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土木工程的巨大挑战：数据传感，信息分析和知识发现的机会
Burcin Becerik-Gerber, A.M.ASCE1; Mohsin K. Siddiqui, Ph.D., A.M.ASCE2; Ioannis Brilakis, Ph.D., M.ASCE3; Omar El-Anwar, Ph.D., A.M.ASCE4; Nora El-Gohary, Ph.D., A.M.ASCE5; Tarek Mahfouz, Ph.D., A.M.ASCE6; Gauri M. Jog7; Shuai Li8; and Amr A. Kandil, Ph.D.9
摘要：本文提出了一个探索性分析，以确定可以通过进一步的数据感知和分析（DSA）研究来解决的土木工程所面临的挑战。最初的文献回顾之后，进行了基于网络的调查，征求了每个土木工程专业学科的专家意见，以选择土木工程DSA研究可以解决的挑战和问题。这样一来，便确定了10个挑战，并通过对文献的回顾来提出这些挑战的经济，环境和社会影响的证据。挑战主要表现在建筑业消费，饮食水平上升，水土流失，水质不足，未开发和耗尽的地下水，交通拥堵，基础设施恢复能力差，基础设施差，基础设施劣化，需水，废水处理等方面。土木工程研究界建立了数据传感与分析研究议程，以应付和解决这些挑战。 DOI：10.1061 /（ASCE）CP.1943-5487.0000290。 copy;2014美国土木工程师学会。
作者关键词：土木工程; 大挑战 数据传感; 信息分析 知识发现。
介绍
土木工程在社会发展和改善中发挥着重要作用。 它的事业被描述为处理非标准挑战的复杂多样的事业。 土木工程师规划，设计，建造和经营现代生活必不可少的设施，从过境系统到海上结构，到水系统。今天的世界正在经历巨大的变化，为各个学科的土木工程师创造独特的挑战。 这些挑战及其在社会中的表现往往非常复杂，需要综合解决办法。
数据传感与分析领域的研究可用作部分缓解这些挑战影响的工具。 DSA包括数据感知，预处理，分析和融合，智能搜索和信息检索，并行和分布式计算以及知识管理和发现研究。本文介绍了DSA研究可以解决和部分缓解的土木工程巨大挑战的探索性分析。初步工作由ASCE TCCIT（美国土木工程师协会计算和信息技术委员会）DSA委员会（Becerik-Gerber等人2011）组织的一个工作组报告。在DSA委员会的报告中，工作队确定了9项土木工程挑战。引入挑战，并强调其重要性。本文重新审视了DSA报告中提出的挑战，并建立在早期的工作基础之上。专家意见是通过网上发布的调查问卷征求意见，以验证潜在的潜在客户的挑战。通过广泛的文献回顾，选取对经济，环境和社会影响较为突出的挑战，以此建立了10个挑战的宏伟性质。
范围和方法论
本文主要是一个最先进的审查。研究的目的是确定研究社区在接下来的土建工程所面临的巨大挑战。工作的目标是协助DSA社区制定研究议程，重点是解决已确定的关键挑战。 因此，本研究旨在解决以下研究问题：
1. DSA研究目前已部分或全面解决的土木工程巨大挑战是什么？ 2.为什么要应对这些挑战呢？ 这些挑战的经济，环境和社会意义如何？
确定土木工程的挑战
在一个迭代的过程中，DSA工作组对期刊文章和会议记录以及杂志和新闻文章进行了审查，以确定当今土木工程界面临的主要挑战。通过这次审查，工作队确定了包括建筑工程在内的七个土木工程学科的27个挑战的初步清单;海岸，海洋，港口和河流;环境和水资源;运输;结构工程;岩土工程;和施工工程。对于本文，作者根据经济，环境和社会两个方面评估了这些挑战。挑战的经济影响根据挑战对经济增长的影响及其相关的直接和间接成本进行排名。例如，经济影响可能包括天气和气候相关灾害造成的经济损失，能源浪费的成本，或道路状况恶化导致的车辆维修成本。挑战的环境影响是基于对环境，自然环境和生态系统的挑战的负面影响。例如，环境影响可能包括污染或全球变暖。基于挑战对个人，社区和整个社会的健康，健康，安全，教育和就业机会以及生活质量的影响，对挑战的社会影响进行排名。例子包括由于自然灾害而流离失所的人口总数，由于缺乏建设性能而丧失工作能力，以及降低能源消耗的能力。
土木工程大挑战的选择和验证
