基于物聯(lián)網(wǎng)的混凝土結(jié)構(gòu)無損檢測實踐教學模型設(shè)計

摘 要：為了優(yōu)化混凝土結(jié)構(gòu)無損檢測實踐教學模型的應用效果，提高無損檢測課程的實踐教學質(zhì)量，開展了基于物聯(lián)網(wǎng)的混凝土結(jié)構(gòu)無損檢測實踐教學模型設(shè)計研究。首先，選擇具備穩(wěn)定性和可靠性的物聯(lián)網(wǎng)相關(guān)技術(shù)和設(shè)備，確保能夠滿足應用需求；其次，確定混凝土結(jié)構(gòu)無損檢測實踐教學方案；最后，利用物聯(lián)網(wǎng)構(gòu)建實踐教學模型。實驗結(jié)果表明，所提出的實踐教學模型具有較高的混凝土結(jié)構(gòu)無損檢測精度，可以為高校土木工程專業(yè)實踐教學提供有力的支持和幫助。

關(guān)鍵詞：物聯(lián)網(wǎng)；混凝土結(jié)構(gòu)；無損檢測；實踐教學模型；土木工程專業(yè)；教學方案

中圖分類號：TP39；G642.0 文獻標識碼：A 文章編號：2095-1302（2024）11-0-03

0 引 言

在當前的實踐教學中，混凝土結(jié)構(gòu)無損檢測技術(shù)的實踐訓練存在一些問題和不足：第一，由于實際工程中的檢測項目數(shù)量有限，學生無法充分地實踐各種檢測技術(shù)和方法[1-2]；第二，由于檢測設(shè)備昂貴且數(shù)量有限，學生無法充分地進行實踐操作；第三，由于實踐教學環(huán)節(jié)相對獨立，學生無法將所學知識應用到實際的工程項目中[3]。為了解決上述問題，本文提出基于物聯(lián)網(wǎng)的混凝土結(jié)構(gòu)無損檢測實踐教學模型。物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)是一種基于互聯(lián)網(wǎng)和傳感器技術(shù)的智能感知和控制技術(shù)，其可以通過傳感器、無線通信和云計算等技術(shù)，實現(xiàn)各種物理設(shè)備和系統(tǒng)的互聯(lián)互通，從而實現(xiàn)對物理世界的智能化管理和控制[4-5]。本文通過引入該技術(shù)，搭建模擬真實的工程環(huán)境，為學生提供實踐平臺，以提高學生的技術(shù)水平和實踐能力。

1 混凝土結(jié)構(gòu)無損檢測實踐教學模型設(shè)計

1.1 物聯(lián)網(wǎng)實踐教學設(shè)備選取

科學合理的物聯(lián)網(wǎng)設(shè)備是模型構(gòu)建的基礎(chǔ)保障。因此，在開展模型設(shè)計前，選擇物聯(lián)網(wǎng)實踐教學設(shè)備。這就需要先明確模型的設(shè)計目標、功能需求、應用場景等。針對混凝土結(jié)構(gòu)無損檢測進行實踐教學，應考慮以下幾個因素：教學目的、實踐操作性、數(shù)據(jù)采集與處理、可視化報告生成等。根據(jù)應用場景和需求，選擇適合的技術(shù)，包括傳感器技術(shù)、通信技術(shù)、數(shù)據(jù)處理技術(shù)等。在此基礎(chǔ)上，選擇適合的設(shè)備型號，具體見表1。

依據(jù)表1數(shù)據(jù)完成設(shè)備選取后，需要進行測試和驗證，確保其滿足應用需求后，方可投入后續(xù)實踐教學模型設(shè)計中[6-8]。

1.2 混凝土結(jié)構(gòu)無損檢測實踐教學方案設(shè)計

接下來，確定混凝土結(jié)構(gòu)無損檢測實踐教學方案。先確定無損檢測教學目標，然后根據(jù)檢測目標選取相應的儀器設(shè)備。常見的混凝土結(jié)構(gòu)無損檢測實踐教學儀器及其用途見表2。

