Page 69 - 新时期安全工程技术发展与创新

第三章 新技术在工程安全中的应用

第二节 物联网技术的应用

一、传感器网络对结构健康状态的实时监测

结构健康监测（SHM）的核心目标在于获取结构物在服役环境下的真实响应，
评估其安全性与耐久性，传感器网络技术凭借其分布式感知、实时数据传输与智
能处理能力，已成为实现这一目标的关键支撑。传统人工巡检或单一传感器点式

监测方式，难以捕捉复杂结构的整体状态演变，易遗漏局部损伤信息且时效性不
足。传感器网络通过高密度布设各类感知单元，构建覆盖结构关键部位的神经末
梢，持续采集应力、应变、位移、振动、温度、湿度、腐蚀等多维物理参量。这
些海量实时数据流，为深入理解结构行为模式、识别早期损伤、预测剩余寿命提
供了前所未有的信息基础。

传感器网络的技术实现依托于感知层、传输层与处理层的协同架构。感知层
由多种微型化、智能化传感器节点构成，包括压电式加速度传感器、光纤光栅传
感器（FBG）、微机电系统（MEMS）传感器、声发射传感器、电阻应变片等。

压电加速度传感器对结构振动模态变化极为敏感，其宽频带响应特性适用于桥梁、
高层建筑的动力特性监测；光纤光栅传感器则凭借其抗电磁干扰、耐腐蚀、可实
现准分布式测量的优势，在大型土木工程如大坝、隧道、海洋平台的长期应变与
温度监测中占据主导地位。微机电技术的进步使得低成本、低功耗的 MEMS 加
速度计与倾角传感器得以大规模部署，极大提升了监测网络的覆盖密度与经济性。

网络拓扑结构的设计至关重要，直接影响系统的鲁棒性与能耗效率，星型、网状、
混合型拓扑各有适用场景：星型结构便于集中管理但依赖中心节点可靠性；网状
结构具备自组织与自愈能力，节点可通过多条路由传输数据，显著增强系统在局

部节点失效时的生存能力，特别适用于空间尺度大、环境复杂的监测对象；混合
型拓扑则试图在管理效率与网络韧性之间寻求平衡。
数据传输效率与可靠性是实时监测的生命线。无线传感网络（WSN）因
其部署灵活、扩展性强、无需复杂布线，在新建与既有结构监测中广泛应用。
ZigBee、LoRaWAN、NB-IoT 等低功耗广域网（LPWAN）协议，针对 SHM 场景

中数据速率要求适中但覆盖范围广、终端节点功耗敏感的特点进行了优化设计，
LoRaWAN 尤其以其超远距离通信能力和出色的穿墙性能见长。然而，对于超高

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