云計(jì)算技術(shù)下的預(yù)拌混凝土行業(yè)在線質(zhì)量管控

楊旭輝 胡琳 姚波 林毅

摘要：研發(fā)了混凝土運(yùn)營(yíng)生產(chǎn)管理系統(tǒng)（TOPS），該系統(tǒng)基于云計(jì)算平臺(tái)，業(yè)務(wù)信息系統(tǒng)與裝置在線協(xié)同，強(qiáng)化生產(chǎn)控制的自動(dòng)化和智能化水平，結(jié)合混凝土生產(chǎn)的海量數(shù)據(jù)，利用信息化技術(shù)管理方法，優(yōu)化混凝土生產(chǎn)工藝，并提供便利化的服務(wù)等，借助大數(shù)據(jù)、人工智能等技術(shù)，實(shí)現(xiàn)混凝土生產(chǎn)在線質(zhì)量管控和預(yù)測(cè)，為混凝土行業(yè)的智能化發(fā)展提供參考。

關(guān)鍵詞：混凝土;云計(jì)算;人工智能;質(zhì)量管控

中圖分類號(hào)：TP18;TB497 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A 文章編號(hào)：1001-5922（2021）01-0141-05

0引言

混凝土作為現(xiàn)代建設(shè)工程中應(yīng)用范圍最廣、用量最大的工程材料，由于其將在特定時(shí)間完成凝固，這對(duì)材料保供、生產(chǎn)控制以及客戶服務(wù)為代表的供應(yīng)鏈協(xié)同提出了更高的要求，其質(zhì)量安全成為影響建筑壽命的核心原因之一。目前，混凝土生產(chǎn)受制于現(xiàn)有技術(shù)和管理方式，缺乏對(duì)原材料人廠、成品出廠和現(xiàn)場(chǎng)澆筑的實(shí)時(shí)的有效檢測(cè)和控制，導(dǎo)致質(zhì)量控制進(jìn)退失據(jù)。一方面由于混凝土質(zhì)量控制不嚴(yán)導(dǎo)致建筑事故或建筑壽命大幅縮水，另一方面混凝土質(zhì)量控制，推高導(dǎo)致大幅增加企業(yè)生產(chǎn)成本。隨著云計(jì)算、大數(shù)據(jù)、人工智能等技術(shù)的不斷成熟，通過融合相關(guān)技術(shù)實(shí)現(xiàn)對(duì)材料質(zhì)量動(dòng)態(tài)監(jiān)管，有助于規(guī)避質(zhì)量風(fēng)險(xiǎn)、減少質(zhì)量事故，提升企業(yè)乃至于整個(gè)行業(yè)的動(dòng)態(tài)、全過程監(jiān)管的能力。

李伯虎提出云制造3.0，將大數(shù)據(jù)、人工智能等新技術(shù)深度融進(jìn)制造業(yè)，建立了基于互聯(lián)網(wǎng)、人工智能、信息通信等新技術(shù)的云制造系統(tǒng)，將其應(yīng)用于航天工業(yè)。任磊、張霖等人通過物聯(lián)網(wǎng)、信息、計(jì)算機(jī)等技術(shù)研究制造物理資源的虛擬化處理，并提出云制造系統(tǒng)虛擬化技術(shù)構(gòu)架，實(shí)現(xiàn)物理制造資源的高效利用。吉旭等人研究了高分子材料行業(yè)的云制造技術(shù)，從狀態(tài)感知、物聯(lián)通信、知識(shí)管理向云制造服務(wù)平臺(tái)整合、適配等方面進(jìn)行了研究，解決了基于云制造平臺(tái)的知識(shí)學(xué)習(xí)技術(shù)。曾強(qiáng)等人通過云計(jì)算對(duì)混凝土的生產(chǎn)質(zhì)量進(jìn)行管控。張永輝等人利用大數(shù)據(jù)、云計(jì)算，研發(fā)了集混凝土生產(chǎn)、銷售、服務(wù)等于一體的云平臺(tái)框架，并將其應(yīng)用于混凝土企業(yè)。

