資訊科技與土木工程：人工智慧技術與土木工程

雖然人工智慧（Artificial Intelligence）的相關技術很早就開始發展了，但受限於當時的電腦軟硬體技術及在初期研究發展方向不夠務實而受挫，一直到了1980年代，朝向專家系統（Expert System）的方向發展後，才開始有比較具體可行的應用。到了1980年代後期，各種人工智慧的相關技術研究開始蓬勃發展，由法則式推理（Rule-based Reasoning）之專家系統之研究與應用，逐漸擴及至案例式推理(Case-based Reasoning)、機器學習（Machine Learning）、模糊邏輯（Fuzzy Logic）、類神經網路（Artificial Neural Network）等技術之研究與應用，不過在土木工程領域，上述人工智慧相關技術之相關應用仍以學術研究為多，工程實務應用較少，其中，類神經網路技術之應用應算是較為普及的。此外，在這個知識經濟掛帥的時期，一些與知識管理相關之人工智慧技術也開始受到重視，例如資料採擷（Data Mining）技術與文字採擷（Text Mining）技術皆是在專業領域（如土木工程領域）的知識發掘（Knowledge Discovery）方面十分有用的技術。

資訊科技與土木工程：平行計算技術與土木工程

1980年代電腦硬體發展一方面開啟了個人電腦的時代，另一方面也進入了超級電腦（Supercomputer）時代，不管是共享式記憶體（Shared-memory）或分散式記憶體（Distributed-memory）式的超級電腦，基本上都是同時運用多個處理器（Processor）來提升電腦的運算效能，將原本在單一處理器的電腦上需要花費許多計算時間的問題切割後，分配給超級電腦的多個處理器來協力求解，達到縮短計算時間的目地。而能夠同時有效地應用多個處理器來計算的相關軟硬體技術，一般就稱為平行計算（Parallel Computing）技術。

超級電腦因造價昂貴，因此多只有政府單位及大型學術研究機構才負擔得起，且要將原本在單一處理器電腦上的程式改寫成能在多個處理器電腦平台上執行平行計算的程式也不是件容易的事，所以一直都很難普及應用。但到了1980年代後期，由於電腦工作站及個人電腦的普及，加上網路技術的日益進步，開始發展出一波將遠較超級電腦廉價的電腦工作站或個人電腦以網路連結後來進行平行計算的技術，例如，個人電腦叢集（PC Cluster）技術。如今，昔日超級電腦的硬體技術多已實作在個人電腦中，平行計算技術的應用也越來越普及，一些工程計算套裝軟體也已支援平行計算。對土木工程而言，能更快速的得到工程計算的結果，代表著工程師可以使用更精確但更複雜的數學與計算模型來得到更準確的結果，也可以進行更複雜但更高品質的設計與評估更多不同的設計方案，對於提昇工程品質與效率應有相當大的助益。

資訊科技與土木工程：地理資訊系統與土木工程

早在1960 年代，地理資訊系統（Geographic Information System，簡稱GIS）的概念就已被提出，到了1970年代，便已有GIS的套裝軟體推出，主要使用者為一些政府機構與學術界，但受限於當時有限的電腦軟硬體技術，應用並不普及。一直到了1980年代後期電腦工作站及個人電腦的快速發展，才帶動了GIS應用之普及與快速成長。今天只要是與地理空間資訊管理有關的系統，常可看到GIS之應用。

GIS是設計來搜集、儲存、分析具有地理區位特性之事物與現象的資訊系統，能透過疊圖及空間分析功能，將原始地理資料轉變為能支援空間決策的資訊。它的應用相當廣泛，也非常適合具空間特性資料之土木工程應用，只要是涉及到空間資訊的領域，像是自然生態保育、防災急救、都市管理、路線選擇、交通管理、區域發展等方面，都可以使用GIS技術來協助管理。也正因為GIS具有強大的空間分析功能，搭配上GPS及資料庫管理，更能輔助各項與空間資料相關之業務的推展，達到更有效率且更合理的決策過程。

