基于檢波器陣列的地下電纜防外力破壞檢測(cè)方法研究

王平+陳子龍+彭翊

摘 要：文章針對(duì)地下電纜的鋪設(shè)特點(diǎn)及市政道路施工的流程，提出了一種基于地震檢波器陣列的施工源檢測(cè)技術(shù)，通過(guò)檢測(cè)市政道路施工中破碎錘破壞硬質(zhì)路表所產(chǎn)生的振動(dòng)信號(hào)對(duì)施工源位置進(jìn)行定位并及時(shí)向相關(guān)部門(mén)發(fā)送預(yù)警以實(shí)現(xiàn)保護(hù)地下電纜的目的。

關(guān)鍵詞：地下電纜；檢波器陣列；源定位；防外力破壞

中圖分類號(hào)：TM247 文獻(xiàn)標(biāo)志碼：A 文章編號(hào)：2095-2945（2017）26-0065-02

引言

隨著我國(guó)社會(huì)經(jīng)濟(jì)發(fā)展，基礎(chǔ)設(shè)施建設(shè)步伐加快，市政道路施工頻繁，對(duì)城市地下電纜通道造成的安全隱患不斷加劇，給人民的正常生活帶來(lái)了極大的困擾也嚴(yán)重的威脅到施工人員的生命財(cái)產(chǎn)安全。社會(huì)基礎(chǔ)設(shè)施建設(shè)與地下電纜供電方式的矛盾正在凸顯，在基礎(chǔ)設(shè)施建設(shè)的過(guò)程中如何有效的保護(hù)地下電纜的安全成為亟待解決的問(wèn)題。

目前國(guó)內(nèi)外針對(duì)地下電纜線路保護(hù)的主要措施有：安排專人進(jìn)行定點(diǎn)、定期巡視；在電纜運(yùn)行路線上方設(shè)置警示牌；采用高強(qiáng)度的管道、板材保護(hù)電纜。上述方式存在著人力、物力成本高，反應(yīng)慢等不足，在實(shí)際的實(shí)踐過(guò)程中效果并不理想，地下電纜被損毀的情況仍然經(jīng)常見(jiàn)諸報(bào)端。隨著檢測(cè)手段的進(jìn)步，漏電電流檢測(cè)法、電力線載波檢測(cè)法、點(diǎn)式應(yīng)變傳感器檢測(cè)法等科學(xué)檢測(cè)手段開(kāi)始被應(yīng)用于地下電纜保護(hù)，但是上述方法都只能對(duì)電纜線路的運(yùn)行故障進(jìn)行檢測(cè)、定位，當(dāng)檢測(cè)到異常時(shí)往往意味著對(duì)電纜的破壞已經(jīng)造成，不能對(duì)破壞電纜線路的隱患進(jìn)行預(yù)警。

近年來(lái)，地下電纜防外力破壞技術(shù)逐漸從檢測(cè)電纜本身狀態(tài)向檢測(cè)電纜運(yùn)行線路周圍環(huán)境轉(zhuǎn)變，通過(guò)檢測(cè)電纜線路附近的振動(dòng)來(lái)判斷施工信號(hào)源位置從而得到施工源與地下電纜的位置關(guān)系，并及時(shí)向有關(guān)部門(mén)發(fā)送預(yù)警信息以保護(hù)地下電纜線路。河北工業(yè)大學(xué)孟凡勇博士通過(guò)分布式光纖傳感器對(duì)地下電纜線路上方道路進(jìn)行檢測(cè)，實(shí)現(xiàn)了對(duì)施工源位置的實(shí)時(shí)檢測(cè)，有效的保護(hù)了地下電纜的安全運(yùn)行；浙江大學(xué)張恩勇利用分布式光纖傳感技術(shù)對(duì)海底管道進(jìn)行檢測(cè)，實(shí)現(xiàn)了對(duì)長(zhǎng)距離海底管道的實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)。但是，地下電纜通常埋設(shè)在1-10米深處，對(duì)于已經(jīng)鋪設(shè)的地下電纜為其安裝分布式光纖傳感系統(tǒng)成本極高，同時(shí)由于電纜埋設(shè)較深分布式光纖傳感系統(tǒng)只有在施工源深度接近系統(tǒng)時(shí)才會(huì)有明顯信號(hào)，其所能提供的預(yù)警時(shí)間相當(dāng)有限，這也是目前分布式光纖傳感技術(shù)沒(méi)有被廣泛應(yīng)用于地下電纜放外力破壞系統(tǒng)的主要原因。針對(duì)上述問(wèn)題，本課題提出了一種基于檢波器陣列的地下電纜防外力破壞系統(tǒng)，利用地震檢波器陣列實(shí)時(shí)采集破碎錘對(duì)地面施工信號(hào)，并對(duì)該信號(hào)進(jìn)行相應(yīng)的采集、處理。對(duì)目標(biāo)源位置進(jìn)行實(shí)時(shí)估計(jì)，當(dāng)施工源位置位于地下電纜線路10m范圍內(nèi)時(shí)，向遠(yuǎn)程服務(wù)器發(fā)送預(yù)警。

