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基于大数据可视化的混凝土质量分析及应用系统研究*

2023-02-25汪华文秦明强刘可心余永升

施工技术(中英文) 2023年2期
关键词:胶凝原材料可视化

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。

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