基于 WEB 的雜散電流腐蝕智能監(jiān)測系統(tǒng)研究

    本章利用地鐵內(nèi)部網(wǎng)絡(luò)構(gòu)建雜散電流腐蝕智能監(jiān)測系統(tǒng)，研究雜散電流腐蝕信號(hào)的采集和網(wǎng)絡(luò)化數(shù)據(jù)傳輸，并通過軟件的開發(fā)，重點(diǎn)解決腐蝕信號(hào)實(shí)時(shí)自動(dòng)采集、傳輸、統(tǒng)計(jì)、處理和狀態(tài)預(yù)估的問題，建立了地鐵雜散電流腐蝕智能化監(jiān)測系統(tǒng)。

   1 基于WEB的雜散電流腐蝕智能監(jiān)測系統(tǒng)架構(gòu)

    1.1主要監(jiān)測內(nèi)容及方法

    為了研究和預(yù)估機(jī)車運(yùn)行中雜散電流的泄漏量及其可能對金屬結(jié)構(gòu)造成的腐蝕狀況，需實(shí)時(shí)監(jiān)測的表征參數(shù)有：金屬結(jié)構(gòu)的極化電位、鋼軌電位和電阻率（包括混凝土、埋地金屬管線周圍土壤介質(zhì)）。其中，極化電位采用近參比電極測試法進(jìn)行測試；鋼軌電位的測試是通過將焊接在鋼軌上的信號(hào)線引入智能傳感器進(jìn)行；電阻率采用Wenner測量方法。具體方法詳見第3章和第4章。

   1.2智能監(jiān)測系統(tǒng)的架構(gòu)雜散電流腐蝕智能監(jiān)測系統(tǒng)

   采用車站（變電所）監(jiān)測和車輛段供電中心或控制中心集中監(jiān)測二級監(jiān)測系統(tǒng)。全線按車站劃分監(jiān)測分區(qū)，每個(gè)監(jiān)測分區(qū)在車站設(shè)置一臺(tái)能夠?qū)﹄s散電流腐蝕監(jiān)測相關(guān)數(shù)據(jù)進(jìn)行采集和統(tǒng)計(jì)處理的“智能監(jiān)測裝置”，該裝置經(jīng)過信號(hào)電纜與該站及該站兩端各半個(gè)區(qū)間內(nèi)監(jiān)測點(diǎn)的智能傳感器相連，以現(xiàn)場總線的方式與相連的各智能傳感器進(jìn)行通信；智能傳感器經(jīng)測量電纜與監(jiān)測點(diǎn)的各測量端子、參考電極相連。智能傳感器可實(shí)現(xiàn)對該分區(qū)混凝土主體結(jié)構(gòu)鋼筋的極化電位、鋼軌電位、埋地金屬管線和結(jié)構(gòu)鋼筋周圍的土壤電阻率、混凝土道床電阻率等進(jìn)行采集，并進(jìn)行數(shù)據(jù)統(tǒng)計(jì)和存儲(chǔ)。智能監(jiān)測裝置通過通信系統(tǒng)提供的以太網(wǎng)通道接入車輛段供電車間或控制中心內(nèi)的微機(jī)管理系統(tǒng)。系統(tǒng)設(shè)有服務(wù)器，通過地鐵公司內(nèi)部辦公網(wǎng)可以查詢相關(guān)信息，通過Internet可以實(shí)現(xiàn)遠(yuǎn)程訪問。智能監(jiān)測系統(tǒng)架構(gòu)設(shè)計(jì)如圖5-1所示。

    2雜散電流腐蝕智能監(jiān)測系統(tǒng)特點(diǎn)

    雜散電流腐蝕智能監(jiān)測系統(tǒng)不僅要考慮是否能滿足雜散電流腐蝕狀態(tài)各表征參數(shù)的監(jiān)測需求，同時(shí)要考慮到地鐵現(xiàn)有的條件和資源，建立的監(jiān)測系統(tǒng)需要具有可持續(xù)的擴(kuò)容性和進(jìn)一步升級的特點(diǎn)。因此，本章對計(jì)算機(jī)網(wǎng)絡(luò)技術(shù)、智能傳感器、嵌入式Internet技術(shù)及Windows DNA計(jì)算機(jī)模型等深入研究基礎(chǔ)上提出了基于地鐵現(xiàn)狀的分布式網(wǎng)絡(luò)化雜散電流監(jiān)測系統(tǒng)。該系統(tǒng)具有如下特點(diǎn)：

