基于大数据可视化的混凝土质量分析及应用系统研究*

汪华文，胡 骏，秦明强，刘可心，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.中交二航武汉港湾新材料有限公司，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

近10年来，混凝土行业开始了信息化变革，在搅拌站、施工企业、质监站等生产、行业主管部门均建设了相关信息化平台，积累了大量数据[1-2]。但由于混凝土行业规模较大，数据具备广泛性、实时性、分散性及非结构性，因此，如何对数据价值进行挖掘，结合信息化、智能化工具提升混凝土行业技术是重难点，也是研究趋势[3-4]。对当前已有混凝土信息化系统进行调研发现，现有混凝土信息化系统大多数是以流程为中心，将业务从线下转移至线上，实现了表单电子化、业务数据化和存储，并未对混凝土质量方面进行系统分析。

针对当前混凝土信息化积累数据利用率不高、现场混凝土质量管控手段薄弱的问题，结合2016-06—2019-06混凝土技术咨询服务积累相关数据，开展了包括混凝土原材料、配合比、留样强度质量多维度的数据挖掘及分析，基于混凝土质量规律分析成果，研究基于大数据的混凝土质量分析及可视化技术，用于精准指导混凝土提质增效。

1 混凝土大数据质量管理

为解决混凝土不可见质量问题，大数据分析整体技术路线采用问题导向模式，如图1所示。大数据价值在于数据挖掘，通过大数据分析中分类、回归、关联规则、聚类、特性提取等类型的模型和算法[5]，对影响混凝土质量的原材料类型及关键性能指标、配合比、生产管控等因素进行关联性分析。

图1 数据与质量优化问题导向关系

通过数据分析模型，建立模型与问题之间的相关性，由大数据分析结果提取各影响因素特征值，依据该特征值分析模型，对现场新的混凝土质量数据进行智能化集成和判别。

2 混凝土质量大数据分析

2.1 原材料

预拌混凝土成分复杂，材料来源及质量状况具有很强的地域性特点，选取黑龙江省、湖南省II级粉煤灰需水量比和烧失量进行统计分析(见表1)。由表1可知，数据表现出明显的波动规律和地域性差异。

表1 黑龙江省、湖南省II级粉煤灰需水量比、烧失量统计结果(2016—2019年)

黑龙江省、湖南省Ⅱ级粉煤灰需水量比平均值分别为97.05%，100.15%，烧失量平均值分别为3.52%，3.94%，各地同规格原材料关键性能指标表现出明显的属地化差异，需水量比标准差分别为5.73%，2.82%，烧失量标准差分别为2.46%，1.07%。同时，各原材料在相同属地范围内随着时间存在一定波动，变异系数较大，在相同配合比下，混凝土需水量会发生较大变化，对施工和质量安全均有一定影响。

2.2 配合比

基于混凝土配合比原材料地域性差异的原因，同时实际工程中混凝土配合比通常是根据经验进行试配，虽在力学性能方面能满足要求，但相同强度等级的单方混凝土胶凝材料用量、成本存在一定差异，易造成材料浪费[6]。

C30，C40，C50强度等级混凝土单方胶凝材料用量统计如图2所示。由图2可知，近4年混凝土总胶凝材料平均用量保持稳定，但各强度等级混凝土总胶凝材料用量最大值和最小值差值在20～150kg/m3，优化空间大，随着生产和配制技术的不断提高和优化，各强度等级混凝土总胶凝材料用量差趋于收敛，且最大胶凝材料用量呈下降趋势，整体上向优质、优价方向发展。

图2 C30，C40，C50强度等级混凝土胶凝材料用量统计

各省份C30，C40，C50强度等级混凝土2016-06—2019-06单方胶凝材料用量平均值如图3所示。由图3可知，基于原材料属地化差异特点，各强度等级单方胶凝材料用量属地化差异较大，各属地内部各工程项目单方胶凝材料用量差异较小，处于可控状态。因此，在可视化技术层面配合比相关技术标准采用属地化形式。

图3 各省份C30，C40，C50强度等级混凝土单方胶凝材料用量平均值(2016—2019年)

2.3 混凝土强度

混凝土试块强度分析标准需综合考虑质量安全与成本，结合在我国现行混凝士标准、规范中检测评定混凝土强度的方法，基于各强度等级混凝土强度正态分布规律，提出混凝土试块正态分布评分，方法如下。

1)若混凝土设计强度等级为fcu,k，按表2查得标准差σ，得出一条特定的正态分布曲线N(μ,σ2)，使试配强度x>fcu,k的概率P{x≥fcu,k}=95%(即强度保证率为95%)，混凝土强度区间如图4所示，其中μ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

