張 輝，李 昆，王 珊，趙奕菲，蔡逸林，陳柞旭

(北京科技大學(xué)能源與環(huán)境工程學(xué)院，北京 100083)

0 引言

隨著瀝青混合料技術(shù)的不斷成熟，瀝青路面在公路交通運輸中的應(yīng)用日益廣泛。由于路面滲水性能及其使用壽命與行車安全密切相關(guān)[1]，故監(jiān)測其抗?jié)B能力已成為當前公路建設(shè)中的重要任務(wù)?；诖耍_地研究瀝青路面滲水系數(shù)已成為工程應(yīng)用中亟待解決的問題。目前，滲水儀大多采用人工掐表計時和目測讀取刻度的操作方法，誤差較大[2]。該方法只根據(jù)液位初、末狀態(tài)計算滲水系數(shù)，并未考慮滲水過程中出現(xiàn)的漏水、溢水、氣泡和膨脹等現(xiàn)象[3]，數(shù)據(jù)波動大，準確性差[4]。此外，對不同路段測量結(jié)果進行歸檔整理的工作量大，難以形成路況診斷數(shù)據(jù)庫，信息利用效率低，不利于全國公路建設(shè)網(wǎng)絡(luò)的長期穩(wěn)定發(fā)展[5]。

本文通過對大量現(xiàn)場路面實測數(shù)據(jù)的分析與總結(jié)，依據(jù)國家行業(yè)標準[6]，設(shè)計并開發(fā)了一套控制系統(tǒng)與嵌入式軟件相匹配的路面滲水系數(shù)自動測量儀(以下簡稱“自動滲水儀”)。

1 自動滲水儀結(jié)構(gòu)

自動滲水儀各部件名稱及尺寸按國家交通部部門計量檢定規(guī)程JJG104—2015標注。

盛水量筒采用透明亞克力材質(zhì)，表面刻有以“mL”為單位的標尺。根據(jù)水的密度和盛水量筒內(nèi)徑可知，液位每改變1 mm，對應(yīng)壓強變化約10 Pa，水的體積變化約2.00 mL。

在盛水量筒下方管道，通過G1/4外螺紋安裝了數(shù)字壓力傳感器(pressure indicator，PI)。PI采用RS-485[7]半雙工通信方式。由于壓力傳感器內(nèi)部芯體向上布置，與自動滲水儀管道形成“U”型管結(jié)構(gòu)，故在壓力傳感器上方存有一定量的水，形成初始“0水位”壓強。當管道水位壓強小于該殘留水位壓強時，測得的數(shù)據(jù)保持恒定，對應(yīng)“0水位”壓強。將壓力傳感器布置在開關(guān)閥門上方管道，有利于實時監(jiān)測水位壓強的變化，以免注水時氣體存留在壓力傳感器芯體部位，從而減小測量壓力波動。

為了降低閥門內(nèi)徑局部阻力對測量結(jié)果的影響、與行業(yè)標準規(guī)定保持一致，將原來的手動開關(guān)閥更換為G1/2內(nèi)螺紋接口、10 mm孔口直徑的VX232GZ1E型常閉電磁閥，并采用DC 12 V供電。手動開關(guān)閥門時，由于操作者用力大小不同，滲水儀側(cè)面受到不均衡壓力作用，使?jié)B水儀主體向一側(cè)“翹起”，造成滲水儀與路面間的密封面破損，導(dǎo)致漏水；改用電磁閥則消除了這種破壞性因素，同時便于實施自動控制[8]。

自動滲水儀結(jié)構(gòu)如圖1所示。

圖1 自動滲水儀結(jié)構(gòu)示意圖Fig.1 Automatic water seepage meter structure diagram

2 控制系統(tǒng)設(shè)計

控制系統(tǒng)是上位機軟件與滲水儀各部件關(guān)聯(lián)的紐帶，由液位壓力監(jiān)測、閥門開關(guān)控制和電池電壓采集三部分構(gòu)成。上位機采用LJD-eWinV5-ST4嵌入式觸摸屏。觸控屏各端口通過排線與相應(yīng)部件聯(lián)接。

2.1 液位壓力監(jiān)測

自動滲水儀控制系統(tǒng)電路如圖2所示。

圖2 自動滲水儀控制系統(tǒng)電路圖Fig.2 Automatic water seepage meter control system circuit diagram

