變電站自動(dòng)感應(yīng)超聲波驅(qū)鼠器的應(yīng)用研究

羅海成，游宇堃，柳 濤，晏 斌

（國(guó)網(wǎng)江西省電力有限公司撫州供電分公司，江西 撫州 344100）

0 引言

目前，變電站防鼠、滅鼠害仍舊是處于被動(dòng)防御階段。防鼠方法包括在高壓室加裝防鼠擋板、防鼠網(wǎng)、安裝緊閉室門、敷設(shè)鎧裝電纜等方法[1]，這些方法在一定程度達(dá)到了防鼠效果，但過程繁瑣，難免出現(xiàn)疏漏。滅鼠方法包括粘鼠板、捕鼠器、化學(xué)藥物等，這些方法存在著一定的局限性。粘鼠板、捕鼠器由于是定點(diǎn)擺放，隨機(jī)性較大，且老鼠在受到傷害后，會(huì)產(chǎn)生較深的記憶，進(jìn)而影響后期的滅鼠效果[2]。大量研究表明超聲波能夠?qū)鲜螽a(chǎn)生一定損傷，對(duì)老鼠的成長(zhǎng)、動(dòng)作行為以及生理機(jī)能產(chǎn)生一定的影響[3]。文獻(xiàn)[4]中利用老鼠對(duì)超聲波較為敏感這一特點(diǎn)，制作了基于51式單片機(jī)的超聲波驅(qū)鼠裝置，并取得了一定的效果。但長(zhǎng)時(shí)間使用某一頻率的超聲波，老鼠會(huì)對(duì)其產(chǎn)生一定的耐受性，從而降低驅(qū)鼠效果，甚至完全失效。因此，需要一種更為科學(xué)、更加有效的技術(shù)來實(shí)現(xiàn)變電站智能驅(qū)鼠捕鼠。

變電站電纜溝、電纜豎井由于溫濕度適宜，且不易被發(fā)現(xiàn)，是老鼠最喜歡駐巢活動(dòng)的場(chǎng)地。當(dāng)其發(fā)生鼠害時(shí)，運(yùn)維巡視人員需要通過翻動(dòng)電纜溝蓋板進(jìn)行排查，不僅費(fèi)時(shí)費(fèi)力，而且電纜蓋板隨時(shí)有掉落砸傷人的風(fēng)險(xiǎn)[5]。為此，本課題小組提出一種自動(dòng)感應(yīng)超聲波驅(qū)鼠裝置，通過合理布置自動(dòng)感應(yīng)超聲波裝置，該裝置不僅能夠?qū)﹄娎|溝內(nèi)任意地點(diǎn)的老鼠進(jìn)行紅外感應(yīng)、全局定位。而且通過利用分布估計(jì)算法實(shí)時(shí)優(yōu)化驅(qū)捕路徑，變被動(dòng)為主動(dòng)，實(shí)現(xiàn)變電站智能驅(qū)鼠捕鼠功能。同時(shí)考慮到老鼠的耐受性，通過更改超聲波發(fā)射電路的設(shè)計(jì)，使其能夠連續(xù)發(fā)出高頻、雜亂的超聲波。克服了傳統(tǒng)超聲波驅(qū)鼠裝置發(fā)射頻率較為單一的缺點(diǎn)，提升了變電站驅(qū)鼠捕鼠效果。

1 自動(dòng)感應(yīng)驅(qū)鼠器的設(shè)計(jì)

為提升驅(qū)鼠器的效果，同時(shí)方便安裝，課題小組采用紅外感應(yīng)和超聲波頻射二合一裝置。自動(dòng)感應(yīng)超聲波驅(qū)鼠器的總體設(shè)計(jì)包括以下三個(gè)部分，即電源模塊、算法控制模塊、紅外感應(yīng)超聲波頻射二合一模塊，具體結(jié)構(gòu)如圖1所示：

圖1 驅(qū)鼠器總體設(shè)計(jì)框架

電源模塊的作用是為整個(gè)自動(dòng)感應(yīng)超聲波驅(qū)鼠系統(tǒng)提供持續(xù)的電源，從而實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)的整體運(yùn)行。自動(dòng)感應(yīng)采用紅外熱釋感應(yīng)原理，用于感應(yīng)電纜溝內(nèi)鼠類的活動(dòng)，通過多點(diǎn)布置從而形成可視化網(wǎng)絡(luò)，實(shí)現(xiàn)實(shí)時(shí)定位老鼠的實(shí)際位置的功能。超聲波頻射模塊用于產(chǎn)生高頻無規(guī)律變化超聲波，作用于鼠類，使其產(chǎn)生煩躁不安、身體不適等癥狀，迫使其按照設(shè)計(jì)的路徑逃跑。算法控制模塊則采用51式單片機(jī)實(shí)現(xiàn)。51式單片機(jī)具有結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、易開發(fā)、運(yùn)行速度快等特點(diǎn)，可用于實(shí)時(shí)優(yōu)化捕鼠和控制超聲波頻率等功能。簡(jiǎn)而言之，當(dāng)紅外感應(yīng)器感受到鼠類入侵時(shí)，獲取其實(shí)時(shí)位置，通過單片機(jī)優(yōu)化捕鼠路徑并控制超聲波頻射模塊產(chǎn)生高頻無規(guī)律變化超聲波，以達(dá)到驅(qū)鼠目的。

