1. 土木工程系创新人才培养教育教学优秀示范案例

1.1 案例基本情况与背景

建设一流大学，核心是培养一流人才，关键要有一流专业。120余年来，河北工业大学始终坚持“学”的培养体系，追求“工”的实践成效，不断为“工学并举”这一“百廿老特色”注入“时代新内涵”。本案例提出了“理实融育、科研哺教、资源共享、产教协同”的土木类创新人才培养理念，立足“学”、融于“创”、扎根“工”，以思政先行，“中国建造”为牵引，以科研哺教、产教协同育人为纽带，以理实融育、资源共享培养学生创新思维和创新能力为核心，打造土木类人才“一体两翼多维”育人新格局，人才培养体系是基础，理论与实践教学两翼是支撑，政校企多维协同教学过程与管理机制是保障。

1.2 案例解决的教学问题

本案例依托完成的9项省级及教育部高等教育教学改革研究与实践项目，主要解决的教学问题和方法如下：

（1）以学生为中心、人才培养过程中各种因素分离，协同培养能力不足，难以实现人才培养规模化与个性化的统一问题。

（2）原有课程体系知识内容衔接不畅，不能完全满足创新人才的培养需求，学生解决复杂工程问题能力较差。

（3）以信息技术推动教学方法改革的优质课程资源短缺、学生泛在学习、个性化学习支持不足，影响学习内驱力。

（4）校内外、课内外政校企协同的学做互动、以赛促学综合类项目欠缺，学生创新能力培养薄弱。

针对以上问题，课题组教师真抓实干，坚持不懈地进行教学改革创新，围绕立德树人根本任务，构建土木类人才“一体两翼多维”育人新格局。有机的融入课程思政，通过创新使命塑造激发学生内驱力和创新思维的思政新模式；以高阶性、创新性和挑战度为课程建设标准，构建课程模块网状知识新体系；创新理论与实践教学过程，改革教学方式，构建学生“非线性学习”新路径；深度融合信息技术建设虚拟仿真课程资源，形成“虚实结合”的教学资源环境新生态；实施“三阶段”递进式的校内-校校-校企双导师指导学生的新机制，实现土木类创新人才育人新环境、人才培养新路径，学生“双创”能力培养的核心目标。

通过土木类人才“一体两翼多维”育人新格局的形成，更新了教学观念，实现了教学相长，取得如下标志性成果：河北省教学成果三等奖，校级教学成果一等奖，承担省部级以上教研教改项目 14 项，发表教研论文10余篇，核心教研论文1篇；申报国家级一流课程1门，省级一流课程2门，省级创新创业课程1门；省级教学团队1个，省级教学名师1位；教师能力大幅提高，在省级及校级教学竞赛中成绩突出，获得河北省高等学校课程思政教学竞赛一等奖，河北省高校教师教学创新大赛二等奖；学生科创能力显著提升，在一系列全国性科创大赛中成绩优异，获得我校历史上第一个“挑战杯”国赛一等奖的新突破，指导教师获得 “河北省优秀创新创业导师”荣誉称号。人才培养质量稳步提高，毕业生保研考研率保持在40%以上，专业建设第四次高质量通过中国工程教育认证。

1.3 案例解决教学问题的方法

为解决前述问题，秉承“理实融育、科研哺教、资源共享、产教协同”的土木类创新人才培养理念，综合实施了如下举措：

（1）构建政校企多维协同的共商共建人才培养新机制

从教育理论层面研究人才培养方案及其认知规律，探索政校企协同教学模式及实现路径等，实现以个性化培养、自主性选择、多元化发展为特征的协同培养模式，主要措施：整合名校名企名师力量全程参与人才培养各环节，扩展校企合作的广度和深度。成立专业建设指导委员会，每年一次会议，校企共同制定专业培养方案；建立校企双方介入的管理机构,实施学生分类发展、全程指导、全周期支持；针对土木类专业实践教学环节包括实验、认识实习、设计、生产实习和毕业设计等，共同负责制订实践教学相关管理制度和建设发展规划，形成全方位的监控、分析、反馈、改进等循环闭合的校企合作教学管理体系和运行机制。与央企、国企已签约42本科生实践基地，支撑基于工程实际的课程教学、实习实训、毕业设计等。

