基于混凝土大數(shù)據(jù)的質(zhì)量管控技術(shù)探究

汪華文，吳柯，田維，胡駿，余永升

（1.海工結(jié)構(gòu)新材料及維護(hù)加固技術(shù)湖北省重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，湖北 武漢 430040；2.中交武漢港灣工程設(shè)計(jì)研究院有限公司，湖北 武漢 430040；3.中交第二航務(wù)工程局有限公司，湖北 武漢 430040；4.武漢理工大學(xué)材料科學(xué)與工程學(xué)院，湖北 武漢 430070）

0 引言

目前，常用混凝土信息化系統(tǒng)主要涵蓋了生產(chǎn)、物資、試驗(yàn)、運(yùn)輸、財(cái)務(wù)等模塊功能，多在商品混凝土攪拌站應(yīng)用。該類ERP（企業(yè)資源計(jì)劃）系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)了精細(xì)化、信息化管理，并未對混凝土原材料質(zhì)量的穩(wěn)定性、配合比的合理性等質(zhì)量方面進(jìn)行分析。

結(jié)合近3 a收集的混凝土生產(chǎn)全過程相關(guān)數(shù)據(jù)，開展包括混凝土原材料、配合比、生產(chǎn)管理、留樣強(qiáng)度等多維度的規(guī)律性分析，通過信息化、數(shù)據(jù)可視化、大數(shù)據(jù)技術(shù)與混凝土相結(jié)合，開發(fā)了混凝土智能監(jiān)控、原材料智能導(dǎo)航、配合比智能推送系統(tǒng)，提出了基于混凝土大數(shù)據(jù)的事前預(yù)防、事中監(jiān)控、事后溯源3個(gè)層面的質(zhì)量管控解決方案[1-8]。

1 混凝土質(zhì)量管理需求

采用調(diào)查問卷形式進(jìn)行行業(yè)、現(xiàn)場混凝土質(zhì)量管控現(xiàn)狀及管控需求，同時(shí)對混凝土信息化系統(tǒng)產(chǎn)品及工程應(yīng)用情況進(jìn)行調(diào)研，總結(jié)混凝土質(zhì)量管控信息化需求，主要包含以下方面：

1）原材料：各屬地原材料種類較多、性能指標(biāo)差異較大，且隨著傳統(tǒng)礦物原材料資源緊缺，其質(zhì)量穩(wěn)定性需要全過程實(shí)施管控。

2）配合比：大部分施工配合比強(qiáng)度較設(shè)計(jì)強(qiáng)度均有不同程度的富余，新型礦物摻合料使用無信息來源，需打破各工程項(xiàng)目配合比“信息孤島”，為配合比優(yōu)化提供參考。

3）信息化：混凝土的質(zhì)量管控需要質(zhì)檢、物資、管理層部門聯(lián)動(dòng)平臺(tái)化管理，同時(shí)需要挖掘數(shù)據(jù)價(jià)值，從各環(huán)節(jié)提供事前、事中的管控手段。

2 混凝土質(zhì)量管控方案

2.1 基于大數(shù)據(jù)質(zhì)量管控藍(lán)圖

以混凝土生產(chǎn)全過程完整數(shù)據(jù)鏈為基礎(chǔ)，基于對現(xiàn)有數(shù)據(jù)進(jìn)行多維度分析，提取包含原材料、配合比、生產(chǎn)、強(qiáng)度等多個(gè)方面的質(zhì)量規(guī)律及相關(guān)特征值，指導(dǎo)混凝土質(zhì)量管控方向。結(jié)合信息化、大數(shù)據(jù)分析技術(shù)，以實(shí)時(shí)統(tǒng)計(jì)混凝土質(zhì)量特征值作為質(zhì)量優(yōu)化動(dòng)態(tài)標(biāo)桿，作為各維度下質(zhì)量事中管控預(yù)警標(biāo)準(zhǔn)，同時(shí)對歷史數(shù)據(jù)進(jìn)行充分挖掘，開發(fā)基于人工智能的混凝土原材料資源導(dǎo)航、配合比智能推送等事前管控輔助工具，采集項(xiàng)目執(zhí)行混凝土質(zhì)量優(yōu)化管理措施后的質(zhì)量數(shù)據(jù)，混凝土質(zhì)量管理各方通過數(shù)據(jù)、管理的聯(lián)動(dòng)，建立混凝土生產(chǎn)全過程監(jiān)控管理信息系統(tǒng)，形成閉環(huán)的動(dòng)態(tài)質(zhì)量優(yōu)化方案。混凝土生產(chǎn)全過程監(jiān)控管理信息系統(tǒng)藍(lán)圖如圖1所示。

