基于檢波器陣列的地下電纜防外力破壞檢測方法研究

王平+陳子龍+彭翊

摘 要：文章針對地下電纜的鋪設特點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技術，通過檢測市政道路施工中破碎錘破壞硬質路表所產生的振動信號對施工源位置進行定位并及時向相關部門發送預警以實現保護地下電纜的目的。

關鍵詞：地下電纜；檢波器陣列；源定位；防外力破壞

中圖分類號：TM247 文獻標志碼：A 文章編號：2095-2945（2017）26-0065-02

引言

隨著我國社會經濟發展，基礎設施建設步伐加快，市政道路施工頻繁，對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了極大的困擾也嚴重的威脅到施工人員的生命財產安全。社會基礎設施建設與地下電纜供電方式的矛盾正在凸顯，在基礎設施建設的過程中如何有效的保護地下電纜的安全成為亟待解決的問題。

目前國內外針對地下電纜線路保護的主要措施有：安排專人進行定點、定期巡視；在電纜運行路線上方設置警示牌；采用高強度的管道、板材保護電纜。上述方式存在著人力、物力成本高，反應慢等不足，在實際的實踐過程中效果并不理想，地下電纜被損毀的情況仍然經常見諸報端。隨著檢測手段的進步，漏電電流檢測法、電力線載波檢測法、點式應變傳感器檢測法等科學檢測手段開始被應用于地下電纜保護，但是上述方法都只能對電纜線路的運行故障進行檢測、定位，當檢測到異常時往往意味著對電纜的破壞已經造成，不能對破壞電纜線路的隱患進行預警。

近年來，地下電纜防外力破壞技術逐漸從檢測電纜本身狀態向檢測電纜運行線路周圍環境轉變，通過檢測電纜線路附近的振動來判斷施工信號源位置從而得到施工源與地下電纜的位置關系，并及時向有關部門發送預警信息以保護地下電纜線路。河北工業大學孟凡勇博士通過分布式光纖傳感器對地下電纜線路上方道路進行檢測，實現了對施工源位置的實時檢測，有效的保護了地下電纜的安全運行；浙江大學張恩勇利用分布式光纖傳感技術對海底管道進行檢測，實現了對長距離海底管道的實時監測。但是，地下電纜通常埋設在1-10米深處，對于已經鋪設的地下電纜為其安裝分布式光纖傳感系統成本極高，同時由于電纜埋設較深分布式光纖傳感系統只有在施工源深度接近系統時才會有明顯信號，其所能提供的預警時間相當有限，這也是目前分布式光纖傳感技術沒有被廣泛應用于地下電纜放外力破壞系統的主要原因。針對上述問題，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，利用地震檢波器陣列實時采集破碎錘對地面施工信號，并對該信號進行相應的采集、處理。對目標源位置進行實時估計，當施工源位置位于地下電纜線路10m范圍內時，向遠程服務器發送預警。

1 防外力破壞原理分析

地下電纜是城市電力系統的主要組成之一，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，同時也避免了極端惡劣天氣對供電系統造成的惡劣影響，極大的提高了配電系統的可靠性。在市政道路施工過程中，其標準化流程如下：

（1）首先通過破碎錘對硬質路面進行破碎作業，作業對象為水泥或柏油硬質路面，作業深度為10-30cm。

（2）由挖掘機鏟除破碎后的硬質路面。

（3）挖掘機對硬質路面下方的軟質泥土進行挖掘作業。

（4）在挖掘泥土的過程中，遇到挖掘機不能挖開的巖石層時，由破碎錘對巖石層進行破碎后再繼續挖掘，重復上述過程直至施工完成。

對電纜的破壞通常發生在階段（3）中挖掘機對軟質泥土的挖掘作業過程中，但是挖掘機不能直接對硬質路面進行挖掘作業，需要破碎錘先對硬質路面進行破碎，因此通過檢測階段（1）中破碎錘對硬質路面破碎作業的周期性脈沖信號，可以有效的判斷施工源位置并及時向電力部門發送預警信息，避免不規范施工過程可能造成的損失，有效的保護地下電纜安全。