資訊科技與土木工程：資料庫技術

早期土木工程的資訊技術應用以工程計算為主，資料的管理主要以檔案管理為主，隨著資訊技術的應用擴展到輔助土木工程從規劃、設計、採購發包、施工、營運、維護、拆除等生命週期各個階段的作業，所涉及的資訊管理，不僅數量龐大、種類繁多，而且資料與資料間的關連複雜，已無法僅以檔案方式來管理，必須借重資料庫（Database）技術來協助資訊管理。因此，大約從1980年代後期，營建管理領域逐漸受到重視以後，就開始有越來越多的資料庫技術應用於土木工程之相關研究與實務，主要是使用普及率最高的關聯式資料庫（Relational Database，簡稱RDB）。目前資料庫之應用在土木工程的各個領域已十分普遍。

資訊科技與土木工程：全球定位系統

全球定位系統（Global positioning System，GPS）利用接收衛星的位置信號來進行定位，應用在土木水利各類工程設計及施工之基本用圖及相關地質地工與水文資訊的定位與測量上，有施測快速、精度高、各點位間不需要相互通視，並可全天候二十四小時觀測等特性，突破了傳統測量方法在人力、時間、天候及地形上所受限制，是一種快速、準確且經濟之新測量技術。此技術源自美國國防部於1970年代後期開始建置第一代的衛星定位系統，最初的目的是用於軍事上的定位與導航，後來擴大計劃，逐漸開放應用於民間的定位測定，但早期美國國防部基於軍事目的與安全的理由，對非軍事用途的GPS使用，故意利用干擾碼的方式降低定位精度，直到2000年，因民間與商業之GPS應用已廣，在強大的民意壓力下，才取消干擾碼，讓GPS在民間與商業之應用能加速發展。GPS在土木工程上的應用並不僅於測量方面，在智慧型運輸系統（Intelligent Transportation System，簡稱ITS）領域之定位應用（如車輛導航、追蹤等應用）也很重要。

資訊科技與土木工程：遙感探測技術

遙感探測（Remote Sensing，簡稱遙測）技術可用來取得遙測影像以進行地質判釋或水文與水環境之量測評估，尤其對取得困難地區或大區域之地質與水文相關資訊，特別有用與快速。對零散分佈之實測地質與水文資料，亦可提供快速有效的影像對比資訊。以大地工程的設計所需要的地質判釋為例，在1970年代以前，由於數位科技尚未成熟，故多應用光學式的立體航空照片來進行人工的影像地質判釋。1980年代以後，電腦數位影像處理技術漸趨成熟，配合自動化分析技術，照片的判釋工作不再靠人工而能由電腦自動完成。此外，自從美國於1970年代初期發射第一顆地球資源衛星以來，應用數值化的衛星影像來調查地球上的資源與偵測地表環境的衛星遙測技術便開始被不斷地研究與應用。到了1980年代中期，高解析度SPOT衛星的升空與應用讓衛星遙測應用更趨向於多目標與自動化。而隨著電子科技的發展，遙測系統的掃描頻道數與解析度皆不斷的提昇，效果已直逼航空照片品質。

資訊科技與土木工程：軟體技術

早期的土木工程應用軟體主要是以FORTRAN語言來撰寫開發的，因此直到1980年代後期以前，皆是受到FORTRAN語言發展的影響。而FORTRAN語言屬程序性程式語言（Procedural Programming Language），發展到了FORTRAN 77版本（約1980年左右）才開始進入結構化程式發展（Structural Programming）的時代，到了1990年代，受到物件導向技術（Object-Oriented Technology）崛起之影響，才推出FORTRAN 90/95版本，開始支援物件導向程式寫作（Object-Oriented Programming）。　　