圖1 混凝土生產(chǎn)全過程監(jiān)控管理信息系統(tǒng)藍(lán)圖Fig.1 The blueprint of monitoring and management information system for the whole process of concrete production

2.2 標(biāo)準(zhǔn)化數(shù)據(jù)庫設(shè)計(jì)

混凝土信息化、智能化的基礎(chǔ)即是標(biāo)準(zhǔn)化數(shù)據(jù)庫的建設(shè)，重點(diǎn)在于包含所支持系統(tǒng)功能的全量數(shù)據(jù)，按照信息類型設(shè)計(jì)涵蓋數(shù)據(jù)類型、數(shù)據(jù)格式、數(shù)據(jù)長度、數(shù)據(jù)填寫規(guī)則等一系列具有完整數(shù)據(jù)鏈的各模塊數(shù)據(jù)庫，可在系統(tǒng)運(yùn)營期間進(jìn)行不斷地優(yōu)化數(shù)據(jù)庫結(jié)構(gòu)。本管理信息系統(tǒng)主要包括供應(yīng)商信息庫、原材料信息庫、配合比信息庫、生產(chǎn)信息庫、試塊強(qiáng)度信息庫、項(xiàng)目信息庫及其他信息庫等，具體內(nèi)容如表1所示。

表1 混凝土生產(chǎn)全過程監(jiān)控管理信息系統(tǒng)數(shù)據(jù)庫主要內(nèi)容Table 1 The main content of the database of monitoring and management information system for the whole process of concrete production

2.3 質(zhì)量監(jiān)控管理大屏

對混凝土數(shù)據(jù)進(jìn)行多維度的分析，建立混凝土原材料、配合比、生產(chǎn)、強(qiáng)度方面的質(zhì)量大數(shù)據(jù)分析模型，建立混凝土的數(shù)量、質(zhì)量、成本在多維度（時(shí)間、地域等）下的質(zhì)量規(guī)律和質(zhì)量標(biāo)桿，通過大屏BI（business intelligence）針對不同管理層級(jí)的管理需求進(jìn)行質(zhì)量數(shù)據(jù)的可視化，根據(jù)質(zhì)量標(biāo)桿設(shè)置預(yù)警程序，對混凝土質(zhì)量進(jìn)行動(dòng)態(tài)的管控和優(yōu)化，為質(zhì)量管理提供智慧決策。設(shè)計(jì)大屏內(nèi)容包括但不限于以下內(nèi)容：

1）項(xiàng)目整體情況：項(xiàng)目分布地圖、各項(xiàng)目類型混凝土方量占比、混凝土及原材料總方量、總用量走勢。

2）原材料：原材料關(guān)鍵性能指標(biāo)季度統(tǒng)計(jì)、各原材料用量地域分布、原材料質(zhì)量穩(wěn)定性超標(biāo)預(yù)警。

3）配合比：各強(qiáng)度等級(jí)配合比關(guān)鍵參數(shù)季度統(tǒng)計(jì)、各屬地各行業(yè)各強(qiáng)度等級(jí)混凝土配合比質(zhì)量均值（標(biāo)桿）。

4）生產(chǎn)：項(xiàng)目及總的生產(chǎn)方量及各等級(jí)超標(biāo)率、項(xiàng)目混凝土生產(chǎn)各原材料損耗情況、生產(chǎn)超標(biāo)預(yù)警、生產(chǎn)單項(xiàng)超標(biāo)預(yù)警（設(shè)備故障）。

5）強(qiáng)度：強(qiáng)度測試次數(shù)及不合格率、各項(xiàng)目各強(qiáng)度等級(jí)混凝土強(qiáng)度評分及合格率，強(qiáng)度不合格預(yù)警。