    （1）將傳感器等嵌入式系統(tǒng)與地鐵局域網(wǎng)結(jié)合起來，完成雜散電流監(jiān)測系統(tǒng)相關(guān)監(jiān)測數(shù)據(jù)的獲取，實(shí)現(xiàn)了現(xiàn)場裝置的遠(yuǎn)程控制；

    （2）利用地鐵局域網(wǎng)，解決了在不同站點(diǎn)分布的設(shè)備互連、傳輸介質(zhì)共享、數(shù)據(jù)通信和設(shè)備互操作等問題；它的硬件適應(yīng)性很強(qiáng)，可與各種現(xiàn)場測控單元互連；

    （3）建立在該架構(gòu)基礎(chǔ)上的雜散電流監(jiān)測系統(tǒng)在滿足現(xiàn)有需求的前提下，可以根據(jù)需要進(jìn)行系統(tǒng)擴(kuò)容和升級，滿足了地鐵線路不斷延長的需求；

    （4）在保持現(xiàn)在系統(tǒng)基礎(chǔ)上，可不斷吸收新的技術(shù)發(fā)展成果，使系統(tǒng)始終處于新技術(shù)應(yīng)用的前沿領(lǐng)域。

    3 Web服務(wù)設(shè)計(jì)

      雜散電流腐蝕智能監(jiān)測系統(tǒng)具有遠(yuǎn)程監(jiān)測的功能，因此在工作站上要提供Web服務(wù)，實(shí)現(xiàn)Internet上的數(shù)據(jù)交換。

    為了實(shí)現(xiàn)有效的數(shù)據(jù)共享和信息管理必需具有相應(yīng)的服務(wù)器系統(tǒng)軟件。通過Web服務(wù)器可實(shí)現(xiàn)動(dòng)態(tài)的網(wǎng)頁發(fā)布。當(dāng)服務(wù)器工作時(shí)，處于同一局域網(wǎng)中的計(jì)算機(jī)通過輸入IP地址的方式，可以在瀏覽器中訪問超文本頁面。目前應(yīng)用較多的服務(wù)器軟件主要有Apache和IIS（Internet Information Server），Apache的優(yōu)勢主要在于它的源代碼開放、支持跨平臺(tái)的應(yīng) 用（可以運(yùn)行在幾乎所有的Unix、windows、Linux系統(tǒng)平臺(tái)上）以及它的可移植性等方面。相對于APACHE，IIS操作和維護(hù)更加簡化，在功能和安全方面兩者不分伯仲。本系統(tǒng)采用IIS作為Web服務(wù)器軟件。

    ASP.NET  AJAX是一個(gè)完整的開發(fā)框架，其服務(wù)器端編程模型相對于客戶端編程模型較為簡單，而且容易與現(xiàn)有的ASP.NET程序相結(jié)合.AJAX的交互功能更加智慧和人性化，第一次請求發(fā)回一個(gè)完整的Web頁面，以后更新數(shù)據(jù)并不是將整個(gè)頁面重新載入，而僅僅是將響應(yīng)的內(nèi)容會(huì)傳。

    AJAX是Java Script、CSS、DOM、XmlHttpRequest四種技術(shù)的集合體，主要應(yīng)用于異步獲取后臺(tái)數(shù)據(jù)和局部刷新。

    Atlas是一個(gè)新的Web技術(shù)開發(fā)包，它集成了一套非常大的客戶端腳本庫使得與功能豐富的、基于服務(wù)器開發(fā)平臺(tái)的ASP.NET2.0結(jié)合在一起，“Atlas”能讓開發(fā)的Web應(yīng)用能夠通過直接調(diào)用Web服務(wù)器來更新一個(gè)Web頁面的數(shù)據(jù)，不需要在頁面往返傳送（也就是不需要多次刷新頁面）。使用“Atlas”，能最大地利用ASP.NET和服務(wù)器端代碼在瀏覽器中來做許多工作，使得有更加豐富的用戶體驗(yàn)。

    4基于WEB的雜散電流腐蝕智能監(jiān)測系統(tǒng)在工程中的實(shí)際應(yīng)用

    4.1監(jiān)測系統(tǒng)構(gòu)成實(shí)際框圖

    如圖5-2所示，雜散電流腐蝕智能監(jiān)測系統(tǒng)主要由智能傳感器、智能監(jiān)測裝置、雜散電流分析工作站組成，智能傳感器與智能監(jiān)測裝置通過現(xiàn)場總線的方式進(jìn)行數(shù)據(jù)交換，智能監(jiān)測裝置與雜散電流分析工作站是通過網(wǎng)絡(luò)進(jìn)行數(shù)據(jù)交換。