（2）创新人才培养方案与课程体系，构建分类发展、全程指导的多维协同人才培养新格局

建立理论与实践教学紧密结合，创新意识、创新思维、创新实践逐步推进的“四层次递进融合”人才培养方案。立足校企合作，重构专业基础课、专业核心课、专业实践课、创新创业课四个层次的理论与实践内容及课时，强化跨课程内容融合、跨学期虚实融合、跨地点产教融合，跨课堂科教融合四年递进式的教学内容及学分优化，经过校企-校校-校内多轮研讨修订形成了土木工程专业2023级本科人才培养方案、土木工程卓越计划2023级本科人才培养方案，本方案学分由178分修订为170学分，核心课程紧密协同设计类实践实现了 “多层次、立体化、模块化”融知识教育、能力训练和素质培养为一体的螺旋递进的培养新方案。

（3）优化课程内容，改革教学方法，形成高阶综合、多层次贯通融合与思政教育融合的新模式。

①以思政先行，“中国建造”为课程建设的切入点，全面深挖思政教育元素融合教学内容，保障育人目标的达成；立足跨课程内容融合、跨地点产教融合保障与行业前沿对接；将“传统教学”+“科研成果”创新融合提升学生敢于善于创新能力，形成通过创新使命塑造激发学生内驱力和创新思维的鲜明育人特色。建设了省级和校级5门课程思政示范课程，形成从知识传授和能力培养到价值塑造的延伸，培养具有家国情怀、使命担当的土木工程创新人才目标。

②创新课程内容设计，加强多学科多维度交叉融合，构建专业核心课程模块网状知识新体系。加强综合性探索性课程内容创新设计，提炼出基础理论知识、不同专业课程知识融合贯通的教学难点和创新点，设计综合性、探索性、开放性的核心课程群知识网状结构。建设了5门省级及校级一流课程将知识与能力打通，增强学生“树状”知识的关联能力，提高学生发现问题、解决问题的能力，综合运用所学知识探索新知识的能力和协同创新能力。

（4）深度融合信息技术的多样化教学资源环境新生态，全方位支持学生个性化发展。

①校企共建虚拟仿真实验教学示范中心，深化校内实验教学改革。投入250万建设了土木工程专业“云+端”物理空间实践教学实验室，形成了教学环境、课程资源、交互实践教学的能力支撑，沉浸\体验式实践教学课程管理系统支撑“云+端”综合应用。“土木工程专业沉浸式虚拟仿真实验室”2024年获批教育部高等学校虚拟仿真教学创新实验室项目，实验室建设推进了新一代信息技术和土木工程实践教学深度融合创新。

②校企合作开发 AR/VR/MR 虚拟仿真课程资源，将“知识、能力、素质”三个目标贯穿于虚拟仿真实践教学内容中，形成了理论教学与实践教学紧密融合，虚拟实验和实体实验有机结合，课程思政有机融合，以学生为中心，要素完整、创新凸显、环环相扣的5门虚拟仿真课程资源，增强了教学资源的多样性和时效性。2019年，“大跨度连续梁桥施工过程及其力学仿真”评审为国家级虚拟仿真实验项目。2023年，“混凝土3D打印与性能评价虚拟仿真实验”评审为省级一流课程，已推荐申报国家级一流课程。虚拟仿真实验活动已纳入课程学分，完善了学生多维评价机制。

③虚拟仿真实验教学同教师指导下的有组织课堂学习及学生线下自主学习相结合。依托“云+端”虚拟仿真实验室，实现了多样化实践教学场景中校内-校企-校校多维度教学交互指导模式、教学方法、教学评价和教学过程管理新模式。

