基于ZigBee的地鐵雜散電流監(jiān)測系統(tǒng)設(shè)計

葉 果，范曉潔，茆霞菲，楊婷婷，許道鵬

隨著經(jīng)濟的繁榮和城市規(guī)模的日益擴大，為了緩解交通擁堵，越來越多的城市投入了城市軌道交通設(shè)施。在這些城市軌道交通系統(tǒng)中，目前絕大部分采用直流牽引供電方式，并利用走行軌作為回流線[1]。由于走行軌與大地之間不可能達到完全絕緣，因此，總有一部分電流漏入大地，從而形成雜散電流，雜散電流的產(chǎn)生機理如圖1所示[2]。這種雜散電流長時間的存在，會對線路中的整體道床、埋地金屬管線等金屬結(jié)構(gòu)產(chǎn)生電化學(xué)腐蝕，縮短鋼軌、金屬管線的使用壽命，降低地鐵鋼筋混凝土主體結(jié)構(gòu)的強度，如不采取有效的防治措施而任由其發(fā)展，往往會造成災(zāi)難性的后果[3]。

鑒于雜散電流對地鐵安全運營的潛在威脅，國內(nèi)外眾多科研機構(gòu)和學(xué)者對此課題開展了較為廣泛的研究。目前，研究的重點主要集中在雜散電流分布模型及其影響參數(shù)的耦合約束界定[4]、雜散電流腐蝕信號的監(jiān)測及處理方法[5]、腐蝕狀態(tài)的預(yù)估[6]等方面。其中，在雜散電流腐蝕信號的監(jiān)測方面，國內(nèi)已經(jīng)出現(xiàn)了較為成熟的在線監(jiān)測系統(tǒng)，但這些系統(tǒng)大多采用有線網(wǎng)絡(luò)并歸集在地鐵運營部門的微機管理中心?！盁o線取代有線”已經(jīng)成為一個不可逆轉(zhuǎn)的趨勢，因此，針對目前有線采集系統(tǒng)存在的線路長、施工量大、成本高等問題，本文提出了一套基于ZigBee的地鐵雜散電流監(jiān)測系統(tǒng)。

圖1 地鐵雜散電流產(chǎn)生機理示意Fig.1 Mechanism of stray current in subway

1 雜散電流檢測原理

目前，地鐵雜散電流很難直接測量得到，現(xiàn)行的辦法是通過雜散電流引起的電位極化偏移值等指標來表征。根據(jù)《地鐵雜散電流腐蝕防護技術(shù)規(guī)程》的規(guī)定，極化電位偏移值和鋼軌電位可以作為雜散電流檢測和評價的重要參數(shù)[7]。因此，通過監(jiān)測和分析地鐵系統(tǒng)金屬結(jié)構(gòu)或金屬管線的極化電位和鋼軌電位，就可以評價地鐵雜散電流的腐蝕和干擾狀況。而基于電位法得到的雜散電流信號主要包括極化電位偏移值和鋼軌電位2個主要信號。

1.1 極化電位偏移值檢測

理論上，地鐵金屬結(jié)構(gòu)電位檢測的“GND”端應(yīng)該為無窮遠處的大地，顯而易見，這在實際測量中難以實現(xiàn)。因此，地鐵金屬結(jié)構(gòu)或埋地金屬管線的極化電位偏移值檢測主要采用近參比法進行測量[8]，其測量原理如圖2所示。

圖2 近參比法測量原理Fig.2 Principle of near reference method

為了避免雜散電流對電位測試的干擾，通常在地鐵道床中埋入Cu/CuSO4等參比電極作為近端“參考地”，通過采集地鐵機車夜間停運時金屬結(jié)構(gòu)與參比電極之間的電位差作為極化基準V0，測量地鐵機車運行時金屬結(jié)構(gòu)和參比電極之間的電位差記為V1，則兩者之差∣V1-V0∣即為地鐵金屬結(jié)構(gòu)極化電位的偏移值。若∣V1-V0∣＜0.5 V，則可認為金屬結(jié)構(gòu)所受雜散電流腐蝕的程度在允許范圍之內(nèi)，否則應(yīng)采取相應(yīng)的排流措施。