    如圖5-3所示，雜散電流腐蝕智能監(jiān)測系統(tǒng)利用以太網(wǎng)交換機(jī)與PSCADA共用1條物理通道，將全線各車站雜散智能監(jiān)測裝置直接接入到通信骨干網(wǎng)絡(luò)中。

    復(fù)示中心的雜散電流工作站利用網(wǎng)絡(luò)接口直接通過以太網(wǎng)與各車站雜散電流監(jiān)測設(shè)備通信，減少在通訊過程中無效數(shù)據(jù)的傳輸，充分發(fā)揮雜散電流監(jiān)測分析工作站的功能。

    4.2雜散電流腐蝕智能監(jiān)測系統(tǒng)操作流程

    雜散電流腐蝕智能監(jiān)測系統(tǒng)中數(shù)據(jù)查詢，打印輸出等常規(guī)功能通過系統(tǒng)主界面很容易進(jìn)行操作，下面主要在對腐蝕信號(hào)處理及預(yù)估的工程實(shí)踐進(jìn)行說明。

    基于時(shí)頻聯(lián)合分析實(shí)現(xiàn)雜散電流原始腐蝕信號(hào)中異常信號(hào)的特征提取，由此定位腐蝕信號(hào)異常時(shí)刻機(jī)車距離牽引變電所的運(yùn)行位置，存儲(chǔ)最鄰近機(jī)車的參比電極采集到的鋼軌電位及混凝土道床和周圍土壤介質(zhì)的電阻率，混凝土道床或隧道側(cè)壁的結(jié)構(gòu)鋼筋或埋地金屬管線的水平凈距和深度由地鐵系統(tǒng)設(shè)計(jì)圖紙可知。

    綜上分析，建立腐蝕狀態(tài)預(yù)估模型的輸入樣本集；由機(jī)車不同運(yùn)行工況下雜散電流分布的分析結(jié)果可知，機(jī)車在牽引運(yùn)行時(shí)牽引變電所負(fù)極回流點(diǎn)附近的結(jié)構(gòu)鋼筋和埋地金屬管線容易發(fā)生雜散電流腐蝕，制動(dòng)運(yùn)行時(shí)在機(jī)車所在位置處的結(jié)構(gòu)鋼筋和埋地金屬管線容易發(fā)生雜散電流腐蝕。因此，將腐蝕信號(hào)異常時(shí)刻機(jī)車所處位置和牽引變電所回流點(diǎn)處埋設(shè)參比電極的結(jié)構(gòu)鋼筋或金屬管線電位偏移值作為腐蝕狀態(tài)預(yù)估模型的輸出樣本集，基于所建立輸入輸出樣本集，實(shí)現(xiàn)預(yù)估模型的訓(xùn)練，進(jìn)而預(yù)測機(jī)車所處位置和牽引變電所回流點(diǎn)附近未埋設(shè)參比電極的金屬管線電位偏移值，具有現(xiàn)實(shí)的工程意義。

    4.3雜散電流腐蝕智能監(jiān)測系統(tǒng)功能分析

    雜散電流腐蝕智能監(jiān)測系統(tǒng)主界面主要有七個(gè)功能模塊，分別是實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)采集、歷史數(shù)據(jù)查詢、腐蝕信號(hào)時(shí)頻聯(lián)合分析、腐蝕狀態(tài)預(yù)估、故障報(bào)警、參數(shù)配置以及輸出打印。

    （1）實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)采集

    如圖5-4所示，雜散電流腐蝕智能監(jiān)測系統(tǒng)可通過安裝在地鐵現(xiàn)場所有采集點(diǎn)的智能傳感器將采樣數(shù)據(jù)經(jīng)傳輸網(wǎng)絡(luò)傳輸?shù)焦ぷ髡荆M(jìn)行實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)采樣，及時(shí)掌握現(xiàn)場的雜散電流信息。

    （2）歷史數(shù)據(jù)查詢

    監(jiān)測系統(tǒng)可以對歷史數(shù)據(jù)進(jìn)行分類查詢，可以按時(shí)間段查詢某監(jiān)測點(diǎn)的所有數(shù)據(jù)、所有監(jiān)測點(diǎn)在同一時(shí)間的分布，所有監(jiān)測點(diǎn)一天最大值的分布，所有監(jiān)測點(diǎn)一月最大值的分布。如圖5-5雜散電流腐蝕歷史數(shù)據(jù)查詢所示。

