近日，一場十分不幸的臺灣列車出軌事故引發(fā)高度關(guān)切，牽動兩岸人民的心，我們向事故中的逝者表示深切哀悼，愿傷者早日康復(fù)。
42臺灣列車出軌事故 圖｜ETtoday
一個(gè)小錯(cuò)誤，卻導(dǎo)致慘烈的后果，這在交通、建筑、供水、電網(wǎng)、通訊等基礎(chǔ)設(shè)施系統(tǒng)中并不罕見。研究人員會采取多種策略來應(yīng)對這類風(fēng)險(xiǎn)，來自蘇黎世聯(lián)邦理工學(xué)院（ETH）智能維護(hù)系統(tǒng)教授奧爾加芬克（Olga Fink）也是其中之一。奧爾加芬克于去年參加了第三屆世界頂尖科學(xué)家論壇（WLF），為我們分享了她和她團(tuán)隊(duì)的研究。在本文中，她與其他三位同樣來自ETH的學(xué)者一起，為我們展示了4個(gè)基礎(chǔ)設(shè)施系統(tǒng)的管理策略：增加城市系統(tǒng)韌性，風(fēng)險(xiǎn)管理關(guān)鍵網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)，預(yù)測系統(tǒng)故障與系統(tǒng)壽命，以及關(guān)注多重性。
策略1城市系統(tǒng)：
增加韌性，了解子系統(tǒng)之間的相互影響
來自ETH的結(jié)構(gòu)動力學(xué)和地震工程學(xué)教授博伊達(dá)爾斯托亞迪諾維奇（Bo idar Stojadinovi ），致力于研究城市系統(tǒng)以及如何增加抗震性。作為新加坡城市未來韌性系統(tǒng)項(xiàng)目一個(gè)研究小組的領(lǐng)頭人，他正與新加坡南洋理工大學(xué)、新加坡國立大學(xué)的研究人員共同開發(fā)一個(gè)全面的城市計(jì)算機(jī)模型，用以模擬城市系統(tǒng)可能會面臨的各種挑戰(zhàn)以及后續(xù)影響。
新加坡南洋理工大學(xué)“點(diǎn)心樓” 圖｜NTU
新加坡是個(gè)高密度城市，它在氣候變化、土地稀缺等挑戰(zhàn)下，需要長期的規(guī)劃并對城市基礎(chǔ)設(shè)施進(jìn)行及時(shí)調(diào)整。該模型不僅整合了所有和建筑相關(guān)的基礎(chǔ)設(shè)施系統(tǒng)（如電力和供水），還能對用戶與系統(tǒng)的交互進(jìn)行建模，即允許用戶運(yùn)行多種系統(tǒng)的多重模擬，并在這些模擬中交換信息。
新加坡國立大學(xué) 圖｜NUS
“這個(gè)功能至關(guān)重要，”斯托亞迪諾維奇說，“城市系統(tǒng)的復(fù)雜性就在于各個(gè)子系統(tǒng)相互影響的方式。”他補(bǔ)充道，“我們已經(jīng)很擅長對單個(gè)系統(tǒng)進(jìn)行建模和優(yōu)化，但我們尚未完全了解系統(tǒng)之間如何影響彼此。”這個(gè)模型旨在解決這一問題，斯托亞迪諾維奇和他的同事們鼓勵(lì)專家們將城市系統(tǒng)視為一個(gè)整體。
策略2關(guān)鍵網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)：
風(fēng)險(xiǎn)管理，預(yù)防可能的連鎖反應(yīng)
“沒有人能預(yù)測到它。”面對系統(tǒng)故障，總聽到這樣的回應(yīng)。而來自ETH可靠性與風(fēng)險(xiǎn)工程教授吉奧瓦尼圣薩維尼（Giovanni Sansavini）對此觀點(diǎn)表示反對。作為一名資深工程師，他致力于研究復(fù)雜網(wǎng)絡(luò)中的風(fēng)險(xiǎn)，如相互依存的能源網(wǎng)絡(luò)和大型供應(yīng)鏈。
復(fù)雜網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)會隨著時(shí)間進(jìn)行擴(kuò)張或收縮，進(jìn)而改變結(jié)構(gòu)，這讓其風(fēng)險(xiǎn)變得難以描述。不少復(fù)雜網(wǎng)絡(luò)分布于全球，而且通常沒有固定的運(yùn)作模式。例如電網(wǎng)，會受到各種不同的影響，且在負(fù)載下的響應(yīng)與正常運(yùn)行時(shí)并不一樣。
同樣地，圣薩維尼和他的團(tuán)隊(duì)利用計(jì)算機(jī)模型展開了實(shí)驗(yàn)。利用不確定性量化（uncertainty quantification）的科學(xué)研究方法，該團(tuán)隊(duì)能捕捉到大量可能發(fā)生的影響和故障，并隨之觀測建模網(wǎng)絡(luò)的表現(xiàn)。這樣的蒙特卡羅模擬法（Monte Carlo simulations，即把概率現(xiàn)象作為研究對象的數(shù)值模擬方法，蒙特卡羅是摩納哥的著名賭城，該法為表明其隨機(jī)抽樣的本質(zhì)而命名；與之對應(yīng)的是確定性算法。）可以研究無數(shù)故障之間的相互關(guān)系，能為發(fā)現(xiàn)隱藏的或“系統(tǒng)性”的風(fēng)險(xiǎn)提供線索，即某種風(fēng)險(xiǎn)可能觸發(fā)連鎖故障，而連鎖故障通常是造成復(fù)雜系統(tǒng)嚴(yán)重問題的根源。例如2003年的意大利大規(guī)模斷電事故，原因就是負(fù)荷不斷增加導(dǎo)致自動系統(tǒng)一個(gè)接一個(gè)地連鎖關(guān)閉導(dǎo)致的。
