劉冬奇

湖南永州南方新材料科技有限公司雙園分公司 湖南 永州 425000

隨著工程對混凝土質(zhì)量要求的提高以及現(xiàn)代施工管理方式的轉(zhuǎn)變，國內(nèi)外在混凝土面板壩的施工過程中數(shù)據(jù)無人采集、信息流的上報(bào)和反饋、拌和狀態(tài)的智能化分析方面均有相關(guān)研究。運(yùn)用GPRS技術(shù)解決了拌和站遠(yuǎn)程數(shù)據(jù)傳輸問題，通過專用接口實(shí)現(xiàn)拌和生產(chǎn)運(yùn)行數(shù)據(jù)的自動采集；在混凝土生產(chǎn)線上安裝數(shù)字監(jiān)控裝置采集混凝土生產(chǎn)配合比，確保了混凝土數(shù)據(jù)采集的真實(shí)性和時(shí)效性。

1 基于全過程的混凝土生產(chǎn)質(zhì)量智能化監(jiān)控關(guān)鍵技術(shù)

拌和樓混凝土生產(chǎn)質(zhì)量智能化監(jiān)控不僅可實(shí)現(xiàn)自動化采集數(shù)據(jù)和分析數(shù)據(jù)，還能主動發(fā)現(xiàn)生產(chǎn)過程問題和預(yù)警問題，并能及時(shí)地、恰當(dāng)?shù)貙⑾嚓P(guān)警報(bào)、報(bào)表等信息推送給適宜的負(fù)責(zé)人。為實(shí)現(xiàn)混凝土拌和站生產(chǎn)全過程跟蹤與管理，本文研發(fā)了一套混凝土生產(chǎn)質(zhì)量智能管控在線系統(tǒng)，系統(tǒng)構(gòu)架設(shè)計(jì)如圖1所示。該系統(tǒng)的主要功能包括混凝土配合比誤差分析、基于GIS地圖的混凝土運(yùn)輸車管理、砂骨料含水率快速測定、混凝土原材料及成品質(zhì)量檢測數(shù)據(jù)關(guān)聯(lián)分析、混凝土性能智能預(yù)測、預(yù)警[1]。關(guān)鍵技術(shù)包括混凝土拌和配合比參數(shù)動態(tài)調(diào)控技術(shù)、基于數(shù)據(jù)采集的混凝土數(shù)字化施工技術(shù)以及混凝土智能化拌和質(zhì)量的實(shí)時(shí)預(yù)警反饋調(diào)節(jié)系統(tǒng)。

圖1 混凝土生產(chǎn)質(zhì)量智能管控在線系統(tǒng)構(gòu)架

2 混凝土拌和配合比參數(shù)動態(tài)調(diào)控技術(shù)

混凝土性能與其配合比密切相關(guān)，國內(nèi)外學(xué)者從不同的出發(fā)點(diǎn)對混凝土配合比設(shè)計(jì)方法進(jìn)行了大量的研究，提出了許多配合比設(shè)計(jì)方法，目的是充分合理、最大限度的發(fā)揮骨料的作用。JGJ55—2011《普通混凝土配合比設(shè)計(jì)規(guī)程》要求，通過推薦的材料參數(shù)比例，結(jié)合經(jīng)驗(yàn)公式計(jì)算獲取參數(shù)，最終獲取材料配合比例，然后通過試驗(yàn)驗(yàn)證，獲得需要的配合比。現(xiàn)有的配合比設(shè)計(jì)方法對材料性能要求嚴(yán)格，當(dāng)混凝土的材料性能發(fā)生變化時(shí)，需要及時(shí)配合比參數(shù)并進(jìn)行試驗(yàn)驗(yàn)證，有可能重新設(shè)計(jì)配合比。