    （3）腐蝕信號(hào)特征提取監(jiān)測系統(tǒng)可以對測試的腐蝕信號(hào)進(jìn)行時(shí)頻聯(lián)合分析，腐蝕信號(hào)時(shí)頻聯(lián)合分析如圖5-6所示，此圖是對地鐵現(xiàn)場采集的腐蝕信號(hào)的分析，從分析結(jié)果可以看出中心頻率所處的時(shí)刻點(diǎn)分別為1043點(diǎn)，2676點(diǎn)，5075點(diǎn)和6477點(diǎn)。腐蝕信號(hào)分別為52.56V，54.13V，-48.67V和-49.13V。

    （4）雜散電流腐蝕預(yù)測

    如圖5-7所示，監(jiān)測系統(tǒng)具有腐蝕狀態(tài)預(yù)估的功能，通過“導(dǎo)入數(shù)據(jù)”可以將需要預(yù)測的相關(guān)數(shù)據(jù)進(jìn)行導(dǎo)入，然后點(diǎn)擊“腐蝕預(yù)測”在界面上就可以得到相關(guān)的預(yù)測結(jié)果。

    如圖5-7所示，監(jiān)測系統(tǒng)具有腐蝕狀態(tài)預(yù)估的功能，通過“導(dǎo)入數(shù)據(jù)”可以將需要預(yù)測的相關(guān)數(shù)據(jù)進(jìn)行導(dǎo)入，然后點(diǎn)擊“腐蝕預(yù)測”在界面上就可以得到相關(guān)的預(yù)測結(jié)果。

    （5）故障和報(bào)警

    監(jiān)測系統(tǒng)的所有設(shè)備具有自診斷的功能，同時(shí)通過采集的數(shù)據(jù)可以對傳感器等設(shè)備的工作狀態(tài)進(jìn)行遠(yuǎn)程診斷，如果發(fā)現(xiàn)有設(shè)備故障和異常的情況，系統(tǒng)可以記錄故障時(shí)間、故障情況、發(fā)出報(bào)警信息以及上傳控制中心的功能。

    （6）參數(shù)配置

    監(jiān)測系統(tǒng)可以通過雜散電流分析工作站對相關(guān)設(shè)備的參數(shù)進(jìn)行遠(yuǎn)程配置，以便更好地實(shí)現(xiàn)設(shè)備的遠(yuǎn)程維護(hù)。

    5小結(jié)

    要實(shí)現(xiàn)地鐵雜散電流腐蝕智能監(jiān)測，需要解決的關(guān)鍵技術(shù)問題包括有關(guān)腐蝕信息數(shù)據(jù)的獲取與傳輸、海量數(shù)據(jù)存儲(chǔ)與管理、監(jiān)測數(shù)據(jù)的處理與分析、腐蝕狀態(tài)預(yù)估等，本章針對上述關(guān)鍵技術(shù)進(jìn)行了研究，取得的主要成果和結(jié)論如下：

     （1）結(jié)合我國地鐵內(nèi)部數(shù)據(jù)交換傳輸網(wǎng)絡(luò)的現(xiàn)狀，提出了基于Web的雜散電流腐蝕智能監(jiān)測系統(tǒng)的構(gòu)建方法。

    （2）雜散電流腐蝕智能監(jiān)測系統(tǒng)綜合考慮了能夠表征腐蝕特性的監(jiān)測參數(shù)和數(shù)據(jù)采集方式，構(gòu)建包括監(jiān)測系統(tǒng)本身的故障診斷體系結(jié)構(gòu)，并對監(jiān)測系統(tǒng)的可靠性和后期維護(hù)進(jìn)行了分析。

    （3）自主開發(fā)了以數(shù)據(jù)庫為核心的數(shù)據(jù)查詢與分析系統(tǒng)。能夠準(zhǔn)確全面地對現(xiàn)場信號(hào)進(jìn)行采集，對采集后的數(shù)據(jù)進(jìn)行系統(tǒng)分析，為地鐵雜散電流腐蝕防護(hù)提供重要支持。在實(shí)際地鐵工程中的應(yīng)用實(shí)踐表明，監(jiān)測系統(tǒng)能夠滿足地鐵雜散電流監(jiān)測的需要。