1980年代初期PASCAL與C程式語言的發展，尤其是C語言之發展與快速普及，提供了一個在程式寫作與資料處理上比FORTRAN語言更清楚且更有彈性的選擇，加上C語言也能接納應用已開發好的FORTRAN程式，因此，一些土木工程應用軟體便不在侷限於只使用FORTRAN語言來開發，而以C語言為主要的程式開發語言。到了1990年代，C語言也進一步蛻變成支援物件導向程式寫作之C++語言，且因為其普及性高與效率高，成為物件導向程式開發的最主要語言，一直到了1990年代後期網際網路逐漸成熟，跨平台網路應用程式之需求與日遽增，因而有了Java語言的崛起，才打破C++語言獨霸的局面。此外，由於微軟的Visual Basic（簡稱VB）語言具有簡單易學且能快速開發具有視窗介面之應用軟體，在1990年代隨著個人電腦視窗介面的快速發展，也開始蔚為風潮，在土木工程領域也不例外。近年來，土木工程應用軟體的開發，隨著不同的應用需求與維護考量，也使用各類的軟體開發環境與不同的程式語言，尤其是在Web Services技術崛起後，未來不管是以何種程式語言或在何種平台上（例如.NET或Java平台）所開發的應用程式，只要包裝成Web Services型式，皆可以透過網路及共通的標準協定來整合，達成動態的協力合作。

此外，物件導向軟體系統開發技術的興起，比以往的軟體開發技術更能有效地解決開發與維護軟體（尤其是大型軟體）所面臨的一些困難，不僅在軟體的設計開發上更能提昇軟體元件的再用性及軟體的維護性，也能更有系統地進行軟體的分析、設計與實作之分工合作，讓土木工程師能更專注於需要專業知識的系統分析設計工作上，而可更明確且容易地將軟體細部設計與實作發包給資訊專業廠商來執行，如此應可有效提昇土木工程應用軟體開發的品質與效率。

資訊科技與土木工程：電腦輔助設計技術

1980年代後期，隨著個人電腦之普及，且個人電腦對多媒體、圖形介面與電腦繪圖功能之支援也越來越好，商業化之電腦輔助設計（Computer-Aided Design，簡稱CAD）應用軟體（如AutoCAD與MicroStation等）之功能也越來越強，到了1990年代幾乎所有的工程圖的繪製都是應用電腦來完成。但早期的電腦製圖只是應用電腦取代原本的手工繪製方式來繪製二維（2D）的工程設計與施工圖，隨著軟硬體技術的進步，及工程師也體認到三維的（3D）結構物電腦模型對工程分析設計之好處（Kadar, 1989; Williams, 1990; Habibullah, 1991），如今三維的製圖技術（即3D CAD技術）已慢慢成熟，只是應用尚未普及。　
　
到了1990年代中期，多媒體與電腦動畫技術也開始較普遍地應用在土木工程的規劃設計工作上（Vanegas & Baker, 1994），讓規劃設計成果的呈現能更多元化也更易於瞭解。近年來，虛擬實境（Virtual Reality）技術隨著電腦3D遊戲的蓬勃發展而快速發展，其結合了3D模型及電腦繪圖技術來提供一個可以讓使用者感覺身處其中的電腦虛擬三度空間，若將工程規劃設計的成果呈現在此虛擬空間中，業主、工程師或其他關係人便能從任何空間位置與角度來檢視規劃設計完成但尚未建造之城鎮或結構物（例如：Jepson and Friedman, 1998）。

此外，整合3D模型及時間排程（Scheduling）資訊的4D CAD技術也在歷經多年的學術研究後，開始有越來越多的應用軟體支援及實務的應用。此技術若應用於施工管理，可以在施工前先模擬施工的過程，及早發現與解決空間與時間上的衝突，提升工程效率與品質。

參考文獻

Habibullah, A. (1991). “Breaking Down the Barriers,” Civil Engineering, ASCE, Vol. 61, No. 6, 39-41.

Jepson, W., and S. Friedman (1998). “Simcity of Angels,” Civil Engineering, ASCE, Vol. 68, No. 6, 44-47.

Kadar, I. (1989). “Analyzing in 3D,” Civil Engineering, ASCE, Vol. 59, No. 3, 52-54.

Vanegas, J. A., and N. C. Baker (1994). “Multimedia in Civil Engineering,” Civil Engineering, ASCE, Vol. 64, No. 5, 71-73.

Williams, G. (1990). “Industrial Strength 3-D,” Civil Engineering, ASCE, Vol. 60, No. 2, 40-42.