在實(shí)際的混凝土拌和生產(chǎn)過程中，材料配比很難嚴(yán)格滿足設(shè)計(jì)配合比，在一定范圍內(nèi)波動，原有的配合比參數(shù)已無法反映出混凝土的性能指標(biāo)，進(jìn)一步影響混凝土拌和的質(zhì)量與施工質(zhì)量。在混凝土的生產(chǎn)過程中，對于同一混凝土配合比，在原材料沒有大變動的情況下，拌和物狀態(tài)也會因?yàn)樯笆实牟▌佣l(fā)生變化。由于受天氣狀況、開采部位以及加工運(yùn)輸過程中不確定性的影響，工程現(xiàn)場砂石骨料含水率往往波動較大，直接影響骨料拌和的水灰比，進(jìn)一步對混凝土拌和質(zhì)量產(chǎn)生重要影響。目前國內(nèi)含水率檢測基本上還處于人工檢測階段，對精度要求較高，一般采用烘干法，雖然準(zhǔn)確度較高，但是檢測步驟繁瑣且耗時(shí)久，樣本數(shù)量也有限，代表性差，無法為生產(chǎn)提供實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)。混凝土砂石骨料含水率的在線快速檢測技術(shù)也有較多成果，國外無損檢測研究起步較早，常用的含水率方法主要有微波法、中子法、電阻法以及電容法，但存在成本高、穩(wěn)定性差、操作繁瑣等局限性。當(dāng)前可商用的快速含水率檢測方法的測量精度普遍低于傳統(tǒng)烘干法的精度。這些儀器的精度折算成對每方混凝土的用水量精度的影響，一般會超出規(guī)范規(guī)定的水稱量誤差≤1%的規(guī)定。因此，為實(shí)現(xiàn)混凝土含水量的有效控制，需要研究傳統(tǒng)方法與在線方法的綜合措施，在提高含水量檢測速度的同時(shí)，將精度提高到工程可用的水平。

基于混凝土的配合比理論，以及計(jì)算機(jī)數(shù)據(jù)庫理論和機(jī)器學(xué)習(xí)方法，研發(fā)混凝土配合比動態(tài)調(diào)控技術(shù)，在控制中心的服務(wù)器上部署中心數(shù)據(jù)庫和中控軟件。根據(jù)影響混凝土性能的指標(biāo)參數(shù)，構(gòu)建多因素灰色關(guān)聯(lián)法統(tǒng)計(jì)模型，采用經(jīng)驗(yàn)公式或者BP神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)對混凝土性能進(jìn)行預(yù)測，進(jìn)而通過評價(jià)拌和質(zhì)量，動態(tài)調(diào)整膠凝材料用量和拌和用水量等配合比參數(shù)（如圖2所示），使其滿足設(shè)計(jì)指標(biāo)，實(shí)現(xiàn)了膠結(jié)配合比的動態(tài)優(yōu)化與智能調(diào)控。對拌和原材料的稱量誤差進(jìn)行智能分析，通過監(jiān)測拌和樓設(shè)定配合比與實(shí)際配合比之間的相對誤差，對超出誤差范圍的參數(shù)進(jìn)行反饋預(yù)警，以便各參建單位及時(shí)掌握混凝土拌和質(zhì)量，進(jìn)一步采取處理措施。

圖2 配合比信息實(shí)時(shí)監(jiān)控畫面示意圖

2 基于數(shù)據(jù)采集的混凝土數(shù)字化施工技術(shù)

拌和樓混凝土生產(chǎn)質(zhì)量智能化監(jiān)控首先涉及的技術(shù)是數(shù)據(jù)采集、傳輸與共享。數(shù)據(jù)采集主要實(shí)現(xiàn)混凝土拌和樓各個(gè)環(huán)節(jié)的生產(chǎn)數(shù)據(jù)或試驗(yàn)數(shù)據(jù)的準(zhǔn)確、實(shí)時(shí)、高效采集，數(shù)據(jù)共享主要完成生產(chǎn)數(shù)據(jù)的查詢。為了實(shí)現(xiàn)混凝土從原材料入場至成品質(zhì)量的全鏈路監(jiān)控，本研究基于CS模式，開發(fā)了web界面的管理數(shù)據(jù)錄入系統(tǒng)，建立專門的硬件模塊、數(shù)據(jù)的采集和自動上傳模塊，采集混凝土拌和樓生產(chǎn)過程的關(guān)鍵信息傳送至控制中心，這樣可以排除人為干涉，保障生產(chǎn)過程中信息采集的唯一性、真實(shí)性。數(shù)據(jù)的傳輸采用“高速無線局域網(wǎng)絡(luò)+全網(wǎng)通用蜂窩網(wǎng)絡(luò)”聯(lián)網(wǎng)模塊，開發(fā)模塊的智能化代碼，使數(shù)據(jù)傳輸模塊自適應(yīng)最佳的網(wǎng)絡(luò)信號，保證數(shù)據(jù)傳輸?shù)目煽啃浴?/p>

