摘 要：為了優(yōu)化混凝土結(jié)構(gòu)無損檢測實踐教學(xué)模型的應(yīng)用效果，提高無損檢測課程的實踐教學(xué)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(xué)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(yīng)用需求；其次，確定混凝土結(jié)構(gòu)無損檢測實踐教學(xué)方案；最后，利用物聯(lián)網(wǎng)構(gòu)建實踐教學(xué)模型。實驗結(jié)果表明，所提出的實踐教學(xué)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(xué)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(xué)模型；土木工程專業(yè)；教學(xué)方案

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

0 引 言

在當(dāng)前的實踐教學(xué)中，混凝土結(jié)構(gòu)無損檢測技術(shù)的實踐訓(xùn)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(xué)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(xué)生無法充分地進(jìn)行實踐操作；第三，由于實踐教學(xué)環(huán)節(jié)相對獨立，學(xué)生無法將所學(xué)知識應(yīng)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(xué)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(xué)生提供實踐平臺，以提高學(xué)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(xué)模型設(shè)計

1.1 物聯(lián)網(wǎng)實踐教學(xué)設(shè)備選取

科學(xué)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(xué)設(shè)備。這就需要先明確模型的設(shè)計目標(biāo)、功能需求、應(yīng)用場景等。針對混凝土結(jié)構(gòu)無損檢測進(jìn)行實踐教學(xué)，應(yīng)考慮以下幾個因素：教學(xué)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(yīng)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(jìn)行測試和驗證，確保其滿足應(yīng)用需求后，方可投入后續(xù)實踐教學(xué)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(xué)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(xué)方案。先確定無損檢測教學(xué)目標(biāo)，然后根據(jù)檢測目標(biāo)選取相應(yīng)的儀器設(shè)備。常見的混凝土結(jié)構(gòu)無損檢測實踐教學(xué)儀器及其用途見表2。

在完成設(shè)備選取后，應(yīng)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(jìn)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(yīng)的測點和測線[10]。使用相應(yīng)的檢測儀器對混凝土進(jìn)行檢測，在布置好的測點和測線上采集相應(yīng)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(jìn)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(xué)目標(biāo)。實踐教學(xué)中無損檢測數(shù)據(jù)的計算表達(dá)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(jìn)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(jìn)行評估，并編制成檢測報告，用于實踐教學(xué)。綜上，完成混凝土結(jié)構(gòu)無損檢測實踐教學(xué)方案設(shè)計，該方案可為實踐教學(xué)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(xué)模型構(gòu)建

基于上述混凝土結(jié)構(gòu)無損檢測實踐教學(xué)方案，設(shè)計該課程的實踐教學(xué)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(xué)模型以實踐目標(biāo)、實踐項目、成果層次為核心，屬于三維實踐教學(xué)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(xué)模型時，應(yīng)以培養(yǎng)學(xué)生的實踐能力和應(yīng)用能力為目標(biāo)，設(shè)計具有實際應(yīng)用價值的實驗項目，讓學(xué)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(xué)模型內(nèi)容應(yīng)包括以下幾個部分：

（1）數(shù)據(jù)采集模塊：明確實踐教學(xué)的目標(biāo)，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(jìn)行實時數(shù)據(jù)采集，包括溫度、濕度、應(yīng)力、位移等參數(shù)。

（2）數(shù)據(jù)處理模塊：根據(jù)實踐教學(xué)的目標(biāo)，設(shè)計合適的教學(xué)內(nèi)容；通過云計算平臺對采集的數(shù)據(jù)進(jìn)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(jìn)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(xué)的需要，整合檢測信息與教學(xué)資源。

（4）可視化報告生成模塊：根據(jù)實踐教學(xué)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(xué)生進(jìn)行評估和比較。

在混凝土結(jié)構(gòu)無損檢測實踐教學(xué)模型中，需要添加實踐教學(xué)計劃，包括教學(xué)進(jìn)度、教學(xué)方法、教學(xué)資源分配等。按照實踐教學(xué)計劃和組織安排，開展實踐教學(xué)，包括實驗操作、問題解答、進(jìn)度控制等，引導(dǎo)學(xué)生完成實踐項目，并及時給予指導(dǎo)和反饋。需要注意的是，構(gòu)建實踐教學(xué)模型需要不斷更新和完善，以適應(yīng)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(xué)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(zhǔn)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(xué)模型的可行性，進(jìn)行了3組實驗，其中對照組1采用文獻(xiàn)[1]提出的實踐教學(xué)方法，對照組2采用文獻(xiàn)[3]提出的實踐教學(xué)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(xué)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(xué)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(xué)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(yùn)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(yīng)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(jìn)行檢測和分析，以驗證所提實踐教學(xué)模型是否能進(jìn)一步了解鋼筋混凝土橋梁的損傷情況和特點，為實踐教學(xué)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(xué)模型對該橋梁進(jìn)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(jìn)行分析和處理。

選取實踐教學(xué)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(biāo)。在進(jìn)行本次無損檢測時，選擇具有一定理論與實踐基礎(chǔ)的學(xué)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(fù)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(xué)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(xué)模型在檢測精度方面具有優(yōu)勢。具體而言，該模型可更準(zhǔn)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(fēng)險，能夠更準(zhǔn)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(zhǔn)確性，可為實踐教學(xué)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(xué)模型的可行性和實用性，認(rèn)為其可以為混凝土結(jié)構(gòu)檢測的實踐教學(xué)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(xué)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(xué)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(yuǎn)程化，以此為混凝土結(jié)構(gòu)無損檢測實踐教學(xué)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(xué)工具，可以為高校土木工程專業(yè)實踐教學(xué)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(xué)。

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(xué)。

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(xué)。

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(xué)。

收稿日期：2023-11-27 修回日期：2023-12-28