汪華文，胡 駿，秦明強，劉可心，余永升

(1.海工結(jié)構(gòu)新材料及維護加固技術(shù)湖北省重點實驗室，湖北 武漢 430040；2.中交武漢港灣工程設(shè)計研究院有限公司，湖北 武漢 430040；3.中交二航武漢港灣新材料有限公司，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

近10年來，混凝土行業(yè)開始了信息化變革，在攪拌站、施工企業(yè)、質(zhì)監(jiān)站等生產(chǎn)、行業(yè)主管部門均建設(shè)了相關(guān)信息化平臺，積累了大量數(shù)據(jù)[1-2]。但由于混凝土行業(yè)規(guī)模較大，數(shù)據(jù)具備廣泛性、實時性、分散性及非結(jié)構(gòu)性，因此，如何對數(shù)據(jù)價值進行挖掘，結(jié)合信息化、智能化工具提升混凝土行業(yè)技術(shù)是重難點，也是研究趨勢[3-4]。對當前已有混凝土信息化系統(tǒng)進行調(diào)研發(fā)現(xiàn)，現(xiàn)有混凝土信息化系統(tǒng)大多數(shù)是以流程為中心，將業(yè)務(wù)從線下轉(zhuǎn)移至線上，實現(xiàn)了表單電子化、業(yè)務(wù)數(shù)據(jù)化和存儲，并未對混凝土質(zhì)量方面進行系統(tǒng)分析。

針對當前混凝土信息化積累數(shù)據(jù)利用率不高、現(xiàn)場混凝土質(zhì)量管控手段薄弱的問題，結(jié)合2016-06—2019-06混凝土技術(shù)咨詢服務(wù)積累相關(guān)數(shù)據(jù)，開展了包括混凝土原材料、配合比、留樣強度質(zhì)量多維度的數(shù)據(jù)挖掘及分析，基于混凝土質(zhì)量規(guī)律分析成果，研究基于大數(shù)據(jù)的混凝土質(zhì)量分析及可視化技術(shù)，用于精準指導(dǎo)混凝土提質(zhì)增效。

1 混凝土大數(shù)據(jù)質(zhì)量管理

為解決混凝土不可見質(zhì)量問題，大數(shù)據(jù)分析整體技術(shù)路線采用問題導(dǎo)向模式，如圖1所示。大數(shù)據(jù)價值在于數(shù)據(jù)挖掘，通過大數(shù)據(jù)分析中分類、回歸、關(guān)聯(lián)規(guī)則、聚類、特性提取等類型的模型和算法[5]，對影響混凝土質(zhì)量的原材料類型及關(guān)鍵性能指標、配合比、生產(chǎn)管控等因素進行關(guān)聯(lián)性分析。

圖1 數(shù)據(jù)與質(zhì)量優(yōu)化問題導(dǎo)向關(guān)系

通過數(shù)據(jù)分析模型，建立模型與問題之間的相關(guān)性，由大數(shù)據(jù)分析結(jié)果提取各影響因素特征值，依據(jù)該特征值分析模型，對現(xiàn)場新的混凝土質(zhì)量數(shù)據(jù)進行智能化集成和判別。

2 混凝土質(zhì)量大數(shù)據(jù)分析

2.1 原材料

預(yù)拌混凝土成分復(fù)雜，材料來源及質(zhì)量狀況具有很強的地域性特點，選取黑龍江省、湖南省II級粉煤灰需水量比和燒失量進行統(tǒng)計分析(見表1)。由表1可知，數(shù)據(jù)表現(xiàn)出明顯的波動規(guī)律和地域性差異。

表1 黑龍江省、湖南省II級粉煤灰需水量比、燒失量統(tǒng)計結(jié)果(2016—2019年)

黑龍江省、湖南?、蚣壏勖夯倚杷勘绕骄捣謩e為97.05%，100.15%，燒失量平均值分別為3.52%，3.94%，各地同規(guī)格原材料關(guān)鍵性能指標表現(xiàn)出明顯的屬地化差異，需水量比標準差分別為5.73%，2.82%，燒失量標準差分別為2.46%，1.07%。同時，各原材料在相同屬地范圍內(nèi)隨著時間存在一定波動，變異系數(shù)較大，在相同配合比下，混凝土需水量會發(fā)生較大變化，對施工和質(zhì)量安全均有一定影響。

2.2 配合比

基于混凝土配合比原材料地域性差異的原因，同時實際工程中混凝土配合比通常是根據(jù)經(jīng)驗進行試配，雖在力學性能方面能滿足要求，但相同強度等級的單方混凝土膠凝材料用量、成本存在一定差異，易造成材料浪費[6]。