利用北斗定位技術(shù)，研制了一種可實(shí)時(shí)獲取混凝土運(yùn)輸車輛的位置信息，將其行駛路線顯示在工程地圖上，跟蹤、存檔，實(shí)現(xiàn)了混凝土的全程智能化監(jiān)測，確保每一塊混凝土的質(zhì)量達(dá)到標(biāo)準(zhǔn)。因此，對所收集到的資料進(jìn)行快速、精確的分析，并對其進(jìn)行科學(xué)的預(yù)報(bào)，是對混凝土品質(zhì)進(jìn)行智能分析的一項(xiàng)重要技術(shù)。通過對混凝土原材料進(jìn)場、原材料檢測、配合比誤差分析、運(yùn)輸車輛軌跡、澆筑部位、成品質(zhì)量檢測等信息的互聯(lián)，實(shí)現(xiàn)混凝土全程的追蹤和追溯，從而達(dá)到混凝土的閉環(huán)管理[2]。利用大數(shù)據(jù)與神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)技術(shù)，利用智能分析方法，對混凝土生產(chǎn)過程中的原材料和成品品質(zhì)的測試結(jié)果進(jìn)行智能分析，建立了混凝土的性能預(yù)測模型，并對其進(jìn)行了評價(jià)。同時(shí)，通過智能程序?qū)崿F(xiàn)了混凝土混合工藝的智能化設(shè)計(jì)，形成了一套與混凝土專家相似的智能決策系統(tǒng)，可以實(shí)現(xiàn)對混合過程中的各類信息進(jìn)行智能的分析與處理，從而解決了問題的精確、及時(shí)等問題。

（1）數(shù)據(jù)采集

本文研究了抽水蓄能電站混凝土生產(chǎn)系統(tǒng)過程管理的數(shù)據(jù)在線錄入、審核及查詢，包括配合比、要料單、傳感器率定、試驗(yàn)檢測數(shù)據(jù)等?；贑S模式，開發(fā)web界面的管理數(shù)據(jù)錄入系統(tǒng)。通過在拌和樓試驗(yàn)室電腦以及工控機(jī)電腦上部署相關(guān)錄入軟件，實(shí)時(shí)采集拌和站管理人員和操作人員所打印的、所筆記的、所電子編輯的配合比、要料單、傳感器率定、試驗(yàn)檢測數(shù)據(jù)等。通過提前錄入的大量數(shù)據(jù)范例，以及系統(tǒng)內(nèi)置的智能化學(xué)習(xí)算法，形成典型數(shù)據(jù)的模式庫，從而達(dá)到對錄入數(shù)據(jù)的審核，一方面保證錄入數(shù)據(jù)的準(zhǔn)確性，另一方面達(dá)到督促相關(guān)人員嚴(yán)格錄入數(shù)據(jù)的目的。在win系統(tǒng)下，開發(fā)數(shù)據(jù)的采集和自動上傳模塊，通過在拌和樓各個(gè)控制電腦中進(jìn)行部署，實(shí)現(xiàn)對拌和樓生產(chǎn)控制數(shù)據(jù)的自動化采集和上傳。混凝土拌和樓生產(chǎn)過程中的各種數(shù)據(jù)，一般儲存在各工點(diǎn)的拌和樓以及拌和樓試驗(yàn)室的電腦中，或者零散的分布于管理人員的電腦和記錄本上，這些數(shù)據(jù)的收集匯總和分析工作繁重，很難做到及時(shí)統(tǒng)計(jì)和分析，同時(shí)拌和生產(chǎn)中問題的反饋處理過程滯后，制約了混凝土生產(chǎn)過程管理的效果?；炷临|(zhì)量受各種原材料和不同制備工藝等多種因素的影響，各影響因素與最終產(chǎn)品質(zhì)量之間的映射復(fù)雜，而且混凝土成品質(zhì)量的評價(jià)指標(biāo)也較多，對于特定的工程，質(zhì)量評價(jià)指標(biāo)都具有獨(dú)特性。

（2）混凝土生產(chǎn)質(zhì)量智能化監(jiān)控硬件系統(tǒng)