英國(guó)、瑞典、德國(guó)等國(guó)通過網(wǎng)絡(luò)內(nèi)的制造資源共享和優(yōu)化調(diào)度來實(shí)現(xiàn)整體效率的提升，明確提出了“Cloud Manufacturing”云制造概念。QUACK·T闡述了基于網(wǎng)絡(luò)的事物的對(duì)象識(shí)別。目前在歐美發(fā)達(dá)國(guó)家，隨著混凝土行業(yè)集中度的提升，以及企業(yè)信息化的不斷發(fā)展，基于計(jì)算機(jī)網(wǎng)絡(luò)的“動(dòng)態(tài)供應(yīng)鏈集成系統(tǒng)”已成為行業(yè)信息化管理的發(fā)展趨勢(shì)，通過集成信息技術(shù)、計(jì)算機(jī)虛擬技術(shù)、人工智能等技術(shù)，極大的促進(jìn)制造生產(chǎn)，為客戶提供高效的服務(wù)，如世界最大的混凝土供應(yīng)商西麥斯即以供應(yīng)鏈管理及客戶管理系統(tǒng)為主形成信息的無縫集成及資源調(diào)度，包括接收訂單和交付的解決方案，會(huì)為客戶提供全方位量身定制的具體解決方案和配套產(chǎn)品，并在后續(xù)的需求中也會(huì)進(jìn)行實(shí)時(shí)調(diào)度，進(jìn)一步優(yōu)化資源和客戶服務(wù)監(jiān)控，不僅確保產(chǎn)品的質(zhì)量，而且也保證客戶可按時(shí)交付產(chǎn)品。

本文針對(duì)具有大物流、制造以及市場(chǎng)服務(wù)等特性的預(yù)拌混凝土行業(yè)，利用混凝土生產(chǎn)過程中的海量數(shù)據(jù)，基于互（物）聯(lián)網(wǎng)、大數(shù)據(jù)以及人工智能等技術(shù)，實(shí)現(xiàn)對(duì)混凝土材料的質(zhì)量動(dòng)態(tài)監(jiān)管和預(yù)測(cè)。

1預(yù)拌混凝土行業(yè)云計(jì)算平臺(tái)架構(gòu)

隨著信息化、智能化等技術(shù)的發(fā)展，由于混凝土產(chǎn)品的特性和行業(yè)特征，如何優(yōu)化資源配置、調(diào)度、生產(chǎn)質(zhì)量工藝以及高效服務(wù)等，制約著混凝土行業(yè)的發(fā)展。由此，研發(fā)了一套ERP系統(tǒng)，整套系統(tǒng)命名為TOPS系統(tǒng)，TOPS是由混凝土（Tong）+Operation+Product+System首字母組合而成，即“混凝土運(yùn)營(yíng)生產(chǎn)管理系統(tǒng)”，該系統(tǒng)基于net技術(shù)框架，采用了C^#、JQuery/Ajax、jQuery mobile、HTML5/CSS3、Bootstrap、Unity、Nhibernate、MongoDB、Log4Net、WCF、Web API等技術(shù)，軟件采用1個(gè)TOS、1個(gè)微信端和N個(gè)TPS的架構(gòu)設(shè)計(jì)，界面操作友好，可拓展性強(qiáng)。可以實(shí)現(xiàn)以下內(nèi)容：

1）面向集團(tuán)化管理的運(yùn)管模式研究。商品混凝土云制造是一種網(wǎng)絡(luò)化的制造模式，利用信息化、互聯(lián)網(wǎng)技術(shù)，優(yōu)化制造物理資源配置，連通管理中心、生產(chǎn)中心、服務(wù)對(duì)象，實(shí)現(xiàn)資源、數(shù)據(jù)、安全、財(cái)務(wù)等信息的集成，并與客戶形成便捷的信息交流，進(jìn)一步提升企業(yè)集團(tuán)化管理能力。打造網(wǎng)絡(luò)制造模式，需要對(duì)資源進(jìn)行服務(wù)化封裝和集成，以實(shí)現(xiàn)制造資源整合。

2）面向供應(yīng)鏈全周期的“互聯(lián)網(wǎng)+”新型服務(wù)模式研究?；炷辽a(chǎn)完成時(shí)屬半成品，且具有不可逆性。因此，混凝土生產(chǎn)時(shí)，要求生產(chǎn)商與使用客戶之間具有較高的耦合性，首先要針對(duì)服務(wù)客戶研究從混凝土生產(chǎn)到應(yīng)用全過程的服務(wù)體系，即C2M;其次開展云平臺(tái)供應(yīng)管理機(jī)制研究（B2B））為供應(yīng)商提供更多參與到需求計(jì)劃，提升原材料配送、質(zhì)控等協(xié)同效率。