作者进行了一项调查，征求27个挑战的实验，以选择DSA研究可以解决的土木工程巨大挑战。 一个基于网络的调查被设计并分发给了33个ASCE期刊编辑委员会的968名成员。 这些编辑委员是土木工程七个学科的实践研究人员和领导者。 编辑委员被选为调查的目标人群，因为他们更有可能熟悉土木工程DSA研究的最新状态，适用于他们各自的专业。这项调查是托管在https://new.qualtrics.com/上。 被回复的ID被下载，并检查重复条目和多重性。 调查从2012年5月10日至2012年6月1日期间开放，为期3周，2012年9月7日至2012年9月21日为止。
调查首先要求受访者指出他们的专业领域，如果他们的专业领域落后于多个领域，可以选择多个领域。然后，对被访者的具体情况进行了介绍，并要求记者对经济，环境和社会三个方面的挑战的影响进行评估。使用离散的五点Likert视觉评定量表：无冲击，低冲击，中等冲击，高冲击和非常高的冲击（1个没有影响，5个非常高的影响）。 规模上的个人点数并不等同，因为五个可能的选择中的三个反映了高于平均水平的影响。 因此，所得数据本质上被视为序数。在968名ASCE编委会成员中，调查成功交付给约850名潜在受访者。仅提供联系信息但未填写其余调查或未提供其联系信息的受访者条目未包括在分析中。在收到的154份调查报告中，总体响应率约为18％，发现有110项调查回应在各方面都是完整的。 如上所述，受访者可以在多个专业领域提供投入。 这110位受访者为七个子学科提供了124份有效回应。必须重申，调查结果仅用于验证目的。 本文通过对有关文献报道的经济，环境和社会影响的广泛审查，确定挑战的宏伟性质。图1总结了七个土木工程学科的27个挑战。 图1使用标准箱体图显示每个碰撞区域对应于每个挑战的1到5级的响应分布。 情节右侧的数字是该分布的中位数。 阴影区域代表四分位数范围，粗垂直线代表中位数，一个圆圈表示温和的异常值，一颗恒星用于显示极端异常值。通过“财务报告准则”报告对这些挑战进行验证，通过在三个影响区域中的两个中选择中位评级超过4的挑战，创造了一个挑战的子列表。 对于将Likerttype项目问题的个人反应视为离散顺序，并且响应分布偏差，中位数优于排除挑战的平均值。 挑战的分项目标包括共有16项挑战，这些挑战在三个影响区域中的至少两个影响范围内具有高度和高度的影响。 这些挑战由图1中的星号（*）表示。
作者综合了由其固有特征或DSA研究适用于挑战的方式所涉及的挑战（表1）。
根据调查，ASCE DSA报告的挑战，即“低建设生产力”被从本文的最终清单中删除，并增加了两个新的挑战：“需要更好的”和“污水处理”和“水污染和质量” 通过这些补充和整合，本研究纳入了10项挑战，以便进一步调查。 作者没有对10个选定的挑战进行排序，也没有认可任何具体的解决方法。 这些挑战是（不是以任何特定的顺序）：
1. 建筑能耗高;2. 海平面估计; 3. 土壤和沿海侵蚀增加; 4. 水质不足; 5. 未开采和耗尽的地下水; 6. 增加交通拥堵; 7. 基础设施的抗灾能力差; 8. 劣势和劣化的基础设施; 9. 需要更好的采矿和煤灰废物处理; 10. 施工现场安全性低。
高建筑能耗
建筑能耗是指由于建筑物的照明，供暖和制冷以及电器的运行而在建筑物中使用的能源。通过提高能源效率，工程师正在努力减少建筑物日常功能所需的能量，同时保持居住者的生活水平。 随着资源短缺和全球变暖的困扰，能源消费近年来引起了极大的关注。 能源生产和消费的经济，环境和社会影响使能源效率成为提高可持续性的关键。
经济影响
国际能源署（International Energy Agency，简称IEA）（2010）在2035年的预测中报道说，美国将继续是世界第二大能源消费国，仅次于中国这个在2009年就超过美国的首位国家。根据2005年的能源消耗数据（每公斤油当量），美国在加拿大和若干小国（如卡塔尔）[世界资源研究所（2012年世界资源研究所）]排名第10位。建筑占能源消耗总量的很大一部分。 在美国，建筑一般消耗的主要能源的三分之一以上。2006年这一数字达到38.9％，预计到2030年将达到42.4％（USDOE2009）。2006年，美国住房和商业建筑的能源支出达到392.2亿美元（美国能源部2009年）。由于故障或设备效率低，可能会浪费大量的能量。例如，由于泄漏的风道，HVAC系统的高达40％的能源消耗可能会被浪费（Porter et al。2008）。 “世界可持续发展工商理事会（WBCSD）2007]”建筑物中居民的行为可能对设备的能源效率影响很大。短期研究显示，向居民住宅供电的用电量信息可以节省32％的能源消耗（Petersen等，2007）。因此，提高建筑节能是降低能源消耗的经济影响的最佳策略之一，如降低对化石燃料的需求和稳定能源价格。占全国能源消耗总量的40％左右，建筑行业提供 成本效益最高的单一潜力节能。