資訊科技與土木工程：網路通訊技術

繼1980年代開始的個人電腦發展，資訊科技在1990年代又有一個十分重大的發展，那便是網際網路(Internet) 與全球資訊網(World Wide Web，簡稱WWW）的快速崛起與發展，不僅進一步改變了人類使用電腦之方式與習慣，也開啟了資訊技術應用與資訊溝通的新維度。透過網際網路，工程師可以不受時間與空間限制地利用如電子郵件（e-mail）等應用來溝通訊息、交換資料，甚至協同完成工程規劃與設計作業（Denning，1997）。全球資訊網則讓資訊分享與串連變得更簡單方便，透過標準化的使用者介面（即所謂的瀏覽器）與網路，工程師可搜尋及閱覽工程相關資訊，也可以與其他工程師進行線上及時溝通。而全球資訊網技術亦常與資料庫（Database）之應用結合，主要用於發展土木工程各領域中之各類檢測、監控、評估與管理系統方面，讓資訊的管理、分享與應用皆能不受時空的限制，且能讓工程師時時使用最新之系統功能與資訊。例如，為土木專案工程所建構的專案網站（Bucknam et al., 1998）就是一個能讓工程師、承包商、監造、與業主皆透過網站取得與分享最新工程資訊的好例子。　　

此外，全球資訊網的快速發展在1990年代後期也掀起了一波電子商務的熱潮，加速了土木工程領域電子化與資訊化的腳步，不僅許多工程單位更積極地發展自己內部的管理資訊系統(Management Information System，MIS)，甚至擴展到如企業資源規劃（Enterprise Resource Planning，簡稱ERP）等級的管理系統，營建產業也開始重視上中下游協力廠商間的供應鏈管理（Supply Chain Management，簡稱SCM）與電子投領標等電子化作業環境之建立與應用。　　

到了二十一世紀，除了網路之使用更加普及且網路傳輸頻寬的大幅提昇外，無線網路與無線通訊也逐漸成熟與普及，加上個人數位助理（Personal Digital Assistant，簡稱PDA）這類的可攜式裝置所具有的功能也越來越強，便開始被應用於土木工程之檢測維護與施工管理方面。而無線技術不僅提昇了土木工程維護管理所需的監測與控制能力，亦能大量減低現場配線與控制設備數量，簡化設計之複雜性，縮減施工時間，並提高維護管理之效能。此外，網路視訊技術也已相當成熟，許多工程單位已能透過視訊會議方便身處遙遠兩地的工程師進行討論，減少舟車奔波的時間及辛勞，而透過視訊進行遠端工地監控管理之應用也越來越普遍。

參考文獻

Bucknam, M. D., E. F. Hawkins, and M. A. Sanfilippo (1998). "Net Gains," Civil Engineering, ASCE, Vol. 68, No. 11, 49-51.

Denning, J. (1997). "Who's Surfing? We're Working!" Civil Engineering, ASCE, Vol. 67, No. 6, 40-43.

資訊科技與土木工程：個人電腦

1980年代電腦工作站及個人電腦逐漸普及，藉由市場需求與規模的逐步擴大，終於在1980年代後期帶動了電腦硬體與軟體發展之突飛猛進，一直持續至今，不僅電腦硬體之效能年年呈倍數成長，價格卻年年下降，且軟體技術亦是年年以驚人的幅度進步。而個人電腦軟硬體的進步，也進一步帶動了資訊技術在各行各業應用的蓬勃發展，土木工程領域自然也不例外。
　
個人電腦帶給土木工程師的衝擊，可從美國土木工程師學會（American Society of Civil Engineers，簡稱ASCE）的會刊「土木工程雜誌」在1988年六月所刊登的一篇題為「Getting Personal With Personal Computers」（Hodge，1988）的文章看出一些端倪。該篇文章的副標題為：It was a time when engineers only had to know engineering. Now they must be computer experts as well.可見當時個人電腦的普及與應用，已能有效協助工程師處理一些工作，惟工程師必須先克服對個人電腦不夠瞭解的挑戰。而另兩篇ASCE「土木工程雜誌」的文章（Hodge，1994; Bodamer，1998）則分別道出了工程師面對進步神速的電腦軟硬體發展潮流之惶恐不安及努力保持不落後。