蒙特卡洛 圖｜Azamara
策略3復(fù)雜系統(tǒng)：
預(yù)測故障，以及預(yù)測使用壽命
從飛機(jī)和燃?xì)廨啓C(jī)到鐵路等基礎(chǔ)設(shè)施系統(tǒng)，奧爾加芬克（Olga Fink）和她的團(tuán)隊(duì)對復(fù)雜系統(tǒng)的故障進(jìn)行了研究。作為智能維護(hù)系統(tǒng)教授，芬克開發(fā)了智能算法，可從狀態(tài)監(jiān)視設(shè)備收集的數(shù)據(jù)中學(xué)習(xí)。這些算法解決了各種挑戰(zhàn)，從檢測系統(tǒng)故障、診斷不同的故障類型，到預(yù)測下一次故障可能發(fā)生的時(shí)間，甚至實(shí)施規(guī)范性的維護(hù)策略。
芬克說：“我們的目標(biāo)是預(yù)測這些系統(tǒng)剩余的使用壽命，然后控制它們的運(yùn)行以延長其使用壽命。”這些智能算法會從歷史與實(shí)時(shí)操作以及狀態(tài)監(jiān)視數(shù)據(jù)中學(xué)習(xí)，這個(gè)過程需要大量的數(shù)據(jù)，而這也讓團(tuán)隊(duì)遇到了一個(gè)難點(diǎn)，芬克表示，“在安全關(guān)鍵系統(tǒng)（safety-critical systems）中，故障很少發(fā)生，這意味著我們沒有足夠的數(shù)據(jù)來學(xué)習(xí)。”
芬克教授和她的團(tuán)隊(duì) 圖｜ETU Zurich
幸運(yùn)的是，他們自有妙計(jì)：“使用代表系統(tǒng)狀態(tài)健康的數(shù)據(jù)，來訓(xùn)練算法檢測偏差。”同時(shí)，獲取類似系統(tǒng)的狀態(tài)監(jiān)測數(shù)據(jù)并將其適用于一些特定系統(tǒng)，也對算法的訓(xùn)練很有幫助。
不過，即使這樣，很多情況下數(shù)據(jù)量依舊不足，研究人員還需要將他們的算法與物理模型相結(jié)合，來模擬他們正在監(jiān)控的系統(tǒng)，或利用物理領(lǐng)域的知識來豐富AI模型。通過這些方式，算法可以使用更少的數(shù)據(jù)，并且能讓根據(jù)算法輸出來作決策的專家們更容易對此進(jìn)行說明。
例如在美國宇航局的一個(gè)項(xiàng)目中，研究人員能夠通過這樣的算法預(yù)測飛機(jī)引擎的剩余使用壽命。芬克對這一成就感到特別自豪：盡管早期故障監(jiān)測技術(shù)已經(jīng)相對成熟，但預(yù)測系統(tǒng)剩余使用壽命要困難得多。她開玩笑道，這是她研究領(lǐng)域的“圣杯”。
奧爾加芬克在去年參加了第三屆世界頂尖科學(xué)家論壇，并在分論壇“世界頂尖科學(xué)家青年論壇之人工智能會議Ⅰ”上帶來了“將物理學(xué)和AI算法結(jié)合起來建立信任”（Building Trust by building physics and AI algorithms together）的主題演講，分享了她和團(tuán)隊(duì)的上述研究。
世界頂尖科學(xué)家青年論壇之人工智能會議
圖｜新民晚報(bào)
策略4關(guān)鍵研究設(shè)施：
關(guān)注多重性，例如備用電力系統(tǒng)
作為ETH設(shè)施管理主管，沃爾特伊滕（Walter Iten）的部門負(fù)責(zé)學(xué)院所有建筑與基礎(chǔ)設(shè)施的技術(shù)和管理。伊騰表示，停電是最大的問題：“沒有電什么都不行！”而該部門能夠讓Zentrum校區(qū)的部分區(qū)域從兩個(gè)不同的變電站獲取電力；在大規(guī)模停電發(fā)生時(shí)，學(xué)院最重要的區(qū)域能使用備用柴油發(fā)電機(jī)；對于特別敏感的研究設(shè)備，還能利用電池以確保電力的不間斷供應(yīng)。這就是ETH關(guān)注多重性（redundancy）的原因。
柴油發(fā)電機(jī) 圖｜Generator Source
不過，最重要的是針對所有設(shè)施和建筑物的預(yù)測性維護(hù)策略，即各類破壞發(fā)生的預(yù)防措施。IT維護(hù)工具會跟蹤每個(gè)系統(tǒng)的運(yùn)行時(shí)間和維護(hù)計(jì)劃，并在到期時(shí)觸發(fā)維護(hù)工作。傳感器的監(jiān)測作用也越來越突出，它能檢測到突發(fā)故障。設(shè)施管理團(tuán)隊(duì)可以在計(jì)算機(jī)上遠(yuǎn)程訪問這些數(shù)據(jù)，并在一定程度上干預(yù)系統(tǒng)的操作。盡管目前這些設(shè)施監(jiān)控系統(tǒng)和維護(hù)工具還沒有進(jìn)行互聯(lián)，但隨著傳感器技術(shù)和人工智能的發(fā)展，這是遲早的事情。
作者：Mar tina M rki, Mi chael Walther
編譯：冬青子