在完成設(shè)備選取后，應根據(jù)檢測混凝土結(jié)構(gòu)的大小和形狀，確定需要檢測的范圍和區(qū)域，進而布置測點和測線[9]。其中，測點是指單個的檢測點，測線是指一系列相鄰的檢測點組成的線段或區(qū)域。根據(jù)確定的測點和測線，在實際的檢測對象上布置相應的測點和測線[10]。使用相應的檢測儀器對混凝土進行檢測，在布置好的測點和測線上采集相應的數(shù)據(jù)。根據(jù)需要檢測的混凝土結(jié)構(gòu)特點，選擇超聲波法進行無損檢測，利用縱波在混凝土結(jié)構(gòu)中的傳播特性，實現(xiàn)無損檢測實踐教學目標。實踐教學中無損檢測數(shù)據(jù)的計算表達式

如下：

（1）

式中：E表示混凝土結(jié)構(gòu)材料的彈性模量；μ表示泊松比；ρ表示密度。通過上式，可得出混凝土結(jié)構(gòu)無損檢測數(shù)據(jù)。對得出的檢測數(shù)據(jù)進行處理和分析，得出檢測結(jié)果。以此為基礎(chǔ)，可對混凝土結(jié)構(gòu)進行評估，并編制成檢測報告，用于實踐教學。綜上，完成混凝土結(jié)構(gòu)無損檢測實踐教學方案設(shè)計，該方案可為實踐教學模型設(shè)計提供有力的支持。

1.3 基于物聯(lián)網(wǎng)的實踐教學模型構(gòu)建

基于上述混凝土結(jié)構(gòu)無損檢測實踐教學方案，設(shè)計該課程的實踐教學模型。模型結(jié)構(gòu)示意圖如圖1所示。

本文設(shè)計的實踐教學模型以實踐目標、實踐項目、成果層次為核心，屬于三維實踐教學模型。以圖1為基礎(chǔ)，在構(gòu)建混凝土結(jié)構(gòu)無損檢測實踐教學模型時，應以培養(yǎng)學生的實踐能力和應用能力為目標，設(shè)計具有實際應用價值的實驗項目，讓學生通過實踐操作加深對物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)的理解和掌握。實踐教學模型內(nèi)容應包括以下幾個部分：

（1）數(shù)據(jù)采集模塊：明確實踐教學的目標，使用無線傳感器網(wǎng)絡(luò)和RFID等物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)，對混凝土結(jié)構(gòu)進行實時數(shù)據(jù)采集，包括溫度、濕度、應力、位移等參數(shù)。

（2）數(shù)據(jù)處理模塊：根據(jù)實踐教學的目標，設(shè)計合適的教學內(nèi)容；通過云計算平臺對采集的數(shù)據(jù)進行存儲、分析和處理，提取出有用的信息。

（3）無損檢測模塊：利用超聲波、紅外線等技術(shù)對混凝土結(jié)構(gòu)進行無損檢測，獲取其內(nèi)部缺陷和損傷信息。根據(jù)實踐教學的需要，整合檢測信息與教學資源。

（4）可視化報告生成模塊：根據(jù)實踐教學方案，將檢測結(jié)果和處理數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換成可視化報告，便于教師和學生進行評估和比較。

在混凝土結(jié)構(gòu)無損檢測實踐教學模型中，需要添加實踐教學計劃，包括教學進度、教學方法、教學資源分配等。按照實踐教學計劃和組織安排，開展實踐教學，包括實驗操作、問題解答、進度控制等，引導學生完成實踐項目，并及時給予指導和反饋。需要注意的是，構(gòu)建實踐教學模型需要不斷更新和完善，以適應不斷變化的工程需求和技術(shù)發(fā)展形勢。同時，也需要注重學生的個體差異和個性化需求，實現(xiàn)因材施教。

2 實驗分析

2.1 實驗準備

為驗證基于物聯(lián)網(wǎng)的混凝土結(jié)構(gòu)無損檢測實踐教學模型的可行性，進行了3組實驗，其中對照組1采用文獻[1]提出的實踐教學方法，對照組2采用文獻[3]提出的實踐教學模型，實驗組采用本文提出的基于物聯(lián)網(wǎng)的混凝土結(jié)構(gòu)無損檢測實踐教學模型。通過對3組實驗結(jié)果的分析和比較，可以驗證實踐教學模型的可行性。