液位壓強通過CYYZ11-H-04-RS-17-C-G數(shù)字壓力傳感器實時獲取。該傳感器中：1引腳與電池正極相連；3引腳與電池負極相連；2引腳(RS-485A)與觸摸屏Rx3端子相連；4引腳(RS-485B)與觸摸屏Tx3端子相連。壓力傳感器的測量范圍為0～10 kPa，對應(yīng)數(shù)字輸出范圍為0～2 000，表明每一個數(shù)字對應(yīng)可識別的壓強為5 Pa。響應(yīng)頻率為5 Hz，表示壓力傳感器數(shù)據(jù)更新時間為200 ms。通信參數(shù)設(shè)置為“9600,N,8,1”，說明異步通信的速率為9 600 bit/s，每個字節(jié)占用8個位、1個起始位(默認)和1個停止位，相當于發(fā)送1個字節(jié)需要10個比特位(bit)。每秒發(fā)送的極限字節(jié)數(shù)為960個。每個字節(jié)發(fā)送時間約為1 ms。從圖2中可以看出，發(fā)送指令長度為8個字節(jié)，則單條指令的極限發(fā)送時間為8 ms，實際響應(yīng)速率大于10 ms。

壓力傳感器的萬能地址為FF，此處設(shè)為01。

發(fā)送指令格式為：01 03 00 00 00 01 84 0A。

該格式表示：讀(03，功能碼)01號地址壓力傳感器00 00地址開始的00 01個字(相當于2個字節(jié))，循環(huán)冗余校驗碼為84 0A(低字節(jié)在前，高字節(jié)在后)。

接收接令格式為：01 03 02 02 AC B9 59。

該格式表示：讀(03，功能碼)01號地址壓力傳感器后得到02個字節(jié)數(shù)據(jù)，其值為02 AC，循環(huán)冗余校驗碼為B9 59(低字節(jié)在前，高字節(jié)在后)。

2.2 閥門開關(guān)控制

觸摸屏具有4路數(shù)字輸入接口(digital input,DI)和4路數(shù)字輸出接口(digital output,DO)，共用5 V電源線和GND線，均為信號線，電壓低、電流小，不具有驅(qū)動外部設(shè)備的能力，需要通過外部繼電器間接控制電磁閥。DO引腳電位的高低由上位機軟件發(fā)送指令控制:發(fā)送1時為高電平；發(fā)送0時為低電平。觸摸屏的DO1引腳與繼電器的IN端子相連。

繼電器內(nèi)部為電阻線圈，DC+與電池正極相連，DC-與電池負極相連。COM、常開(normally open,NO)和常關(guān)(normally closed,NC)分別為繼電器的公共觸點。常開觸點表示線圈不加電時為斷開狀態(tài)。常閉觸點表示線圈不加電時為閉合狀態(tài)。當“H”跳線帽短路時，表示共“高壓”端，即繼電器線圈的正極與COM觸點相連；反之，“L”表示共“低壓”端，即繼電器線圈的負極與COM觸點相連。因此，當選擇“H”時，電磁閥的正極與電池正極相連，負極與繼電器的COM端子相連。此時，COM端子電壓與電池電壓相同。當觸摸屏向DO1引腳發(fā)送指令1時，繼電器的IN端子信號線為高電平。此時，繼電器加電，COM端子與NO端子短路，電磁閥的供電電路形成閉合回路，電磁閥打開。反之，當觸摸屏向DO1引腳發(fā)送指令0時，繼電器的IN端子信號線為低電平，繼電器斷電，COM端子與NO端子斷開，電磁閥供電電路中斷，電磁閥斷開。

2.3 電池電壓采集

控制系統(tǒng)采用3節(jié)26800鋰電池供電。單節(jié)鋰電池為2.6～4.3 V、7 000 mA·h。電池通過300 kΩ限流電阻、200 kΩ電壓上拉電阻和100 kΩ可變電阻構(gòu)成一個閉合回路。電池負極與觸摸屏的模擬地引腳AGND相連，經(jīng)過100 kΩ可變電阻抽出的杜邦線接頭與觸摸屏的AD引腳相連。對于單節(jié)電池，電量耗盡時電壓為2.6 V、充滿電時電壓為4.3 V。則3節(jié)電池的電壓測量范圍為7.8～12.9 V。觸摸屏模/數(shù)轉(zhuǎn)換為12位，對應(yīng)212=4 096個數(shù)值，其范圍為0～4 096。通過實際測量，觸摸屏AD值與電壓間的對應(yīng)關(guān)系為：