1 防外力破壞原理分析

地下電纜是城市電力系統(tǒng)的主要組成之一，地下電纜配電方式有效的解決了城市用地的緊張與電力供電走廊占地的矛盾，同時(shí)也避免了極端惡劣天氣對(duì)供電系統(tǒng)造成的惡劣影響，極大的提高了配電系統(tǒng)的可靠性。在市政道路施工過(guò)程中，其標(biāo)準(zhǔn)化流程如下：

（1）首先通過(guò)破碎錘對(duì)硬質(zhì)路面進(jìn)行破碎作業(yè)，作業(yè)對(duì)象為水泥或柏油硬質(zhì)路面，作業(yè)深度為10-30cm。

（2）由挖掘機(jī)鏟除破碎后的硬質(zhì)路面。

（3）挖掘機(jī)對(duì)硬質(zhì)路面下方的軟質(zhì)泥土進(jìn)行挖掘作業(yè)。

（4）在挖掘泥土的過(guò)程中，遇到挖掘機(jī)不能挖開(kāi)的巖石層時(shí)，由破碎錘對(duì)巖石層進(jìn)行破碎后再繼續(xù)挖掘，重復(fù)上述過(guò)程直至施工完成。

對(duì)電纜的破壞通常發(fā)生在階段（3）中挖掘機(jī)對(duì)軟質(zhì)泥土的挖掘作業(yè)過(guò)程中，但是挖掘機(jī)不能直接對(duì)硬質(zhì)路面進(jìn)行挖掘作業(yè)，需要破碎錘先對(duì)硬質(zhì)路面進(jìn)行破碎，因此通過(guò)檢測(cè)階段（1）中破碎錘對(duì)硬質(zhì)路面破碎作業(yè)的周期性脈沖信號(hào)，可以有效的判斷施工源位置并及時(shí)向電力部門(mén)發(fā)送預(yù)警信息，避免不規(guī)范施工過(guò)程可能造成的損失，有效的保護(hù)地下電纜安全。

2 基于檢波器陣列的源定位方法

本文提出的基于檢波器陣列的源定位方法，是利用地震檢波器陣列實(shí)時(shí)采集破碎錘對(duì)地面施工信號(hào)，并對(duì)該信號(hào)進(jìn)行相應(yīng)的采集、處理。對(duì)目標(biāo)源位置進(jìn)行實(shí)時(shí)估計(jì)，當(dāng)施工源位置位于地下電纜線路10m范圍內(nèi)時(shí)，向遠(yuǎn)程服務(wù)器發(fā)送預(yù)警。

本設(shè)計(jì)中采用了磁電式地震檢波器結(jié)構(gòu)。線圈與殼體之間隨地表振動(dòng)產(chǎn)生相對(duì)運(yùn)動(dòng)，線圈切割磁感線將振動(dòng)信號(hào)轉(zhuǎn)化為模擬電信號(hào)，在設(shè)計(jì)過(guò)程中通常與放大器、積分運(yùn)算結(jié)合，實(shí)現(xiàn)對(duì)加速度、速度、位移信號(hào)的敏感。

基于檢波器陣列的源定位技術(shù)，實(shí)質(zhì)上就是根據(jù)地震檢波器陣列各個(gè)陣列元的信號(hào)間相互關(guān)系求解目標(biāo)源信號(hào)位置的一種無(wú)源定位技術(shù)。目前，常見(jiàn)的無(wú)源定位技術(shù)有基于最大輸出功率的可控波束形成方法、基于信號(hào)強(qiáng)度定位方法、基于到達(dá)時(shí)間差定位方法，其中基于最大輸出功率的可控波束形成方法被廣泛應(yīng)用于聲源定位領(lǐng)域。基于最大輸出功率的可控波束形成方法通過(guò)對(duì)接收到的信號(hào)濾波、加權(quán)求和的方式得到信號(hào)加權(quán)總和最大的權(quán)值，此時(shí)檢波器陣列的波束即指向信號(hào)源。基于信號(hào)強(qiáng)度的定位方法根據(jù)陣元所接受信號(hào)與源信號(hào)的振幅比值估計(jì)信號(hào)源與陣元距離?；诘竭_(dá)時(shí)間差的定位方法通過(guò)檢波器陣列各陣元接受到同一信號(hào)的時(shí)間差求解源信號(hào)位置。在本設(shè)計(jì)中，需要在復(fù)雜的環(huán)境噪聲下對(duì)不同型號(hào)破碎錘施工信號(hào)進(jìn)行源定位，同時(shí)由于預(yù)警的需要，對(duì)定位算法的時(shí)間復(fù)雜度提出了較高的要求。