（5）以创新能力提升为导向，实施 “三阶段”递进式的校企师资团队建设和学生指导新机制。

①“认识实习-生产实习-毕业设计”协同衔接，在工程实践中培养创新能力。依托企业现场资源和共建的实践基地，企业专家深度参与指导实习实训，加强学生工程实践能力的培养； 学生赴企业现场开展毕业设计，校企双导师协同培养学生的工程研究能力；校企合作多途径开展毕业生质量评价，实现专业培养质量的持续提升等。

②“大创项目-科创竞赛-校企课题”协同衔接，在科研实践中提升科创能力。以学生为中心，“一人一方案”进行科创实践。学生根据自己兴趣或导师课题，自主申报创新训练项目和参加科创竞赛，引导学生跨院系开展交叉学科研究；校企导师协同指导，提升学生科创能力，培养学术道德、团队合作等精神； 校企联合组织国际性学科竞赛，培养学生解决复杂工程问题的综合能力，近五年学生取得了显著的竞赛成绩，以赛促学，形成了学生自主创新能力培养新机制。

1.4 案例创新点

（1）育人理念创新：提出并实践了“理实融育、科研哺教、资源共享、产教协同”的创新人才培养理念

通过建立政校企多维协同的共商共建人才培养新机制，重构人才培养方案和课程体系完善机制、创新虚拟仿真教学资源生成机制、打造校企融合实践平台，形成以个性化培养、自主性选择、多元化发展为特征的协同培养模式，从而解决之前人才培养过程中多种要素分离，协同培养能力不足，因材施教的问题。

（2）培养路径创新：打造了土木类人才培养“一体两翼多维”育人新格局。

重构人才培养方案与课程体系，构建分类发展、全程指导的多维协同人才培养新模式；优化专业课程内容，改革教学方法，构建课程模块网状知识新体系；创新理论与实践教学过程，开发虚拟仿真课程资源，“虚实结合”将知识与能力打通，增强学生“树状”知识的关联能力，形成“树状”＋“网状”知识结构的“非线性学习”跃迁；实施 “三阶段”递进式的校企师资团队指导模式，引导学生多样化发展，探索出了土木类创新人才培养新模式，人才育人新环境的学生“双创”能力培养的新路径。

（3）教学环境创新：信息化技术与教育教学深度融合，构建教学资源环境新生态，全方位支持学生个性化发展。

以互联网、大数据、人工智能、BIM技术、虚拟现实技术为支撑，建立创新创业贯穿始终的全过程实践育人虚拟仿真实验室物理空间环境、虚拟仿真课程资源空间环境、校校-校内-校企交互指导的空间模式 ，形成了“三空间”智慧教学环境。以沉浸式体验实验过程和场景为核心特色，拓展实验教学内容的广度和深度，实现了深度学习、有效互动、注重生成相结合的有效教学方式的创新，激发了学生学习兴趣，培养了学生动手实践、工程意识和系统思维等能力。

1.5 改革成效及案例的推广应用效果

（1）教师全身心投入教学改革创新，成绩斐然

土木系教师主动进行课程和专业建设，乐于担任学生学术活动指导教师。本课题组成员申请并完成多项省级（14项）、校级（6项）教研项目，包括土木工程实验教学示范中心建设研究、校企合作土木工程专业实践教学模式研究、智能建造专业沉浸式虚拟仿真实验室建设、BIM智慧建造教学及实训课程建设、面向智能建造专业教师队伍创新团队建设研究等省部级教研项目。教研项目深耕教学领域的某一问题，与培养方案、课程改革相辅相成，实现教学成果的完善与统一。有力的支撑了专业建设，2020年土木工程专业已完成第四次住房和城乡建设部工程专业认证，有效期六年（2021-2026年）。

（2）学生综合能力提升，培养质量获得各界认可

显著增强了学生对土木工程专业持续学习的能力，学生各项实力稳步提升，毕业生保研考研率保持在40%以上，入职国企、央企的学生得到了高度认可。在的各类竞赛中，我院学生取得了突出的成绩，包括“挑战杯”、“互联网+”、“计算机设计大赛”、“ICAN大赛”等赛事中获得国家级奖项13项，省级奖项24项。2023年第十八届“挑战杯”全国大学生课外学术作品科技作品竞赛获国赛一等奖，实现了我校学生比赛获奖的新突破，指导教师获得 “河北省优秀创新创业导师”荣誉称号。

