工程科技是改變世界的重要力量，工程前沿代表工程科技未來創新發展的重要方向。中國工程院每年研判並釋出全球近百項工程研究前沿和工程開發前沿，積極引導工程科技和產業創新發展，2023年度全球工程前沿報告已於2023年12月20日釋出。
研究以數據分析為基礎，以專家研判為核心，遵從定量分析與定性研究相結合、資料探勘與專家論證相佐證、工程研究前沿與工程開發前沿並重的原則，凝練獲得 93 個工程研究前沿和 94 個工程開發前沿，研判重點工程前沿未來 5~10 年的發展方向和趨勢。
土木、水利與建築工程
01 工程研究前沿
1.1 Top 10 工程研究前沿發展態勢
土木、水利與建築工程領域 Top 10 工程研究前沿匯總見表 1.1.1，涉及結構工程、建築學、地質工程、交通工程、市政工程、水利工程、城鄉規劃與風景園林、測繪工程等學科方向。其中，「在役道路、軌域與機場工程效能感知、評價及改擴建」「安全韌性導向的高密度城市人居環境空間最佳化」「城市水系統病原微生物風險辨識與阻控」為專家提名前沿，其他為資料探勘前沿。
1.2 Top 3 工程研究前沿重點解讀
1.2.1 基於人工智慧的結構損傷辨識及效能預測
土木工程結構的損傷危及其健康，並直接影響其安全效能及使用效能。傳統的結構損傷辨識及效能預 測方法通常依賴於物理傳感器和數學模型，而利用人工智慧方法，可從大量多源多模態數據中提取復雜的損傷特征模式，析出結構效能表征的關鍵參數，並基於即時數據的自我學習和強化機制，實作對結構損傷的準確辨識及效能預測。開展基於人工智慧的結構損傷辨識及效能預測研究，為結構健康監測、維護補強及效能提升提供科學依據，在降低基礎設施運維成本、改進管理養護策略、輔助結構全壽命設計最佳化等方面均具有重要意義。
主要研究方向包括：
1) 結構損傷檢 / 監測的新傳感裝備研究。 基於視覺、聲學、微波雷達、分布式光柵光纖、奈米材料傳 感等多種傳感技術，實作各種場景不同尺度下的結構損傷定性感知和定量判定；整合研發面向結構損傷檢/監測場景的新裝備，結合分布式智慧技術，建立並完善結構損傷檢 / 監測技術體系，實作少人、自主、全量、高效的工程結構損傷辨識。
2) 結構健康檢 / 監測數據標準化與融合。 結合人工智慧演算法設計與模型最佳化需要，建立結構檢 / 監測 數據「采、傳、存、用」標準，運用知識圖譜、貝葉斯網路、機率圖模型等技術，實作多源數據跨尺度聚合，為結構損傷辨識與效能預測提供高可用數據。
3) 基於機器學習演算法的結構損傷檢測和定位。 利用深度學習、支持向量機、聚類演算法等機器學習模型， 透過對比學習、監督學習等方式，挖掘結構致損機理，構建具有結構特性表達能力的數位代理模型，結合環境輸入和結構響應，實作結構損傷狀態判定與定位。同時，考慮環境特征和結構特性，根據即時數據對模型進行強化學習與自主叠代，不斷提升損傷辨識準確性和可靠性。
4) 數據驅動的結構效能預測方法。 針對工程結構效能的影響因素復雜且數據樣本匱乏問題，建立有效 的特征提取和特征分析的前處理方法，壓縮數據維度，並結合主動學習，強化學習及遷移學習等技術，設計數據驅動模型，提煉影響結構力學效能、防災減災韌性及全壽命周期效能的關鍵特性參數，構建針對不同效能表征的數據驅動預測方法。
5) 物理資訊融合的結構效能預測模型。 借助數據 − 知識 − 模型 − 智慧演算法的多元技術融合發展，將力 學理論模型、專家領域先驗知識與智慧演算法的優勢充分結合，探索物理約束的機器學習新演算法及模型，從而突破人工智慧模型對數據樣本的依賴性以及模型「黑箱」所致的可解釋性差、工程泛化能力弱等瓶頸，提高模型對工程結構效能預測的準確性和實用性。
