導(dǎo)讀

華南理工大學(xué)土木與交通學(xué)院海外學(xué)者前沿講座第五十期，我們邀請到來自美國卡內(nèi)基梅隆大學(xué)土木與環(huán)境工程系的唐平波教授。本次講座中，唐教授向我們介紹了他們研究的一套變化環(huán)境韌性基礎(chǔ)設(shè)施運(yùn)維的人-信息-物理安全系統(tǒng)。唐教授從三個(gè)方面出發(fā)來有針對性的建設(shè)這一系統(tǒng)：人和物理世界、人和控制室、人和人，并通過兩個(gè)個(gè)例子向我們介紹了這一理念。

民用基礎(chǔ)設(shè)施系統(tǒng) (CIS)（例如交通基礎(chǔ)設(shè)施、供水設(shè)施、核電站、機(jī)場）需要有效的系統(tǒng)層面的運(yùn)營和維護(hù) (O&M) 流程，以確保運(yùn)營安全和效率。這樣的 CIS 運(yùn)維流程需要大量的人力物力，包括人/團(tuán)隊(duì)的認(rèn)知、決策和活動(dòng)，從而形成人-網(wǎng)絡(luò)-物理系統(tǒng) (H-CPS)，如圖一所示。這個(gè)系統(tǒng)存在三個(gè)層面的互動(dòng)關(guān)系：人-物理 (H.P.)、人-人 (H.H.)和人-網(wǎng)絡(luò) (H.C.)。在現(xiàn)實(shí)中，這三個(gè)層面的互動(dòng)都存在這一定的可靠性問題，比如計(jì)算機(jī)對數(shù)據(jù)的處理并不完美；人與物理的互動(dòng)過程中工人可能沒有按照既定的指令完成任務(wù)，也有可能我們采集的數(shù)據(jù)本身是不完美的；人與人之間可能存在溝通的偏差等。本次講座中，唐教授向我們介紹了如何用傳感器技術(shù)測量可靠性參數(shù)和用數(shù)據(jù)分析技術(shù)幫助我們更好的理解系統(tǒng)的可靠性問題。

首先，唐教授以核電站的安全操作為背景，向我們討論了人-物理互動(dòng)的可靠性。通過技術(shù)觀察和測量人與物理世界互動(dòng)的可靠性。核電站的關(guān)?？刂茖穗娬镜恼＿\(yùn)維具有非常重要的作用。該過程持續(xù)20-30天，需要2000多名現(xiàn)場工人同時(shí)工作完成2萬多個(gè)任務(wù)，同時(shí)確保施工的安全。為了加速施工，施工排期精確到10分鐘，這就需要非常細(xì)節(jié)的現(xiàn)場監(jiān)控。那么如何對核電站內(nèi)的工人進(jìn)行輔助，來減少工人失誤，增加工人效率就變得很有必要。唐教授希望實(shí)時(shí)記錄每個(gè)工人走過的區(qū)域和并進(jìn)行判定，然后分析推理并告訴工人是否接近危險(xiǎn)區(qū)域或者物體。同時(shí)，這一系統(tǒng)還可以告知工人哪些工序需要進(jìn)行，該怎么進(jìn)行。

唐教授假設(shè)工作地點(diǎn)可能沒有GPS或者WIFI信號，只能通過工人身上攜帶的設(shè)備來獲取信息。他們設(shè)計(jì)了一套通過照相機(jī)和加速度機(jī)來判斷工人位置的系統(tǒng)。該系統(tǒng)通過加速度計(jì)來判斷工人位置，通過攝像機(jī)的圖像識別和計(jì)算機(jī)視覺判斷工人面對的物體。經(jīng)過驗(yàn)證該系統(tǒng)可以很好的記錄工人的行程并推算工人的位置，精度達(dá)到cm級。之后，系統(tǒng)便會(huì)在工人接近需要提示的區(qū)域時(shí)將必要的信息發(fā)送給工人。但是，一個(gè)人可以處理的信息是有限的，因此并不是所有的信息都應(yīng)發(fā)給工人。他們先進(jìn)行了網(wǎng)絡(luò)問卷，從中挑選一些重要的問題向?qū)＜疫M(jìn)行詢問。結(jié)合這些結(jié)果，唐教授通過計(jì)算機(jī)進(jìn)行處理來得到哪些信息是必要的，是需要發(fā)送給工人的。

