注：第四次工业革命正在以前所未有的方式，影响着世界的经济、社会等方方面面。2016年达沃斯世界经济论坛的主题就是：掌控第四次工业革命（Mastering the fourth industry revolution）！“第四次工业革命”对土木工程这个古老的行业会有什么影响？我们该怎样应对？北京交通大学土木工程创新课题组（ICCE）为此，开展了"第四次工业革命对土木工程影响"征文。从今天开始，陆续把博士和硕士研究生们写的文章发出，供对关注此问题的朋友参考。我们未来会在这方面做持续的工作，也愿意与有关人士合作交流！

土木人对“工业4.0”的思考

巩健

北京交通大学土木学院博士生

一、背景

    20世纪80年代初起，世界发达国家开始了一股学界称为“再工业化”的浪潮。    

    美国在2009年至2012 年的三年间，先后推出了《重振美国制造业框架》(2009年12月)、《先进制造业伙伴计划》(2011年6月)与《先进制造业国家战略计划》(2012年2月)，旨在借助这些规划的实施，巩固美国制造业在全球的领先地位，优化制造业结构，增强制造业在全球的竞争力。

   日本政府也高度重视高端制造业的发展，进行制造技术战略图的大规模编制。2014 年，日本着手研制以3D造型技术为核心的制造技术项目研发，开发了代表世界顶尖水平的金属粉末造型用3D打印机; 使用“小生产线”模式，建成了世界最短的高端车型生产流水线; 通过小型设备、机器人和无人搬运机引入、无人工厂设计、细胞生产方式等革新，降低制造业生产成本，大幅提高制造产业竞争力。

   自2006年以来，德国政府一直努力建立一种部门间的高技术战略协调机制，推动德国的技术革命、研究与创新，目的就是要通过不断的技术创新，确保德国产业的传统优势和强有力的竞争地位。2010年7月，德国政府发布《高技术战略2020》( High-Tech Strategy 2020 Action Plan)，确定了未来德国的十大发展项目，其中一项就是要支持工业领域中制造技术的革命性研发和创新，这便是后来风行全球的“工业 4.0”。2011年，汉诺威工业博览会上，德国人工智能研究中心董事兼行政总裁沃尔夫冈·瓦尔斯特尔提出，要在制造领域广泛应用物联网和服务网络等现代媒介，通过生产方式的变革掀起第四次工业革命，这可视为对“工业 4.0”概念的最初阐释。两年后，2013年4月的汉诺威工业博览会上，由于欧洲最大的应用科学研究机构弗劳恩霍夫应用研究促进协会、德意志国家工程院以及西门子公司等的建议和推动，“工业 4.0”项目得以正式发布。

    “工业4. 0”激起了制造领域技术革命、技术竞争的新一轮浪潮，引起世界各国的高度重视，特别是一些经济大国。针对这一现实，2015年3月，中国十二届全国人大三次会议上的《政府工作报告》提出，要实施“中国制造 2025”，这是中国首度提出的一个关于制造业发展的十年规划，目标直指“中国创造”、“制造强国”。同年5月，国务院正式发布了《中国制造2025》。由于时间上的延续性和大背景的相同性，“中国制造2025”也就被有些人看成了中国版的“工业4.0”。

二、“工业4.0”的内涵及土木人的思考

    在第三次工业革命方兴未艾，还在全球扩散和传播的当下，第四次工业革命悄然而至，这次工业革命是在化石能源日渐短缺、生态赤字越演越烈、国际金融危机冲击下发生的，未来十年是这次工业革命即将启动的关键点。第四次工业革命主要表现为智能制造技术、信息技术、新能源技术等技术的重大突破，以智能化、低碳化、信息化为主要特征。第四次工业革命最终将把人类从工业化社会带入信息化社会，引发全球生产方式和生活方式的重大变革，也将对土木工程行业带来多方面的影响。
     第一，第四次工业革命以深度网络化为重要特征，是一次重大的信息处理技术革命，信息处理技术将进入到移动互联时代，物联网得到全面发展。信息处理技术进步是生产力进步的重要标志。第一次和第二次工业革命，人类处理信息的技术虽然取得了一系列突破，但信息处理技术成为工业革命的支配性力量，则发生于第三次工业革命时期。第四次工业革命将使信息技术处理进入到一个全新阶段，人类社会将进入到移动互联时代。移动信息技术带来了地点和时间的灵活性，它将改变商业运作模式、改变整个工业以及它们所推动的经济，推动物联网的全面发展，引发对大数据的搜集、储存、处理技术的重大需求。

