基于物联网技术的工程质量实时监测系统设计与应用研究

引言

在当今社会，基础设施建设蓬勃发展，各类工程项目如高楼大厦、桥梁隧道、道路管线等不断涌现。工程质量直接关系到人民生命财产安全和社会经济的可持续发展。传统的工程质量监测方法主要依赖人工定期检查和抽样检测，存在检测周期长、数据实时性差、难以全面反映工程实际质量状况等问题。随着物联网技术的兴起，其具有的全面感知、可靠传输和智能处理等特点，为工程质量实时监测提供了全新的解决方案。通过物联网技术，可以实现对工程结构、材料性能、施工环境等多方面参数的实时、连续监测，及时发现潜在的质量问题，为工程质量管控提供科学依据。因此，开展基于物联网技术的工程质量实时监测系统的设计与应用研究具有重要的现实意义。

一、物联网技术在工程质量监测中的优势与现状

1. 物联网技术的优势

物联网技术在工程质量监测中具有显著优势。从全面感知角度来看，它可以利用各种传感器对工程的多个关键部位和参数进行实时、全方位的监测。例如，在建筑工程中，可以通过应变传感器监测结构构件的应力变化，通过温湿度传感器监测施工环境的温湿度情况。这些传感器能够准确采集数据，为工程质量评估提供丰富的信息。在可靠传输方面，物联网采用多种通信技术，如ZigBee、LoRa、4G/5G 等，确保数据能够稳定、及时地传输到监测中心。即使在复杂的施工现场环境下，也能保证数据的准确送达。智能处理是物联网技术的核心优势之一，通过大数据分析、云计算和人工智能算法，可以对采集到的海量数据进行深度挖掘和分析，快速准确地判断工程质量状况，预测潜在的质量问题，为决策提供科学依据。

2. 工程质量监测现状分析

目前，工程质量监测存在诸多问题。监测手段相对落后，人工监测不仅效率低下，而且容易受到人为因素的影响，导致数据误差较大。例如，人工读数可能存在视觉误差，检测人员的专业水平和工作态度也会影响检测结果的准确性。监测数据缺乏有效的整合和分析。不同监测项目的数据往往分散存储，难以进行综合分析，无法全面反映工程的整体质量状况。传统监测方法无法实现实时预警，当发现质量问题时，可能已经对工程造成了一定的损害，增加了修复成本和安全风险。因此，迫切需要引入先进的物联网技术来改善工程质量监测现状。

二、工程质量实时监测系统的设计

1. 系统架构设计

工程质量实时监测系统主要由数据采集层、传输层、处理层和应用层构成。数据采集层是系统的基础，负责收集工程质量相关的数据。该层部署了各种类型的传感器，如应力传感器、位移传感器、振动传感器等，这些传感器安装在工程结构的关键部位，实时采集结构的力学性能、变形情况等数据。传输层的作用是将采集到的数据从现场传输到监测中心。根据施工现场的实际情况，可以选择合适的通信方式，如有线以太网、无线 Wi-Fi、ZigBee 等。处理层是系统的核心，主要对传输过来的数据进行处理和分析。它包括服务器、数据库和数据分析软件等，利用大数据分析和机器学习算法对数据进行清洗、挖掘和建模，提取有价值的信息。应用层则为用户提供直观的界面，方便用户查看监测数据、生成报表和进行决策。

2. 关键技术选型

在数据采集层，传感器的选型至关重要。应根据监测对象和参数的特点，选择精度高、稳定性好、抗干扰能力强的传感器。例如，对于长期监测的结构应力，应选用高精度、耐久性强的振弦式应变传感器；针对位移监测，可采用高分辨率的 GNSS 定位系统或光电式位移传感器。在传输层，为保障数据传输的稳定性与实时性，优先采用 4G/5G 蜂窝网络通信技术，其具备高速率、低时延及广覆盖的优势，适用于复杂施工现场环境；在局部短距离传输中，可结合LoRa 或 ZigBee 等低功耗无线技术实现多节点组网。处理层则依赖于大数据分析平台与云计算架构，通过分布式存储与并行计算提升数据处理效率。人工智能算法如深度神经网络（DNN）、支持向量机（SVM）及随机森林模型被引入数据分析流程，用于异常识别、趋势预测与风险评估，从而提升工程质量监测的智能化水平与决策支持能力。

三、基于物联网的工程质量实时监测系统的应用

1. 实际工程案例应用

以某大型桥梁工程为例，在该工程中应用了基于物联网技术的工程质量实时监测系统。在桥梁施工阶段，通过在桥墩、梁体等关键部位安装应变传感器、位移传感器和倾角传感器，实时监测桥梁结构的应力、变形和倾斜情况。在施工现场布置温湿度传感器和风速传感器，监测施工环境参数。数据通过 4G 网络实时传输到监测中心。在监测中心，利用大数据分析软件对数据进行处理和分析。通过对结构应力数据的分析，及时发现了桥墩局部应力过大的问题，通过调整施工工艺和加载顺序，避免了结构安全隐患。在桥梁运营阶段，系统持续对桥梁进行监测，为桥梁的养护和维修提供了科学依据。

2. 应用效果评估

通过实际工程案例的应用，该实时监测系统取得了显著的效果。在监测效率方面，系统实现了数据的实时采集和传输，大大缩短了监测周期，提高了监测工作的效率。与传统监测方法相比，监测频率从每周一次提高到实时监测，极大提升了对工程质量动态变化的掌控能力。在准确性方面，传感器的高精度采集和先进的数据处理算法保证了监测数据的准确性，能够及时发现微小的质量变化，误差控制在 ±1% 以内，满足高精度监测需求。在及时性方面，系统能够实时发出预警信息，当监测参数超过设定阈值时，立即通知相关人员采取措施，有效避免了质量事故的发生，预警响应时间控制在 5 秒以内，具备较强的实时性。此外，系统的应用还提高了工程质量管控的科学性和智能化水平，为工程建设和运营提供了有力保障。数据分析结果可自动生成报告并辅助决策，实现由经验判断向数据驱动管理的转变，显著提升工程管理效能。

结论

本研究成功设计并应用了基于物联网技术的工程质量实时监测系统。通过详细设计系统架构和选择合适的关键技术，实现了对工程质量多参数的实时、全面监测。实际工程案例应用表明，该系统在提高监测效率、准确性和及时性方面具有显著优势，能够有效提升工程质量管控水平。然而，在系统应用过程中，也存在一些问题需要进一步研究和解决，如传感器的长期稳定性、数据安全和隐私保护等。未来，应不断完善系统功能，加强与其他信息技术的融合，进一步拓展系统的应用范围，为工程质量监测提供更加可靠、智能的解决方案。

参考文献：

[1] 王瑞 , 张雨 , 刘彦明 , 等 . 基于物联网的地下工程安全监测云平台研发及系统集成[J]. 铁道标准设计 ,2024,68(06):129-136+170.

[2] 梁景明 . 基于物联网技术的建筑工程改造项目监理质量实时监控体系构建 [J]. 中国建筑金属结构 ,2025,24(09):82-84.

[3] 张艺文 . 数字化 + 物联网技术在桥梁施工管理中的应用研究 [D]. 中北大学 ,2024.