Современное производство строительных материалов сталкивается с вызовом интеграции фундаментальных физико-химических знаний о материале в контуры оперативного автоматизированного управления. Существующий разрыв между статическими лабораторными исследованиями и упрощенными эмпирическими моделями в автоматизации сдерживает переход к парадигме «Строительство 4.0» и интеллектуальному управлению качеством (Quality 4.0). Целью является разработка универсальной методологии управления качеством, объединяющей три ключевых компонента – фундаментальную физико-химическую модель процесса, алгоритм оценки текущего состояния материала по косвенным измерениям и оптимизатор управляющих воздействий. Триада, обозначаемая как «Модель – Оценка – Управление», позволяет рассматривать технологический процесс как динамическую систему с распределенными параметрами. Представлен математический аппарат, включающий уравнения тепломассопереноса и химической кинетики, а также современные методы оценки состояния материала (фильтры Калмана и фильтр частиц) и алгоритмы оптимального управления, принцип максимума Понтрягина и обучение с подкреплением. Применимость методологии продемонстрирована на примере транспортировки бетонной смеси. Предложенный подход создает основу для создания «умных» производств и цифровых двойников в строительной индустрии.
The modern production of building materials has to deal with the challenge of integrating fundamental physical and chemical knowledge of the material into operational automated control systems. The existing gap between static laboratory studies and simplified empirical models in automation is hindering the transition to the ‘Construction 4.0’ paradigm and intelligent quality management (Quality 4.0). The purpose of this study is to develop a universal quality control methodology that combines three key components, namely a fundamental physico-chemical model of the process, an algorithm for assessing the current state of the material based on indirect measurements, and an optimiser for control actions. The triad, designated as ‘Model – Assessment – Control’, allows the technological process to be viewed as a dynamic system with distributed parameters. A mathematical framework is presented, comprising heat and mass transfer equations and chemical kinetics, as well as modern state estimation methods (in particular, Kalman filters and particle filters) and optimal control algorithms, the Pontryagin maximum principle and reinforcement learning. The applicability of the methodology is demonstrated using the example of concrete mix transport. The proposed approach provides a basis for the creation of ‘smart’ manufacturing and digital twins in the construction industry.