個人電腦的快速進步，除了加速了原有之資訊技術應用外，許多以往受限於電腦之效能與普及性而無法有效發揮應用的資訊技術，也開始被積極地研究其應用於土木工程領域之可行性，自此，各種資訊技術在土木工程上之應用如雨後春筍般地發展。此外，工程套裝應用軟體之發展亦在此時略具雛型且快速進步，例如今日許多著名之結構分析軟體（例如Abaqus、SAP2000、ETABS等）與製圖軟體（例如AutoCAD與MicroStation），都是在1980年代開始奠基再發揚光大的。

參考文獻

Bodamer, D. (1998).“Riding the Technology Wave,”Civil Engineering, ASCE, Vol. 68, No. 6, 38-40.

Hodge, C. S. (1988).“Getting Personal with Personal Computers,” Civil Engineering, ASCE, Vol. 58, No. 6, 60-62.

Hodge, C. S. (1994).“Keeping Up Computers,”Civil Engineering, ASCE, Vol. 64, No. 6, 70-72.

資訊科技與土木工程：電腦繪圖與結構工程

1970年代中期以後除了以有限元素計算為主之應用繼續蓬勃發展外，電腦繪圖（Computer Graphics）技術亦開始被運用於土木工程圖之繪製上（例如，謝鴻卿、鍾善藤，1981；朱柟、葉銘煌、周同生，1981；朱柟、何兆齡，1983），到了1980年代此技術更進一步發展成互動式電腦繪圖（Interactive Computer Graphics）技術，可以透過互動的視覺化方式，輔助結構分析前所需的結構物計算模型之建構與結構分析後計算結果之視覺化呈現。惟當時之相關電腦繪圖設備相當昂貴且程式寫作難度高，故其在工程界之應用未能普及，仍以學術研究為主，這情形一直到1980年代中期電腦繪圖工作站之興起才開始改變，今日在普及的個人電腦環境中，互動式的視覺化環境已成標準配備。

參考文獻

謝鴻卿、鍾善藤，（1981），「電腦繪製結構詳圖之應用」，第六屆計算機在結構工程上之應用研討會專題報告集，中國土木水利工程學會。

朱柟、葉銘煌、周同生（1981），「橋樑結構設計繪圖一貫作業系統」，第六屆計算機在結構工程上之應用研討會專題報告集，中國土木水利工程學會。

朱柟、何兆齡（1983），「建築結構細部設計繪圖系統」，第七屆計算機在結構工程上之應用研討會專題報告集，中國土木水利工程學會。

資訊科技與土木工程：電子計算機與結構分析設計

早期（約從1960年代中期至1970年代）的電腦（當時國內以電子計算機稱之）雖然在計算速度與記憶容量上遠遠不如今日之電腦，但已能以有限的數值計算與簡單的資料處理能力，協助土木工程的結構分析與設計工作（中興工程顧問社，1974）。當時主要是應用各種數值計算方法，以FORTRAN語言撰寫工程應用程式，來利用電子計算機進行規律的（Routine）大量結構分析數值計算。不過當時的電腦設備昂貴，在工程應用上又有容量大、配備全的需要，因此只有財力雄厚的單位才有能力設置（張仲陶，1974），應用難以普及。 不過在此時期由於有限元素法之蓬勃發展，電子計算機在土木結構數值分析上的應用，不僅在應用技術上持續地有所進步，且應用面也越來越廣。當時由於電子計算機的主記憶體容量十分有限，在處理大型結構矩陣求解時，得考慮結構矩陣的稀疏性而盡量只儲存矩陣中的非零元素，甚至得考慮使用機外之次記憶體（如磁帶、磁碟等）來儲存，也需利用結構特性及解方程式之技巧來有效克服當時電子計算機的有限計算與容量限制（虞兆中、林聰悟，1977）。而在非結構分析的應用方面，也開始有如訊號處理（茅聲燾、曾紫銘，1977）與營建工程（黃兆龍、廖慶隆、葉基棟，1977）方面之應用。

