基于混凝土大数据的质量管控技术探究

汪华文，吴柯，田维，胡骏，余永升

（1.海工结构新材料及维护加固技术湖北省重点实验室，湖北 武汉 430040；2.中交武汉港湾工程设计研究院有限公司，湖北 武汉 430040；3.中交第二航务工程局有限公司，湖北 武汉 430040；4.武汉理工大学材料科学与工程学院，湖北 武汉 430070）

0 引言

目前，常用混凝土信息化系统主要涵盖了生产、物资、试验、运输、财务等模块功能，多在商品混凝土搅拌站应用。该类ERP（企业资源计划）系统实现了精细化、信息化管理，并未对混凝土原材料质量的稳定性、配合比的合理性等质量方面进行分析。

结合近3 a收集的混凝土生产全过程相关数据，开展包括混凝土原材料、配合比、生产管理、留样强度等多维度的规律性分析，通过信息化、数据可视化、大数据技术与混凝土相结合，开发了混凝土智能监控、原材料智能导航、配合比智能推送系统，提出了基于混凝土大数据的事前预防、事中监控、事后溯源3个层面的质量管控解决方案[1-8]。

1 混凝土质量管理需求

采用调查问卷形式进行行业、现场混凝土质量管控现状及管控需求，同时对混凝土信息化系统产品及工程应用情况进行调研，总结混凝土质量管控信息化需求，主要包含以下方面：

1）原材料：各属地原材料种类较多、性能指标差异较大，且随着传统矿物原材料资源紧缺，其质量稳定性需要全过程实施管控。

2）配合比：大部分施工配合比强度较设计强度均有不同程度的富余，新型矿物掺合料使用无信息来源，需打破各工程项目配合比“信息孤岛”，为配合比优化提供参考。

3）信息化：混凝土的质量管控需要质检、物资、管理层部门联动平台化管理，同时需要挖掘数据价值，从各环节提供事前、事中的管控手段。

2 混凝土质量管控方案

2.1 基于大数据质量管控蓝图

以混凝土生产全过程完整数据链为基础，基于对现有数据进行多维度分析，提取包含原材料、配合比、生产、强度等多个方面的质量规律及相关特征值，指导混凝土质量管控方向。结合信息化、大数据分析技术，以实时统计混凝土质量特征值作为质量优化动态标杆，作为各维度下质量事中管控预警标准，同时对历史数据进行充分挖掘，开发基于人工智能的混凝土原材料资源导航、配合比智能推送等事前管控辅助工具，采集项目执行混凝土质量优化管理措施后的质量数据，混凝土质量管理各方通过数据、管理的联动，建立混凝土生产全过程监控管理信息系统，形成闭环的动态质量优化方案。混凝土生产全过程监控管理信息系统蓝图如图1所示。

图1 混凝土生产全过程监控管理信息系统蓝图Fig.1 The blueprint of monitoring and management information system for the whole process of concrete production

2.2 标准化数据库设计

混凝土信息化、智能化的基础即是标准化数据库的建设，重点在于包含所支持系统功能的全量数据，按照信息类型设计涵盖数据类型、数据格式、数据长度、数据填写规则等一系列具有完整数据链的各模块数据库，可在系统运营期间进行不断地优化数据库结构。本管理信息系统主要包括供应商信息库、原材料信息库、配合比信息库、生产信息库、试块强度信息库、项目信息库及其他信息库等，具体内容如表1所示。

表1 混凝土生产全过程监控管理信息系统数据库主要内容Table 1 The main content of the database of monitoring and management information system for the whole process of concrete production

2.3 质量监控管理大屏

对混凝土数据进行多维度的分析，建立混凝土原材料、配合比、生产、强度方面的质量大数据分析模型，建立混凝土的数量、质量、成本在多维度（时间、地域等）下的质量规律和质量标杆，通过大屏BI（business intelligence）针对不同管理层级的管理需求进行质量数据的可视化，根据质量标杆设置预警程序，对混凝土质量进行动态的管控和优化，为质量管理提供智慧决策。设计大屏内容包括但不限于以下内容：

1）项目整体情况：项目分布地图、各项目类型混凝土方量占比、混凝土及原材料总方量、总用量走势。

2）原材料：原材料关键性能指标季度统计、各原材料用量地域分布、原材料质量稳定性超标预警。

3）配合比：各强度等级配合比关键参数季度统计、各属地各行业各强度等级混凝土配合比质量均值（标杆）。

4）生产：项目及总的生产方量及各等级超标率、项目混凝土生产各原材料损耗情况、生产超标预警、生产单项超标预警（设备故障）。

5）强度：强度测试次数及不合格率、各项目各强度等级混凝土强度评分及合格率，强度不合格预警。

6）混凝土指数：混凝土数量指数、混凝土价格指数、混凝土质量指数。

3 质量管理智能辅助工具

3.1 原材料资源导航

开发了一种用于快速搜索混凝土原材料并基于位置信息的智能导航的辅助工具，主要包含用户、供应商2个模块，通过表1中供应商数据库以及原材料2个数据库的组合，基于用户对原材料的需求，从质量、成本、历史供应情况等多个维度进行综合筛选，各模块主要功能如下：