UD=263UA+6.596

(1)

式中：UA為電池模擬電壓值，V；UD為電池模擬電壓轉(zhuǎn)化為數(shù)字電壓對應(yīng)的AD值，無量綱。

根據(jù)式(1)可知，10 V電壓對應(yīng)的A/D值為263×10+6.596=2 636.596 ≈ 2 637。

7.8 V電壓對應(yīng)AD值為2 058。12.9 V電壓對應(yīng)AD值為3 399。將2 058～3 399等分為5份，在軟件界面中用不同顏色塊表示，分別為紅(2 058～2 325)、黃(2 326～2 593)、黃綠(2 594～2 861)、淺綠(2 862～3 129)和深綠(3 130～3 399)，從而實現(xiàn)不同模擬電壓到數(shù)字區(qū)間段的映射，通過顏色為操作者提示電池電量消耗情況。

3 工藝流程設(shè)計

工藝流程分為始終計量和過程識別2種模式。始終計量模式通過人工或壓力傳感器識別起始與結(jié)束水位高度。過程識別模式通過壓力傳感器感知水位下降過程，記錄整個測試過程中的壓力數(shù)據(jù)。

3.1 始終計量模式

根據(jù)行業(yè)標準JJG 104—2015，將路面滲水系數(shù)測試過程分解為7個基本工藝步驟。始終計量模式工藝流程分解步驟如圖3所示。

圖3 始終計量模式工藝流程步驟示意圖Fig.3 End to end metering mode process flow step diagram

圖3中標示了每個步驟對應(yīng)的水位壓力變化趨勢區(qū)間段和轉(zhuǎn)折點。其中：區(qū)間段采用粗實線標示；轉(zhuǎn)折點用空心圓圈標注。

①注水。打開電磁閥，當滲水儀通過膩子與路面密封后，再關(guān)閉電磁閥，在盛水量筒中注滿水。此時，液面超過0 mL刻度線，壓力穩(wěn)定，在曲線中表現(xiàn)為某一水平臺階。

②充填。打開電磁閥，盛水量筒中的水充填至路面與滲水儀之間的空隙，空隙內(nèi)的氣體被排出。壓力曲線呈陡然下降趨勢，同時伴有滲水過程。充填的目的是將水充入閥門下部自由空間。

③校準。關(guān)閉電磁閥，向盛水量筒中填水至0 mL刻度線。此時，水位壓力曲線呈陡然上升趨勢，達到某一水平平臺。因此，需通過上位機軟件對壓力傳感器測得的壓強值進行校準，對應(yīng)0 mL刻度線。

④預(yù)滲。打開電磁閥，水開始滲入路面，水位高度不斷降低，液面下降速率達到穩(wěn)定。這可方便用戶判斷液面何時到達預(yù)定刻度線，提高人工控制掐表時間的精確度。

⑤開始。當水位高度到達100 mL刻度線時，水位下降速率基本穩(wěn)定，開始計時。人工操作需要操作人員目測刻度線，誤差大。而自動滲水儀則通過壓力值反饋識別水位高度，能夠精準地記錄起始時刻。

⑥滲中。水通過路面不斷滲入下層，水位不斷下降。當發(fā)生漏水、溢水、鼓泡、泡滅等現(xiàn)象時，壓力傳感器可以實時感知相應(yīng)的壓強變化，將過程數(shù)據(jù)完整地記錄下來。

⑦終了。當水位高度到達500 mL刻度線時，如果時間沒有超過3 min，結(jié)束計時；或者當水位在3 min內(nèi)仍未到達500 mL刻度線時，也要結(jié)束計時，記錄終了刻度。根據(jù)終了時刻與起始時刻的時間差和壓強差，計算對應(yīng)的滲水系數(shù)[9]。