6）混凝土指數(shù)：混凝土數(shù)量指數(shù)、混凝土價(jià)格指數(shù)、混凝土質(zhì)量指數(shù)。

3 質(zhì)量管理智能輔助工具

3.1 原材料資源導(dǎo)航

開發(fā)了一種用于快速搜索混凝土原材料并基于位置信息的智能導(dǎo)航的輔助工具，主要包含用戶、供應(yīng)商2個(gè)模塊，通過表1中供應(yīng)商數(shù)據(jù)庫以及原材料2個(gè)數(shù)據(jù)庫的組合，基于用戶對原材料的需求，從質(zhì)量、成本、歷史供應(yīng)情況等多個(gè)維度進(jìn)行綜合篩選，各模塊主要功能如下：

供應(yīng)商模塊：各材料供應(yīng)商通過納稅人識(shí)別號(hào)進(jìn)行注冊，填寫供應(yīng)商基本信息，包括地理位置（通過GPS定位）、產(chǎn)能、出廠價(jià)、運(yùn)輸方式等，同時(shí)根據(jù)各原材料國標(biāo)規(guī)范要求填寫所供應(yīng)原材料的各項(xiàng)性能指標(biāo)，歷史供應(yīng)項(xiàng)目情況等信息，后期供應(yīng)商可對該模塊信息進(jìn)行修改。

用戶模塊：用戶根據(jù)項(xiàng)目地理位置進(jìn)行手動(dòng)或GPS定位，選擇所需原材料的名稱、規(guī)格、運(yùn)距范圍、供應(yīng)模式（直供或代理）、運(yùn)輸方式（陸運(yùn)或水運(yùn)），搜索符合條件的供應(yīng)商分布地圖及列表，從列表進(jìn)入可查看供應(yīng)商填報(bào)的相關(guān)信息。

原材料供應(yīng)商的選擇在于原材料質(zhì)量的穩(wěn)定性，資源導(dǎo)航地圖軟件有3項(xiàng)功能輔助采購決策：

1）對比功能，用戶在瀏覽各供應(yīng)商產(chǎn)品時(shí)可預(yù)選添加，進(jìn)入比對頁面，可對供應(yīng)商生產(chǎn)情況、材料性能指標(biāo)、價(jià)格等進(jìn)行詳細(xì)比對。

2）質(zhì)量波動(dòng)查詢：查詢某供應(yīng)商某產(chǎn)品的某項(xiàng)性能指標(biāo)同近2 a該供應(yīng)商該產(chǎn)品進(jìn)場檢測該性能指標(biāo)進(jìn)行比對，分析該產(chǎn)品質(zhì)量穩(wěn)定性。

3）大供應(yīng)商名錄：近3 a各類材料（水泥、粉煤灰、礦粉、外加劑等）的供應(yīng)商，按照供應(yīng)量的大小進(jìn)行排序，同一屏幕切換原材料種類。

3.2 配合比智能推送

基于混凝土配合比多維度特征值分析結(jié)果，結(jié)合配合比設(shè)計(jì)過程中3個(gè)階段，采用先多級(jí)匹配后綜合評定的推送原則，如圖2所示。采用地域、行業(yè)、使用部位、設(shè)計(jì)強(qiáng)度等級(jí)等作為一級(jí)匹配規(guī)則，再根據(jù)現(xiàn)場原材料資源、設(shè)計(jì)文件要求膠凝材料體系進(jìn)行二級(jí)匹配。通過一、二級(jí)匹配進(jìn)行初步篩選，后續(xù)設(shè)置配合比綜合推優(yōu)評價(jià)方法、個(gè)性化推送方法（包括膠材用量、配制時(shí)間、膠強(qiáng)比、絕熱溫升等）進(jìn)行滿足用戶需求的精確匹配，將混凝土配合比技術(shù)進(jìn)行數(shù)字化迭代升級(jí)，實(shí)現(xiàn)最優(yōu)配合比的智能推送。

圖2 配合比智能推送原則示意圖Fig.2 Schematic diagram of the principle of intelligent push of mix ratio

其中配合比綜合推優(yōu)評價(jià)采用綜合評分法，主要包含強(qiáng)度、耐久性、膠材用量3個(gè)分項(xiàng)，每個(gè)分項(xiàng)總分值采用專家評審確定并調(diào)整。