供应商模块：各材料供应商通过纳税人识别号进行注册，填写供应商基本信息，包括地理位置（通过GPS定位）、产能、出厂价、运输方式等，同时根据各原材料国标规范要求填写所供应原材料的各项性能指标，历史供应项目情况等信息，后期供应商可对该模块信息进行修改。

用户模块：用户根据项目地理位置进行手动或GPS定位，选择所需原材料的名称、规格、运距范围、供应模式（直供或代理）、运输方式（陆运或水运），搜索符合条件的供应商分布地图及列表，从列表进入可查看供应商填报的相关信息。

原材料供应商的选择在于原材料质量的稳定性，资源导航地图软件有3项功能辅助采购决策：

1）对比功能，用户在浏览各供应商产品时可预选添加，进入比对页面，可对供应商生产情况、材料性能指标、价格等进行详细比对。

2）质量波动查询：查询某供应商某产品的某项性能指标同近2 a该供应商该产品进场检测该性能指标进行比对，分析该产品质量稳定性。

3）大供应商名录：近3 a各类材料（水泥、粉煤灰、矿粉、外加剂等）的供应商，按照供应量的大小进行排序，同一屏幕切换原材料种类。

3.2 配合比智能推送

基于混凝土配合比多维度特征值分析结果，结合配合比设计过程中3个阶段，采用先多级匹配后综合评定的推送原则，如图2所示。采用地域、行业、使用部位、设计强度等级等作为一级匹配规则，再根据现场原材料资源、设计文件要求胶凝材料体系进行二级匹配。通过一、二级匹配进行初步筛选，后续设置配合比综合推优评价方法、个性化推送方法（包括胶材用量、配制时间、胶强比、绝热温升等）进行满足用户需求的精确匹配，将混凝土配合比技术进行数字化迭代升级，实现最优配合比的智能推送。

图2 配合比智能推送原则示意图Fig.2 Schematic diagram of the principle of intelligent push of mix ratio

其中配合比综合推优评价采用综合评分法，主要包含强度、耐久性、胶材用量3个分项，每个分项总分值采用专家评审确定并调整。

1）强度：依据混凝土设计强度等级为fcu,k，按表2查得标准差σ，得出1条特定的正态分布曲线N（μ，σ2），使得试配强度x大于fcu,k的概率P{x≥fcu,k}=95%（即强度保证率为95%），其中μ即为该设计强度等级下的最佳试配强度，既满足结构安全性，也兼顾材料经济性。

表2 各强度等级混凝土标准差取值Table 2 Standard deviation of concrete of each strength grade MPa

按混凝土正态分布N（μ，σ2）将找出下列若干个强度特征点：

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%

若测试混凝土强度为c，依据特征点按表3划分判定强度评分。

表3 各区间混凝土强度评分Table 3 Concrete strength score of each interval

2）耐久性评分步骤及原则如下，以下每条成立得1分，否则得0分：

①氯离子扩散系数≤设计值（无设计要求则按成立算）

②抗冻等级≥设计值（无设计要求则按成立算）

③耐硫酸盐侵蚀系数≥设计值（无设计要求则按成立算）

④电通量≤设计值（无设计要求则按成立算）

3）胶材用量

根据表1中混凝土配合比数据库，按地域、工程类别、结构部位、强度等级4个维度统计所有配合比胶材用量的平均值，低于该平均值10%得3分，低于该平均值5%得2分，低于该平均值得1分，高于数据库平均值得0分。

4 结语

本文基于混凝土生产全过程质量大数据的多维度分析规律，结合现场管控实际需求及信息化技术，提出了混凝土生产全过程监控管理信息系统解决方案，目前在3个项目进行试点。基于大数据对混凝土质量管控技术进行探究，研究表明：

1）混凝土质量的管控涉及多方管理部门的协同合作，通过信息化数据平台，依托数据库的共建，在平台上实现管理部门联动，提高管理质效。

2）混凝土信息化、智能化的发展基础是标准化的数据库，但在数据的获取方式、真实性方面需要进一步的研究。

3）混凝土质量管控的信息化技术核心在于通过积累历史数据的大数据挖掘，将经验转化成知识（智能化算法），采用BI信息技术对混凝土的质量进行实时管控。

4）原材料资源导航、配合比智能推送对混凝土前期的管控能起到良好的质量、经济效益，是一种全新的技术途径。