然后，唐教授以飛機(jī)場控制室為背景討論了人-控制室（網(wǎng)絡(luò)）互動(dòng)的可靠性。雖然現(xiàn)在計(jì)算機(jī)等工具的發(fā)展可以實(shí)時(shí)追蹤飛機(jī)的位置等信息，引導(dǎo)著陸和起飛過程的空中交通管制員在機(jī)場的正常運(yùn)維中扮演者重要的角色，計(jì)算機(jī)現(xiàn)在還無法處理這樣復(fù)雜的工作。因此，唐教授對引導(dǎo)著陸和起飛過程的空中交通管制員的行為進(jìn)行分析，旨在可以發(fā)現(xiàn)空管員行為的異常，以及在不同場景下的異常，去幫助我們理解什么樣的情況下一個(gè)好的空管員會(huì)作出什么樣的決定，我們應(yīng)該給空管員提供什么有效的信息幫助他們作出更好的決定。唐教授希望通過追蹤機(jī)場優(yōu)秀的空管員的工作并且記錄其中較難完成的任務(wù)來訓(xùn)練計(jì)算機(jī)以幫助空管員進(jìn)行調(diào)度。

這個(gè)問題由兩個(gè)因素決定：人與場景。唐教授通過記錄空管員的心跳、表情等來判斷這些空管員是否遇到了麻煩。通過機(jī)器學(xué)習(xí)的手段對計(jì)算機(jī)進(jìn)行訓(xùn)練，這樣可以使計(jì)算機(jī)在空管員遇到麻煩時(shí)提前做出反應(yīng)。但是，每個(gè)人遇到問題時(shí)的反應(yīng)都是不一樣的，為了準(zhǔn)確的做出判斷，還必須建立一個(gè)表情心跳等信息的基礎(chǔ)線。唐教授招募了12位退役的空管員進(jìn)行空中管制仿真來記錄并且分析什么特征代表了空管員已經(jīng)達(dá)到了極限，這樣可以最大的保證該系統(tǒng)的準(zhǔn)確性。唐教授采用多種機(jī)器學(xué)習(xí)算法進(jìn)行回歸性的預(yù)測，用多種指標(biāo)如交通強(qiáng)度、人的心跳、眨眼頻率等，預(yù)測得到這個(gè)基礎(chǔ)線。

第二個(gè)方面就是場景，及對飛機(jī)軌跡的分析。唐教授嘗試采用導(dǎo)航數(shù)據(jù)、機(jī)場的BIM模型和飛機(jī)本身的模型幫助我們模擬機(jī)場的運(yùn)營。如果機(jī)場出現(xiàn)了新的航班，空管員應(yīng)該關(guān)注什么，是否能作出正確的反應(yīng)。唐教授通過機(jī)場的歷史運(yùn)維數(shù)據(jù)，計(jì)算識別新航班的標(biāo)準(zhǔn)路徑及其概率分布，來判斷新航班的出現(xiàn)對機(jī)場運(yùn)維的影響情況。唐教授通過聚類算法分析了航班的歷史路徑，來得到航班的標(biāo)準(zhǔn)路徑。在已知航班標(biāo)準(zhǔn)路徑和速度的情況下，唐教授希望模擬機(jī)場可能容易出現(xiàn)擁堵的位置。通過對比洛杉磯機(jī)場歷史擁堵的位置與模擬過程中發(fā)生擁堵的位置，就可以判斷模擬結(jié)果是否與實(shí)際一致。但是，目前的模擬模型尚不能做到精確的模擬，但是已經(jīng)能大概判斷出靠近航站樓的位置是發(fā)生擁堵概率較大的地方。

通過唐教授的講座，我們認(rèn)識到系統(tǒng)的控制和管理是一個(gè)復(fù)雜的工作。唐教授以核電站和飛機(jī)場的運(yùn)維控制為例，向我們展示了問題的復(fù)雜性。在土木工程領(lǐng)域，也存在著許多類似的問題，存在著諸多挑戰(zhàn)。目前而言，即使計(jì)算機(jī)技術(shù)已經(jīng)非常先進(jìn)，但是數(shù)據(jù)的解釋仍離不開人的輔助。如何通過追蹤人的決策過程，讓計(jì)算機(jī)學(xué)習(xí)人的行為，從而幫助人作出更快更準(zhǔn)確的決策，是各個(gè)領(lǐng)域都需要解決的問題。

相關(guān)文章請見唐平波教授官方主頁：

https://www.cmu.edu/cee/people/faculty/tang.html

講座錄播鏈接：

【The SIR Frontiers】學(xué)術(shù)前沿系列講座第五十期：“適用于變化環(huán)境韌性基礎(chǔ)設(shè)施運(yùn)維的人-信息-物理安全系統(tǒng)”

來源于多樣化結(jié)構(gòu)實(shí)驗(yàn)室VSL

文稿?| 解兵林 姚顯花?毛煒寧

排版?|?劉? ? 盼

審核?|?胡? ? 楠

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