导读
华南理工大学土木与交通学院海外学者前沿讲座第五十期，我们邀请到来自美国卡内基梅隆大学土木与环境工程系的唐平波教授。本次讲座中，唐教授向我们介绍了他们研究的一套变化环境韧性基础设施运维的人-信息-物理安全系统。唐教授从三个方面出发来有针对性的建设这一系统：人和物理世界、人和控制室、人和人，并通过两个个例子向我们介绍了这一理念。
民用基础设施系统 (CIS)（例如交通基础设施、供水设施、核电站、机场）需要有效的系统层面的运营和维护 (O&M) 流程，以确保运营安全和效率。这样的 CIS 运维流程需要大量的人力物力，包括人/团队的认知、决策和活动，从而形成人-网络-物理系统 (H-CPS)，如图一所示。这个系统存在三个层面的互动关系：人-物理 (H.P.)、人-人 (H.H.)和人-网络 (H.C.)。在现实中，这三个层面的互动都存在这一定的可靠性问题，比如计算机对数据的处理并不完美；人与物理的互动过程中工人可能没有按照既定的指令完成任务，也有可能我们采集的数据本身是不完美的；人与人之间可能存在沟通的偏差等。本次讲座中，唐教授向我们介绍了如何用传感器技术测量可靠性参数和用数据分析技术帮助我们更好的理解系统的可靠性问题。
首先，唐教授以核电站的安全操作为背景，向我们讨论了人-物理互动的可靠性。通过技术观察和测量人与物理世界互动的可靠性。核电站的关停控制对核电站的正常运维具有非常重要的作用。该过程持续20-30天，需要2000多名现场工人同时工作完成2万多个任务，同时确保施工的安全。为了加速施工，施工排期精确到10分钟，这就需要非常细节的现场监控。那么如何对核电站内的工人进行辅助，来减少工人失误，增加工人效率就变得很有必要。唐教授希望实时记录每个工人走过的区域和并进行判定，然后分析推理并告诉工人是否接近危险区域或者物体。同时，这一系统还可以告知工人哪些工序需要进行，该怎么进行。
唐教授假设工作地点可能没有GPS或者WIFI信号，只能通过工人身上携带的设备来获取信息。他们设计了一套通过照相机和加速度机来判断工人位置的系统。该系统通过加速度计来判断工人位置，通过摄像机的图像识别和计算机视觉判断工人面对的物体。经过验证该系统可以很好的记录工人的行程并推算工人的位置，精度达到cm级。之后，系统便会在工人接近需要提示的区域时将必要的信息发送给工人。但是，一个人可以处理的信息是有限的，因此并不是所有的信息都应发给工人。他们先进行了网络问卷，从中挑选一些重要的问题向专家进行询问。结合这些结果，唐教授通过计算机进行处理来得到哪些信息是必要的，是需要发送给工人的。
然后，唐教授以飞机场控制室为背景讨论了人-控制室（网络）互动的可靠性。虽然现在计算机等工具的发展可以实时追踪飞机的位置等信息，引导着陆和起飞过程的空中交通管制员在机场的正常运维中扮演者重要的角色，计算机现在还无法处理这样复杂的工作。因此，唐教授对引导着陆和起飞过程的空中交通管制员的行为进行分析，旨在可以发现空管员行为的异常，以及在不同场景下的异常，去帮助我们理解什么样的情况下一个好的空管员会作出什么样的决定，我们应该给空管员提供什么有效的信息帮助他们作出更好的决定。唐教授希望通过追踪机场优秀的空管员的工作并且记录其中较难完成的任务来训练计算机以帮助空管员进行调度。
这个问题由两个因素决定：人与场景。唐教授通过记录空管员的心跳、表情等来判断这些空管员是否遇到了麻烦。通过机器学习的手段对计算机进行训练，这样可以使计算机在空管员遇到麻烦时提前做出反应。但是，每个人遇到问题时的反应都是不一样的，为了准确的做出判断，还必须建立一个表情心跳等信息的基础线。唐教授招募了12位退役的空管员进行空中管制仿真来记录并且分析什么特征代表了空管员已经达到了极限，这样可以最大的保证该系统的准确性。唐教授采用多种机器学习算法进行回归性的预测，用多种指标如交通强度、人的心跳、眨眼频率等，预测得到这个基础线。
第二个方面就是场景，及对飞机轨迹的分析。唐教授尝试采用导航数据、机场的BIM模型和飞机本身的模型帮助我们模拟机场的运营。如果机场出现了新的航班，空管员应该关注什么，是否能作出正确的反应。唐教授通过机场的历史运维数据，计算识别新航班的标准路径及其概率分布，来判断新航班的出现对机场运维的影响情况。唐教授通过聚类算法分析了航班的历史路径，来得到航班的标准路径。在已知航班标准路径和速度的情况下，唐教授希望模拟机场可能容易出现拥堵的位置。通过对比洛杉矶机场历史拥堵的位置与模拟过程中发生拥堵的位置，就可以判断模拟结果是否与实际一致。但是，目前的模拟模型尚不能做到精确的模拟，但是已经能大概判断出靠近航站楼的位置是发生拥堵概率较大的地方。
通过唐教授的讲座，我们认识到系统的控制和管理是一个复杂的工作。唐教授以核电站和飞机场的运维控制为例，向我们展示了问题的复杂性。在土木工程领域，也存在着许多类似的问题，存在着诸多挑战。目前而言，即使计算机技术已经非常先进，但是数据的解释仍离不开人的辅助。如何通过追踪人的决策过程，让计算机学习人的行为，从而帮助人作出更快更准确的决策，是各个领域都需要解决的问题。
相关文章请见唐平波教授官方主页：
https://www.cmu.edu/cee/people/faculty/tang.html
讲座录播链接：
来源于多样化结构实验室VSL
文稿 | 解兵林 姚显花 毛炜宁
排版 | 刘 盼
审核 | 胡 楠
END