文章刊登于《中國科技產業》雜志

202211期“院士專論”

黨的二十大報告中明確指出：必須堅持科技是第一生產力、人才是第一資源、創新是第一動力，深入實施科教興國戰略、人才強國戰略、創新驅動發展戰略，開辟發展新領域新賽道，不斷塑造發展新動能新優勢。作為新形勢下的創新發展，《“十四五”全國城市基礎設施建設規劃》早已布局，圍繞構建系統完備、高效實用、智能綠色、安全可靠的現代化基礎設施體系，提出了“加快新型城市基礎設施建設，推進城市智慧化轉型發展”的重點任務。但當下的城市基礎設施仍面臨著發展不平衡、不充分，體系化水平較低，設施運行效率和效益有待提高等一系列發展瓶頸。為了實現科學統籌與系統協調，推動智慧基礎設施的蓬勃發展，首先應該明確其發展目標、發展范式與發展路徑。

1 何謂智慧——厘清智慧基礎設施的發展目標

近年來，“智慧城市”、“智慧基礎設施”、“智慧交通”、“智慧社區”等理念層出不窮，但諸多“智慧化”討論的背后仍然缺乏以目標為導向的頂層設計與統籌規劃，從而無法有效引導智慧基礎設施等行業健康、有序的發展。

智慧基礎設施發展目標的不明晰，歸根結底在于缺乏對“智慧”這一概念的清晰解讀。“智慧”是對人類品質的最高評價，指向人的全面發展與美好生活，指向社會的整體繁榮。同樣地，將“智慧”視作當代基礎設施的最高形態與最高發展目標，具有合理性。

因此，厘清智慧基礎設施的智慧內涵應從解讀人的智慧品質著手。人的智慧是一個多結構、多維度的豐富統一體；相應地，智慧基礎設施也應具備多元且全面的發展方向。基于哲學、心理學領域對人的智慧觀的闡述，可以將“自我認知與調節的能力”等隸屬于人的智慧屬性嵌入到傳統基礎設施的建設需求中，進而提煉出當代智慧基礎設施的四個具體發展目標——韌性、智能、綠色、人文。

基礎設施的智慧內涵還可進一步表征為以韌性、智能、綠色、人文四項品質的函數為自變量的泛函，由此可對基礎設施的智慧化程度進行量化乃至客觀評價，從而為科學指導智慧基礎設施建設的頂層設計提供理論依據。

2 數字化——當代智慧基礎設施的發展范式

上世紀90年代中期以來，數字化逐漸成為不可逆轉的發展態勢，從生活到生產，人們已經到了離開數字化技術而無法生存的地步。在當今數字化轉型的大背景下，數字化技術正在改變土木基礎設施的建設與運維方式。以人力為主的勞動密集型工地正在向以機器人建造為主的智能建造方向發展，是基礎設施的安全建造和韌性提升的新手段；借助數字化技術，讓基礎設施成為可感知、可愈合、可修復的智能體，是實現基礎設施高質量建設目標的新載體；依賴數字化技術，從根本上改變基礎設施建設的高能耗、高碳生產方式，已成為綠色和低碳建造的新契機；將數字與人文藝術融合起來，提升基礎設施的人文品質，是達成基礎設施人本思想體現的新動向。因此，數字化技術是復雜基礎設施建設過程智慧化的根本保障。

然而，如何開展基礎設施的數字化賦能？為此我們經過了長達20多年的研究探索。自2012年，我們從信息流和軟硬件一體化出發，率先創建“智慧基礎設施”服務體系，目前已初步建成了具有完全自主知識產權的創新型、開放式的基礎設施智慧服務系統（iS3），并著力打造基于數字孿生的智慧基礎設施數字底座，從而為解決土木信息工程領域的“卡脖子”技術難題，實現以數字化引領、專業化攻關、市場化驅動的土木信息工程通用數字底座，并加快推進數字化場景應用。

3 工程聚焦——探討智慧基礎設施的發展路徑

在數字化的基礎上，全面提升基礎設施的韌性、智能、綠色與人文品質，提高智慧基礎設施的建設質量與服務水平，離不開各類新技術、新材料、新工藝、新方法的研發、應用與推廣。在明確發展目標與發展范式的基礎上，各行各業應堅持目標導向與問題導向，聚焦工程難題，提升自主創新能力，從而真正助力智慧基礎設施的行業進步與發展。

