一种基于大数据处理的杂散电流测量系统及方法与流程

本发明属于电学测量领域，特别是涉及一种大数据处理的杂散电流测量的测量系统及方法。

背景技术：

近年来，随着中国高压输电线及电气化铁路的发展,人们的生活在得到改善的同时杂散电流腐蚀问题也日益突出。杂散电流是指在设计或规定回路以外、不按一定顺序流动且没有规律性的电流，生活中，当列车、地铁、埋地高压电线等装置的部分电流流入轨道或与地面绝缘不良的地方时，杂散电流就会泄漏到周围土壤介质中形成土壤中的杂散电流。

土壤中的杂散电流是反映地下金属构筑物受电化学腐蚀的危险性指标。这些泄露的杂散电流存在于地下形成一种自然系统流动，它们会在地下金属构筑物绝缘层破裂的地方进入地下金属构筑物中，然后在地下金属构筑物内移动一段距离后再离开地下金属构筑物返回土壤，这将导致地下金属构筑物产生电位差，进而腐蚀地下金属构筑物，给人们的生活带来极大的安全隐患。

面对杂散电流带来的问题,尽管人们采取了排流保护与阴极保护等防护措施,但杂散电流引起的管道破坏事例仍时有发生。并且，随着社会的发展，电气化设备被广泛应用，地下工程也在不断开展，为了保证地下设施的安全和人民的身体健康，建立一套覆盖面广、实时性好、联系性强的杂散电流测量系统至关重要。

目前，大数据的蓬勃发展为社会带来了诸多经济利益和社会效益，互联网、云计算、物联网等的发展也促进了大数据处理走入社会生活之中。大数据处理是指在性能强大的软件分析工具、平台上，利用特定的分析算法捕获、寻找隐藏在不同应用场景产生的大数据中的潜在价值。其中，流式处理方法在实时性要求上比较高，在如交通管控、灾难预警、环境监测等安全监控应用中可以保证大量监测数据的时效性。因此，基于杂散电流测量分散性强的特点，大数据处理为构建覆盖面广、联系性强的杂散电流测量系统带来了技术支撑。

技术实现要素：

本发明的目的是为了克服现有技术中的不足，提供一种基于大数据处理的端、云一体杂散电流测量系统及方法，该系统将大数据远程物联网监控系统与杂散电流检测处理的控制系统相结合，具有覆盖面广、实时性好、联系性强、监测方便的优点，为避免杂散电流引起安全事故提供有效的监测信息。

本发明的目的是通过以下技术方案实现的：

一种基于大数据处理的杂散电流测量系统，包括传感测量层、网络传输层和应用处理层，所述传感测量层采用cu/cuso4参比电极作为采集介质采集土壤中的电位差信息；

所述网络传输层采用基于gprs技术的通讯装置将传感测量层采集到的电位差数据和gps定位信息通过通信技术实时地传输到远端服务器，搭建起端云联系；

所述应用处理层包括上位机服务器和用户端，应用处理层采用storm分布式流式计算方法对采集到的实时测量数据进行处理，存储数据的同时对异常数据进行报警，将异常项及其数值、异常管段及坐标信息传输至用户端的智能设备。

进一步的，所述传感测量层包括由cu/cuso4参比电极组成的采集装置、a/d转换单元和数据处理装置，cu/cuso4参比电极采集得到模拟电压信号后将输入a/d转换单元，通过a/d转换单元将模拟信号转换为数字信号，然后将数字信号输入到数据处理装置，通过计算得到最终的土壤电压测量数据。

进一步的，所述网络传输层包括数据收发模块、控制单元、定位模块和通讯模块。

进一步的，所述storm分布式流式计算方法采用主从架构的方式，通过设置topology(拓扑)控制数据处理流程，由数据源a1从上传的数据中读取地点a的阴阳极电压数据和地点信息数据并向消息处理者b1发出，封装在消息处理者b1里的消息处理程序将计算得到地点a的土壤电压差值，数据流传输至消息处理者b2时封装的处理程序将对土壤电压差进行预警判断和数据存储；为保证消息处理的实效性和高效性，每一个数据源可对应若干个消息处理者进行分布数据处理，当若干数据源和若干消息处理者交叉使用形成网状结构时，实现效率的提高。