未來 10 年，該前沿 重點發展方向在於結構損傷狀態全像感知體系構建、多模態大模型驅動的結構智慧診斷系統建立，以及結構損傷辨識及效能預測模型效能提升。 一方面，依賴高整合度的一體化智慧感知技術，結合多源多模態數據融合模型，顯著提高損傷辨識及效能預測可用數據容量與品質；另一方面，考慮結構多因素、多目標條件下的致損機理及效能演化過程，探索融合物理資訊的知識驅動「學習」新範式，從而實作結構損傷辨識及效能預測模型在可解釋性、泛化性、準確性等多方面的提升。該前沿研究成果可套用於既有結構的營運維護及新結構的設計建設中，具有巨大發展潛力及廣泛的套用場景。
1.2.2 城市更新中的減碳方法與技術
城市更新作為最佳化整個城市系統物理條件、空間形態和功能的工具，對於改善高能耗、高碳排放的城 市構成要素將發揮重要作用，為城市開發中的二氧化碳減排提供了關鍵的幹預點。當前城市更新主要套用傳統模式，城市更新物件與減碳技術的結合難度大、結合角度單一，數位化精度低，缺乏套用例項。因此，如何建立城市更新與多種碳減排技術的系統整合和協同機制，探索套用機器學習、遺傳演算法等技術最佳化設計和決策的方法，高效能建築材料與減排技術一體化及其建造技術的創新等是這一研究前沿的關註點。
主要研究方向包括：
1) 既有城區的能耗及微氣候環境模擬。 基於提取的建築大數據資訊和相關標準規範，結合地理資訊系 統（GIS）和建築能耗模擬工具，自動生成區域建築能耗與碳排放模型，實作區域尺度的快速建模，並根據實測數據進行模型自動校準。
2) 減碳目標下的城市更新設計方案最佳化和決策工具。 運用機器學習、大數據分析、遺傳演算法等先進技 術和方法，構建用於情景模擬和低碳評估的系統與平台，辨識不同城市更新措施的二氧化碳排放現狀和減排潛力，透過多目標最佳化生成最適宜的城市更新方案。
3) 城市更新中減碳技術與建築材料一體化及其建造技術創新。 建築業被認為是原材料和能源的主要消 費者。在維護和翻新既有建築與基礎設施的過程中，實作高效能的建築材料與減碳技術一體化及其建造技術創新，有利於解決建築業面臨的低能效和高碳排放的挑戰。
4) 統籌不同型別、不同規模城市更新要素的碳減排技術整合設計。 城市更新是一個全面而復雜的系統 工程，除了對單個城市更新要素套用減排技術的深入研究外，還需要建立各個城市要素所利用的減排技術的耦合，包括能源、建築、交通、廢棄物處理、碳匯技術等方面。
「城市更新中的減碳方法與技術」工程開發前沿未來 5~10 年的 重點發展方向為：城市更新中減碳新材料的開發和套用、新能源與建築一體化技術、城市更新中低碳設計最佳化、碳減排技術整合、數位技術套用、碳減排效果驗證等工作。 具體而言，在能耗和碳排放模擬的構建與計算中，提高城市尺度建築群碳排放精準核算和動態預測的準確性，並面向不同尺度的城市更新設計；在技術整合套用方面，促進城區和街區更新建設中單項碳減排工程技術更新叠代的同時，建立多系統耦合的城市更新碳減排技術整合；在開發低碳城市更新決策支持工具方面，建立綜合多種減排技術的方案最佳化平台，並明確不同地區、不同發展階段的城市「低碳」目標、指標和技術路線。
1.2.3 巨型地質災害鏈時空分布與智慧化評估