3.1 韌性是智慧基礎設施的根本保障

在人的智慧觀中，韌性體現的是清晰的自我認識、穩定的自我調節能力以及感知、理解、適應、改變環境的能力。對于基礎設施而言，韌性是其在服役期內高質量運轉的根本保障。韌性的基礎設施不僅需在一般環境中保證全壽命期內的良好狀態，還需要在面對突發狀況如火災、地震等災險時，最大程度地保持結構與內部環境的安全以及相關系統的穩定。此外，韌性基礎設施一旦發生損壞，應可以通過自修復能力或借助外部的修補措施盡快恢復到原有的健康狀態。

基礎設施韌性的提升離不開相關理論研究的創新與突破。以隧道工程為例，為了保障良好的服役狀態，需要開發耐久性更好甚至具有自修復性能的材料與構件，提出更為優化的隧道防水體系等；為了更好的應對災險，需要研究隧道的自抗火結構體系與韌性防災救援技術等。

3.2 智能是智慧基礎設施的技術支撐

在人的智慧觀中，智能體現的是足夠的知識積累、解決問題的思維與實踐能力、創新能力以及對既有知識進行總結同時獲取新知識的能力。對于基礎設施而言，智能是其智慧化建設必不可少的技術支撐。在基礎設施的全壽命期中，需要處理大量的信息并進行無數的決策，能夠借助“足夠的知識積累”與龐雜的現場或虛擬信息進行科學且高效的決策，是智能化建設的一項基本要求。

因此，智能基礎設施1.0首先應實現基礎設施的數字化表達，從而完成其全壽命期內信息的獲取、傳輸、處理、表達與分析工作，最終助力科學決策。在此基礎上基礎設施智能品質的提升有賴于相應數字化系統的迭代優化，如提升信息采集的精細度與實時性等。此外，為了確保智能基礎設施的創新價值，在鼓勵新興技術應用的同時，還應有目的地采集基礎設施在建設與運維過程中產生的大量數據，以助力相關科研成果的孕育與轉化。

3.3 綠色是智慧基礎設施的時代責任

在人的智慧觀中，綠色體現的是道德的約束、社會利益的平衡以及對社會繁榮的追求。基礎設施的綠色品質主要立足于可持續的發展理念與低碳環保的建設要求，其內涵包括但不局限于：節約資源、節約能源、保護環境（減少碳排放量）、減少項目對社會的不利影響等。綠色基礎設施的發展應既能滿足當代人的需要，又不對后代人滿足其需要的能力構成危害。在當今的“雙碳”目標下，在保障基礎設施運營效果的基礎上盡可能控制其碳排放量，亦是基礎設施綠色品質的重要體現。

綠色基礎設施的建設同樣離不開新材料、新工藝、新方法等的支撐。以隧道工程為例，低碳材料的研究與投入使用，隧道結構的輕量化設計理論，以節能減排為導向的隧道運營系統的優化設計等都有效推動了智慧隧道的綠色品質提升。

3.4 人文是智慧基礎設施的服務底色

在人的智慧觀中，人文體現的是與人的交往能力、對良好生活與社會繁榮的追求。對于基礎設施而言，人文體現了以人為本的重要原則。一方面，基礎設施作為服務系統，應保障使用者的安全性、舒適度及精神文化需求，同時為了盡可能滿足不斷變化的用戶期望，應保證基礎設施與用戶之間的良好交互。另一方面，基礎設施承載了越來越廣泛的人類公共行為，開始介入越來越多的人文景觀建構，應體現更多的藝術人文價值。比如隧道工程作為城市或地區的代表性建構筑物，其洞口與內部設計應具備一定的美學觀賞性，融入當地的歷史文化特色，或者工程本身應具有時代意義或歷史價值。

基礎設施人文品質的提升需要始終秉持“為人民服務”的發展理念，通過一系列以用戶需求為導向的優化設計與創新方法建設具有人文價值的基礎設施。

當今的城市基礎設施可被視為亟待優化的復雜巨系統。一系列新理論、新方法、新技術、新材料等往往是針對特定工程問題提出的局部優化；而“智慧化”則是當代基礎設施發展的全局優化目標。“工程聚焦”的發展路徑將鼓勵各行各業堅持問題導向，面對工程難題力求開拓創新；“數字化”的發展范式可以提升創新迭代的效率并為城市基礎設施的多系統融合與優化提供技術保障；而以韌性、智能、綠色、人文為導向的發展目標則有利于從效益最大化的角度對當今的各類創新解決方案進行合理布局，從而推動智慧基礎設施可持續發展。