（3）推进优质教学资源共享，培养模式形成社会影响

课程建设显著度高：建立了以电子教案、电子图书、虚拟仿真平台、试题库、资料库为补充的立体化教材，形成了教师—学生—企业的无缝连接教学模式。混凝土3D打印与性能评价虚拟仿真实验获批河北省省级一流本科课程；土力学获批天津市一流本科课程；土木工程材料获批河北省2023年度创新创业课程；5门课程获批校级优质课程、一流本科课程。

课程思政成果丰硕：高等岩土力学获批2021年省级研究生课程思政示范课程；土木工程材料、基础工程（含地基处理）获批2021年度校级课程思政示范课程。

（4）产学研合作深化、引领和示范效应显著

校企深度协同育人成果突出：与央企、国企已签约42个本科生实践基地，聘请企业导师20位，支撑基于工程实际的课程教学、实习实训、毕业设计等。校企联合指导毕业设计，土木工程专业获校级毕业设计工作优秀专业。校企联合开发《混凝土智能设计与性能评价虚拟仿真实验》被河北省推荐申报国家级金课，课程面向智能建造、土木工程专业开设，每年培养本校本科生、硕博研究生800余人。本、硕、博学生通过平台，进行知识巩固和实践创新能力提升，提升学生实验水平和解决实际问题的综合能力。

2. 智能建造系创新人才培养教育教学优秀示范案例

2.1 项目简介

为适应我国智能建造和建筑工业化的需求，国家提出推进建造方式转型升级的战略思想。自2020年以来，住房和城乡建设部先后印发了《关于做好《建筑业10项新技术（2017版）》推广应用的通知》、《关于推动智能建造与建筑工业化协同发展的指导意见》、《关于加快推动制造服务业高质量发展的意见》、《智能建造与新型建筑工业化协同发展可复制经验做法清单（第一批）》等文件，提高对实现建筑工业化、数字化、智能化给予高度期望。预计到2025年，我国基本建成智能建造和建筑工业化协同发展的政策体系和产业体系，实现 “中国建造”升级版，到2035年，我国在智能建造与建筑工业化发展领域取得显著进展，全面实现建筑工业化，迈入智能建造强国行列。

数字孪生（Digital Twin）是充分利用物理模型、传感器更新、运行历史等数据，集成多学科、多物理量、多尺度、多概率的仿真过程，在虚拟空间中完成映射，从而反映相对应实体的全生命周期过程。应用数字孪生技术将极大程度地加快智能建造与建筑工业化。

图1 目前的钢筋加工模式

我国每年钢筋产量超过3亿吨，体量巨大，但传统钢筋加工仍以建筑工地上简单机器为主，呈现粗放型生产方式，劳动强度大、生产效率低。《建筑业10项新技术》将“建筑用成型钢筋制品加工与配送技术”列为10项新技术之一，《智能建造可复制做法清单》提到要实现钢筋网片自动加工。因此，钢筋智能化加工对实现智能建造和建筑工业化至关重要。钢筋智能化加工是指采用成套自动化钢筋加工设备和管理软件，经过合理的工艺流程，在固定的加工场所对钢筋进行集中加工成为工程所需成型钢筋制品，按照工程施工计划，最终现场装配的钢筋加工模式。

2.2 项目目的与意义

随着我国工业4.0发展，云计算、物联网、数字孪生技术等正广泛应用在传统制造行业智能化转型中，我国每年钢筋产量超过了3亿吨，体量巨大，但生产方式仍然是传统的工地上简单机器加工，劳动强度大，生产效率低。《建筑业10项新技术》将“建筑用成型钢筋制品加工与配送技术”列为10项新技术之一，《智能建造可复制做法清单》提到要实现钢筋网片自动加工。因此实现钢筋智能化加工是实现智能建造过程中必须跨过的一道难题。

