謝禮立院士：交通基礎設施智能化與智慧化的探討

文章刊登于《中國科技產業》雜志

202509期“院士專論

自17世紀以來，人類社會經歷了機械化、電氣化、自動化和智能-智慧化四個發展階段。進入21世紀，科技發展迅速，智能化和智慧化已成為推動產業升級和社會進步的重要力量，但當下的科學研究中對于智能化與智慧的概念與內涵的表述乃至兩者之間的區分并不清晰。為此，本文給出了智能化與智慧化的定義、內涵及其區別與聯系，并以我們正在開發的現代公路病害巡航式智能檢測裝置為例進行了闡述。

隨著人類科學技術的飛速發展，智能化與智慧化逐漸成為提升效率和競爭力的關鍵手段，尤其在交通基礎設施領域。如何利用這些技術提升交通基礎設施運維的質量與效率，已成為各國政府和科研機構關注的焦點。

在技術發展的歷程中，經歷了機械化、電子化、自動化、智能-智慧化等四個階段。18世紀的機械化，其主要貢獻是由于蒸汽機的發明，使得地下巨量礦物的熱能可轉化為動力（機械能），使得人類第一次實現了熱能到機械能的轉化，推動了生產力的革命性發展，成就了18世紀的新質生產力。19世紀的電氣化，則是通過電力傳輸實現了能量和動力的遠距離傳輸。通過電網和電纜實現了能量和動力傳輸到城鄉和家家戶戶，使得人類第一次能將能量和動力從一個地方傳輸到另一個地方，促進了生產力的高度發展，成就了19世紀的新質生產力。20世紀的自動化，則是通過計算機和程序控制，將人工操作的生產過程，轉為機器自行操作的生產過程。利用計算機和程序控制實現了無人操作的天花板級的機械化和電氣化過程，進一步推動了生產力的發展，成就了20世紀的新質生產力。

進入21世紀，智能化和智慧化成為新質生產力發展的標志。本文旨在探討智能化與智慧化的定義、內涵及二者之間的區別與聯系，并結合現代公路病害巡航式智能檢測裝置的研發與應用，闡述了智能化、智慧化技術的應用。

智能化與智慧化的發展現狀美國的智能化戰略美國的智能化戰略主要體現在其智能制造路徑參考架構模型（IIRA1.8）中，該模型通過傳感、監測、控制和過程優化技術，實現生產效率的全面提升。美國的智能制造強調產品的智能化和生產的自動化。其目標是通過信息流和物資流的合一，實現價值鏈的同步。在這種框架下，企業能夠通過實時數據管理和優化，提高生產效率并實現更高效的運營。美國特別關注在新能源、新材料、新農業以及新信息技術方面的創新與應用。通過數字化手段，推動各行業的智能化轉型，提升整體產業競爭力。德國的工業4.0德國的工業4.0戰略以信息物理系統（CPS）的應用為核心，推動制造業的全面數字化轉型。工業4.0強調在產品生命周期管理中的智能制造，從設計到生產、供應鏈的全面優化。工業4.0被定義為產品生命周期內的全面優化，涵蓋從創意、研發、生產、交付到廢物回收的各個環節。其目標是通過信息的實時共享和企業價值網絡的自組織，實現成本、效率和能耗的全面優化。德國的工業4.0戰略特別強調信息物理融合系統的應用，通過高度集成的數字化手段，實現制造業的全方位升級，提升國際競爭力。中國的智能制造中國的智能制造標準體系架構，通過智能工廠的建設，實現從設計到生產、物流的端到端智能化管理，以新一代信息技術為基礎推動制造過程的全環節優化。中國的智能制造定義為基于信息技術的全面生產過程優化，強調信息深度自感知、智慧優化自決策、精準控制自執行。其目標是縮短產品研發周期，提高生產效率，提升產品質量，并降低能耗。中國智能制造的側重點在于智能工廠的建設，以數據流為基礎，網絡互聯為支撐，實現制造過程的全面智能化，提升國際市場的競爭力。智能化的定義與內涵智能化的定義智能化（Intellectualization）的本質是指將不確定性的過程變成確定性的過程。智能化的靈魂是減少和消除生產過程中的不確定性，確保全面的自動化。智能化依靠各種信息技術、傳感器、控制系統等來處理并解決各類不確定性，提高系統的效率和精準度。信息技術賦能智能化以感知、認知、優化、建模和自主決策的能力。智能化的類型智能化是消除不確定性的過程。據此，智能化可分為三類：一是過程前期的智能化。這是一種較低水平的智能化，主要是消除過程前期的不確定性。例如，在生產的初期階段，企業可以通過智能化技術進行精確的市場分析和需求預測，從而制定科學的生產計劃。二是過程中的智能化，指采用智能方法消除過程中間的不確定性。例如，在生產的中間階段，通過引入先進的監測設備和自動化控制系統，企業可以實時監測生產環境的變化，自動調整生產流程，確保生產過程的順利進行。三是全過程的智能化。這是較高水平的智能化，是指在全過程中采用智能的方法消除不確定性。例如，在整個生產過程中始終采用智能的方法進行管理和優化。這種高水平的智能化要求企業具備從原材料采購、生產制造到產品配送的全方位智能管理能力。智慧化的定義與內涵智慧化的定義智慧化（Wisdomization）是多種智能系統集成和融合的過程。智慧化在智能化的基礎上，整合多種智能系統，實現信息共享和協同工作，以達到整體優化。智慧系統 就是多個智能系統集成后的更大的系統。智慧化不僅關注系統的自動化，還強調多個系統之間的協作與整合，實現更高效的資源利用和效能提升。

