文 章

《智能建造基础算法教程》将学生难懂的重难点进行通俗易懂的讲解

2022年01月11日  

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【百道编按】《智能建造基础算法教程》包括算法的数学基础、智能优化算法、无监督学习算法、监督学习算法和强化学习算法5个方向,书中较为详细地介绍了算法的原理和流程等;尤其是针对学生最难掌握的矩阵分析和深度学习部分进行了通俗易懂的详细剖析。

书名:《智能建造基础算法教程》

作者:刘界鹏、周绪红等

ISBN:978-7-112-26565-7

智能建造(Intelligent Construction)是以人工智能算法为核心,以数据和现代信息技术为主要支撑,在建设工程的设计、生产、施工和运维中,以智能技术代替需要人类智能才能完成的复杂工作,实现工程建设高度自动化和数字化的技术。

2016年,谷歌下围棋的人工智能程序AlphaGo战胜了世界顶尖的韩国围棋高手李世石,且2017年AlphaGo又战胜了当时的中国世界围棋冠军柯洁;这两场“人机大战”在全球范围内掀起了人工智能的热潮。2017年7月,我国国务院发布了《新一代人工智能发展规划》,将人工智能提升至国家战略高度,要求大力发展人工智能技术,并将传统行业进行智能化升级。根据国家的倡导和工程建设行业向数字化及智能化转型升级的需求,我国的一些高校、科研院所和企业开始了智能建造方面的研究,重庆大学也组成了由土木、计算机和自动化等学科人员组成的智能建造学科交叉团队,并在智能设计和检测方面开展了科研工作和研究生培养。

我们在研究生培养阶段发现,土木工程专业的学生虽然可以较快地掌握Python等编程语言,然后比较熟练的调用一些开源程序包进行研究工作,但并不能准确理解算法计算结果好或差的原因,也不能比较独立的进行研究方法方面的改进,只能进行简单的参数调整;其根本原因是土木工程专业的学生在人工智能算法的学习方面存在明显的障碍,不理解算法的数学原理、工作流程、训练过程等。计算机和自动化等信息学科专业的学生,虽然可以很快的理解算法的工作流程和训练过程,然后根据我们土木专业指导教师确定的研究内容和研究目标,开展熟练的研究工作,但在实际研究中也经常并不深入理解算法的详细数学过程,导致研究工作不深入,不能真正从算法和原理层面进行创新,也很难解决真正的基础性问题。以深度学习为例,信息学科专业的学生应用一些开源的程序可能非常熟练,但他们一般并不全面理解前馈神经网络和卷积神经网络等的详细数学过程,如激活与代价函数形式选择的原因、激活函数存在不可导点时的处理方法、反向传播中的链式法则如何实现、梯度下降的具体公式、前馈和卷积网络中的反向传播算法区别、卷积的数学原理与实际操作中的区别等。针对学生对算法原理和细节理解不够深入的问题,我们希望能够找到相关教材并开设一门基础算法课程;但我们发现,目前在算法方面的教材常以介绍算法思想为主,很少涉及算法的数学实现细节,而且这类教材主要针对信息学科专业的学生,土木、建筑、水利和交通等传统工程建设专业的学生在采用这类教材进行学习时感到非常困难。有的教材虽然在某些算法的介绍方面很详尽,但只集中介绍一两类算法,全面性不足。另外,研究生在算法学习方面更大的障碍,是对矩阵分析的理解不深入,概率与统计基础知识印象不深刻,数值优化和规划基本方法知识储备严重不足。

根据智能建造专业的研究生及高年级本科生培养需求,结合学科交叉科研人才对算法深入掌握的要求,并基于我们团队近几年培养智能建造方向研究生的经验,我们开设了智能建造基础算法研究生课程,并将我们的课程讲义进一步完善,形成了这部教程。本教程包括算法的数学基础、智能优化算法、无监督学习算法、监督学习算法和强化学习算法5部分,书中较为详细地介绍了算法的原理和流程等;尤其是针对学生最难掌握的矩阵分析、深度学习和强化学习部分进行了通俗易懂的详细剖析,课堂教学反映良好,有效地激发了学生的学习热情。本教程适用于智能建造方向的研究生和高年级本科生,也完全适用于从事智能建造方向研发的工程师自学。本教程撰写过程中遵循的主要目标,就是让具有工科本科数学基础和编程基础的学生或工程师,能够较为轻松的深入掌握人工智能领域的基础算法。

本书的主要内容见如下框图

详细目录如下

章节预览

本教材参编人员还包括:

伍洲(1985.6—),安徽安庆人,工学博士,重庆大学教授,重庆大学智能建造实验室副主任,国际电气与电子工程师协会高级会员。长期从事智能优化、人工智能、智慧能源系统、建筑智能建造等方向的研究,获得省部级一等奖1项,出版专著1部,发表学术论文80余篇。

曹亮(1987.7—),江西抚州人,工学博士,湖南大学副教授。主要从事人致结构振动舒适度、人-结构耦合、智能建造、海上风电等方面的研究,获得黑龙江省科学技术二等奖1项,已发表学术论文28篇,获得授权专利10项。

冯亮(1987.5—),重庆人,工学博士,重庆大学教授,重庆大学智能建造实验室副主任,信息物理社会可信服务计算教育部重点实验室-泛在信息安全与智能计算研究中心副主任。长期从事计算智能、迁移优化、多智能体系统、自动机器学习、智能建造等方面的研究。获得国际顶级期刊IEEE TEVC杰出论文奖1项、重庆市科技进步一等奖1项,出版专著2部,发表学术论文110余篇。

李东声(1994.12—),贵州织金人,工学博士,深圳大学博士后。主要从事基于三维激光点云数据的装配式建筑构部件智能检测、钢结构智能虚拟数字化预拼装等方面的研究,已在建筑智能建造领域发表学术论文7篇,获得授权专利5项。

本书适用于智能建造专业本科生,土木工程、建筑技术、水利工程、海洋工程、工程管理、交通工程等专业的研究生,从事学科交叉研究的工科专业研究生,从事智能建造研发的建筑业技术人员等。

编辑:佑生

(本文原载于:中国建筑工业出版社公众号)

来源:百道网

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