基于 WEB 的雜散電流腐蝕智能監測系統研究

    本章利用地鐵內部網絡構建雜散電流腐蝕智能監測系統，研究雜散電流腐蝕信號的采集和網絡化數據傳輸，并通過軟件的開發，重點解決腐蝕信號實時自動采集、傳輸、統計、處理和狀態預估的問題，建立了地鐵雜散電流腐蝕智能化監測系統。

   1 基于WEB的雜散電流腐蝕智能監測系統架構

    1.1主要監測內容及方法

    為了研究和預估機車運行中雜散電流的泄漏量及其可能對金屬結構造成的腐蝕狀況，需實時監測的表征參數有：金屬結構的極化電位、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）。其中，極化電位采用近參比電極測試法進行測試；鋼軌電位的測試是通過將焊接在鋼軌上的信號線引入智能傳感器進行；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智能監測系統的架構雜散電流腐蝕智能監測系統

   采用車站（變電所）監測和車輛段供電中心或控制中心集中監測二級監測系統。全線按車站劃分監測分區，每個監測分區在車站設置一臺能夠對雜散電流腐蝕監測相關數據進行采集和統計處理的“智能監測裝置”，該裝置經過信號電纜與該站及該站兩端各半個區間內監測點的智能傳感器相連，以現場總線的方式與相連的各智能傳感器進行通信；智能傳感器經測量電纜與監測點的各測量端子、參考電極相連。智能傳感器可實現對該分區混凝土主體結構鋼筋的極化電位、鋼軌電位、埋地金屬管線和結構鋼筋周圍的土壤電阻率、混凝土道床電阻率等進行采集，并進行數據統計和存儲。智能監測裝置通過通信系統提供的以太網通道接入車輛段供電車間或控制中心內的微機管理系統。系統設有服務器，通過地鐵公司內部辦公網可以查詢相關信息，通過Internet可以實現遠程訪問。智能監測系統架構設計如圖5-1所示。

    2雜散電流腐蝕智能監測系統特點

    雜散電流腐蝕智能監測系統不僅要考慮是否能滿足雜散電流腐蝕狀態各表征參數的監測需求，同時要考慮到地鐵現有的條件和資源，建立的監測系統需要具有可持續的擴容性和進一步升級的特點。因此，本章對計算機網絡技術、智能傳感器、嵌入式Internet技術及Windows DNA計算機模型等深入研究基礎上提出了基于地鐵現狀的分布式網絡化雜散電流監測系統。該系統具有如下特點：

    （1）將傳感器等嵌入式系統與地鐵局域網結合起來，完成雜散電流監測系統相關監測數據的獲取，實現了現場裝置的遠程控制；

    （2）利用地鐵局域網，解決了在不同站點分布的設備互連、傳輸介質共享、數據通信和設備互操作等問題；它的硬件適應性很強，可與各種現場測控單元互連；

    （3）建立在該架構基礎上的雜散電流監測系統在滿足現有需求的前提下，可以根據需要進行系統擴容和升級，滿足了地鐵線路不斷延長的需求；

    （4）在保持現在系統基礎上，可不斷吸收新的技術發展成果，使系統始終處于新技術應用的前沿領域。

    3 Web服務設計

      雜散電流腐蝕智能監測系統具有遠程監測的功能，因此在工作站上要提供Web服務，實現Internet上的數據交換。

    為了實現有效的數據共享和信息管理必需具有相應的服務器系統軟件。通過Web服務器可實現動態的網頁發布。當服務器工作時，處于同一局域網中的計算機通過輸入IP地址的方式，可以在瀏覽器中訪問超文本頁面。目前應用較多的服務器軟件主要有Apache和IIS（Internet Information Server），Apache的優勢主要在于它的源代碼開放、支持跨平臺的應 用（可以運行在幾乎所有的Unix、windows、Linux系統平臺上）以及它的可移植性等方面。相對于APACHE，IIS操作和維護更加簡化，在功能和安全方面兩者不分伯仲。本系統采用IIS作為Web服務器軟件。

    ASP.NET  AJAX是一個完整的開發框架，其服務器端編程模型相對于客戶端編程模型較為簡單，而且容易與現有的ASP.NET程序相結合.AJAX的交互功能更加智慧和人性化，第一次請求發回一個完整的Web頁面，以后更新數據并不是將整個頁面重新載入，而僅僅是將響應的內容會傳。

    AJAX是Java Script、CSS、DOM、XmlHttpRequest四種技術的集合體，主要應用于異步獲取后臺數據和局部刷新。

    Atlas是一個新的Web技術開發包，它集成了一套非常大的客戶端腳本庫使得與功能豐富的、基于服務器開發平臺的ASP.NET2.0結合在一起，“Atlas”能讓開發的Web應用能夠通過直接調用Web服務器來更新一個Web頁面的數據，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。

    4基于WEB的雜散電流腐蝕智能監測系統在工程中的實際應用

    4.1監測系統構成實際框圖

    如圖5-2所示，雜散電流腐蝕智能監測系統主要由智能傳感器、智能監測裝置、雜散電流分析工作站組成，智能傳感器與智能監測裝置通過現場總線的方式進行數據交換，智能監測裝置與雜散電流分析工作站是通過網絡進行數據交換。