3）面向綠色、可持續(xù)、以及智能高效的生產(chǎn)技術(shù)研究。利用互聯(lián)網(wǎng)技術(shù)的優(yōu)勢(shì)，將物理制造資源信息化、數(shù)字化，形成虛擬化的資源池，整合混凝土生產(chǎn)、服務(wù)、成本、財(cái)務(wù)、安全等各種信息，將其集成到云平臺(tái)系統(tǒng)，并利用大數(shù)據(jù)、人工智能等技術(shù)，對(duì)資源、生產(chǎn)質(zhì)量工藝、管理等進(jìn)行優(yōu)化，提高混凝土企業(yè)的生產(chǎn)、管理效率，為客戶提供更優(yōu)質(zhì)、便捷的服務(wù)。

4）利用大數(shù)據(jù)、人工智能等技術(shù)，基于海量的混凝土生產(chǎn)數(shù)據(jù)，將神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)模型與遺傳算法相結(jié)合，實(shí)現(xiàn)混凝土生產(chǎn)過程的在線質(zhì)量預(yù)測(cè)。

圖1為混凝土行業(yè)的基于云計(jì)算平臺(tái)構(gòu)架，包含三個(gè)層次，即基礎(chǔ)層（IaaS）、平臺(tái)層（PaaS）和應(yīng)用層（SaaS）。架構(gòu)中的基礎(chǔ)層（IaaS）是云制造面向信息的網(wǎng)絡(luò)基礎(chǔ)設(shè)施，在異構(gòu)資源環(huán)境下，IaaS可訪問虛擬化資源池，同時(shí)利用平臺(tái)硬件，滿足用戶需求。平臺(tái)層（PaaS）不僅能整合硬件資源，還能進(jìn)行開發(fā)、調(diào)試應(yīng)用。應(yīng)用層（SaaS）要能充分利用底層資源，還需提供功能化的應(yīng)用服務(wù)。

混凝土生產(chǎn)過程中，在其質(zhì)量數(shù)據(jù)的存儲(chǔ)、挖掘、分析基礎(chǔ)上，利用信息化技術(shù)管理方法，優(yōu)化混凝土生產(chǎn)工藝，形成混凝土生產(chǎn)、銷售、后續(xù)服務(wù)等一系列的管控體系。圖2為云平臺(tái)在線質(zhì)量管控流程。

2基于BP神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)和量子遺傳混合算法的在線質(zhì)量管理

質(zhì)量管理經(jīng)歷了質(zhì)量檢驗(yàn)階段、統(tǒng)計(jì)質(zhì)量控制階段、全面質(zhì)量管理階段三個(gè)階段。質(zhì)量管理常用的工具主要有“老七種工具”“新七種工具”，其針對(duì)的分析對(duì)象不同，“老七種工具”重視數(shù)據(jù)的重要性，“新七種工具”分析非數(shù)據(jù)的文件等。預(yù)拌混凝土的生產(chǎn)過程是動(dòng)態(tài)發(fā)展的，其質(zhì)量管理也應(yīng)是動(dòng)態(tài)的，隨著云技術(shù)、智能技術(shù)的發(fā)展，制造業(yè)的質(zhì)量管理也朝著信息化、智能化方向發(fā)展。將科技新技術(shù)應(yīng)用于混凝土生產(chǎn)在線質(zhì)量管理中，利用智能算法有效處理多維異構(gòu)的海量數(shù)據(jù)，對(duì)預(yù)拌混凝土的生產(chǎn)過程進(jìn)行在線質(zhì)量管控。

2.1BP神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)與遺傳混合算法

2.1.1BP神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)

BP神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)是一種按照誤差逆向傳播算法訓(xùn)練的多層前饋神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)，通過輸人一輸出的模式進(jìn)行非線性的處理系統(tǒng)。改模型的結(jié)構(gòu)有輸人層（inputlayer）、隱藏層（hide layer）和輸出層（output lay-er），如圖3所示。