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時采集破碎錘對地面施工信號，并對該信號進行相應的采集、處理。對目標源位置進行實時估計，當施工源位置位于地下電纜線路10m范圍內時，向遠程服務器發送預警。

本設計中采用了磁電式地震檢波器結構。線圈與殼體之間隨地表振動產生相對運動，線圈切割磁感線將振動信號轉化為模擬電信號，在設計過程中通常與放大器、積分運算結合，實現對加速度、速度、位移信號的敏感。

基于檢波器陣列的源定位技術，實質上就是根據地震檢波器陣列各個陣列元的信號間相互關系求解目標源信號位置的一種無源定位技術。目前，常見的無源定位技術有基于最大輸出功率的可控波束形成方法、基于信號強度定位方法、基于到達時間差定位方法，其中基于最大輸出功率的可控波束形成方法被廣泛應用于聲源定位領域。基于最大輸出功率的可控波束形成方法通過對接收到的信號濾波、加權求和的方式得到信號加權總和最大的權值，此時檢波器陣列的波束即指向信號源。基于信號強度的定位方法根據陣元所接受信號與源信號的振幅比值估計信號源與陣元距離。基于到達時間差的定位方法通過檢波器陣列各陣元接受到同一信號的時間差求解源信號位置。在本設計中，需要在復雜的環境噪聲下對不同型號破碎錘施工信號進行源定位，同時由于預警的需要，對定位算法的時間復雜度提出了較高的要求。

在本設計中，由于大地是一種頻散介質，從信號源發出的信號在到達檢波器陣列時各個陣元的波形信號對應性不是很好。如果以一個固定的門檻值為標準來判斷施工信號到達時間會存在較大誤差。而通過上述分析，廣義互相關時延法、最小均方差自適應時延估計法及互功率譜時延估計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傳播過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系統設計

本文設計的系統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信息，通過高速采樣、濾波的方式對數據進行處理后根據施工信號到達檢波器陣列各陣元的時間差解算施工源位置，當判斷施工源位置距地下電纜線路的距離小于10m時發出預警信息。系統總體框架如圖1所示。

考慮到施工源定位算法對系統采樣頻率及處理器性能的要求，本設計選用FPGA芯片實現4路AD采樣過程的控制并通過USB接口將采樣數據發送至上位機，其中單路采樣率最高為500Ksps，上位機采用ARM11架構處理器運行Linux操作系統。系統主要包括處理器模塊、電源模塊、存儲模塊、地震檢波器陣列、LED報警模塊、3G網絡模塊、藍牙模塊。其中電源模塊給系統提供穩定的工作電壓，地震檢波器陣列采集地面振動信息并通過USB接口發送給處理器模塊，處理器模塊基于所采集的信號進行施工源位置定位并判斷施工信號強度并閃爍LED燈進行警示，3G網絡模塊用于向遠程主機發送報警信息，藍牙模塊可與上位機通信進行時間校準、位置校準。

系統軟件設計包括操作系統移植、系統各模塊測試程序及應用程序編寫，其中操作系統的移植是系統正常穩定運行的基礎。

4 結束語

為了對系統樣機的功能與性能進行測試，我們在杭州蕭山某工廠內進行了實地試驗，在測試過程中通過紅外測距儀測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組數據并進行了相應處理。在這192組數據中，共有163組數據滿足本課題提出的定距誤差<5m，定向誤差<10°的目標；12組數據滿足定距誤差要求但并不滿足定向誤差要求；10組數據滿足定向誤差要求但不滿足定距誤差要求；7組數據即不滿足定距誤差也不滿足定向誤差的要求。在本設計中，主要的誤差來源于外界環境、系統性能、系統理論模型以及時延估計的誤差。

參考文獻：

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