全球巨型地質災害鏈往往發生在高寒山區。隨著建設規模的增加，世界範圍內的重大工程建設逐漸向 地質條件惡劣的高寒山區擴充套件，而復雜的地形地貌條件、密集的區域斷裂帶、頻繁的強震活動等孕災環境給工程建設與後期安全營運構成重大災害風險。此外，高寒山區被視為全球氣候變暖的「放大器」，近年來全球極端氣候事件頻發加速了巨型地質災害鏈的發生，給重大工程建設、營運和管理帶來了巨大挑戰。研究巨型地質災害鏈時空分布與智慧化評估對確保安全生產、加快基礎設施建設意義重大。
主要研究方向包括：
1) 復雜孕災環境下地質災害鏈時空發育分布特征與智慧辨識。 地質災害鏈往往發生於人跡罕至的高海 拔山區，災害隱蔽性強，基礎數據缺乏且存在異質性。基於空、天、地、內多源綜合遙感技術，結合多源異質數據解譯演算法，建立山區地質災害鏈資料庫，揭示地質災害形成與復雜孕災要素之間的關系，探明主要致災因素，總結地質災害鏈時空發育分布規律和災害發育特征，結合機器學習影像辨識技術建立不同型別地質災害鏈早期辨識標誌，實作對地質災害鏈潛在相互轉化關鍵區段的智慧辨識。
2) 地質災害鏈成因機理與鏈生演化機制研究的動力學模型構建。 研究地震動、降雨、氣溫等復雜孕災 環境對不同型別災害體內部孔隙水壓、應力、強度以及力學效能的作用，從宏觀的地質動力過程和微觀的顆粒力學特征角度進行耦合研究，揭示地質災害鏈在形成過程中的多相態（固態 − 液態）、多過程（流 −堵 − 潰）災變轉化的臨界力學條件，建立考慮滑坡運動演化過程中的宏觀 − 細觀 − 微觀互聯效應的多尺度耦合動力學模型。
3) 地質災害鏈的韌性風險評估與防控結構最佳化方法建立。 針對巨型地質災害鏈的突發性、不確定性和 復雜內容，構建地質災害鏈致災範圍的隨機評估方法，結合人工智慧演算法開展大尺度時空的地質災害鏈危險性預測和風險分區評價，采用帕累托改進實作高風險區段路線局部最佳化調整，進一步建立針對不同型別防護結構抗沖擊效能評估的隨機動力學方程式，獲取工程結構效能指標的隨機動力響應規律，從機率密度函式層次精確表征工程結構的破壞機率和易損性，同時開展基於可恢復性思想的結構設計，從魯棒性和可恢復性角度提出災害韌性防控設計方案。
4) 超大尺度巨型地質災害鏈的即時監測預警、智慧化評估與防控決策響應。 地質災害鏈發生後往往會 造成跨行政區域（國界、省界、縣界）的超大尺度成災，存在災害評估滯後與風險管控難以智慧化協同的問題。基於多源監測數據和動力學數值模擬結果更新智慧演算法的風險評價參數，建設多型別災害過程融合的系列地質災害鏈的智慧化動態評估系統，形成規範，包括地質災害鏈早期辨識、調查評價、監測預警及風險區劃等全過程的預警標準體系，並針對不同預警等級建立韌性風險防控措施。
未來 10 年，該前沿 重點發展方向在於基於多源異構數據分析的地質災害鏈時空發育特征和早期辨識，多致災因素下地質災害鏈成因機理和鏈生演化機制分析，極端氣候變遷下地質災害鏈的韌性風險評估與防控最佳化方法建立，以及推進超大尺度巨型地質災害鏈的即時監測預警與智慧化防災決策系統開發。 同時，在發展趨勢上，該前沿將逐漸向定量化、智慧化、系統化發展。隨著工程建設過程中面臨的愈加惡劣的地質環境和營運過程中面臨的愈加頻繁的極端氣候，該前沿研究成果將具有巨大發展潛力。
02 工程開發前沿
2.1 Top 10 工程開發前沿發展態勢
土木、水利與建築工程領域的 Top 10 工程開發前沿及統計數據見表 2.1.1，涉及市政工程、測繪工程、建築學、城鄉規劃與風景園林、交通工程、水利工程、土木建築材料、巖土及地下工程、結構工程等學科方向。其中，「排水管道漏損智慧探測與修復技術」「公釐級全球和區域座標框架建立技術」「極端環境下道路、軌域與機場工程建養技術」為專家提名前沿，其他為資料探勘前沿。