始終計量模式對于滲水量大的新路面有較好的測量效果。而對于舊路面，由于滲水量小，液面長時間未能到達100 mL刻度線，無法開始測試。在充填和預(yù)滲步驟，水一部分填入下部自由空間，另一部分滲入路面，則會導(dǎo)致實測值偏小。此外，人工操作模式對于水下滲過程中的氣泡、鼓泡等現(xiàn)象無法進行觀察和識別，數(shù)據(jù)偏差很大[10]。

3.2 過程識別模式

過程識別模式利用壓力傳感器[11]對水位壓強作實時監(jiān)測，將充填和預(yù)滲步驟連貫進行，減少了水下滲的時間，且無需甄別100 mL和500 mL刻度線。通過下滲曲線的穩(wěn)定狀態(tài)，即可識別下滲過程。

過程識別模式工藝流程步驟如圖4所示。

圖4 過程識別模式工藝流程步驟示意圖Fig.4 Process identification model process flow step diagram

①注水。關(guān)閉電磁閥，將水注入盛水量筒中，待液面穩(wěn)定后，壓力曲線呈某一平臺形狀，且高于0 mL刻度線，保證有足量水填入下部自由空間。

②校準。將水位液面調(diào)整至0 mL刻度線位置，用于軟件校準點的識別，壓力曲線保持平臺形狀，但數(shù)值低于注水段壓強。

③充填。打開電磁閥，水填入下部自由空間，液面迅速下降，曲線呈陡降趨勢，下部自由空間的空氣被水排出。自由空間填滿后，由于路面的粗糙程度和溫度各異，液面波動較大，曲線中會呈現(xiàn)毛刺、鼓包、斷崖等局部特征。

④開始。當液面波動穩(wěn)定后，曲線斜率趨于固定值，水以一定速率下滲。開始計時，并記錄此刻的時間和水位壓強值作為初始時刻數(shù)據(jù)。

⑤滲中。水位不斷下降，期間可能會出現(xiàn)漏水、正常滲水、溢水、氣泡等現(xiàn)象，分別對應(yīng)曲線的不同形狀。通過算法識別，可以得到對應(yīng)的特征，在計算時進行修正或刪除，以保證測量結(jié)果的準確性。

⑥終了。當水位高度到達500 mL或時間達到3 min時，結(jié)束測量，記錄對應(yīng)的時間與壓強，并計算滲水系數(shù)。

過程識別模式不僅可以獲得滲水系數(shù)，還可以通過算法的開發(fā)，識別不同路面的滲水特征，對路況進行判斷和分析，為路政提供建設(shè)、維修和保養(yǎng)參考。

4 軟件設(shè)計

控制系統(tǒng)需要上位機軟件配合完成指令操作和數(shù)據(jù)采集，并通過算法對過程曲線進行特征識別。算法的完善性與可靠性將保證滲水儀測量的準確性和智能化。

4.1 測試過程

始終計量模式與過程識別模式采用同一界面，兩種方式通過操作類型中的選項按鈕予以區(qū)分。所有的測量操作均在“測試過程”屬性頁中完成。

始終計量模式軟件操作界面如圖5所示。

當“操作類型”為“JJG104—2015”時，對應(yīng)始終計量模式。在校準步驟中將液面調(diào)整為0 mL刻度時，點擊“0刻度校準”按鈕，實時壓力對應(yīng)的壓力值會定標為“0刻度線→XXXXPa”。整個過程以該值為基準進行自動測試。

當“操作類型”為“自動延時”時，對應(yīng)過程識別模式。點擊圖5右上角的“開始測試”按鈕，按鈕對應(yīng)標簽顯示為圖5中的“停止測試”字樣，并改變?yōu)榻範顟B(tài)。此時，測試過程由程序自動完成。打開電磁閥，液位開始下降。當檢測到液面達到100 mL刻度線時，圖5中間部分的計時器開始計時。當液面降至500 mL或時間到達3 min時，停止計時，記錄對應(yīng)壓強。數(shù)據(jù)將自動保存在“數(shù)據(jù)處理”屬性頁表格中，每一行記錄對應(yīng)一次測量結(jié)果。