    随着互联网的快速发展，在互联网上发布、传递和共享信息产生了大量的数据，同时，传感器和物联网在交通、环境等方面的大规模使用也使得数据呈现爆发式增长。 另外，通过实施企业信息化，大量的管理数据也积累在企业管理信息系统中。土木工程支撑基础设施及民众住房建设，很明显，土木工程中会产生大数据，且土木工程中涉及大量决策，可以预计，大数据技术在土木工程中具有良好的应用前景。例如，利用无人机图像可以进行建筑震后快速破坏检测。通过利用无人机可在短时间内拍摄成千上万张图像，提高图像处理速度对于及时的震后建筑破坏评估和灾后救援至关重要。

土木工程中大数据技术应用目前还处于起步阶段。考虑到土木工程涉及到海量数据，特别是随着物联网技术的发展，可在土木工程的具体对象中可以布置更多的传感器，以便更方便地采集数据，再通过大数据技术进行分析，即可更好地把握土木工程的相关规律。利用这些规律就可以更好地进行土木工程的建造、维护等各方面的工作，让大数据技术在土木工程中发挥作用。大数据技术的应用范围，包括建筑、桥梁、道路、隧道等各运作、维护阶段的工程，就连建筑的装修都包括在内。并且，对比工程建筑的设计、施工过程，运作、维护所产生的获取的数据量更大、更繁琐，所要做出的决策也更为关键，可谓是“牵一发而动全身”。这个阶段更加有应用大数据技术的必要及优势。对于土木工程来说未来大数据技术将重点应用于工程的运维期间，可谓发展前景远大，当然在其它方面，譬如施工、设计环节，大数据技术的应用潜力也是不可估量。

在网络时代，土木建筑工程必然将原有的设计模式、施工工艺、检测手段、工程造价等与计算机紧密结合，进而开发数字化城市规划，建设智能大厦，将远程智能检测系统加以深入应用，这些领域都将使网络时代的土木建筑工程大放异彩，使古老的土木建筑工程焕发新的青春活力。

   在第四次工业革命的大背景下，新型城镇化将有别于钢筋水泥式的“城市化”，强调以人为本，消费结构的升级和信息化、智慧化。智慧城市是信息化与城镇化的最佳契合点。据世界银行测算，一座百万人口智慧城市的建设，在投入不变的前提下实施全方位的智慧化管理，将使城市的发展红利增加 3倍。它不仅可以带来研发、生产、管理、服务效率的提高，还可以打破时空限制，实现生产生活要素有机组合，使城市的公共服务资源向乡镇延伸和覆盖。同时，还将产生更多基础设施升级改造的需求，形成经济增长的新动力。

   第二，第四次工业革命将使人类与自然的关系发生重大变化，是一场重大的能源和资源利用效率提升的革命。第一次和第二次工业革命，使人类改造和征服自然的能力得到迅速提高，但也由此造成了人类对自然的巨大破坏。第三次工业革命期间，资源与环境问题虽然开始为人类所关注，但与达到人类与自然和谐相处的理想状态依然相距遥远，人类仍没有完全摆脱对不可再生资源的严重依赖。第四次工业革命虽然不能使人类从对不可再生资源的依赖中完全解放出来，但第四次工业革命必将推进能源利用方式的变革，将实现人类以消耗化石能源为主向消耗可再生能源为主的转变。3D打印在技术上的突破，将使减材制造的制造业模式转变为增材制造的制造业模式，从而改变人类利用资源的方式，带来资源利用效率的极大提高。