应用数字孪生技术，搭建数字孪生云平台，企业可以方便的管理所有设备，三维数字孪生模型可以实时模拟机器以及生产线的使用和行为，管理人员能通过数字设备远程直观地了解设备运行情况。其次运用数字孪生技术，克隆出与之对应的生产设备和对应生产线，在虚拟世界可以进行各种创新性尝试与改革，如使用虚拟仿真模型帮助设计新的生产线或改良现有生产线，及早发现故障和瓶颈，在找到合适的解决方案前能够维持旧的生产线继续运行，减少研发经费的开销，大大减少试错的成本，具有很高的成本效益。

图2 数字孪生技术示意图

要实现数字孪生管控，物联网是十分重要的前提条件，要想通过数字孪生云平台对生产设备实现模拟和系统地管控，需要机器的实时数据和相应的传感器数据，通过信息技术实现生产环节，制造单元的物物互联有利于传统制造业生产模式的变革升级，实现企业国际化及现代化转型，物联网将是制造行业的下一发展方向。

AutoCAD（CAD）是Autodesk（欧特克）公司于1982年开发的自动计算机辅助设计软件，用于二维绘图、详细绘制、设计文档和基本三维设计，由于强大的绘图功能，CAD已成为目前最通用的2D绘图软件之一。CAD已广泛应用于钢筋生产中，用于绘制预生产钢筋2D图纸，各钢筋生产设备的参数均参照所给的CAD图纸进行设定而后生产。虽然自动化钢筋加工设备的生产效率较高，但大部分钢筋加工厂仍是依靠人工读取CAD钢筋图纸，手动输入并调整参数进行钢筋加工的生产方式，从CAD图纸到CAM钢筋加工设备的数据流动周期较长；加工质量很大程度上却决于人工读图的效果，自动化程度较低。

图3 传统钢筋加工技术示意图

针对上述问题，对CAD钢筋图纸翻译方法展开研究，实现建立一种CAD图纸自动翻译方法，能够加快数据流通速度，提高读图精，针对上述问题，对CAD钢筋图纸翻译方法展开研究，实现建立一种CAD图纸自动翻译方法，能够加快数据流通速度，提高读图精，真正实现钢筋智能化加工。

结合以上技术，智能钢筋加工数字孪生平台能够实现对生产加工设备的远程管控，实时直观地了解机器的运行状况，真正地实现钢筋智能化加工以及成品物料管理等全流程的自动化，智能化升级。

2.3 项目实施方案

1）完善数字孪生智能理解功能，实现对二维CAD图纸自动识别、箍筋类型和尺寸等信息智能提取的功能；

2）实现数字孪生智慧管理，监测生产全周期，调整优化生产过程，同时初步达成安全预警及远程控制的效果；

3）结合MES物料管理系统，进行钢筋加工生产效率及成本优化；

4）进行多种环境下的调试，对本团队的数字孪生技术进行进一步优化，初步实现数字孪生的智慧全检功能。

2.4 项目实施效果

该项目于2023年春季举行了结题答辩，期间获得学校团委、本科生院、学生处等管理机构的一致好评和肯定，并一致希望下届学生能够进一步把系统完善和继续深入做下去。同时，该项目积极参与学科竞赛，获得第八届“互联网+”大学生创新创业训练大赛国家级铜奖等奖项。

该系统的开发，打通设计到生产的最后一公里，真正实现从设计生产加工施工的高度一体化，也提高了智能建造专业在学校的知名度。

图4 本项目研制钢筋加工设备数字孪生大屏

2.5 存在问题与改进

钢筋网片加工后，通过拍摄图像处理检测钢筋网片质量仍未实现。一次性无法处理大数据量的钢筋图纸识别。未来我们将继续攻克技术难关，同时结合市场需求，不断调整技术方案。同时，在技术上，由于旨在解决目前传统的钢筋加工问题，本团队所做工作大多为原创性，结合AI、BOT、BIM 等技术进行软件开发、测试。因此商业实践中，产品的商业化落地以及和需求市场的结合是我们面临的最大问题，我们要动态把握客户的需求导向，不断解决生产中的实际问题。

