基于混凝土大數據的質量管控技術探究

汪華文，吳柯，田維，胡駿，余永升

（1.海工結構新材料及維護加固技術湖北省重點實驗室，湖北 武漢 430040；2.中交武漢港灣工程設計研究院有限公司，湖北 武漢 430040；3.中交第二航務工程局有限公司，湖北 武漢 430040；4.武漢理工大學材料科學與工程學院，湖北 武漢 430070）

0 引言

目前，常用混凝土信息化系統主要涵蓋了生產、物資、試驗、運輸、財務等模塊功能，多在商品混凝土攪拌站應用。該類ERP（企業資源計劃）系統實現了精細化、信息化管理，并未對混凝土原材料質量的穩定性、配合比的合理性等質量方面進行分析。

結合近3 a收集的混凝土生產全過程相關數據，開展包括混凝土原材料、配合比、生產管理、留樣強度等多維度的規律性分析，通過信息化、數據可視化、大數據技術與混凝土相結合，開發了混凝土智能監控、原材料智能導航、配合比智能推送系統，提出了基于混凝土大數據的事前預防、事中監控、事后溯源3個層面的質量管控解決方案[1-8]。

1 混凝土質量管理需求

采用調查問卷形式進行行業、現場混凝土質量管控現狀及管控需求，同時對混凝土信息化系統產品及工程應用情況進行調研，總結混凝土質量管控信息化需求，主要包含以下方面：

1）原材料：各屬地原材料種類較多、性能指標差異較大，且隨著傳統礦物原材料資源緊缺，其質量穩定性需要全過程實施管控。

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

3）信息化：混凝土的質量管控需要質檢、物資、管理層部門聯動平臺化管理，同時需要挖掘數據價值，從各環節提供事前、事中的管控手段。

2 混凝土質量管控方案

2.1 基于大數據質量管控藍圖

以混凝土生產全過程完整數據鏈為基礎，基于對現有數據進行多維度分析，提取包含原材料、配合比、生產、強度等多個方面的質量規律及相關特征值，指導混凝土質量管控方向。結合信息化、大數據分析技術，以實時統計混凝土質量特征值作為質量優化動態標桿，作為各維度下質量事中管控預警標準，同時對歷史數據進行充分挖掘，開發基于人工智能的混凝土原材料資源導航、配合比智能推送等事前管控輔助工具，采集項目執行混凝土質量優化管理措施后的質量數據，混凝土質量管理各方通過數據、管理的聯動，建立混凝土生產全過程監控管理信息系統，形成閉環的動態質量優化方案。混凝土生產全過程監控管理信息系統藍圖如圖1所示。

圖1 混凝土生產全過程監控管理信息系統藍圖Fig.1 The blueprint of monitoring and management information system for the whole process of concrete production

2.2 標準化數據庫設計

混凝土信息化、智能化的基礎即是標準化數據庫的建設，重點在于包含所支持系統功能的全量數據，按照信息類型設計涵蓋數據類型、數據格式、數據長度、數據填寫規則等一系列具有完整數據鏈的各模塊數據庫，可在系統運營期間進行不斷地優化數據庫結構。本管理信息系統主要包括供應商信息庫、原材料信息庫、配合比信息庫、生產信息庫、試塊強度信息庫、項目信息庫及其他信息庫等，具體內容如表1所示。

表1 混凝土生產全過程監控管理信息系統數據庫主要內容Table 1 The main content of the database of monitoring and management information system for the whole process of concrete production

2.3 質量監控管理大屏

對混凝土數據進行多維度的分析，建立混凝土原材料、配合比、生產、強度方面的質量大數據分析模型，建立混凝土的數量、質量、成本在多維度（時間、地域等）下的質量規律和質量標桿，通過大屏BI（business intelligence）針對不同管理層級的管理需求進行質量數據的可視化，根據質量標桿設置預警程序，對混凝土質量進行動態的管控和優化，為質量管理提供智慧決策。設計大屏內容包括但不限于以下內容：

1）項目整體情況：項目分布地圖、各項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：原材料關鍵性能指標季度統計、各原材料用量地域分布、原材料質量穩定性超標預警。