參考文獻

中興工程顧問社（1974），「計算機之工程應用」，計算機在結構工程上之應用研討會專題報告集，中國土木水利工程學會。

張仲陶（1974），「台灣電子計算機應用概況」，計算機在結構工程上之應用研討會專題報告集，中國土木水利工程學會。

茅聲燾、曾紫銘（1977），「訊號處理在結構震動上之應用」，第三屆計算機在結構工程上之應用研討會專題報告集，中國土木水利工程學會。

黃兆龍、廖慶隆、葉基棟（1977），「營建工程通用程式系統（CESS）之研究」，第三屆計算機在結構工程上之應用研討會專題報告集，中國土木水利工程學會。

虞兆中、林聰悟（1977），「大型結構之計算機處理」，第三屆計算機在結構工程上之應用研討會專題報告集，中國土木水利工程學會。

資訊科技與土木工程：前言

自電腦問世至今（2007年），尤其是最近十幾年，電腦硬體設備及各種相關資訊技術之突飛猛進與蓬勃發展，加上全球資訊網路的快速發展，電腦與網路科技已深深地影響著人類社會各個層面的活動，於是有人宣稱人類已由「工業時代」邁入「資訊時代」了。

土木工程不僅是一個歷史悠久的專業，也一直是隨著時代的潮流而不斷地力求進步的一個專業，因此在應用資訊科技於土木工程各領域的努力（包括學術研究與實務應用）亦未曾間斷，也有相當不錯的具體成果。當然，不可諱言的，由於土木工程本身的複雜度相當高、加上專業分工多且複雜，又屬量身訂做型態，要導入應用資訊科技的難度頗高且常無法一蹴即就，因此在電子化與資訊化的道路上走得相當辛苦且速度不如期望中的快。即使如此，資訊科技在土木工程上的應用已有相當廣泛的範圍且已有相當久的歷史。

之前因「營建知訊」邀稿，花了不少時間才在十分忙碌的生活中斷斷續續地就本身淺薄之知識、經驗與手邊的一些資料，完成一篇文章來粗略回顧過去三十多年來資訊科技發展帶給土木工程之衝擊與影響，及土木工程領域應用資訊科技來提升工程效率與品質的一些進展。現將文章中各個小節分次發表在此部落格中，以饗對「電腦輔助工程」（Computer-Aided Engineering, CAE）領域有興趣之同學，若同學們有發現疏漏不足之處，還請不吝給予補充與指教，謝謝！

別讓電腦統治你

『別讓電腦統治你』（張淑紋譯）一書之英文原名為Trapped in the Net: The Unanticipated Consequences of Computerization（Gene I. Rochlin 著)，由新新聞文化出版（1999）。
我們是否越來越依賴電腦與網路？如果沒有了電腦與網路，我們是否便會不知所措，陷入混亂？本書提供一些思考的方向，值得閱讀參考（雖然本書的中譯有些不好讀）。

資訊新未來

『資訊新未來』（羅耀宗譯）之英文原名為What Will Be: How the New World of Information Will Change Our Lives (Michael L. Dertouzos著)，由時報文化出版（1997）。
到底資訊時代是一個可以怎麼樣被期待的未來？本書作者以他在資訊技術領域的豐富知識與經驗，提供我們一些想像，並點出一些我們可能必須審慎面對的問題與挑戰。

資訊革命了什麼？

資訊革命了什麼？ 這本書原名為The Social Life of Information (John S. Brown & Paul Duguid著，顧淑馨 譯），由先覺出版社於2000年出版，蠻傳神地點出了本書企圖打破資訊革命的迷思之主要內涵。本書作者重新以兼顧科技與人文社會的觀點來省思「資訊時代」的未來，是一本非常值得大家一讀的好書。

IT有什麼明天？--資訊科技及消失中的的競爭優勢

『IT有什麼明天？--資訊科技及消失中的的競爭優勢』（杜默 譯，2004）一書乃譯自"Deos IT Matter? Information Technology and the Corrosion of Competitive Advantage" (Nicholas G. Carr, 2004)。書中作者認為IT雖是競爭力所必備，但以之做為領先對手的專屬科技所能創造之競爭優勢已在消退。書中對數個議題的探討，有許值得好好思考與反省之處。