3. 道路与桥梁渡河工程系创新人才培养教育教学优秀示范案例

3.1 项目简介

随着人工智能技术和计算机技术的发展，测绘遥感领域的智能化、自动化趋势愈发积极，继无人机遥感系统后，无人船遥感系统逐渐受到业内人士的关注。作为未来水上测绘的核心，无人船遥感系统发挥着重要的作用。无人船凭借其灵敏性强、隐蔽性高、运行速度快、方便快捷等优点可以被广泛地应用于军事和民用领域。

无人船是基于智能化控制技术和导航技术发展而来的一种船舶类型，以小型自主航行无人船为主，包括军事领域的侦察、反潜、反导等功能，维护海上安全。随着无人船技术的不断发展，现在无人船已经广泛应用于工业领域和民用领域，比如水下资源勘测、海洋环境巡查等。相对于传统船舶，无人船只需要操作人员进行远程控制，大大提高了操作人员的安全性，在一些高危险的海洋作业领域具有重大的应用潜力。

3.2 项目目的与意义

如今，无人船以无人化、集成化、自动化与智能化的信息获取方式，一方面为旅游行政管理部门和各旅游景区提供水下地形地貌测量、大坝安全监测、景区水体质量检测等多项应用服务功能。另一方面，可为相关部门科学决策提供详尽、准确的基础资料。眼下，国内无人船的主要用途与应用领域包括：高精度水下地形测绘、大坝堤防安全检测、水文信息自动化监测、水环境自动监测、灾害应急服务。

检测系统可以根据作业任务要求搭载外置摄像头、声呐、激光等多种检测传感器，执行任务期间可以排除人为晃动因素等干扰。实时传输并结合分析设备、软件来检查桥梁特殊重要构件的健康状况，了解桥梁特殊结构部位是否发生病害等情况。集实时数据展示，对水质分析评价，反馈到工作人员处可以快速高效的制定应对策略。

无人船(USV)是一种有动力、可控制、能够携带多种任务的设备，无人船在障碍物较多或航道拥挤的海域行驶时，潜水员无法到达，会给测量带来极大的限制，如果人工测量可以继续进行，那测量的精度也会大大下降，潜水员的安全也会受到威胁。复杂的航行环境对无人船提出更高的要求，本文在设计无人船自主导航系统时主要针对2个功能：一是自主避障功能，无人船可以自动监测航道内的障碍物，实现避障，保护自身安全，二是航线规划功能，通过合理的规划航线，在保证安全的前提下提高航行效率。

3.3 项目实施方案

（1）定点巡航：在基本的图传、手动控制基础上，利用航线规划，实现无人船自动航行，并执行拍照、录像等动作。高强不锈钢船身24V双桨超大电机组成无人船的躯干；

（2）精准取样：无人勘测船可对特定位置（定位偏差<2<>米）进行实体采样2组，且可将样本迅速转移至岸边并进行封存，以便后续检验。云卓H16地面站实时接收检测信息，支持拍照录像，完成数据传输，组成无人船的神经。4k相机捕捉检测细节，避障模块保障安全完成数据采集，组成无人船的器官。

（3）数据处理模块作为无人船的大脑，对检测结果实时分析，对桥墩危险及时预警。

（4）自主研发，无人船桥墩勘测系统：在净空不能满足无人机勘测的环境下，无人船凭借稳定且灵活的优势在低净空桥墩勘测中发挥重大作用，利用4K高清摄像机与裂缝识别系统可以准确的检测桥墩的使用状况与性能。

（5）快速响应及远程控制系统：通过远距离遥控结合飞控对船体全方位控制，不仅可以控制无人船航行与正常工作，并且可以远程修改无人船任务规划，完成其他检测任务。当无人船采集完毕数据时，还可对无人船上的数据进行拷贝和远程输送回指挥中心。

3.4 项目实施效果

该项目于2023年春季举行了结题答辩，期间获得学校团委、本科生院、学生处等管理机构的一致好评和肯定，一致希望团队成员能够进一步把系统完善和继续深入做下去。下表为本项目所产出的知识产权成果，包括发明专利、软件著作权和创业计划书各1项，同时获得第十六届iCAN大学生创新创业大赛省级三等奖。