    如圖5-3所示，雜散電流腐蝕智能監測系統利用以太網交換機與PSCADA共用1條物理通道，將全線各車站雜散智能監測裝置直接接入到通信骨干網絡中。

    復示中心的雜散電流工作站利用網絡接口直接通過以太網與各車站雜散電流監測設備通信，減少在通訊過程中無效數據的傳輸，充分發揮雜散電流監測分析工作站的功能。

    4.2雜散電流腐蝕智能監測系統操作流程

    雜散電流腐蝕智能監測系統中數據查詢，打印輸出等常規功能通過系統主界面很容易進行操作，下面主要在對腐蝕信號處理及預估的工程實踐進行說明。

    基于時頻聯合分析實現雜散電流原始腐蝕信號中異常信號的特征提取，由此定位腐蝕信號異常時刻機車距離牽引變電所的運行位置，存儲最鄰近機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的電阻率，混凝土道床或隧道側壁的結構鋼筋或埋地金屬管線的水平凈距和深度由地鐵系統設計圖紙可知。

    綜上分析，建立腐蝕狀態預估模型的輸入樣本集；由機車不同運行工況下雜散電流分布的分析結果可知，機車在牽引運行時牽引變電所負極回流點附近的結構鋼筋和埋地金屬管線容易發生雜散電流腐蝕，制動運行時在機車所在位置處的結構鋼筋和埋地金屬管線容易發生雜散電流腐蝕。因此，將腐蝕信號異常時刻機車所處位置和牽引變電所回流點處埋設參比電極的結構鋼筋或金屬管線電位偏移值作為腐蝕狀態預估模型的輸出樣本集，基于所建立輸入輸出樣本集，實現預估模型的訓練，進而預測機車所處位置和牽引變電所回流點附近未埋設參比電極的金屬管線電位偏移值，具有現實的工程意義。

    4.3雜散電流腐蝕智能監測系統功能分析

    雜散電流腐蝕智能監測系統主界面主要有七個功能模塊，分別是實時數據采集、歷史數據查詢、腐蝕信號時頻聯合分析、腐蝕狀態預估、故障報警、參數配置以及輸出打印。

    （1）實時數據采集

    如圖5-4所示，雜散電流腐蝕智能監測系統可通過安裝在地鐵現場所有采集點的智能傳感器將采樣數據經傳輸網絡傳輸到工作站，進行實時數據采樣，及時掌握現場的雜散電流信息。

    （2）歷史數據查詢

    監測系統可以對歷史數據進行分類查詢，可以按時間段查詢某監測點的所有數據、所有監測點在同一時間的分布，所有監測點一天最大值的分布，所有監測點一月最大值的分布。如圖5-5雜散電流腐蝕歷史數據查詢所示。

    （3）腐蝕信號特征提取監測系統可以對測試的腐蝕信號進行時頻聯合分析，腐蝕信號時頻聯合分析如圖5-6所示，此圖是對地鐵現場采集的腐蝕信號的分析，從分析結果可以看出中心頻率所處的時刻點分別為1043點，2676點，5075點和6477點。腐蝕信號分別為52.56V，54.13V，-48.67V和-49.13V。

    （4）雜散電流腐蝕預測

    如圖5-7所示，監測系統具有腐蝕狀態預估的功能，通過“導入數據”可以將需要預測的相關數據進行導入，然后點擊“腐蝕預測”在界面上就可以得到相關的預測結果。

    如圖5-7所示，監測系統具有腐蝕狀態預估的功能，通過“導入數據”可以將需要預測的相關數據進行導入，然后點擊“腐蝕預測”在界面上就可以得到相關的預測結果。

    （5）故障和報警

    監測系統的所有設備具有自診斷的功能，同時通過采集的數據可以對傳感器等設備的工作狀態進行遠程診斷，如果發現有設備故障和異常的情況，系統可以記錄故障時間、故障情況、發出報警信息以及上傳控制中心的功能。

    （6）參數配置

    監測系統可以通過雜散電流分析工作站對相關設備的參數進行遠程配置，以便更好地實現設備的遠程維護。

    5小結

    要實現地鐵雜散電流腐蝕智能監測，需要解決的關鍵技術問題包括有關腐蝕信息數據的獲取與傳輸、海量數據存儲與管理、監測數據的處理與分析、腐蝕狀態預估等，本章針對上述關鍵技術進行了研究，取得的主要成果和結論如下：

     （1）結合我國地鐵內部數據交換傳輸網絡的現狀，提出了基于Web的雜散電流腐蝕智能監測系統的構建方法。

    （2）雜散電流腐蝕智能監測系統綜合考慮了能夠表征腐蝕特性的監測參數和數據采集方式，構建包括監測系統本身的故障診斷體系結構，并對監測系統的可靠性和后期維護進行了分析。

    （3）自主開發了以數據庫為核心的數據查詢與分析系統。能夠準確全面地對現場信號進行采集，對采集后的數據進行系統分析，為地鐵雜散電流腐蝕防護提供重要支持。在實際地鐵工程中的應用實踐表明，監測系統能夠滿足地鐵雜散電流監測的需要。