3）配合比：各強度等級配合比關鍵參數季度統計、各屬地各行業各強度等級混凝土配合比質量均值（標桿）。

4）生產：項目及總的生產方量及各等級超標率、項目混凝土生產各原材料損耗情況、生產超標預警、生產單項超標預警（設備故障）。

5）強度：強度測試次數及不合格率、各項目各強度等級混凝土強度評分及合格率，強度不合格預警。

6）混凝土指數：混凝土數量指數、混凝土價格指數、混凝土質量指數。

3 質量管理智能輔助工具

3.1 原材料資源導航

開發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航的輔助工具，主要包含用戶、供應商2個模塊，通過表1中供應商數據庫以及原材料2個數據庫的組合，基于用戶對原材料的需求，從質量、成本、歷史供應情況等多個維度進行綜合篩選，各模塊主要功能如下：

供應商模塊：各材料供應商通過納稅人識別號進行注冊，填寫供應商基本信息，包括地理位置（通過GPS定位）、產能、出廠價、運輸方式等，同時根據各原材料國標規范要求填寫所供應原材料的各項性能指標，歷史供應項目情況等信息，后期供應商可對該模塊信息進行修改。

用戶模塊：用戶根據項目地理位置進行手動或GPS定位，選擇所需原材料的名稱、規格、運距范圍、供應模式（直供或代理）、運輸方式（陸運或水運），搜索符合條件的供應商分布地圖及列表，從列表進入可查看供應商填報的相關信息。

原材料供應商的選擇在于原材料質量的穩定性，資源導航地圖軟件有3項功能輔助采購決策：

1）對比功能，用戶在瀏覽各供應商產品時可預選添加，進入比對頁面，可對供應商生產情況、材料性能指標、價格等進行詳細比對。

2）質量波動查詢：查詢某供應商某產品的某項性能指標同近2 a該供應商該產品進場檢測該性能指標進行比對，分析該產品質量穩定性。

3）大供應商名錄：近3 a各類材料（水泥、粉煤灰、礦粉、外加劑等）的供應商，按照供應量的大小進行排序，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果，結合配合比設計過程中3個階段，采用先多級匹配后綜合評定的推送原則，如圖2所示。采用地域、行業、使用部位、設計強度等級等作為一級匹配規則，再根據現場原材料資源、設計文件要求膠凝材料體系進行二級匹配。通過一、二級匹配進行初步篩選，后續設置配合比綜合推優評價方法、個性化推送方法（包括膠材用量、配制時間、膠強比、絕熱溫升等）進行滿足用戶需求的精確匹配，將混凝土配合比技術進行數字化迭代升級，實現最優配合比的智能推送。

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評價采用綜合評分法，主要包含強度、耐久性、膠材用量3個分項，每個分項總分值采用專家評審確定并調整。

1）強度：依據混凝土設計強度等級為fcu,k，按表2查得標準差σ，得出1條特定的正態分布曲線N（μ，σ2），使得試配強度x大于fcu,k的概率P{x≥fcu,k}=95%（即強度保證率為95%），其中μ即為該設計強度等級下的最佳試配強度，既滿足結構安全性，也兼顧材料經濟性。

表2 各強度等級混凝土標準差取值Table 2 Standard deviation of concrete of each strength grade MPa

按混凝土正態分布N（μ，σ2）將找出下列若干個強度特征點：

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%

若測試混凝土強度為c，依據特征點按表3劃分判定強度評分。

表3 各區間混凝土強度評分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氯離子擴散系數≤設計值（無設計要求則按成立算）

②抗凍等級≥設計值（無設計要求則按成立算）

③耐硫酸鹽侵蝕系數≥設計值（無設計要求則按成立算）

④電通量≤設計值（無設計要求則按成立算）

3）膠材用量

根據表1中混凝土配合比數據庫，按地域、工程類別、結構部位、強度等級4個維度統計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，高于數據庫平均值得0分。

4 結語

本文基于混凝土生產全過程質量大數據的多維度分析規律，結合現場管控實際需求及信息化技術，提出了混凝土生產全過程監控管理信息系統解決方案，目前在3個項目進行試點。基于大數據對混凝土質量管控技術進行探究，研究表明：

1）混凝土質量的管控涉及多方管理部門的協同合作，通過信息化數據平臺，依托數據庫的共建，在平臺上實現管理部門聯動，提高管理質效。

2）混凝土信息化、智能化的發展基礎是標準化的數據庫，但在數據的獲取方式、真實性方面需要進一步的研究。

3）混凝土質量管控的信息化技術核心在于通過積累歷史數據的大數據挖掘，將經驗轉化成知識（智能化算法），采用BI信息技術對混凝土的質量進行實時管控。

4）原材料資源導航、配合比智能推送對混凝土前期的管控能起到良好的質量、經濟效益，是一種全新的技術途徑。