本文還研究實(shí)現(xiàn)了混凝土生產(chǎn)拌和稱量端數(shù)據(jù)的實(shí)時(shí)采集并上傳至數(shù)據(jù)庫，跟蹤及監(jiān)督混凝土配比信息及使用部位質(zhì)量。通過工地現(xiàn)場局域網(wǎng)或蜂窩網(wǎng)絡(luò)將數(shù)據(jù)上傳給中心服務(wù)器，數(shù)據(jù)的傳輸采用高速無線局域網(wǎng)絡(luò)+全網(wǎng)通用蜂窩網(wǎng)絡(luò)聯(lián)網(wǎng)模塊，開發(fā)模塊的智能化代碼，使數(shù)據(jù)傳輸模塊自適應(yīng)最佳的網(wǎng)絡(luò)信號，保證數(shù)據(jù)傳輸?shù)目煽啃?。?shù)據(jù)的收集和上傳需要依靠現(xiàn)場全覆蓋的網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)，并且上水庫的數(shù)據(jù)可以傳輸至下水庫，因下水庫將作為中控服務(wù)器所在地。將根據(jù)工地現(xiàn)場各運(yùn)營商的蜂窩網(wǎng)絡(luò)泛在情況，開發(fā)模塊的智能化代碼，使數(shù)據(jù)傳輸模塊自適應(yīng)最佳的網(wǎng)絡(luò)信號，保證數(shù)據(jù)傳輸?shù)目煽啃?。通過集成傳感元件和通信元件，研究開發(fā)智能化的數(shù)據(jù)采集和上傳模塊，安置于拌和樓的關(guān)鍵部位，并且該方案遵循對拌和樓僅進(jìn)行微小完善、不改造、不影響原配置的原則。通過各個(gè)傳感器返回?cái)?shù)據(jù)的時(shí)間戳等特征值，將數(shù)據(jù)歸類處理，目的是將同一方混凝土的原材料檢測信息、原材料稱量信息、設(shè)備攪拌該方混凝土?xí)r的運(yùn)行信息等進(jìn)行歸類分析，達(dá)到跟蹤及監(jiān)督每一方混凝土配合比信息，以及成品質(zhì)量和使用部位等目的。

3 混凝土智能拌和質(zhì)量的實(shí)時(shí)預(yù)警反饋調(diào)節(jié)系統(tǒng)

通過建立混凝土原材料性能、水膠比、骨料含水率、配合比、實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)等與設(shè)計(jì)混凝土性能的發(fā)展關(guān)系，基于中心數(shù)據(jù)庫和中控軟件，基于混凝土的配合比理論，建立基于云理論與神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)的混合集成的云神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)耦合模型，對實(shí)時(shí)的對數(shù)據(jù)進(jìn)行分析，通過提前學(xué)習(xí)到的范式，對當(dāng)前混凝土拌和狀態(tài)給出評價(jià)，相關(guān)結(jié)果反映到管理者的客戶端設(shè)備，對混凝土性能的發(fā)展過程實(shí)現(xiàn)實(shí)時(shí)預(yù)測，并對分析出的質(zhì)量問題進(jìn)行預(yù)警預(yù)報(bào)，并推送相關(guān)信息給管理人員，方便工程管理[3]。通過拌和系統(tǒng)中心服務(wù)器和數(shù)據(jù)庫獲取數(shù)據(jù)采集設(shè)備實(shí)時(shí)獲取的各項(xiàng)指標(biāo)，包括混凝土原材料，尤其是細(xì)骨料的含泥、含水率等材料參數(shù)的檢測數(shù)據(jù)；拌和樓的實(shí)時(shí)運(yùn)行數(shù)據(jù)，主要是配合比數(shù)據(jù)；混凝土成品檢測數(shù)據(jù)，主要有試驗(yàn)室檢測數(shù)據(jù)等；以及拌和樓的管理人員、操作人員以及其他相關(guān)人員手中，實(shí)時(shí)采集他們所打印的、所筆記的、所電子編輯的配合比、要料單、傳感器率定、試驗(yàn)檢測數(shù)據(jù)等；并預(yù)測混凝土性能的發(fā)展過程，建立預(yù)警機(jī)制，對不滿足規(guī)范要求、設(shè)計(jì)指標(biāo)、行業(yè)部門要求的參數(shù)及時(shí)預(yù)警。

（1）原材料的檢測數(shù)據(jù)