图4 混凝土强度区间

2)按混凝土正态分布N(μ,σ2)，找出若干个强度特征点。X0：使得P{x

3)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

按混凝土试块正态分布评分方法，2016—2019年近4年C30，C40，C50，C60强度等级混凝土强度正态评分统计结果如图5所示。考虑混凝土施工性能、强度保障等因素，各低等级混凝土在配制时胶凝材料用量普遍偏高，因此高强度等级混凝土强度评分相对较高，但近4年评分呈下降趋势。同时，对于C30，C40等低强度等级混凝土，其质量、成本综合性能呈上升趋势。

图5 混凝土强度正态评分

3 混凝土大数据可视化管控技术

3.1 质量管控大屏结构设计

混凝土可视化管控技术本质即为将混凝土质量问题数据化[7]，基于现有数据多维度分析结果，提出并研究质量管理、项目实施两级管理大屏。基于原材料、配合比、强度等多方面的质量特征值，建立对应维度下的质量标杆，以指导混凝土质量优化工作，结合信息化技术，对混凝土多方面质量标杆信息进行动态统计、质量预警，实现了混凝土生产全过程质量定向管理和迭代优化，如图6所示。

图6 混凝土大数据质量管控可视化原理

3.2 原材料管控

大量试验、工程案例证明，当前集料、矿物掺合料在规范允许范围内波动时，仍然会对混凝土施工性能、质量安全造成一定影响[8-10]。因此，在当前信息化浪潮下，建立基于属地化的各项原材料质量特征值大数据统计，同时结合历史数据、专家经验等，制定满足混凝土匀质性、施工稳定性的原材料关键技术指标动态波动阈值，进行原材料质量监控。

以黑龙江省为例，统计各原材料关键性能指标均值，在所选时间范围内以季度为时间粒度，通过折线图查看地方原材料质量随时间波动规律，如图7a所示，同时统计该地区相关指标的上一季度均值作为属地项目比对标准，赋予标准规范内更小的波动阈值，如表4所示。根据波动阈值，设置各项目各原材料预警程序，建立材料波动可视化预警窗口，如图7b所示。

表4 原材料关键性能指标波动阈值

图7 原材料(粗集料)关键性能指标波动统计及质量预警窗口

3.3 配合比优化

基于前期混凝土配合比质量特征值大数据分析显示出的特征属性，统计混凝土配合比近1年属地、行业双属性下单方胶凝材料用量、28d强度、强度评分、单方材料总价的均值(见图8)，作为各属地化项目部的混凝土配合比质量标杆，同时在后台进行配合比详细信息查询，通过混凝土配合比经验进行数字化迭代升级，实现配合比动态、收敛式优化。

图8 混凝土属地、行业双属性下配合比质量标杆统计

3.4 强度管控

混凝土原材料质量管控、配合比优化最终结果体现在混凝土质量安全、成本优化的双向提高，基于混凝土试块正态分布评分规则，对企业整体及各项目混凝土试块强度得分、混凝土大数据质量管控可视化分析和优化解决方案进行考量。强度管理模块设置了1家企业近1年各强度等级混凝土试块强度得分(见图9a)，形成企业内部混凝土提质增效质量标杆，同时，作为企业混凝土质量管控的成果反馈。同时对各分子公司(项目部)各强度等级混凝土强度得分情况进行统计(见图9b)，对低于企业平均水平的分子公司(项目部)进行预警，督导其优化配合比。

图9 企业及各项目部各强度等级下混凝土强度正态评分统计

4 工程应用

对混凝土数据进行多维度分析，查找混凝土原材料、配合比、强度方面的质量规律，同时通过混凝土驾驶管理舱、混凝土生产监控管理可视化管理大屏(见图10)，针对不同管理层级的需求得到混凝土数量、质量、成本在多维度(时间、二级单位、地域等)下的质量规律和标杆，并根据相关质量标杆设置预警程序，对混凝土质量进行动态管控和优化。

图10 数据可视化管理大屏

5 结语

1)各原材料在相同属地范围内，随着时间的变化存在一定波动，变异系数较大，在一定范围内波动，给混凝土施工性能、质量均带来一定风险。

2)结合混凝土单方胶凝材料用量及强度正态分布评分可知，当前各地混凝土配合比具有一定优化空间。

3)混凝土原材料、配合比在质量上呈现出明显属地化特性，对原材料、配合比特征值进行的大数据统计结果可作为质量预警、动态质量标杆，为项目、企业质量成本优化提供标准。

4)基于对混凝土质量分析规律，结合数学建模和可视化技术，建立数据可视化管理大屏，实现了混凝土生产全过程质量定向管理和优化。