當“操作類型”選擇自動延時，在界面右方的“延時計時(s)”文本框中輸入延時時間。點擊“開始測試”按鈕，先打開電磁閥，水開始充填下部自由空間。待延時時間達到后，液面已經(jīng)平穩(wěn)下降。此時，記錄開始時間和壓強。當測試時間達到3 min后，記錄對應(yīng)的時間和壓強，扣除2點間的斷崖，將數(shù)據(jù)點按直線或指數(shù)關(guān)系擬合，得到對應(yīng)的準確壓強，再求出滲水系數(shù)。

2種操作模式需要“手動操作”模式的配合。在注水、充填等步驟時，可以通過點擊“打開水閥”和“關(guān)閉水閥”進行上位機觸摸控制。

4.2 數(shù)據(jù)處理

測試過程數(shù)據(jù)如表1所示。

表1 測試過程數(shù)據(jù)Tab.1 Data of experimental measurement

在“數(shù)據(jù)處理”屬性頁中可以對測試過程中的數(shù)據(jù)記錄進行保存和計算，獲得當前幾組測量數(shù)據(jù)的標準差、平均值和變異系數(shù)，其值分別為1.0879、11.9060和9.137%。其中，變異系數(shù)為標準差與平均值的商。此外，也可以通過“打開文件”按鈕調(diào)入已有的測試數(shù)據(jù)進行分析。如果已完成測量工作，可以點擊“保存數(shù)據(jù)”，將記錄保存到以時間命名的文件中。記錄中含有每一次測試的位置、起始時間、起始水位、終止時間、終止水位、滲水系數(shù)等。如果連接GPS模塊，每次測量的定位信息也會保存到記錄中，以便后續(xù)大數(shù)據(jù)的匯總分析，從而達到識別不同位置的數(shù)據(jù)點、監(jiān)測不同路段滲水性能的目的，實現(xiàn)路況診斷。

5 數(shù)據(jù)分析

始終計量模式得到的數(shù)據(jù)是起點和終點的平均值，只是滲水系數(shù)的近似值；過程識別模式能清晰地再現(xiàn)滲水過程細節(jié)，輔以理論模型，能夠?qū)崿F(xiàn)路面性能的評估與預(yù)測。

5.1 正常滲水

正常滲水過程壓力實時曲線如圖6所示。

圖6 正常滲水過程壓力實時曲線圖Fig.6 Curves of water pressure for normal seepage process

從圖6(a)中的原始數(shù)據(jù)可以看出，測量過程數(shù)據(jù)波動明顯，呈毛刺狀。這一方面是由于壓力傳感器受到外部因素干擾，另一方面則是由于液面自身波動所致。經(jīng)過遞推中值算法濾波處理后得到下方光滑曲線，如圖6(b)所示，曲線原有的基本特征保持不變，數(shù)據(jù)更加清晰。根據(jù)圖6中B點與E點數(shù)據(jù)，可以計算出對應(yīng)的滲水速率，即：

滲水速率=2.00(mL/mm)×(2 270-1 950)Pa÷10(Pa/mm)÷[(359.984-37.682)(s)÷60(s/min)]=64.00 mL÷5.372 min=11.914 (mL/min)。

羅文婷等[12]開發(fā)的滲水裝置以eType電阻式液位傳感器測量液位高度，而本文以壓力傳感器測量液位高度。這2種方法均能測量體積變化，但差別較大。壓力傳感器測量參數(shù)為液體壓強，而電阻式液位傳感器測量參數(shù)為高度。對于相同位數(shù)的A/D轉(zhuǎn)換電路，1 Pa壓強相當于0.1 mm高度，壓力傳感器最小分辨率為5 Pa，相當于0.5 mm；而電阻式液位傳感器最小分辨率為1 mm。如果將壓強測量范圍縮小，還可以進一步提高測量分辨率。壓力傳感器為數(shù)字式傳感器，不需要A/D轉(zhuǎn)換，通過串口直接獲取數(shù)據(jù)，性價比高，采樣周期為100 ms，速度較快。而電阻式液位傳感器需要添加模數(shù)轉(zhuǎn)換模塊，采樣周期為1 s。此外，電阻式液位傳感器采用卡爾曼濾波。該濾波方法只大概率考慮前一時刻數(shù)據(jù)的影響，無法對一段數(shù)據(jù)進行光滑分析。遞推中值是以當前數(shù)據(jù)點前后各25點數(shù)據(jù)進行排序并取中值獲得。整條曲線不僅可以過濾脈沖尖波，還可以光滑曲線。由于該方法并不進行插值，保持了數(shù)據(jù)的原有特征?；谏鲜鰩c，采用壓力傳感器可以高分辨率、快速、保真地對數(shù)據(jù)分析處理。