原材料的檢測數(shù)據(jù)具體包括中石子、粗砂、大石子、小石子、水泥、粉煤灰、外加劑。根據(jù)試驗(yàn)檢測頻次，建立每車混凝土所用原材料與其監(jiān)測信息的關(guān)聯(lián)，原材料的試驗(yàn)檢測關(guān)聯(lián)主要是關(guān)聯(lián)檢測報(bào)告編號，做到有據(jù)可查。其中，水泥和粉煤灰還包括了原材料的采購信息，通過計(jì)算水泥和粉煤灰的使用情況，將每車混凝土所使用的水泥和粉煤灰與其采購信息相關(guān)聯(lián)，同時(shí)與水泥和粉煤灰的試驗(yàn)檢測結(jié)果相關(guān)聯(lián)。檢測報(bào)告的信息讀取主要通過與試驗(yàn)室建立數(shù)據(jù)讀取接口，以讀取其相關(guān)數(shù)據(jù)。

（2）車輛軌跡信息

罐車是混凝土運(yùn)輸?shù)闹饕ぞ?，其運(yùn)輸軌跡至關(guān)重要，車輛運(yùn)行軌跡起到連接拌和拌和樓與工程澆筑部位的核心紐帶，通過讀取車輛位置信息，可以對判斷車偏離行駛路線、未到預(yù)設(shè)指定區(qū)域卸料的車輛進(jìn)行預(yù)警。具體為首先，將對每輛運(yùn)輸車進(jìn)行注冊登記，在中心服務(wù)器的數(shù)據(jù)庫中建立車輛匯總管理表，記錄所有車輛情況，包括車牌號、裝載量、司機(jī)姓名、性別、手機(jī)號、車輛用途等信息。其次，在中心服務(wù)器的數(shù)據(jù)庫中，對每輛車建立一個(gè)運(yùn)行狀態(tài)表，記錄每輛車的運(yùn)行情況，包括車牌號、GPS坐標(biāo)、GPS授予的時(shí)間，以及是否在某個(gè)裝貨區(qū)等信息。

（3）試驗(yàn)檢測系統(tǒng)

試驗(yàn)檢測系統(tǒng)中包含了原材料和混凝土成品的檢測委托單、委托單位、委托編號、樣品編號、樣品類型、樣品等級、見證取樣、實(shí)驗(yàn)報(bào)告等，是混凝土原材材料和成品質(zhì)量檢測信息關(guān)聯(lián)的關(guān)鍵，建立讀取實(shí)驗(yàn)室檢測報(bào)告相關(guān)表單的數(shù)據(jù)接口，將所有信息進(jìn)行關(guān)聯(lián)，做到混凝土全過程跟蹤與溯源，實(shí)現(xiàn)對混凝土生產(chǎn)過程的閉環(huán)控制[4]。其中，以日期、工程名稱、施工部位、施工地址、運(yùn)輸車輛信息作為數(shù)據(jù)關(guān)聯(lián)的關(guān)鍵信息，不僅以每一盤混凝土作為監(jiān)控單位，而且對每車混凝土進(jìn)行進(jìn)一步分析，將每一車混凝土的配料單、拌和生產(chǎn)數(shù)據(jù)、試驗(yàn)檢測、運(yùn)輸信息進(jìn)行關(guān)聯(lián)，實(shí)現(xiàn)對混凝土的關(guān)鍵信息的追蹤。

4 結(jié)束語

綜上所述，混凝土拌和站管控系統(tǒng)基本實(shí)現(xiàn)了生產(chǎn)數(shù)據(jù)的自動采集，解決了傳統(tǒng)混凝土生產(chǎn)過程中數(shù)據(jù)錄入工作量大、數(shù)據(jù)出錯(cuò)概率高、效率低下等問題。然而，現(xiàn)有的研究尚未深入到混凝土生產(chǎn)全過程中，尤其是在混凝土原材料快速檢測、拌和生產(chǎn)配合比動態(tài)調(diào)控、數(shù)據(jù)采集自動分析、以及混凝土質(zhì)量智能化監(jiān)測預(yù)警等混凝土生產(chǎn)全過程管控的集成度智能化程度低，影響施工工期與混凝土的拌和質(zhì)量，也無法避免混凝土生產(chǎn)過程中質(zhì)量監(jiān)控漏洞，進(jìn)一步影響混凝土的拌和質(zhì)量。