本发明还提供一种技术方案如下：

一种基于大数据处理的杂散电流测量方法，包括以下步骤：

步骤1：通过客户端发送开始监测指令至传感测量层，以cu/cuso4参比电极为采集介质的杂散电流测量装置开始测量土壤中的电压差值，并将电压差值输送至网络传输层中；

步骤2：网络传输层对数据进行预处理，采用通讯装置将电压差值和gps定位信息传输至上位机服务器；

步骤3：上位机服务器利用storm程序对每个地点传输的数据进行大批量实时处理，若计算得到超过预警数值的结果则自动传输给客户端进行报警；否则将数据存储在上位机服务器中；

步骤4：通过客户端的操作实时查询各被测点的土壤电压差数据，从而得到反映测点杂散电流数值的大小的情况；若存在报警数据，则马上启动保护处理预案。

与现有技术相比，本发明的技术方案所带来的有益效果是：

本发明提出了一种将杂散电流检测控制技术、计算机技术、物联网技术、无线通讯技术及人工智能诊断相结合的测量系统，该系统集数据监测、查询、报警、曲线、报表打印等功能为一体，可以有效地监测土壤中杂散电流的大小，为金属管道的安全性判断提供精准的数据信息，通过基于杂散电流预警等级规则构建的杂散电流处理系统异常情况智能诊断平台，便于维修人员及时发现危险系数高的地下设施，实现对地下设施安全运行的预警分级和先期防治，保证其安全性。

同时，该系统可以清晰明了地呈现杂散电流的实时状况和历史状况，可以为杂散电流的趋势预测和设施运行状态评价提供参考，实现了互联式杂散电流测量，具有覆盖面广、实时性好、联系性强、监测方便的功能，有效降低了监测的运营成本。

附图说明

图1是本发明中的系统整体框图。

图2是本发明中的杂散电流测量传感装置整体框图。

图3是本发明中的storm分布式流式计算方法的工作示意图。

图4是本发明中的程序工作流程图。

具体实施方式

以下结合附图和具体实施例对本发明作进一步详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施例仅仅用以解释本发明，并不用于限定本发明。

本发明的杂散电流测量系统整体框图如图1所示，系统主要由传感测量层、网络传输层和应用处理层三部分组成。

系统工作时首先通过以cu/cuso4参比电极为采集介质的杂散电流测量装置对土壤的电压差进行采集，初步处理后将采集到的数据通过rs-485接口输入通讯模块，通讯模块将采集信息和定位信息传输至上位机服务器。上位机服务器接收到实时信息后，采用storm分布式流式计算方法进行数据分析，将分析结果通过网络传输至客户端，实现大范围的杂散电流实时监测。

传感测量层主要采用便携式cu/cuso4参比电极进行土壤电位差的测量，如图2所示为传感测量层整体测量流程框图。在测量时，将cu/cuso4参比电极插入水中放置24小时，测量时将cu/cuso4电极体轻轻放到土壤表面，只要使cuso4电极的最下端和土壤有接触即可。在测量过程中最可能的靠近埋在土壤中的地下管道等设施，这样可以很大程度的减小管地电位的影响，测量距离为1米。

cu/cuso4参比电极采集得到模拟电压信号后将输入a/d转换单元，通过双积分a/d转换单元icl7135将模拟信号转换为数字信号。然后将数字信号输入到单片机stc10f04xe中进行前端的数据处理，计算得到最终的土壤电压测量数据。