智能化通過信息技術的廣泛應用，極大地提高了生產和管理的效率，而智慧化則通過多系統的融合和協同，實現了整體效能的提升。

智能化與智慧化的區別智能化和智慧化雖然都以提高效率為目標，但兩者之間存在顯著區別：智能化是基礎，智能化主要關注單個系統的自動化與智能特性，通過提高單一系統的效率來提升整體效能。智慧化是發展，智慧化在智能化的基礎上，不僅要求系統具備智能化功能，且更多關注多個系統之間的協同、融合、資源共享與整體效能最優化。在智慧化概念中，智慧不僅僅是“聰明”的表現，而是多個智能系統之間的協同合作。這種協作使得智慧化系統能夠在復雜環境中進行動態調整和優化，以實現更高效的資源利用和效能提升。現代公路病害巡航式智能檢測裝置研發與應用

傳統公路病害檢測方法主要依賴人工檢測和簡單的自動化設備，不僅效率低下，還容易出現人為誤差。尤其在交通繁忙的高速公路和城市道路上，人工檢測需要封閉部分車道，極易導致交通擁堵和不便[5]。此外，傳統檢測設備如X射線和回彈法通常只能檢測表面或局部問題，難以識別深層次結構隱患。因此，開發一種能夠高效、精準、實時進行檢測的公路病害智能檢測裝置成為必然。

現代公路病害智能檢測新裝置的技術路線研發現代公路病害智能檢測新裝置的思路圍繞如何有效解決傳統檢測方法的局限性開展。該裝置的開發結合了多學科交叉技術，力求在檢測精度、效率及數據處理能力方面實現突破。

在硬件方面，裝置結合多種先進的傳感器技術，以實現對道路病害的全方位監測。首先，多傳感器集成是硬件研發的重要部分。裝置采用聲、光、電等多種傳感器，能夠實時采集道路的多種數據。這種多傳感器融合技術使得裝置能夠同時檢測路面表面和內部結構的健康狀態，提高檢測的全面性和精確度。其次，硬件設計需考慮復雜環境的適應性。裝置的設計要求具有高耐用性，能夠在各種氣候和地理條件下穩定運行，確保在實際應用中的可靠性。

軟件研發旨在提供智能化的數據處理和分析能力，通過先進的算法實現高效的數據分析。智能分析算法是軟件研發的核心。通過機器學習和深度學習技術，系統能夠從采集到的海量數據中提取有效信息，實現對不同類型公路病害的自動識別和分類。這種智能分析能力不僅提高了檢測的效率，還能夠進行病害發展趨勢的預測，為公路維護提供科學的決策支持。此外，軟件還包括一個強大的數據可視化模塊。數據可視化可以將復雜的檢測結果以直觀的形式展示給用戶，幫助管理者快速做出判斷和決策。

多學科交叉融合與智能分析算法現代公路病害智能檢測新裝置的研發離不開多學科的交叉融合，包括物理學、計算機科學、人工智能等領域。這種多學科的結合，使得裝置在多個方面實現技術突破。

在數據采集方面，裝置通過集成聲、電、圖像和GPS技術，實現多源數據的同步采集。這種綜合數據采集方法提供了全方位的路面信息，確保檢測結果的準確性和可靠性。

在信息分析方面，利用大數據技術和人工智能算法，系統可以對采集的數據進行深度分析。這種綜合分析能力使得裝置能夠提供更為精準的診斷結果，并有效識別潛在的路面病害。

智能分析算法是現代公路病害智能檢測新裝置的核心組成部分，它使得系統能夠從海量數據中提取有效信息，并進行快速決策。通過引入機器學習算法，系統能夠自動學習不同病害特征，從而提高檢測的準確性和效率。同時，深度學習技術幫助系統在海量數據訓練下，不斷提升自適應能力，能夠應對多種復雜路況。例如，在實際應用中，智能分析算法可以實時處理傳感器數據，識別出路面的裂縫、坑洼等常見病害，甚至能夠檢測到肉眼難以察覺的結構性問題。

現代公路病害智能檢測新裝置具備多個顯著特點，這些特點不僅提升了檢測的效率和精度，還為公路維護提供了新的技術支撐。裝置采用先進的無損檢測技術，確保在檢測過程中不對公路結構造成任何損害。非接觸式的檢測手段能夠在不影響路面正常使用的情況下，獲取準確的病害信息，這大大降低了檢測對交通流的影響。集成感知是新裝置的一大亮點。通過多傳感器的同步采集，系統能夠在時空域內對路面狀態進行全面監測。這種集成感知能力使得檢測精度大幅提升，確保對公路病害的全面把控。裝置配備了強大的智能分析能力，采用人工智能算法進行數據處理和分析。智能分析模塊能夠對采集的數據進行實時分析，自動識別和分類病害類型，檢測準確率高達98%。這種高效的智能分析能力為管理者提供了可靠的數據支持和決策依據。現代公路病害智能檢測新裝置具備快速檢測能力，可以在不封閉交通的情況下進行實時檢測。裝置能夠在行駛中完成數據采集和分析，極大地減少了對正常交通流的干擾，提高了檢測的效率和便利性。

結語

智能化與智慧化的深入發展正逐步改變我們對技術應用的傳統觀念。在交通基礎設施管理中，智能化不僅提升了檢測的效率和準確性，還通過系統間的協同和信息共享，實現了整體效能的提升。現代公路病害巡航式智能檢測裝置作為智能化應用的典型案例，展示了智能化、智慧化在實際應用中的巨大潛力。隨著技術的不斷進步和智能化應用的深化，智能化、智慧化技術將為社會帶來更多的發展機遇和福祉。(共同撰稿：同濟大學土木工程學院教授閆治國、江漢大學教授林世鑌、中國地震局工程力學研究所研究員胡進軍)