考慮到實驗設(shè)備和實驗技術(shù)的限制，選擇適中規(guī)模的某市S橋梁作為此次實驗對象，以便更好地驗證實踐教學模型的可行性和實用性。S橋梁結(jié)構(gòu)類型為鋼筋混凝土橋梁，該橋梁經(jīng)過多年的運營和使用，出現(xiàn)了多種混凝土結(jié)構(gòu)和鋼筋方面的損傷和缺陷，包括表面裂紋、鋼筋銹蝕和混凝土剝落等。選用超聲波檢測儀、電磁感應檢測儀、物聯(lián)網(wǎng)傳感器節(jié)點、無線通信設(shè)備、數(shù)據(jù)采集與分析系統(tǒng)作為實驗工具，對該橋梁進行檢測和分析，以驗證所提實踐教學模型是否能進一步了解鋼筋混凝土橋梁的損傷情況和特點，為實踐教學提供可靠的數(shù)據(jù)支撐。

2.2 結(jié)果分析

分別采用傳統(tǒng)的無損檢測方法和基于物聯(lián)網(wǎng)的混凝土結(jié)構(gòu)無損檢測實踐教學模型對該橋梁進行檢測，記錄相關(guān)的實驗數(shù)據(jù)和操作流程，并對實驗結(jié)果進行分析和處理。

選取實踐教學模型的混凝土結(jié)構(gòu)無損檢測精度作為此次實驗的評價指標。在進行本次無損檢測時，選擇具有一定理論與實踐基礎(chǔ)的學生完成檢測，以確保檢測結(jié)果的真實性。同時，為了保證模型檢測結(jié)果的可信度，采取多次檢測、重復驗證等方式獲取實驗結(jié)果?；炷两Y(jié)構(gòu)無損檢測實踐教學模型的精度對比結(jié)果見表3。

通過表3的模型檢測精度對比結(jié)果可以看出，基于物聯(lián)網(wǎng)的混凝土結(jié)構(gòu)無損檢測實踐教學模型在檢測精度方面具有優(yōu)勢。具體而言，該模型可更準確地識別和檢測出鋼筋混凝土橋梁結(jié)構(gòu)中的損傷和缺陷，降低了漏檢或誤檢的風險，能夠更準確地識別出混凝土中的鋼筋銹蝕位置、混凝土剝落面積以及混凝土表面裂縫長度，提高了無損檢測的準確性，可為實踐教學提供支持。

綜上所述，通過對比實驗，全面評估基于物聯(lián)網(wǎng)的混凝土結(jié)構(gòu)無損檢測實踐教學模型的可行性和實用性，認為其可以為混凝土結(jié)構(gòu)檢測的實踐教學提供更高效、更可靠的技術(shù)支持。

3 結(jié) 語

基于物聯(lián)網(wǎng)的混凝土結(jié)構(gòu)無損檢測實踐教學模型是針對現(xiàn)代混凝土結(jié)構(gòu)無損檢測需求而設(shè)計的一種實踐教學模型。該模型旨在通過物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)，實現(xiàn)混凝土結(jié)構(gòu)無損檢測的自動化、智能化和遠程化，以此為混凝土結(jié)構(gòu)無損檢測實踐教學提供可靠的技術(shù)支持。通過對比實驗可知，該模型在檢測精度方面具有一定優(yōu)勢，是一種創(chuàng)新的、實用的教學工具，可以為高校土木工程專業(yè)實踐教學提供更好的支持和幫助。

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作者簡介：馬志才（1986—），男，北京人，實驗師，研究方向為道路與橋梁工程技術(shù)實踐教學。

高 偉（1985—），男，北京人，碩士，副教授，研究方向為道路與橋梁虛擬仿真實踐教學。

蘇 磊（1985—），男，北京人，實驗師，研究方向為道路與橋梁工程技術(shù)實踐教學。

田 亮（1986—），男，北京人，碩士，副教授，研究方向為道路與橋梁施工實踐教學。

收稿日期：2023-11-27 修回日期：2023-12-28