1.2 鋼軌電位檢測

雜散電流腐蝕狀態(tài)的另一個重要指標是軌道電位，軌道電位的大小不僅能夠影響地鐵金屬結(jié)構(gòu)或埋地管線的極化電位偏移值，還在很大程度上影響地鐵雜散電流的泄露量。因此，對軌道電位的監(jiān)測也十分必要，其檢測原理如圖3所示，目前，大多以測量走行軌對地鐵金屬結(jié)構(gòu)或埋地金屬管線的電壓來表征軌道電位。

2 系統(tǒng)總體構(gòu)架

基于ZigBee的雜散電流監(jiān)測系統(tǒng)主要目的是實現(xiàn)城市地鐵系統(tǒng)各站點雜散電流的采集、傳輸、存儲和監(jiān)控等功能，其總結(jié)構(gòu)架如圖4所示。

圖4 雜散電流監(jiān)測系統(tǒng)總體構(gòu)架Fig.4 Overall structure ofthe stray current monitoring system

系統(tǒng)由三級子系統(tǒng)組成，包括集控中心監(jiān)控層、以太網(wǎng)傳輸層和現(xiàn)場采集層。其中，數(shù)據(jù)采集器1～數(shù)據(jù)采集器n可視為終端（移動節(jié)點），通過協(xié)調(diào)器來組建各站點的ZigBee網(wǎng)絡(luò)，并固定網(wǎng)絡(luò)中的各終端，網(wǎng)關(guān)/路由器負責(zé)完成ZigBee協(xié)議與以太網(wǎng)協(xié)議的轉(zhuǎn)換[9]。在以太網(wǎng)傳輸層，為了節(jié)省建設(shè)成本，可借助地鐵系統(tǒng)的局域網(wǎng)系統(tǒng)來實現(xiàn)采集數(shù)據(jù)的傳輸。如果不能接入地鐵系統(tǒng)的局域網(wǎng)，則可以自行組建相關(guān)的局域網(wǎng)。在集控中心監(jiān)控層，主要包括監(jiān)控主機、數(shù)據(jù)庫服務(wù)器和打印機，分別負責(zé)采集數(shù)據(jù)的分析處理、存儲和打印相關(guān)報表。

3 數(shù)據(jù)采集器設(shè)計

數(shù)據(jù)采集器作為雜散電流監(jiān)測系統(tǒng)的最底層設(shè)備，是整個監(jiān)測系統(tǒng)數(shù)量最多、分布最廣的設(shè)備，其性能的好壞，在很大程度上決定了整套監(jiān)測系統(tǒng)的準確性和有效性，因此，在此有必要對數(shù)據(jù)采集器的相關(guān)設(shè)計進行介紹。

3.1 數(shù)據(jù)采集器硬件設(shè)計

數(shù)據(jù)采集器作為系統(tǒng)最底層設(shè)備，其主要功能是完成極化電位偏移值和軌道電位的采集。所設(shè)計的數(shù)據(jù)采集器以CC2530 DRF1605為核心，外設(shè)數(shù)據(jù)采集調(diào)理轉(zhuǎn)換電路以及供電、報警、通訊等模塊，其結(jié)構(gòu)原理如圖5所示。其中，模擬信號1～模擬信號n為極化電位偏移值和軌道電位的采集結(jié)點，其接線方式分別如圖2和圖3所示。采集的信號經(jīng)調(diào)理、放大和A/D轉(zhuǎn)換后輸入微處理器，微處理器按照一定的算法運算處理后，可以將運算結(jié)果存儲在SD卡中，并通過無線通信模塊發(fā)送至ZigBee網(wǎng)絡(luò)，再經(jīng)網(wǎng)關(guān)/路由器、地鐵系統(tǒng)局域網(wǎng)等設(shè)備發(fā)送至集控中心的監(jiān)控主機。如果數(shù)據(jù)采集器采集到的數(shù)據(jù)異常（比如超危險限），則會通過相應(yīng)的LED指示燈進行報警。