    工业革命以来，人类生产和生活活动消耗了大量的资源、造成环境污染、排放温室气体引发气候变化，使人类的可持续发展面临严峻挑战。土木工程相关的建筑和基础设施在建设和运营过程中也消耗了大量的能源和资源，并产生很大的环境污染，是人类可持续问题重要的源头。中国是世界最大能源消耗和温室气体排放国，中国每年新建建筑和交通的基础设施的建设量占世界总量很大的比例，而且随着城市化进程的推进和人民生活水平的提高，未来中国建筑和交通的基础设施的资源、能源消耗和温室气体排放还将继续增长，中国土木工程的可持续发展面临严峻挑战。因此，中国土木工程相关行业的节能减排和保护环境行动，不但对中国的可持续发展有重要影响，也对将对世界的可持续发展做出重要贡献。
    土木工程相关行业在面临可持续发展挑战的同时，也有着向建筑工业化发展， BIM 等技术应用所带来信息化发展的重要机遇。如果能够提高对可持续问题的重视，在土木工程的全生命周期的材料、设计、施工、运营和拆除各阶段大力发展绿色技术，在土木工程项目中大力推动全生命周期成本分析（LCC）、环境影响评价（LCA）和社会影响评价（SLCA）方法相结合的综合经济、环境和社会因素进行可持续性评价，并且借鉴国际先进经验，制定并完善中国的土木工程可持续相关标准、绿色建筑等标准，在实际工程中大力推进应用，中国土木工程的可持续发展将进入新的令人鼓舞的阶段。

    第三，第四次工业革命将使劳动者和劳动工具、劳动对象的关系发生重大变化，人类将迈向与智能机器人共存的时代。第四次工业革命与前三次工业革命相比，劳动工具与劳动对象都将成为智能机器。人类历史将发生翻天覆地的变化，人类与机器的分界线将不复存在，机器将获得与人类同等的法律地位，智能化正在渗入到我们生活的各个方面。可以确信，第四次工业革命必将是一次深刻的智能化革命。

    自从人工智能概念被提出后，人工智能是否将取代人类工作就是一个热门的话题之一。这其实是对人工智能期待和忧虑的矛盾心理表现。不过有个不争的事实是：人工

智能已经开始取代一般简单、重复性的体力工作了！世界经济论坛就发表了《工作的未来》报告，该报告预测从2015至2020年，全球将减少710万个工作机会，其中约有476万个办公行政类型的职位将会被替代。人工智能也仅是取代一些没有特殊知识和技能的劳力性工作。而且这并不是坏事，因为这样可以让更多劳力资源得以解放，令他们从事其它更具创新有趣的工作。

   对于土木工程从业人员来说，人工智能的发展将对土木工程从业人员产生重大的影响，特别是对于目前在土木工程行业中从事简单、重复以及具有危险性的工作人员，例如设计、施工以及运营维护的工作人员将会逐步被智能机器人代替而面临失业从而产生以一系列的社会问题。因此，土木工程从业人员必须面对工业革命带来的智能机器人的冲击，相关土木教育工作者必须顺应时代的要求对大学生乃至社会土木工程人员进行再教育。?

三、结语

     法国经济学家托马斯·皮凯蒂在他那本引起世界广泛关注和颇具争议的著作《21世纪资本论》中，以令人信服的数据刻画了人类经济增长的千年历史。自有人类以来直到公元1700 之前，全世界的人均出产增长率几乎为零，经济发展极为缓慢。而从西欧工业革命以来，全球经济发展翻开了翻天覆地的一页。经济增长加速，收入和财富的分配差距日趋扩大。可以毫不夸张地说，工业革命是人类历史上最值得自豪的壮举，但也产生了各种社会矛盾和复杂现象。今天和未来，人类仍然将在工业革命的大道上继续前行，没有其他的道路可以选择。经济增长和人类发展仍然将依赖工业革命的不断深化，因此，人类也注定必须面对工业革命所导致的各种复杂现象和困难问题的挑战。