对环境造成的影响
包括石油天然气等不可再生的自然资源在内的能源生产和消费对生态系统造成负面的环境影响，如空气污染和全球变暖。能源生产的负面影响，特别是燃料燃烧，包括栖息地丧失，空气和水污染。燃料燃烧是增加大气中二氧化碳（CO2）浓度的主要原因。 化石燃料燃烧造成的二氧化碳排放量占全球温室气体排放量的55％至60％，从而大大促进了全球变暖（美国商会2011）。 在美国，建筑业占能源使用量的39％，电力用电量的69％，国家二氧化碳排放量的38％（USEPA 2010a）。 全球变暖是全球最严重的环境威胁之一（Pimentel et al。，1995）。 碳足迹是指温室气体排放总量。 根据10年的研究，对能源效率的投资有助于将建筑物的碳足迹降低32％（Kneifel 2010）。
社会影响
用于衡量能源消耗的社会影响的一个指标是燃料支出的百分比。 所有社会成员都应该从能源的利用中受益。 如果一个社会中的人们负担不起他们所需要的能量，那么它们就会受到社会负面影响（例如健康）的影响。 一个家庭如果花费超过燃料总支出的10％（Power 2006）被定义为“燃料贫困”。 1590万美国家庭处于燃料贫困之中。 建筑物的能源效率低下已被确定为燃料贫困的主要原因（Power 2006）。 因此，提高美国的建筑节能将减少燃料贫困，进而提高美国人的生活质量。 提高建筑节能也将降低国家对外国石油的依赖（美国能源部2012）。 减少对外国石油的依赖将会对经济和政治的影响产生有利影响。
海平面原油估计
海平面或海平面是指在海洋存在高低潮之间的平均时的水平。 这个水平通常是在海洋和陆地相遇的地方进行测量的。 已经采用多种技术来收集与海平面相关的数据和信息。 其中包括地理信息系统（GIS），全球定位系统（GPS）和无线传感器。 如何整合，分析和应用来自多个来源的高精度和完整性的数据和信息仍然是一个挑战（Cazenave和Llovel 2010; Heller和Hager 2010）。 随着全球气候变暖导致海平面上升，沿海地区的安全以及财产和人口受到严重威胁。 作为减轻这个问题的第一步，如何精确估算海平面成为一个关键的挑战。另一个问题是不稳定的海平面，特别是自然灾害如飓风和海啸等极端海平面。 近二十年来，一系列自然灾害造成严重损害沿海地区，造成重大损失。 有多种办法可以解决海平面上升和不稳定造成的这些问题。 对海平面的准确估计，建立了完善的预防体系，起着至关重要的作用。
经济影响
沿海基础设施设计在最高海拔以上，必须防止波浪和潮汐。 更好地估计海平面可以帮助工程师在沿海基础设施安全和建筑成本之间取得平衡。 科赫（2010）估计，建造一英里新海墙以防止波浪超载和淹水的成本超过3500万美元（2009年美元），年维护费用在建筑成本的5％至10％之间（ Koch 2010）。 2005年8月底卡特里娜飓风袭击墨西哥湾沿岸时，新奥尔良地区的损失估计约为5000亿美元（Robertson，2009年）。
对环境造成的影响
一个完善的海平面估计体系对于防止极端的海况，对洪水泛滥和波涛汹涌的环境造成威胁，具有重要意义。 洪水泛滥造成长期洪涝持续的土地侵蚀。 波浪超标导致土地侵蚀，减少土地支持力和农业生产力。 过去几十年来严重的飓风和极端风暴造成了极端的海洋环境，严重影响了沿海地区的环境。 这些飓风包括（国家飓风中心（NHC）2014）。极端海况环境影响不大，其中包括沙滩，沙丘和湿地海岸线侵蚀，沿海景观变化，失去支撑力量和悬崖坍塌（USGS 2011）。
社会影响
预计由于导致全球变暖的温室气体的持续排放，海平面将上升到危险水平（Molina等人，2009年）。在美国，如果气温持续上升，许多沿海城市和小岛屿国家也将面临海平面上升的风险。经济合作与发展组织经合组织调查显示，迈阿密的约200万公民和纽约纽瓦克的150万公民在2007年的海平面上都有增加（Nichollsetal，2007）。从长远来看，Weiss et al （2011年）估计，到2100年，约有180个美国沿海城市将受到海平面上升的影响。其中有2
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