程、科學和管理人員帶來了挑戰(zhàn)。本次講座中，李教授通過三個項目中信息物聯(lián)系統(tǒng)的應用，包括用于緊急偵察的機器人輔助智能系統(tǒng) (RAISE)，人人享有的智能和健康環(huán)境 (I-HEAL)和用于工程的網(wǎng)絡生態(tài)增強技術(shù) (CREATE)，向我們介紹了他們借助傳感器、人工智能、機器人、數(shù)字孿生、信息建模和可視化等新方法，開發(fā)一系列促進建筑自動化、應急響應和環(huán)境健康的模型系統(tǒng)。

首先，李教授為我們分享的第一個項目是用于緊急偵察的機器人輔助智能系統(tǒng) (RAISE)，通過無人機和深度學習算法來快速的建立災后的3D地圖，幫助救援人員在黃金救援時間內(nèi)最快地搜救遇害人員。RAISE系統(tǒng)涵蓋了雙向人機共享控制、基于深度學習的人機感知協(xié)同進化和情境感知人機交互，以實現(xiàn)人機無縫協(xié)作，在災難期間進行受阻空間的偵察和搜救。該系統(tǒng)通過無人機和探地雷達（Ground Penetrating Radar，GPR）得到雷達圖，采用生成對抗式神經(jīng)網(wǎng)絡（GAN）技術(shù)增強建筑倒塌模擬數(shù)據(jù)，對倒塌建筑廢墟下空洞環(huán)境進行3D重建（Subsurface Reconstruction）。通過這種方法可以實現(xiàn)根據(jù)雷達圖像生成3D的現(xiàn)場模型，方便救援隊使用，實現(xiàn)高效準確地通過機器人提供場地搜救信息，將搜救信息傳遞給救援人員，救援人員再將搜救指令下發(fā)給機器人。最后是如何使用這一模型，李教授團隊一開始想使用增強現(xiàn)實技術(shù)（AR）將3D地圖直接傳遞到現(xiàn)場救援人員的視場里，但因為救援現(xiàn)場諸多因素的限制，目前是傳回指揮中心由指揮中心進行處理。

李教授向我們分享的第二個主題是讓社區(qū)更健康，對應著他們所開展的第二個項目：人人享有的智能和健康環(huán)境 (I-HEAL)。李教授團隊開發(fā)了基于數(shù)字孿生的傳感和集成的人類建筑病原體模型，以促進建筑物和社區(qū)的環(huán)境衛(wèi)生和人類健康，從而改變關(guān)鍵設(shè)施的未來運營。比如在新冠病毒傳播肆虐的疫情防控期間，需要對醫(yī)院、校園等公共場所進行經(jīng)常消毒殺菌，李老師通過與傳染病學家和微生物學家等合作開發(fā)了機器人智能消毒殺菌系統(tǒng)(lntelligent Robot for Adaptive Disinfection)，該系統(tǒng)可以指導機器人什么時候去消毒，去哪里消毒，對區(qū)域進行風險分級，以及針對不同區(qū)域、物體表面和不同材質(zhì)如何進行安全有效的消毒殺菌。

此外，李教授還探索了不同的建筑內(nèi)微生物的分布情況（Building Microbiome），以及建筑設(shè)計和措施對微生物聚集和傳播的影響。通過收集建筑信息，在建筑內(nèi)取樣，分析建筑內(nèi)微生物群的分布，構(gòu)建環(huán)境-人-病原體集成信息模型（Integrated Environment-occupant-pathogen Information Modeling）。李教授使用BIM和建筑內(nèi)采集的數(shù)據(jù)建立了一個建筑內(nèi)細菌分布的模型，通過不同區(qū)域可能的攜帶者同行率和細菌存在率來對建筑進行風險分級，可以有效的幫助如醫(yī)院等建筑設(shè)計自己的消毒路線。

最后，李教授向我們簡單介紹了他們所開展的第三個項目，用于工程的網(wǎng)絡生態(tài)增強技術(shù) (CREATE)。CREATE項目為基礎(chǔ)設(shè)施檢查和施工自動化開發(fā)了以人為中心的遠程操作、機器人自主和工作流的感知協(xié)調(diào)，展示了可持續(xù)建設(shè)和更廣泛的勞動力參與的巨大潛力。開發(fā)的 CPS 共同構(gòu)成了在建筑和基礎(chǔ)設(shè)施系統(tǒng)的生命周期階段下培養(yǎng)智能、安全和可持續(xù)的建筑環(huán)境的技術(shù)基礎(chǔ)。比如，李教授采用探地雷達檢測橋梁裂縫、采用無人機對橋梁進行監(jiān)測、基于AR的圖像分析、以及采用機器人監(jiān)測水下建筑物的情況。

李教授的研究課題關(guān)注當下熱點，借助強大的人工智能、機器人和傳感器等技術(shù)，開展有效的多學科合作，解決了很多領(lǐng)域的痛點問題。李教授的報告為我們土木與環(huán)境工程的研究提供了一個很好的展示，無論是對我們個人多學科知識擴展還是研究方向的重新定義都值得參考借鑒。本次講座給我們的啟發(fā)是，隨著科技的發(fā)展和進步，我們對建筑的要求從結(jié)構(gòu)的安全性逐漸轉(zhuǎn)移到建筑環(huán)境的智能化、健康化和可持續(xù)性，如何利用日新月異的新技術(shù)、新方法，創(chuàng)造更智能、安全和可持續(xù)的人居環(huán)境，也是需要土木工程領(lǐng)域研究者們逐漸考慮的問題。

相關(guān)文章請見李書艾老師官方主頁：

https://cee.utk.edu/people/shuai-li?

講座鏈接：

【The SIR Frontiers】學術(shù)前沿系列講座第四十四期：“邁向未來智能、安全、可持續(xù)的建筑環(huán)境”

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來源于多樣化結(jié)構(gòu)實驗室VSL

文案 | 解兵林 姚顯花 毛煒寧

排版 | 朱子寒

審核 | 胡??楠