2.2 Top 3 工程開發前沿重點解讀
2.2.1 排水管道漏損智慧探測與修復技術
排水管道中雨水管道的滲漏，影響排水功能，汙水管道的漏損，造成汙水處理效率低下。排水管道 漏損已經成為制約雨水實作安全排放、汙水實作全收集全處理的主要瓶頸之一，引發土壤 − 地下水汙染、汙水冒溢等環境問題和道路塌陷等安全隱患。排水管道漏損智慧探測與修復主要是指探測診斷評估雨水管渠、汙水管道的結構性缺陷水平，針對性開展低擾動、高品質和預防性修復，使排水管道安全、有效執行。由於排水管道隱蔽性強、分布面廣、數量龐大、流態多變且內部環境惡劣，傳統漏損探測技術存在適用條件窄、數據不系統、預判不及時等問題；而管道修復技術則面臨降雨修復難、開挖條件受限、標準化水平低等問題。隨著物聯網、大數據、雲端運算等新一代資訊科技的發展，排水管道漏損探測將由周期性被動檢測向常態化主動監測轉變，提高探測的覆蓋面和有效性，為排水管道預防性修復提供支撐。
「排水管道漏損智慧探測與修復技術」的主要研發方向包括：
1）數位底座技術。 包括排水管道地理資訊系統國產化技術、復雜介質條件下的流量和水質精準測量 技術。
2）智慧探測技術。 包括融合地質雷達、混凝土厚度檢測、鋼筋分布檢測等方式的管道外部檢測技術、 融合電磁和聲波檢測的管道隱患辨識技術、大口徑長距離管道結構健康監測技術。
3）智慧評估技術。 包括基於數據驅動和模型驅動協同的管網服役演化分析演算法、多元驅動和服役狀 態多源數據影響下排水管道失效預測技術、基於關鍵節點線上監測數據的城市排水管網系統快速自適應建模。
4）高效修復技術。 一是適應長距離輸送、腐蝕環境和力學條件多變的修復材料，如以高強度快幹註 漿材料為核心的模鑄管道修復技術；二是適用於大型和特大型管道的修復技術，如透過模組法內襯來提升結構性強度的修復技術等。
「排水管道漏損智慧探測與修復技術」工程開發前沿未來 5~10 年的 重點發展方向主要聚焦在精準量化探測技術、高強度高適應修復技術以及基於行動網際網路技術的檢測和修復品質過程控制技術。 精準量化探測技術主要包括全景 / 雷射量化探測技術，基於溫度和壓力的光纖滲漏探測技術，基於機械彈性波的管道剩余強度探測技術，基於超音波測厚法、紅外攝像檢測法、漏磁法、瞬態電磁法等的管道剩余壁厚探測技術，以及基於測徑器法、雷射儀法、多傳感器探測法等的管道變形探測技術。高強度高適應修復技術主要聚焦新材料、新技術、新工藝和新裝置的突破，拓寬修復的適用場景和修復品質，滿足對排水管道腐蝕環境、狹長空間帶水條件等情況的修復需求。基於行動網際網路技術的檢測和修復品質過程控制技術將以行動網際網路技術套用為核心，提高檢測和修復施工管理的效率，保障施工過程的品質以及數據的真實性。
2.2.2 公釐級全球和區域座標框架建立技術
座標框架是描述地球形狀及變化、表達地球空間資訊的基礎。它不僅能夠為深空探測、城市建設、 救災減災等提供基礎數據，而且可以為開展全球變化探測與科學研究，如地球動力學反演，地震、氣候及水文監測等，提供統一的高精度空間基準，是拓展人類活動、促進社會發展的關鍵地球空間資訊基礎設施。
現有國際地球參考框架難以滿足大範圍或全球尺度公釐級地球系統動態變化監測的需求，研究建立毫 米級座標框架已成為 21 世紀國際大地測量學界的學科目標和重要挑戰。當前發展的主要方向包括：
