基于大數據可視化的混凝土質量分析及應用系統研究*

汪華文，胡 駿，秦明強，劉可心，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，混凝土行業開始了信息化變革，在攪拌站、施工企業、質監站等生產、行業主管部門均建設了相關信息化平臺，積累了大量數據[1-2]。但由于混凝土行業規模較大，數據具備廣泛性、實時性、分散性及非結構性，因此，如何對數據價值進行挖掘，結合信息化、智能化工具提升混凝土行業技術是重難點，也是研究趨勢[3-4]。對當前已有混凝土信息化系統進行調研發現，現有混凝土信息化系統大多數是以流程為中心，將業務從線下轉移至線上，實現了表單電子化、業務數據化和存儲，并未對混凝土質量方面進行系統分析。

針對當前混凝土信息化積累數據利用率不高、現場混凝土質量管控手段薄弱的問題，結合2016-06—2019-06混凝土技術咨詢服務積累相關數據，開展了包括混凝土原材料、配合比、留樣強度質量多維度的數據挖掘及分析，基于混凝土質量規律分析成果，研究基于大數據的混凝土質量分析及可視化技術，用于精準指導混凝土提質增效。

1 混凝土大數據質量管理

為解決混凝土不可見質量問題，大數據分析整體技術路線采用問題導向模式，如圖1所示。大數據價值在于數據挖掘，通過大數據分析中分類、回歸、關聯規則、聚類、特性提取等類型的模型和算法[5]，對影響混凝土質量的原材料類型及關鍵性能指標、配合比、生產管控等因素進行關聯性分析。

圖1 數據與質量優化問題導向關系

通過數據分析模型，建立模型與問題之間的相關性，由大數據分析結果提取各影響因素特征值，依據該特征值分析模型，對現場新的混凝土質量數據進行智能化集成和判別。

2 混凝土質量大數據分析

2.1 原材料

預拌混凝土成分復雜，材料來源及質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計分析(見表1)。由表1可知，數據表現出明顯的波動規律和地域性差異。

表1 黑龍江省、湖南省II級粉煤灰需水量比、燒失量統計結果(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%，各地同規格原材料關鍵性能指標表現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隨著時間存在一定波動，變異系數較大，在相同配合比下，混凝土需水量會發生較大變化，對施工和質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經驗進行試配，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，優化空間大，隨著生產和配制技術的不斷提高和優化，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，整體上向優質、優價方向發展。

圖2 C30，C40，C50強度等級混凝土膠凝材料用量統計

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，各屬地內部各工程項目單方膠凝材料用量差異較小，處于可控狀態。因此，在可視化技術層面配合比相關技術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量安全與成本，結合在我國現行混凝士標準、規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分布規律，提出混凝土試塊正態分布評分，方法如下。

1)若混凝土設計強度等級為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%)，混凝土強度區間如圖4所示，其中μ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

圖4 混凝土強度區間

2)按混凝土正態分布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

按混凝土試塊正態分布評分方法，2016—2019年近4年C30，C40，C50，C60強度等級混凝土強度正態評分統計結果如圖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，其質量、成本綜合性能呈上升趨勢。

圖5 混凝土強度正態評分

3 混凝土大數據可視化管控技術

3.1 質量管控大屏結構設計

混凝土可視化管控技術本質即為將混凝土質量問題數據化[7]，基于現有數據多維度分析結果，提出并研究質量管理、項目實施兩級管理大屏?；谠牧?、配合比、強度等多方面的質量特征值，建立對應維度下的質量標桿，以指導混凝土質量優化工作，結合信息化技術，對混凝土多方面質量標桿信息進行動態統計、質量預警，實現了混凝土生產全過程質量定向管理和迭代優化，如圖6所示。

圖6 混凝土大數據質量管控可視化原理

3.2 原材料管控

大量試驗、工程案例證明，當前集料、礦物摻合料在規范允許范圍內波動時，仍然會對混凝土施工性能、質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量特征值大數據統計，同時結合歷史數據、專家經驗等，制定滿足混凝土勻質性、施工穩定性的原材料關鍵技術指標動態波動閾值，進行原材料質量監控。

以黑龍江省為例，統計各原材料關鍵性能指標均值，在所選時間范圍內以季度為時間粒度，通過折線圖查看地方原材料質量隨時間波動規律，如圖7a所示，同時統計該地區相關指標的上一季度均值作為屬地項目比對標準，賦予標準規范內更小的波動閾值，如表4所示。根據波動閾值，設置各項目各原材料預警程序，建立材料波動可視化預警窗口，如圖7b所示。

表4 原材料關鍵性能指標波動閾值

圖7 原材料(粗集料)關鍵性能指標波動統計及質量預警窗口

3.3 配合比優化

基于前期混凝土配合比質量特征值大數據分析顯示出的特征屬性，統計混凝土配合比近1年屬地、行業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驗進行數字化迭代升級，實現配合比動態、收斂式優化。

圖8 混凝土屬地、行業雙屬性下配合比質量標桿統計

3.4 強度管控

混凝土原材料質量管控、配合比優化最終結果體現在混凝土質量安全、成本優化的雙向提高，基于混凝土試塊正態分布評分規則，對企業整體及各項目混凝土試塊強度得分、混凝土大數據質量管控可視化分析和優化解決方案進行考量。強度管理模塊設置了1家企業近1年各強度等級混凝土試塊強度得分(見圖9a)，形成企業內部混凝土提質增效質量標桿，同時，作為企業混凝土質量管控的成果反饋。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計(見圖9b)，對低于企業平均水平的分子公司(項目部)進行預警，督導其優化配合比。

圖9 企業及各項目部各強度等級下混凝土強度正態評分統計

4 工程應用

對混凝土數據進行多維度分析，查找混凝土原材料、配合比、強度方面的質量規律，同時通過混凝土駕駛管理艙、混凝土生產監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量、質量、成本在多維度(時間、二級單位、地域等)下的質量規律和標桿，并根據相關質量標桿設置預警程序，對混凝土質量進行動態管控和優化。

圖10 數據可視化管理大屏

5 結語

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

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

3)混凝土原材料、配合比在質量上呈現出明顯屬地化特性，對原材料、配合比特征值進行的大數據統計結果可作為質量預警、動態質量標桿，為項目、企業質量成本優化提供標準。

4)基于對混凝土質量分析規律，結合數學建模和可視化技術，建立數據可視化管理大屏，實現了混凝土生產全過程質量定向管理和優化。