1.1 紅外感應(yīng)和超聲波二合一模塊

鼠類與人類一樣是恒溫動(dòng)物，其體溫一般在37℃左右，變電站電纜溝由于有蓋板，溫度適宜，其身體表面與周圍環(huán)境有一定的溫差。因此可以發(fā)出一種特定波長(zhǎng)的紅外線。利用這一特性，可以通過紅外感應(yīng)器監(jiān)測(cè)鼠類的活動(dòng)。單個(gè)紅外感應(yīng)器不僅感知范圍有限，而且僅僅能夠判斷是否存在鼠類活動(dòng)，無法獲取電纜溝內(nèi)老鼠的實(shí)時(shí)位置。為實(shí)現(xiàn)對(duì)鼠類的定向精確驅(qū)捕，課題小組采用多點(diǎn)布設(shè)紅外感應(yīng)器，形成可視化監(jiān)視網(wǎng)絡(luò)，進(jìn)而定位鼠類的實(shí)時(shí)活動(dòng)軌跡，考慮到變電站電纜溝的正常工作環(huán)境，本小組選用的紅外感應(yīng)器其正常工作的溫度范圍為-10～+50℃，這顯然是滿足條件的。

已有研究表明鼠類的聽覺系統(tǒng)十分發(fā)達(dá)，尤其對(duì)超聲波非常敏感。超聲波驅(qū)鼠器的工作原理就是利用鼠類聽到超聲波后感到不安、身體不適這一特性。考慮到鼠類聲音頻段集中在5～50 kHz之間，剔除人耳的聽覺范圍，小組采用25～60 kHz的范圍頻率。同時(shí)，通過合理設(shè)計(jì)超聲波頻射電路，使其產(chǎn)生無規(guī)律變化的超聲波，降低了鼠類對(duì)某一頻率超聲波的耐受性。

1.2 算法控制模塊

鼠類在電纜溝具有活動(dòng)速度快、運(yùn)動(dòng)不規(guī)律等特點(diǎn)。為此小組采用分布估計(jì)算法（EDA）實(shí)時(shí)計(jì)算其運(yùn)動(dòng)軌跡。分布估計(jì)算法（EDA）是一種新興的算法，該算法與遺傳算法（GA）有較大的區(qū)別。主要體現(xiàn)在：遺傳算法（GA）采用變異和交叉等操作產(chǎn)生新的個(gè)體，而分布估計(jì)算法（EDA）則是通過搜索空間采樣數(shù)和統(tǒng)計(jì)學(xué)習(xí)來判斷搜索的最佳范圍，并以此產(chǎn)生新的優(yōu)秀個(gè)體。相比較于GA算法，EDA算法全局搜索能力更強(qiáng)、收斂速度更快[6]。將其應(yīng)用到電纜溝驅(qū)捕老鼠路徑的優(yōu)化，能夠快速計(jì)算出最優(yōu)的驅(qū)鼠方案。其算法流程如圖2所示：

圖2 EDA算法流程圖

2 實(shí)驗(yàn)效果

為了驗(yàn)證自動(dòng)感應(yīng)超聲波驅(qū)鼠器的有效性，對(duì)其進(jìn)行了實(shí)驗(yàn)。實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明該驅(qū)鼠裝置可重復(fù)自動(dòng)感應(yīng)在電纜溝內(nèi)20 m處活動(dòng)的老鼠，并按照分布估計(jì)算法優(yōu)化驅(qū)鼠路徑，自動(dòng)啟動(dòng)超聲波驅(qū)鼠裝置發(fā)出無規(guī)律變化的超聲波，通過多次數(shù)據(jù)迭代，實(shí)現(xiàn)了算法收斂，如圖3所示為分布估計(jì)算法收斂仿真圖。

圖3 分布估計(jì)算法收斂仿真圖

同時(shí)從監(jiān)控畫面可以看到，一旦有老鼠闖入，自動(dòng)感應(yīng)超聲波驅(qū)鼠器能自動(dòng)感應(yīng)到進(jìn)入其感應(yīng)區(qū)域內(nèi)活動(dòng)的每只老鼠的運(yùn)動(dòng)軌跡，并根據(jù)分布估計(jì)算法控制超聲波發(fā)生器的工作狀態(tài)，形成了一條有效的驅(qū)趕路徑，將老鼠驅(qū)趕到目標(biāo)位置。

3 結(jié)語

自動(dòng)感應(yīng)超聲波驅(qū)鼠裝置選用的紅外感應(yīng)器、超聲波發(fā)生器和51式單片機(jī)等均為技術(shù)成熟、性能穩(wěn)定、模塊標(biāo)準(zhǔn)化的通用元器件[7]。在應(yīng)用時(shí)，只要按照設(shè)備技術(shù)方案進(jìn)行安裝，同時(shí)，注意根據(jù)電纜溝實(shí)際長(zhǎng)度合理布設(shè)紅外感應(yīng)超聲波頻射二合一模塊，使用條件不超出其技術(shù)參數(shù)限值，長(zhǎng)期運(yùn)行時(shí)，只要環(huán)境條件不超出元器件的技術(shù)參數(shù)范圍。即可達(dá)到較為理想的驅(qū)鼠效果。

將自動(dòng)感應(yīng)超聲波驅(qū)鼠裝置應(yīng)用于變電站中，有效解決了解決變電站常規(guī)防鼠、捕鼠方法落后不可控的現(xiàn)狀。達(dá)到了精準(zhǔn)、高效捕鼠的目標(biāo)。同時(shí)該裝置還可以對(duì)電纜溝封堵質(zhì)量進(jìn)行反饋評(píng)估。電纜溝內(nèi)鼠害的起始點(diǎn)，即封堵的薄弱點(diǎn)。變被動(dòng)為主動(dòng)，有效幫助運(yùn)維巡視人員有針對(duì)性的完善封堵，從源頭上杜絕鼠害。