在充填步驟段，曲線形狀明顯不同。充填步驟的壓強呈指數(shù)衰減下降，而滲中步驟的曲線近似為一條直線，斜率不變。顯然，將B點作為計時開始點更加準確。達到E點后，曲線特征已完全顯現(xiàn)。對B點與E點之間的數(shù)據(jù)采用最小二乘法擬合。方程形式為y=a+bx。壓力與時間擬合線性函數(shù)關(guān)系對應(yīng)參數(shù)列表如表2所示。從表2中可以看出，線性相關(guān)系數(shù)達到0.997 44，說明壓力與時間高度線性相關(guān)，直線對應(yīng)斜率為-0.985 29 Pa/s，相當于59.117 4 Pa/min。按每毫米高度對應(yīng)2 mL體積水柱計算，每分鐘滲水量為59.117 4÷10×2=11.823 mL。這與取線性區(qū)間兩端點得到的數(shù)值11.914近似相等。

表2 壓力與時間擬合線性函數(shù)關(guān)系對應(yīng)參數(shù)列表Tab.2 List of parameters corresponding to the linear function of pressure versus time fitting

在實驗室采用馬歇爾試件研究滲水系數(shù)時，由于試件孔隙率大、滲水速度快，表現(xiàn)為指數(shù)衰減形式。本文以實際路面為測試對象，路面內(nèi)部孔隙充填有細顆粒砂塵，導(dǎo)致孔隙率減小，相應(yīng)液阻增大，滲水過程變緩，呈現(xiàn)為在某一區(qū)間段為近線性關(guān)系。

5.2 異?，F(xiàn)象

滲水過程中，經(jīng)常伴有特殊現(xiàn)象，例如氣泡、漏水、溢水等。以出現(xiàn)氣泡為例，滲水過程發(fā)生異常現(xiàn)象時對應(yīng)的壓力實時曲線如圖7所示。

圖7 滲水過程發(fā)生異常現(xiàn)象時對應(yīng)的壓力實時曲線圖Fig.7 Curves of water pressure for abnormal seepage process

對原始數(shù)據(jù)經(jīng)過遞推中值算法濾波處理后，數(shù)據(jù)起點B與終點E之間有一個臺階，其高度為：2.00(mL/mm)×(2 140-2 080)Pa÷10(Pa/mm)=12.00 mL。

該臺階高度對應(yīng)測試過程中產(chǎn)生氣泡的體積，約為12 mL。不考慮氣泡時，滲水系數(shù)為5 mL/min，去除氣泡體積后，滲水系數(shù)為2.779 mL/min，其計算過程如下。

滲水速率=[2.00(mL/mm)×(2 170-2 035)Pa÷10(Pa/mm)-12.00mL]÷[(361.579-37.766)(s)÷60(s/min)]=15 mL÷5.397 min=2.779 (mL/min)。

從以上數(shù)據(jù)可以看出，過程現(xiàn)象對數(shù)據(jù)結(jié)果影響顯著。

6 結(jié)論

本文通過對大量滲水過程測量數(shù)據(jù)的分析研究，并結(jié)合野外工作人員使用經(jīng)驗，在兼容行業(yè)標準JJG 104—2015操作規(guī)程基礎(chǔ)上，拓展了工藝流程，實現(xiàn)了滲水系數(shù)的自動測量，提高了測量精度，減輕了人員操作負擔。本文主要創(chuàng)新點如下：①研制了基于數(shù)字壓力傳感器的滲水系數(shù)測量過程自動控制系統(tǒng)；②開發(fā)了基于Windows CE嵌入式系統(tǒng)的上位機控制與數(shù)據(jù)處理分析軟件；③自動滲水儀兼容了行業(yè)標準操作規(guī)范，拓展了用戶自定義操作流程，提供了液位始終計量模式和過程識別模式這2種操作方法。

為了完善過程特征的甄別，仍需對大量測試數(shù)據(jù)進行分析，后續(xù)將進一步深化研究。