朱合华院士：立足数字底座 推动智慧基础设施蓬勃发展
文章刊登于《中国科技产业》杂志
202211期“院士专论”
党的二十大报告中明确指出：必须坚持科技是第一生产力、人才是第一资源、创新是第一动力，深入实施科教兴国战略、人才强国战略、创新驱动发展战略，开辟发展新领域新赛道，不断塑造发展新动能新优势。作为新形势下的创新发展，《“十四五”全国城市基础设施建设规划》早已布局，围绕构建系统完备、高效实用、智能绿色、安全可靠的现代化基础设施体系，提出了“加快新型城市基础设施建设，推进城市智慧化转型发展”的重点任务。但当下的城市基础设施仍面临着发展不平衡、不充分，体系化水平较低，设施运行效率和效益有待提高等一系列发展瓶颈。为了实现科学统筹与系统协调，推动智慧基础设施的蓬勃发展，首先应该明确其发展目标、发展范式与发展路径。
1 何谓智慧——厘清智慧基础设施的发展目标
近年来，“智慧城市”、“智慧基础设施”、“智慧交通”、“智慧社区”等理念层出不穷，但诸多“智慧化”讨论的背后仍然缺乏以目标为导向的顶层设计与统筹规划，从而无法有效引导智慧基础设施等行业健康、有序的发展。
智慧基础设施发展目标的不明晰，归根结底在于缺乏对“智慧”这一概念的清晰解读。“智慧”是对人类品质的最高评价，指向人的全面发展与美好生活，指向社会的整体繁荣。同样地，将“智慧”视作当代基础设施的最高形态与最高发展目标，具有合理性。
因此，厘清智慧基础设施的智慧内涵应从解读人的智慧品质着手。人的智慧是一个多结构、多维度的丰富统一体；相应地，智慧基础设施也应具备多元且全面的发展方向。基于哲学、心理学领域对人的智慧观的阐述，可以将“自我认知与调节的能力”等隶属于人的智慧属性嵌入到传统基础设施的建设需求中，进而提炼出当代智慧基础设施的四个具体发展目标——韧性、智能、绿色、人文。
基础设施的智慧内涵还可进一步表征为以韧性、智能、绿色、人文四项品质的函数为自变量的泛函，由此可对基础设施的智慧化程度进行量化乃至客观评价，从而为科学指导智慧基础设施建设的顶层设计提供理论依据。
2 数字化——当代智慧基础设施的发展范式
上世纪90年代中期以来，数字化逐渐成为不可逆转的发展态势，从生活到生产，人们已经到了离开数字化技术而无法生存的地步。在当今数字化转型的大背景下，数字化技术正在改变土木基础设施的建设与运维方式。以人力为主的劳动密集型工地正在向以机器人建造为主的智能建造方向发展，是基础设施的安全建造和韧性提升的新手段；借助数字化技术，让基础设施成为可感知、可愈合、可修复的智能体，是实现基础设施高质量建设目标的新载体；依赖数字化技术，从根本上改变基础设施建设的高能耗、高碳生产方式，已成为绿色和低碳建造的新契机；将数字与人文艺术融合起来，提升基础设施的人文品质，是达成基础设施人本思想体现的新动向。因此，数字化技术是复杂基础设施建设过程智慧化的根本保障。
然而，如何开展基础设施的数字化赋能？为此我们经过了长达20多年的研究探索。自2012年，我们从信息流和软硬件一体化出发，率先创建“智慧基础设施”服务体系，目前已初步建成了具有完全自主知识产权的创新型、开放式的基础设施智慧服务系统（iS3），并着力打造基于数字孪生的智慧基础设施数字底座，从而为解决土木信息工程领域的“卡脖子”技术难题，实现以数字化引领、专业化攻关、市场化驱动的土木信息工程通用数字底座，并加快推进数字化场景应用。
3 工程聚焦——探讨智慧基础设施的发展路径
在数字化的基础上，全面提升基础设施的韧性、智能、绿色与人文品质，提高智慧基础设施的建设质量与服务水平，离不开各类新技术、新材料、新工艺、新方法的研发、应用与推广。在明确发展目标与发展范式的基础上，各行各业应坚持目标导向与问题导向，聚焦工程难题，提升自主创新能力，从而真正助力智慧基础设施的行业进步与发展。
3.1 韧性是智慧基础设施的根本保障
