基于ZigBee的地鐵雜散電流監測系統設計

葉 果，范曉潔，茆霞菲，楊婷婷，許道鵬

隨著經濟的繁榮和城市規模的日益擴大，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施。在這些城市軌道交通系統中，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構產生電化學腐蝕，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構的強度，如不采取有效的防治措施而任由其發展，往往會造成災難性的后果[3]。

鑒于雜散電流對地鐵安全運營的潛在威脅，國內外眾多科研機構和學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的耦合約束界定[4]、雜散電流腐蝕信號的監測及處理方法[5]、腐蝕狀態的預估[6]等方面。其中，在雜散電流腐蝕信號的監測方面，國內已經出現了較為成熟的在線監測系統，但這些系統大多采用有線網絡并歸集在地鐵運營部門的微機管理中心?！盁o線取代有線”已經成為一個不可逆轉的趨勢，因此，針對目前有線采集系統存在的線路長、施工量大、成本高等問題，本文提出了一套基于ZigBee的地鐵雜散電流監測系統。

圖1 地鐵雜散電流產生機理示意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《地鐵雜散電流腐蝕防護技術規程》的規定，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[7]。因此，通過監測和分析地鐵系統金屬結構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，地鐵金屬結構電位檢測的“GND”端應該為無窮遠處的大地，顯而易見，這在實際測量中難以實現。因此，地鐵金屬結構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構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構和參比電極之間的電位差記為V1，則兩者之差∣V1-V0∣即為地鐵金屬結構極化電位的偏移值。若∣V1-V0∣＜0.5 V，則可認為金屬結構所受雜散電流腐蝕的程度在允許范圍之內，否則應采取相應的排流措施。

1.2 鋼軌電位檢測

雜散電流腐蝕狀態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構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構或埋地金屬管線的電壓來表征軌道電位。

2 系統總體構架

基于ZigBee的雜散電流監測系統主要目的是實現城市地鐵系統各站點雜散電流的采集、傳輸、存儲和監控等功能，其總結構架如圖4所示。

圖4 雜散電流監測系統總體構架Fig.4 Overall structure ofthe stray current monitoring system

系統由三級子系統組成，包括集控中心監控層、以太網傳輸層和現場采集層。其中，數據采集器1～數據采集器n可視為終端（移動節點），通過協調器來組建各站點的ZigBee網絡，并固定網絡中的各終端，網關/路由器負責完成ZigBee協議與以太網協議的轉換[9]。在以太網傳輸層，為了節省建設成本，可借助地鐵系統的局域網系統來實現采集數據的傳輸。如果不能接入地鐵系統的局域網，則可以自行組建相關的局域網。在集控中心監控層，主要包括監控主機、數據庫服務器和打印機，分別負責采集數據的分析處理、存儲和打印相關報表。

3 數據采集器設計

數據采集器作為雜散電流監測系統的最底層設備，是整個監測系統數量最多、分布最廣的設備，其性能的好壞，在很大程度上決定了整套監測系統的準確性和有效性，因此，在此有必要對數據采集器的相關設計進行介紹。

3.1 數據采集器硬件設計

數據采集器作為系統最底層設備，其主要功能是完成極化電位偏移值和軌道電位的采集。所設計的數據采集器以CC2530 DRF1605為核心，外設數據采集調理轉換電路以及供電、報警、通訊等模塊，其結構原理如圖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點，其接線方式分別如圖2和圖3所示。采集的信號經調理、放大和A/D轉換后輸入微處理器，微處理器按照一定的算法運算處理后，可以將運算結果存儲在SD卡中，并通過無線通信模塊發送至ZigBee網絡，再經網關/路由器、地鐵系統局域網等設備發送至集控中心的監控主機。如果數據采集器采集到的數據異常（比如超危險限），則會通過相應的LED指示燈進行報警。

圖5 數據采集器結構原理Fig.5 Structure principle of data acquisition system

3.2 數據采集器軟件實現

數據采集器是地鐵雜事電流監測系統的檢測終端，其軟件設計主要包括ZigBee網絡組建通訊模塊、數據采集/轉換模塊、數據處理模塊等。數據采集器上電后，首先進行初始化并掃描協調器，然后尋求加入通訊范圍內的ZigBee網絡，建立通訊聯系。數據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，采集的數據需進行均值計算、誤差去除等處理。數據采集器時刻等待監控主機的查詢指令，一旦收到查詢指令，并將采集并處理好的數據整理打包發送給監控主機，實現雜散電流的采集功能。數據采集器的主要工作流程如圖6所示。

圖6 數據采集器工作流程Fig.6 Process of data acquisition

4 結語

通過對地鐵雜散電流的成因及其危害性的分析，本文設計了一套地鐵雜散電流監測系統。該系統基于ZigBee無線傳輸技術，具有自組網功能，通過借用地鐵系統局域網來進行數據的以太網傳輸，從而實現地鐵雜散電流的遠程監測。該系統克服了傳統地鐵系統采用有線網絡進行數據采集、傳輸時施工量大、成本高以及維護不便等困難，并且隨著ZigBee技術的不斷發展和成熟，其優越性將會得到越來越顯著的體現。

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

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

[6]A.Dolara，F.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的信號采集與處理[J].儀表技術與傳感器，2009（3）：107-108，136.

[9]焦尚彬，宋丹，張青，等.基于ZigBee無線傳感器網絡的煤礦監測系統[J].電子測量與儀器學報，2013（5）：436-442.