BP神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)輸人層中混凝土原材料質(zhì)量的影響因素具有多樣性，如水泥質(zhì)量影響因素有品種、細(xì)度、用量、強(qiáng)度、體積安定性、凝結(jié)時(shí)間、燒失量、不溶物等，粗細(xì)骨料影響因素有粒徑、吸水率、含泥量、針片狀顆粒含量、壓碎值、堅(jiān)固性等，誰(shuí)的影響因素主要有PH值、硬度等。

2.1.2

遺傳算法

遺傳算法是通過模擬生物進(jìn)化論的自然選擇和遺傳學(xué)理論的計(jì)算模型，對(duì)群體進(jìn)行搜索，即問題解的串集開始搜索，通過選擇、交叉、變異3個(gè)基本算子，產(chǎn)生出代表新的解集的種群，逐步得到群體近似最優(yōu)解。圖4為遺傳算法流程。

本文采用BP神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)與遺傳混合算法，利用大數(shù)據(jù)、云計(jì)算等技術(shù)，對(duì)預(yù)拌混凝土的生產(chǎn)質(zhì)量進(jìn)行在線質(zhì)量管理，如圖5所示，其計(jì)算步驟為：

1）首先建立網(wǎng)絡(luò)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)：確定輸人、輸出節(jié)點(diǎn)數(shù)，隱含層數(shù)，確定神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)計(jì)算法;

2）通過遺傳算法優(yōu)化人工神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)的初始權(quán)值和閾值：通過選擇、交叉、變異進(jìn)化過程，計(jì)算每個(gè)個(gè)體適應(yīng)度，以確定種群適應(yīng)度是否最優(yōu)，將最優(yōu)的權(quán)值和閾值賦值給人工神經(jīng)網(wǎng)絡(luò);

3）利用人工神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)BP算法進(jìn)行計(jì)算，得到預(yù)算結(jié)果。

3.2預(yù)拌混凝土在線質(zhì)量管理實(shí)例

基于混凝土現(xiàn)場(chǎng)生產(chǎn)實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)，其已知變量為原材料技術(shù)參數(shù)、配合比等，質(zhì)量管理指標(biāo)為混凝土28d壓縮強(qiáng)度，通過BP神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)和遺傳混合算法進(jìn)行計(jì)算，驗(yàn)證混凝土在線質(zhì)量管理的可行性。

1）樣本選?。阂阅彻こ袒炷涟韬驼緮?shù)據(jù)作為樣本，選取強(qiáng)度等級(jí)為C30的混凝土，質(zhì)量管理指標(biāo)為混凝土28d壓縮強(qiáng)度。樣本數(shù)據(jù)共計(jì)1000組，作為對(duì)人工神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)進(jìn)行訓(xùn)練，如表1所示。實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)共計(jì)100組，對(duì)訓(xùn)練后的網(wǎng)絡(luò)檢驗(yàn)，如表2所示。

2）結(jié)果：BP神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)與遺傳混合算法結(jié)果如圖6所示。由圖可知，基于BP神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)和遺傳算法的預(yù)拌混凝土強(qiáng)度的預(yù)測(cè)結(jié)果與實(shí)際值存在一些細(xì)微差異，但差值不大，預(yù)測(cè)值與實(shí)際值的相對(duì)誤差在一7.85%-6.94%之間，能較好的預(yù)測(cè)混凝土生產(chǎn)質(zhì)量，可對(duì)預(yù)拌混凝土生產(chǎn)的在線質(zhì)量進(jìn)行管控。

3結(jié)語(yǔ)

通過研發(fā)預(yù)拌混凝土運(yùn)營(yíng)生產(chǎn)管理系統(tǒng)（TOPS），統(tǒng)一優(yōu)化調(diào)配包括資金、設(shè)備資產(chǎn)、人力資源、倉(cāng)貯供應(yīng)、銷售運(yùn)輸?shù)雀黝愘Y源，實(shí)現(xiàn)混凝土產(chǎn)業(yè)鏈的資源優(yōu)化、信息高效共享、業(yè)財(cái)深度融合。利用大數(shù)據(jù)、人工智能（AI）等技術(shù)，對(duì)混凝土生產(chǎn)進(jìn)行實(shí)時(shí)在線質(zhì)量管理和預(yù)測(cè)，具有一定的可行性。