表1 本项目所产出科研成果及奖项

发明专利	一种双桨共轴矢量喷水推动无人船装置
软件著作	无人船检测系统V1.0
创业计划书	无人船在桥梁检测中的应用
学科竞赛	第十六届iCAN大学生创新创业大赛省级三等奖

3.5 存在问题与改进

目前无人船绝大多数采用了基于载人船配置方式的常规设计，其作业方式、使用方式也极大程度上参考了常规海洋调测船的施工惯例和模式，无人船系统的操作性、稳定性很大程度上取决于船体性能、通信能力和自主控制精度，在导航精度、水质测量、无人船平台等方面还有诸多的问题。无人船还无法形成独立、完整的作业能力，因此现阶段无人船的运用是作为传统技术手段的复制和补充。

4. 道路与桥梁渡河工程系创新人才培养教育教学优秀示范案例-“诊桥护梦”—农村桥梁结构健康监测

4.1 项目简介

针对目前农村桥梁多而密集，乡村桥梁养护力度较弱，农村桥梁普遍存在结构问题急需健康监测的市场需求，本团队拟建立一套结合无人机，传感器，云平台三位一体的农村桥梁结构健康监测系统。目前团队已经初步搭建起云平台，做出具备可识别亚毫米级裂缝的图像识别技术的无人机，与传感器公司达成合作意向，实现了部分监测功能。本项目研究的总体目标是实现农村桥梁结构健康监测系统的基本功能并投入实际使用，致力于打造出契合乡桥的结构健康监测系统守护好承载着乡亲们求学致富梦的乡村桥梁。主要研究内容是完善云平台功能，提升无人机图像识别精度并降低制作成本，同时改进传感器全方位提升数据采集的精度和效率。

4.2 项目目的与意义

在我国，随着国民经济的飞速发展，矿山、水利、交通等基础设施建设方兴未艾。据初步统计，我国在交通运输方面的总投资达到了3.68万元。随着乡村基础设施的大力建设，亟需健康监测的道路桥梁数量日益增多。我国公路路网中在役桥梁40%服役超20年，技术等级为三、四类的带病桥梁达30%，危桥约5万座（多为乡村桥梁），存在严重的安全隐患，直接影响我国乡村道路桥梁的安全运行。目前，全国已有2000到3000座大桥采取了加装传感器进行安全监测，这一数据远超其他国家。而据估算，全国约有上万座大桥加装传感器，费用从百万元到千万元不等。

近期，《国家自然科学基金“十四五”发展规划》正式公布规划全文，其中土木工程基础设施智能化建造、安全服役与功能提升位于优先发展的115个领域之中，围绕土木工程全寿期安全保障与综合性能提升面临的关键问题，重点研究基础设施智能设计建造，高性能材料与结构一体化设计，复杂环境基础设施全寿期性能与韧性提升，既有土木工程结构智能诊断、运维保障与功能提升，高性能土木工程智能化、工业化与绿色化基础理论与关键技术，为国家重大战略基础设施建设提供重要科技支撑。

目前最主要的检测方式为人工检测，与人工检测相比，结构健康监测系统在很多功能方面有显著优势：第一，能够实时监测，第一时间发现结构损伤并预警；第二，能够量化结构损伤程度，监测结果可直观反应到系统平台中；第三，平时监测的数据对今后桥梁结构分析起到参考作用；第四，在监测中不影响公路桥梁的正常使用;第五,节约成本减少不必要的浪费。通过定期桥检,对比结构健康监测系统,可以看出来实施结构健康监测对于公路桥梁来说是非常必要的。由于结构健康监测能够为判断工程建筑物的安全性提供必要的信息，使得结构健康监测的意义更加重大。通过结构安全健康监测系统的建设及运行，可准确、全面掌握建筑物运营期的环境参数及结构响应参数，并通过数据的分析对建筑的使用状态和力学行为进行预警和初步评估，为建筑的安全运营提供有力的保障。结构健康监测系统能够建立一套完备、系统化、自动化、智能化的建筑整体结构健康监测、分析、预警、评估系统，专门针对建筑生命线和安全评估建立完备的安全风险防控体系。随着建筑结构健康检测系统的创新性发展，科技化、信息化、智能化、标准化技术监测、研判技术水平逐步提高，建筑的平均服役寿命将大幅提升，实现并不断完善健康综治管理体系和能力的现代化。