1）精密空間大地測量數據處理技術 ，透過精細化數學模型確定最優的甚長基線幹涉測量（VLBI）/ 衛 星雷射測距（SLR）/ 全球衛星導航系統（GNSS）/ 星基都卜勒軌域和無線電定位組合系統（DORIS）數據處理策略，對全球基準站數據進行整網一致性重處理以消除或減弱技術類系統誤差的影響，為公釐級座標框架的建立提供更準確的輸入數據。
2）基準站非線性運動建模 ，針對地球物理效應造成的基準站非線性位移，融合環境負載、熱膨脹及 其他模型建立公釐級基準站地球物理運動模型，為實作公釐級座標框架建立提供支持。
3）空間大地測量技術組合 , 綜合利用 VLBI、SLR、GNSS、DORIS 等空間大地測量技術建立全球座標 框架。
4）地心運動建模 ，聯合多種空間大地測量技術及地球物理模型反演地心運動，解決座標框架原點定 義與實作間的不一致問題，為地球動力學研究提供更高精度的地心參考框架。
「公釐級全球和區域座標框架建立技術」工程開發前沿未來 5~10 年的 重點發展方向為精密空間大地測量數據處理技術、基準站非線性運動建模、空間大地測量技術組合和地心運動建模。
2.2.3 城市歷史文化資源保護與利用的數位化技術體系
城市歷史文化資源保護與利用的數位化技術體系的核心在於透過數位技術賦能，實作保護與利用的協 調統一，將靜態被動的保護方式轉變為動態積極的保護方式，充分發揮出歷史文化資源對城市空間和社會發展的重要價值。主要研發方向包括：
1）城市歷史文化資源的資料庫構建技術 。建立歷史文化資源的數位化檔案是實作整體性資源保護 的基礎性工作。既可為文化遺產的修復和保護提供支持，也是遺產價值傳播利用的載體和統籌協調多種資源管理的需要。然而，歷史文化資源型別多樣，既有物質性遺產，也有非物質性遺產，前者還包括可移動文物、不可移動文物和歷史名城等，並在空間尺度上存在明顯差異。城市歷史文化資源的多源異構數據融合和多尺度數據貫通等技術研發十分關鍵。
2）城市歷史文化資源的智慧化保護技術 。城市歷史文化資源安全受自然風險（氣候變遷、自然 災害等）和人類活動（資源利用、開發建設等）的雙重影響，數位技術為構建針對各類風險的「感知監測 − 動態評估 − 風險預警 − 措施響應」聯動式、伴隨式、智慧化的主動保護機制提供了技術可行性。
3）數位賦能的城市歷史文化資源利用技術 。城市歷史文化資源的數位化不僅是為了保存各類資源的 歷史資訊，同時也是資源利用和價值傳播的重要手段。歐洲多國已開展數位博物館建設，透過虛擬現實等技術開發加強互動體驗，針對智慧型手機等終端進行套用開發，並將城市歷史文化資源嫁接到電子遊戲等新興數位產業。
4）城市歷史文化資源保護與利用的技術整合 。透過一體化技術整合，打通「資料庫構建 − 風險評估 響應 − 資源利用與價值傳播」三大環節，實作數位技術賦能下的保護與利用相互促進。此外，城市歷史文化資源保護與利用不應當是獨立的技術體系，需要整合納入國土空間資源保護與利用的技術體系，加強與其他城市資源管理的橫向協調，以及國土空間各空間層級的縱向貫通，最終實作國土空間全域全要素全周期的統籌。
「城市歷史文化資源保護與利用的數位化技術體系」工程開發前沿未來 5~10 年的 重點發展方向為多源數據融合、風險監測感知、評估推演預警、空間規劃響應、價值傳播利用和規劃技術整合。
來源：中國工程院院刊 HabitatStudio、工程建設與永續發展
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