C30，C40，C50強度等級混凝土單方膠凝材料用量統(tǒng)計如圖2所示。由圖2可知，近4年混凝土總膠凝材料平均用量保持穩(wěn)定，但各強度等級混凝土總膠凝材料用量最大值和最小值差值在20～150kg/m3，優(yōu)化空間大，隨著生產(chǎn)和配制技術(shù)的不斷提高和優(yōu)化，各強度等級混凝土總膠凝材料用量差趨于收斂，且最大膠凝材料用量呈下降趨勢，整體上向優(yōu)質(zhì)、優(yōu)價方向發(fā)展。

圖2 C30，C40，C50強度等級混凝土膠凝材料用量統(tǒng)計

各省份C30，C40，C50強度等級混凝土2016-06—2019-06單方膠凝材料用量平均值如圖3所示。由圖3可知，基于原材料屬地化差異特點，各強度等級單方膠凝材料用量屬地化差異較大，各屬地內(nèi)部各工程項目單方膠凝材料用量差異較小，處于可控狀態(tài)。因此，在可視化技術(shù)層面配合比相關(guān)技術(shù)標準采用屬地化形式。

圖3 各省份C30，C40，C50強度等級混凝土單方膠凝材料用量平均值(2016—2019年)

2.3 混凝土強度

混凝土試塊強度分析標準需綜合考慮質(zhì)量安全與成本，結(jié)合在我國現(xiàn)行混凝士標準、規(guī)范中檢測評定混凝土強度的方法，基于各強度等級混凝土強度正態(tài)分布規(guī)律，提出混凝土試塊正態(tài)分布評分，方法如下。

1)若混凝土設(shè)計強度等級為fcu,k，按表2查得標準差σ，得出一條特定的正態(tài)分布曲線N(μ,σ2)，使試配強度x>fcu,k的概率P{x≥fcu,k}=95%(即強度保證率為95%)，混凝土強度區(qū)間如圖4所示，其中μ為該設(shè)計強度等級下的最佳試配強度，既滿足結(jié)構(gòu)安全性，也兼顧材料經(jīng)濟性。

表2 各強度等級混凝土標準差取值

圖4 混凝土強度區(qū)間

2)按混凝土正態(tài)分布N(μ,σ2)，找出若干個強度特征點。X0：使得P{x

3)若測試混凝土強度為c，依據(jù)特征點按表3劃分判定強度評分。

表3 各區(qū)間混凝土強度評分

按混凝土試塊正態(tài)分布評分方法，2016—2019年近4年C30，C40，C50，C60強度等級混凝土強度正態(tài)評分統(tǒng)計結(jié)果如圖5所示?？紤]混凝土施工性能、強度保障等因素，各低等級混凝土在配制時膠凝材料用量普遍偏高，因此高強度等級混凝土強度評分相對較高，但近4年評分呈下降趨勢。同時，對于C30，C40等低強度等級混凝土，其質(zhì)量、成本綜合性能呈上升趨勢。

圖5 混凝土強度正態(tài)評分

3 混凝土大數(shù)據(jù)可視化管控技術(shù)

3.1 質(zhì)量管控大屏結(jié)構(gòu)設(shè)計

混凝土可視化管控技術(shù)本質(zhì)即為將混凝土質(zhì)量問題數(shù)據(jù)化[7]，基于現(xiàn)有數(shù)據(jù)多維度分析結(jié)果，提出并研究質(zhì)量管理、項目實施兩級管理大屏?；谠牧?、配合比、強度等多方面的質(zhì)量特征值，建立對應(yīng)維度下的質(zhì)量標桿，以指導(dǎo)混凝土質(zhì)量優(yōu)化工作，結(jié)合信息化技術(shù)，對混凝土多方面質(zhì)量標桿信息進行動態(tài)統(tǒng)計、質(zhì)量預(yù)警，實現(xiàn)了混凝土生產(chǎn)全過程質(zhì)量定向管理和迭代優(yōu)化，如圖6所示。

圖6 混凝土大數(shù)據(jù)質(zhì)量管控可視化原理

3.2 原材料管控

大量試驗、工程案例證明，當前集料、礦物摻合料在規(guī)范允許范圍內(nèi)波動時，仍然會對混凝土施工性能、質(zhì)量安全造成一定影響[8-10]。因此，在當前信息化浪潮下，建立基于屬地化的各項原材料質(zhì)量特征值大數(shù)據(jù)統(tǒng)計，同時結(jié)合歷史數(shù)據(jù)、專家經(jīng)驗等，制定滿足混凝土勻質(zhì)性、施工穩(wěn)定性的原材料關(guān)鍵技術(shù)指標動態(tài)波動閾值，進行原材料質(zhì)量監(jiān)控。