在人的智慧观中，韧性体现的是清晰的自我认识、稳定的自我调节能力以及感知、理解、适应、改变环境的能力。对于基础设施而言，韧性是其在服役期内高质量运转的根本保障。韧性的基础设施不仅需在一般环境中保证全寿命期内的良好状态，还需要在面对突发状况如火灾、地震等灾险时，最大程度地保持结构与内部环境的安全以及相关系统的稳定。此外，韧性基础设施一旦发生损坏，应可以通过自修复能力或借助外部的修补措施尽快恢复到原有的健康状态。
基础设施韧性的提升离不开相关理论研究的创新与突破。以隧道工程为例，为了保障良好的服役状态，需要开发耐久性更好甚至具有自修复性能的材料与构件，提出更为优化的隧道防水体系等；为了更好的应对灾险，需要研究隧道的自抗火结构体系与韧性防灾救援技术等。
3.2 智能是智慧基础设施的技术支撑
在人的智慧观中，智能体现的是足够的知识积累、解决问题的思维与实践能力、创新能力以及对既有知识进行总结同时获取新知识的能力。对于基础设施而言，智能是其智慧化建设必不可少的技术支撑。在基础设施的全寿命期中，需要处理大量的信息并进行无数的决策，能够借助“足够的知识积累”与庞杂的现场或虚拟信息进行科学且高效的决策，是智能化建设的一项基本要求。
因此，智能基础设施1.0首先应实现基础设施的数字化表达，从而完成其全寿命期内信息的获取、传输、处理、表达与分析工作，最终助力科学决策。在此基础上基础设施智能品质的提升有赖于相应数字化系统的迭代优化，如提升信息采集的精细度与实时性等。此外，为了确保智能基础设施的创新价值，在鼓励新兴技术应用的同时，还应有目的地采集基础设施在建设与运维过程中产生的大量数据，以助力相关科研成果的孕育与转化。
3.3 绿色是智慧基础设施的时代责任
在人的智慧观中，绿色体现的是道德的约束、社会利益的平衡以及对社会繁荣的追求。基础设施的绿色品质主要立足于可持续的发展理念与低碳环保的建设要求，其内涵包括但不局限于：节约资源、节约能源、保护环境（减少碳排放量）、减少项目对社会的不利影响等。绿色基础设施的发展应既能满足当代人的需要，又不对后代人满足其需要的能力构成危害。在当今的“双碳”目标下，在保障基础设施运营效果的基础上尽可能控制其碳排放量，亦是基础设施绿色品质的重要体现。
绿色基础设施的建设同样离不开新材料、新工艺、新方法等的支撑。以隧道工程为例，低碳材料的研究与投入使用，隧道结构的轻量化设计理论，以节能减排为导向的隧道运营系统的优化设计等都有效推动了智慧隧道的绿色品质提升。
3.4 人文是智慧基础设施的服务底色
在人的智慧观中，人文体现的是与人的交往能力、对良好生活与社会繁荣的追求。对于基础设施而言，人文体现了以人为本的重要原则。一方面，基础设施作为服务系统，应保障使用者的安全性、舒适度及精神文化需求，同时为了尽可能满足不断变化的用户期望，应保证基础设施与用户之间的良好交互。另一方面，基础设施承载了越来越广泛的人类公共行为，开始介入越来越多的人文景观建构，应体现更多的艺术人文价值。比如隧道工程作为城市或地区的代表性建构筑物，其洞口与内部设计应具备一定的美学观赏性，融入当地的历史文化特色，或者工程本身应具有时代意义或历史价值。
基础设施人文品质的提升需要始终秉持“为人民服务”的发展理念，通过一系列以用户需求为导向的优化设计与创新方法建设具有人文价值的基础设施。
当今的城市基础设施可被视为亟待优化的复杂巨系统。一系列新理论、新方法、新技术、新材料等往往是针对特定工程问题提出的局部优化；而“智慧化”则是当代基础设施发展的全局优化目标。“工程聚焦”的发展路径将鼓励各行各业坚持问题导向，面对工程难题力求开拓创新；“数字化”的发展范式可以提升创新迭代的效率并为城市基础设施的多系统融合与优化提供技术保障；而以韧性、智能、绿色、人文为导向的发展目标则有利于从效益最大化的角度对当今的各类创新解决方案进行合理布局，从而推动智慧基础设施可持续发展。