1）強(qiáng)度：依據(jù)混凝土設(shè)計(jì)強(qiáng)度等級(jí)為fcu,k，按表2查得標(biāo)準(zhǔn)差σ，得出1條特定的正態(tài)分布曲線N（μ，σ2），使得試配強(qiáng)度x大于fcu,k的概率P{x≥fcu,k}=95%（即強(qiáng)度保證率為95%），其中μ即為該設(shè)計(jì)強(qiáng)度等級(jí)下的最佳試配強(qiáng)度，既滿足結(jié)構(gòu)安全性，也兼顧材料經(jīng)濟(jì)性。

表2 各強(qiáng)度等級(jí)混凝土標(biāo)準(zhǔn)差取值Table 2 Standard deviation of concrete of each strength grade MPa

按混凝土正態(tài)分布N（μ，σ2）將找出下列若干個(gè)強(qiáng)度特征點(diǎn)：

X0：使得P{x＜X0}=5%

X1：使得P{x＜X1}=20%

X2：使得P{x＜X2}=40%

X3：使得P{x＜X3}=60%

X4：使得P{x＜X4}=80%

X5：使得P{x＜X5}=95%

若測試混凝土強(qiáng)度為c，依據(jù)特征點(diǎn)按表3劃分判定強(qiáng)度評分。

表3 各區(qū)間混凝土強(qiáng)度評分Table 3 Concrete strength score of each interval

2）耐久性評分步驟及原則如下，以下每條成立得1分，否則得0分：

①氯離子擴(kuò)散系數(shù)≤設(shè)計(jì)值（無設(shè)計(jì)要求則按成立算）

②抗凍等級(jí)≥設(shè)計(jì)值（無設(shè)計(jì)要求則按成立算）

③耐硫酸鹽侵蝕系數(shù)≥設(shè)計(jì)值（無設(shè)計(jì)要求則按成立算）

④電通量≤設(shè)計(jì)值（無設(shè)計(jì)要求則按成立算）

3）膠材用量

根據(jù)表1中混凝土配合比數(shù)據(jù)庫，按地域、工程類別、結(jié)構(gòu)部位、強(qiáng)度等級(jí)4個(gè)維度統(tǒng)計(jì)所有配合比膠材用量的平均值，低于該平均值10%得3分，低于該平均值5%得2分，低于該平均值得1分，高于數(shù)據(jù)庫平均值得0分。

4 結(jié)語

本文基于混凝土生產(chǎn)全過程質(zhì)量大數(shù)據(jù)的多維度分析規(guī)律，結(jié)合現(xiàn)場管控實(shí)際需求及信息化技術(shù)，提出了混凝土生產(chǎn)全過程監(jiān)控管理信息系統(tǒng)解決方案，目前在3個(gè)項(xiàng)目進(jìn)行試點(diǎn)。基于大數(shù)據(jù)對混凝土質(zhì)量管控技術(shù)進(jìn)行探究，研究表明：

1）混凝土質(zhì)量的管控涉及多方管理部門的協(xié)同合作，通過信息化數(shù)據(jù)平臺(tái)，依托數(shù)據(jù)庫的共建，在平臺(tái)上實(shí)現(xiàn)管理部門聯(lián)動(dòng)，提高管理質(zhì)效。

2）混凝土信息化、智能化的發(fā)展基礎(chǔ)是標(biāo)準(zhǔn)化的數(shù)據(jù)庫，但在數(shù)據(jù)的獲取方式、真實(shí)性方面需要進(jìn)一步的研究。

3）混凝土質(zhì)量管控的信息化技術(shù)核心在于通過積累歷史數(shù)據(jù)的大數(shù)據(jù)挖掘，將經(jīng)驗(yàn)轉(zhuǎn)化成知識(shí)（智能化算法），采用BI信息技術(shù)對混凝土的質(zhì)量進(jìn)行實(shí)時(shí)管控。

4）原材料資源導(dǎo)航、配合比智能推送對混凝土前期的管控能起到良好的質(zhì)量、經(jīng)濟(jì)效益，是一種全新的技術(shù)途徑。