在本設(shè)計(jì)中，由于大地是一種頻散介質(zhì)，從信號(hào)源發(fā)出的信號(hào)在到達(dá)檢波器陣列時(shí)各個(gè)陣元的波形信號(hào)對(duì)應(yīng)性不是很好。如果以一個(gè)固定的門(mén)檻值為標(biāo)準(zhǔn)來(lái)判斷施工信號(hào)到達(dá)時(shí)間會(huì)存在較大誤差。而通過(guò)上述分析，廣義互相關(guān)時(shí)延法、最小均方差自適應(yīng)時(shí)延估計(jì)法及互功率譜時(shí)延估計(jì)法均不能很好的滿足本課題要求，考慮到特定頻率下的波在整個(gè)傳播過(guò)程中波速保持不變的特性，采用小波變換，提取、分析單一頻率或者窄頻率段內(nèi)的波形，以提高定位精度。

3 基于檢波器陣列的地下電纜防外力破壞檢測(cè)系統(tǒng)設(shè)計(jì)

本文設(shè)計(jì)的系統(tǒng)以地震檢波器陣列為核心，獲取垂直于地面方向的地表振動(dòng)信息，通過(guò)高速采樣、濾波的方式對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行處理后根據(jù)施工信號(hào)到達(dá)檢波器陣列各陣元的時(shí)間差解算施工源位置，當(dāng)判斷施工源位置距地下電纜線路的距離小于10m時(shí)發(fā)出預(yù)警信息。系統(tǒng)總體框架如圖1所示。

考慮到施工源定位算法對(duì)系統(tǒng)采樣頻率及處理器性能的要求，本設(shè)計(jì)選用FPGA芯片實(shí)現(xiàn)4路AD采樣過(guò)程的控制并通過(guò)USB接口將采樣數(shù)據(jù)發(fā)送至上位機(jī)，其中單路采樣率最高為500Ksps，上位機(jī)采用ARM11架構(gòu)處理器運(yùn)行Linux操作系統(tǒng)。系統(tǒng)主要包括處理器模塊、電源模塊、存儲(chǔ)模塊、地震檢波器陣列、LED報(bào)警模塊、3G網(wǎng)絡(luò)模塊、藍(lán)牙模塊。其中電源模塊給系統(tǒng)提供穩(wěn)定的工作電壓，地震檢波器陣列采集地面振動(dòng)信息并通過(guò)USB接口發(fā)送給處理器模塊，處理器模塊基于所采集的信號(hào)進(jìn)行施工源位置定位并判斷施工信號(hào)強(qiáng)度并閃爍LED燈進(jìn)行警示，3G網(wǎng)絡(luò)模塊用于向遠(yuǎn)程主機(jī)發(fā)送報(bào)警信息，藍(lán)牙模塊可與上位機(jī)通信進(jìn)行時(shí)間校準(zhǔn)、位置校準(zhǔn)。

系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)包括操作系統(tǒng)移植、系統(tǒng)各模塊測(cè)試程序及應(yīng)用程序編寫(xiě)，其中操作系統(tǒng)的移植是系統(tǒng)正常穩(wěn)定運(yùn)行的基礎(chǔ)。

4 結(jié)束語(yǔ)

為了對(duì)系統(tǒng)樣機(jī)的功能與性能進(jìn)行測(cè)試，我們?cè)诤贾菔捝侥彻S內(nèi)進(jìn)行了實(shí)地試驗(yàn)，在測(cè)試過(guò)程中通過(guò)紅外測(cè)距儀測(cè)量各檢波器陣元與施工源的位置。在該工廠中，我們共采集了192組數(shù)據(jù)并進(jìn)行了相應(yīng)處理。在這192組數(shù)據(jù)中，共有163組數(shù)據(jù)滿足本課題提出的定距誤差<5m，定向誤差<10°的目標(biāo)；12組數(shù)據(jù)滿足定距誤差要求但并不滿足定向誤差要求；10組數(shù)據(jù)滿足定向誤差要求但不滿足定距誤差要求；7組數(shù)據(jù)即不滿足定距誤差也不滿足定向誤差的要求。在本設(shè)計(jì)中，主要的誤差來(lái)源于外界環(huán)境、系統(tǒng)性能、系統(tǒng)理論模型以及時(shí)延估計(jì)的誤差。

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