以黑龍江省為例，統(tǒng)計各原材料關(guān)鍵性能指標均值，在所選時間范圍內(nèi)以季度為時間粒度，通過折線圖查看地方原材料質(zhì)量隨時間波動規(guī)律，如圖7a所示，同時統(tǒng)計該地區(qū)相關(guān)指標的上一季度均值作為屬地項目比對標準，賦予標準規(guī)范內(nèi)更小的波動閾值，如表4所示。根據(jù)波動閾值，設(shè)置各項目各原材料預(yù)警程序，建立材料波動可視化預(yù)警窗口，如圖7b所示。

表4 原材料關(guān)鍵性能指標波動閾值

圖7 原材料(粗集料)關(guān)鍵性能指標波動統(tǒng)計及質(zhì)量預(yù)警窗口

3.3 配合比優(yōu)化

基于前期混凝土配合比質(zhì)量特征值大數(shù)據(jù)分析顯示出的特征屬性，統(tǒng)計混凝土配合比近1年屬地、行業(yè)雙屬性下單方膠凝材料用量、28d強度、強度評分、單方材料總價的均值(見圖8)，作為各屬地化項目部的混凝土配合比質(zhì)量標桿，同時在后臺進行配合比詳細信息查詢，通過混凝土配合比經(jīng)驗進行數(shù)字化迭代升級，實現(xiàn)配合比動態(tài)、收斂式優(yōu)化。

圖8 混凝土屬地、行業(yè)雙屬性下配合比質(zhì)量標桿統(tǒng)計

3.4 強度管控

混凝土原材料質(zhì)量管控、配合比優(yōu)化最終結(jié)果體現(xiàn)在混凝土質(zhì)量安全、成本優(yōu)化的雙向提高，基于混凝土試塊正態(tài)分布評分規(guī)則，對企業(yè)整體及各項目混凝土試塊強度得分、混凝土大數(shù)據(jù)質(zhì)量管控可視化分析和優(yōu)化解決方案進行考量。強度管理模塊設(shè)置了1家企業(yè)近1年各強度等級混凝土試塊強度得分(見圖9a)，形成企業(yè)內(nèi)部混凝土提質(zhì)增效質(zhì)量標桿，同時，作為企業(yè)混凝土質(zhì)量管控的成果反饋。同時對各分子公司(項目部)各強度等級混凝土強度得分情況進行統(tǒng)計(見圖9b)，對低于企業(yè)平均水平的分子公司(項目部)進行預(yù)警，督導(dǎo)其優(yōu)化配合比。

圖9 企業(yè)及各項目部各強度等級下混凝土強度正態(tài)評分統(tǒng)計

4 工程應(yīng)用

對混凝土數(shù)據(jù)進行多維度分析，查找混凝土原材料、配合比、強度方面的質(zhì)量規(guī)律，同時通過混凝土駕駛管理艙、混凝土生產(chǎn)監(jiān)控管理可視化管理大屏(見圖10)，針對不同管理層級的需求得到混凝土數(shù)量、質(zhì)量、成本在多維度(時間、二級單位、地域等)下的質(zhì)量規(guī)律和標桿，并根據(jù)相關(guān)質(zhì)量標桿設(shè)置預(yù)警程序，對混凝土質(zhì)量進行動態(tài)管控和優(yōu)化。

圖10 數(shù)據(jù)可視化管理大屏

5 結(jié)語

1)各原材料在相同屬地范圍內(nèi)，隨著時間的變化存在一定波動，變異系數(shù)較大，在一定范圍內(nèi)波動，給混凝土施工性能、質(zhì)量均帶來一定風險。

2)結(jié)合混凝土單方膠凝材料用量及強度正態(tài)分布評分可知，當前各地混凝土配合比具有一定優(yōu)化空間。

3)混凝土原材料、配合比在質(zhì)量上呈現(xiàn)出明顯屬地化特性，對原材料、配合比特征值進行的大數(shù)據(jù)統(tǒng)計結(jié)果可作為質(zhì)量預(yù)警、動態(tài)質(zhì)量標桿，為項目、企業(yè)質(zhì)量成本優(yōu)化提供標準。

4)基于對混凝土質(zhì)量分析規(guī)律，結(jié)合數(shù)學建模和可視化技術(shù)，建立數(shù)據(jù)可視化管理大屏，實現(xiàn)了混凝土生產(chǎn)全過程質(zhì)量定向管理和優(yōu)化。