圖5 數(shù)據(jù)采集器結(jié)構(gòu)原理Fig.5 Structure principle of data acquisition system

3.2 數(shù)據(jù)采集器軟件實現(xiàn)

數(shù)據(jù)采集器是地鐵雜事電流監(jiān)測系統(tǒng)的檢測終端，其軟件設(shè)計主要包括ZigBee網(wǎng)絡(luò)組建通訊模塊、數(shù)據(jù)采集/轉(zhuǎn)換模塊、數(shù)據(jù)處理模塊等。數(shù)據(jù)采集器上電后，首先進行初始化并掃描協(xié)調(diào)器，然后尋求加入通訊范圍內(nèi)的ZigBee網(wǎng)絡(luò)，建立通訊聯(lián)系。數(shù)據(jù)采集模塊自動采集極化電位偏移值和軌道電位，采樣周期默認為1 s，采集的數(shù)據(jù)需進行均值計算、誤差去除等處理。數(shù)據(jù)采集器時刻等待監(jiān)控主機的查詢指令，一旦收到查詢指令，并將采集并處理好的數(shù)據(jù)整理打包發(fā)送給監(jiān)控主機，實現(xiàn)雜散電流的采集功能。數(shù)據(jù)采集器的主要工作流程如圖6所示。

圖6 數(shù)據(jù)采集器工作流程Fig.6 Process of data acquisition

4 結(jié)語

通過對地鐵雜散電流的成因及其危害性的分析，本文設(shè)計了一套地鐵雜散電流監(jiān)測系統(tǒng)。該系統(tǒng)基于ZigBee無線傳輸技術(shù)，具有自組網(wǎng)功能，通過借用地鐵系統(tǒng)局域網(wǎng)來進行數(shù)據(jù)的以太網(wǎng)傳輸，從而實現(xiàn)地鐵雜散電流的遠程監(jiān)測。該系統(tǒng)克服了傳統(tǒng)地鐵系統(tǒng)采用有線網(wǎng)絡(luò)進行數(shù)據(jù)采集、傳輸時施工量大、成本高以及維護不便等困難，并且隨著ZigBee技術(shù)的不斷發(fā)展和成熟，其優(yōu)越性將會得到越來越顯著的體現(xiàn)。

[1]胡愛國，李威，許少毅.基于GPRS的地鐵雜散電流監(jiān)測系統(tǒng)[J].儀表技術(shù)與傳感器，2012（6）：51-52.

[2]李威，王禹橋，王愛兵.地鐵雜散電流監(jiān)測系統(tǒng)的研制[J].電氣化鐵道，2004（5）：40-42.

[3]L.Bertolini，M.Carsana，P.Pedeferri.Corrosion behaviourofsteel in concrete in the presence of stray current[J].Corrosion Science，2007（49）：1056-1068.

[4]S.Y.Xu，W.Li，Y.Q.Wang.Effects of vehicle running mode on rail potential and stray current in DC mass transit systems[J].IEEE Transactions on Vehicular Technology，2013，62（8）：3569-3580.

[5]陳闖，楊雪鋒.基于CAN總線的地鐵雜散電流監(jiān)測系統(tǒng)設(shè)計[J].微計算機信息，2009（23）：48-49，140.

[6]A.Dolara，F(xiàn).Foiadelli，S.Leva.Stray current effects mitigation in subway tunnels[J].IEEE Transactions on Power Delivery，2012，27（4）：2304-2311.

[7]Y.Q.Wang，W.Li，S.Y.Xu，et al.Prediction for corrosion status of the metro metal materials in the stray current interference[J].International Journal of Electrochemical Science，2013，8 （4）：5314-5329.

[8]蔡文娟，葉果，閆磊鵬.地鐵雜散電流光纖傳感系統(tǒng)的信號采集與處理[J].儀表技術(shù)與傳感器，2009（3）：107-108，136.

[9]焦尚彬，宋丹，張青，等.基于ZigBee無線傳感器網(wǎng)絡(luò)的煤礦監(jiān)測系統(tǒng)[J].電子測量與儀器學(xué)報，2013（5）：436-442.