4.3 项目实施方案

1）对天津地区农村桥梁进行调研，并对其所在村庄村委会人员进行采访，了解目前乡桥的重要性；

2）在张俊飞老师的指导下进行初步的项目研发，包括数据采集传感器，特种四旋翼无人机与物联网平台软件系统三大部分；

3）利用se注意力机制改进yolov5目标检测算法，提高裂缝检测的精确度；

4）通过各种滤波算法降低数据传输中所受干扰，为物联网平台软件系统提高更精确的数据；

5）针对乡桥没有图纸的问题，我们采用无人机扫描建模，再进行传感器精确部点；

6）对河北工业大学3D打印赵州桥进行结构监测，并对天津市北辰区永清渠桥以及天津市北辰区郭辛庄村郭辛庄桥进行项目实践。

4.4 项目实施效果

1）河北工业大学3D打印赵州桥健康监测

于2022年7月21日，本团队针对河北工业大学的装配式混凝土3D打印赵州桥进行了实践监测，安装了83个温度传感器，45个加速度计，并配合使用无人机，一周定期巡查，采用自动模态识别程序每隔1小时对测得的加速度数据进行模态识别，利用一个月的实测数据，研究模态频率与温度的相关性，相关性分析采用线性、非线性回归模型和神经网络模型。得到如下统计数据。

图9 风速监测数据（左）；混凝土应变数据（右）

图10 3D打印赵州桥（左）；现场观察裂缝（右）

图11 3D打印赵州桥智能检测站（左）；安装好的位移传感器（右）

2）天津市北辰区双口镇永清渠桥监测

于2022年11月，在郭辛庄桥的试点取得初步成果后，本团队对天津市北辰区郭辛庄桥进行进一步跟进。本团队与村委会工作人员达成一致，持续引进本系统。除此之外，“诊桥护梦”队再出发，前往双口镇调研，这里有一条村民出行的必经要道——永清渠桥，由于常年受到荷载冲击和自然因素影响，为乡村通行埋下安全隐患。本团队实地测量数据，与当地负责人就桥梁养护问题进行技术交流。

图12 永清渠桥（左）；现场观察桥梁裂缝（右）

图13永清渠桥裂缝

图14 团队成员安装传感器

3）天津市北辰区郭辛庄村郭辛庄桥

为充分调研农村桥梁服役现状，“诊桥护梦”团队于2022年10月前往北辰区郭辛庄桥进行实地调研。郭辛庄桥位于郭辛庄村东跨北运河与天穆村相接，是两村往来的重要通道，具有50多年的历史。通过实地调研发现，由于常年交通服役且重载车辆磨损，桥面存在明显的裂缝，亟需进行健康监测。本团队与双口镇村委会取得联系，对于村委会工作人员进行了快速培训，建立一套桥梁监测系统，进行了2个月的试用，实时监测桥梁并给出评定报告。

图15 郭辛庄桥

图16 安装传感器（左）；现场观察桥梁裂缝（右）

4.5 存在问题与改进

我们的健康监测系统可以完成采集待测结构状态参数这一基本功能，但在如何有效分析、评估结构的健康状况方面（如结构累积损伤分析、剩余寿命评估、智能诊断等）还不太完善，这方面工作的实质性进展还有待于损伤识别理论的发展、新型损伤参考指标的发现以及对特定待测结构的更深入认识。另外智能监测传感器受天气和自身电池状态的影响，偶现数据传输延迟过大的问题，需要我们在以后的学习和研究中逐步改进和弥补。

单位审核人：李敏