网络传输层主要负责将传感测量层采集到的数据通过网络传输到上位机服务器，实现物和云的互联。网络传输层主要采用基于gprs技术的通讯装置完成功能任务。通讯装置以stm32f103fbt6单片机为控制核心，采用内含gprs的mc20芯片作为多功能无线传输模块，加入gps功能在发送数据的同时也发送地址。此装置在没有手机信号或不稳定地区也可以采用北斗系统来实现数据通讯和定位，精度比肩gps，经济性较为良好。

传感测量层采集到的经过预处理的土壤电压数据经过rs-485接口接入数据收发装置，控制单元的单片机将该数据和从gps定位模块获取的gps数据通过通讯模块进行网络传输，通讯模块采用gprs、4g、5g和nb-iot窄带蜂窝技术(物联网)可将数据信息高效传输至上位机服务器中。

网络传输层采用16000毫安时的锂电池供电，续航时间长，同时采集器还配有太阳能电池板充电，保证锂电池3年内将无需进行更换。

应用处理层分为上位机服务器处理部分和客户端应用部分。

上位机服务器处理部分主要采用storm分布式流式计算方法对上传的数据进行分析处理。如图3所示为storm分布式流式计算方法的工作示意图，它采用主从架构的方式，通过设置topology(拓扑)控制数据处理流程，由spout1(数据源1)从上传的数据中读取地点1的阴阳极电压数据和地点信息数据并向bolt1(消息处理者1)发出，封装在bolt1里的消息处理程序将计算得到地点1的土壤电压差值，数据流传输至bolt2(消息处理者2)时封装的处理程序将对土壤电压差进行预警判断和数据存储。为保证消息处理的实效性和高效性，每一个spout可对应多个bolt进行分布数据处理，当多个spout和多个bolt交叉使用形成网状结构时，topology就具有极高的处理效率。

使用java中的backtype.storm封装包中的对象和程序可实现storm分布式流式计算方法的功能，在上位机服务器中storm通常可由许多运行在不同机器上的流程组成，即为了提高数据处理效率，可将spout和bolt存放至不同的机器中，通过云计算实现大数据的高效处理。

客户端应用部分主要基于上位机服务器处理部分得到的数据，将数据可视化地传输至客户端并让客户端用户对数据进行进一步的处理操作。客户端应用主要包含以下功能：

(1)数据查询与显示。客户端可随时通过网络从上位机服务器中读取计算得到的土壤电位差和位置信息，并可根据需求形成数据表格，可实现定点的土壤杂散电流测量值查询。

(2)报警异常显示。当上位机服务器计算得到的土壤电位差超过所设阈值2mv时，上位机服务器将自动将报警信息传输至客户端中，客户端将显示杂散电流异常地点和异常值情况。

具体的，本实施例测量系统的工作流程如图4所示，系统运行可分为以下步骤：

步骤1：通过客户端发送开始监测指令至传感器，以cu/cuso4参比电极为采集介质的杂散电流测量装置开始测量土壤中的电压差值，并将电压差值输送至网络传输层中。

步骤2：网络传输层对数据进行预处理，采用通讯装置将电压差值和gps定位信息通过gprs、4g、5g或nb-iot窄带蜂窝技术(物联网)传输至上位机服务器。

步骤3：上位机服务器利用storm程序对每个地点传输的数据进行大批量实时处理，若计算得到超过预警数值2mv的结果则自动传输给客户端进行报警。否则将数据存储在上位机服务器中。

步骤4：通过客户端的操作可实时查询各被测点的土壤电压差数据，从而得到反映该点杂散电流数值的大小的情况。若存在报警数据，则马上启动排流保护等处理操作，保证设施安全。

本发明并不限于上文描述的实施方式。以上对具体实施方式的描述旨在描述和说明本发明的技术方案，上述的具体实施方式仅仅是示意性的，并不是限制性的。在不脱离本发明宗旨和权利要求所保护的范围情况下，本领域的普通技术人员在本发明的启示下还可做出很多形式的具体变换，这些均属于本发明的保护范围之内。