基于地振動信號檢測的地下電纜保護研究

閆貽鵬, 傅 銘, 胡 達, 顧 悅, 朱偉劍, 袁 靖, 郝 柱

(1 上海市電力公司青浦供電公司,上海201707； 2 上海置信電氣非晶有限公司,上海201707)

0 引 言

隨著城市建設的快速發展,為了城市美觀,新建輸電、配電線路基本采用地下電纜敷設方式。 地下電纜線路的供電可靠性較架空線路有了較大提升,但電纜線路敷設于地下,有隱蔽性的特點,同時地下走廊越來越擁擠,自來水、通信、煤氣等施工,道路拓寬、種樹、建筑施工等工程都會開挖路面,都會對地下電纜造成威脅,使得電纜外損故障仍無法得到有效遏制。 為了更好地保護地下電纜,在振動信號檢測的基礎上提出了一種地下電纜保護預警方法。 根據人、車輛、打樁機械行走時所產生的振動信號特點［1］,通過labview 采集振動信號,將采集的信號進行預處理,提取出信號中有效的部分,在信號的時域部分,利用過零數分析的方法,采用基于N 次波峰次大值平均值的閾值選取原則,加入隨信號浮動的比例因子,利用單位周期內波峰頻率的次數,對人、車輛、施工機械進行識別,根據不同的目標發出預警信號,建立電纜保護預警,達到保護電纜正常工作的目的。

1 地震波傳播原理及規律

對于非剛體的地球表面介質中,行人、車輛、施工機械等不同目標在地面上運動時,相當于震源對地面施加了一定的激勵,激勵持續振動造成介質介點在平衡位置上下振動從而形成了振動信號,振動不斷擴散傳播形成地震波。 地震波依據傳播規律的差異,可分為體波和面波兩種［2］。 體波的質點振動方向隨形變不同而改變；面波屬于不同體波相互干涉累計疊加而形成,傳播方向位于介質的分界面,其特點是隨著距離的增加能量呈指數形式減少。 體波根據形變方式的不同分為橫波(S 波)和縱波(P波),當傳播方向與激勵振動方向垂直時,由于剪切形變產生了橫波；當傳播方向與激勵振動方向一致時,由于體積形變產生了縱波［3］。 面波根據傳播形狀的不同分為樂夫波和瑞利波。 只有當介質下面的橫波速度大于介質表層的橫波速度時,才會產生樂夫波；當介質質點的動態運動軌跡為逆時針橢圓方向時,產生的是瑞利波。 從傳播的前后順序來看,檢測地震波的傳感器接收順序為：縱波→橫波→樂夫波→瑞利波［4］,如圖1 所示。

圖1 地震波傳播順序Fig. 1 Sequence of seismic wave propagation

根據地震波的傳播特性和產生原理比較,橫波速度低、能量弱；縱波頻率高、速度快；瑞利波具有較低的頻率、較強的能量、較遠的傳播距離,相比于橫波和縱波,瑞利波對于不同目標的檢測以及識別更具優勢［5］。 研究得到瑞利波的性質：

(1)同一介質中橫波的速度略大于瑞利波的速度,其速度受到介質均勻性的影響,非均勻介質的條件下時,瑞利波會發生頻散現象,速度隨頻率改變而改變；均勻介質的條件下,其速度不會受頻率的影響。

(2)當泊松比=0.5 時,瑞利波的垂直位移分量為水平位移分量的1.82 倍［6］。

(3)隨著深度的增加,瑞利波的傳播速度呈指數形式的衰減,且瑞利波波長與衰減系數成反比。

2 過零數分析

2.1 過零數分析方法

為了將人員、車輛、打樁機械的地振動信號檢測并識別,選擇從分析信號的時域特征入手［7］,從中提取出具備典型性、穩定性和代表性的特征信息,作為信號判斷與識別的依據,最終實現預警的功能。過零數分析是指統計一段時間內信號的振幅超過所設定閾值的次數,將次數作為信號的特征去判斷目標特性［8］。 由于不同目標所產生的信號屬于非平穩隨機信號,無法進行分析,故將信號截短,選取一段時間視為平穩信號,統計信號過零的次數,作為信號的特征。 過零數分析硬件和算法實現簡單、計算量小,抗環境干擾能力強,可作為預警分析的基礎［9］。

假設過零的次數為N, 比例常數為k, 信號的頻率為f,若信號為頻率f 的正弦信號,則有公式(1)：

即過零的次數N 與信號的頻率f 成正比。

假設所選取的隨機信號為x1,...xn的平穩隨機時間序列,所設定的閾值為a,定義此二進制序列Ht為：

則序列Ht 的過零數M 為公式(3) 為：

當所選取的平穩隨機信號的頻率范圍從f1變成f2時,功率譜G(f) 與單位周期時間內的過零總數N的關系式如公式(4) 所示：

從公式(4)可以看出,過零總數與信號頻率密切相關。 信號頻率范圍較低時,單位周期時間內的過零總數較少；信號頻率范圍較高時,單位周期時間內的過零總數較多。

2.2 閾值選取原則

由于電纜的鋪設大部分處于城市的地表下面,所采集的振動信號中包含許多無效的偶然強干擾信號［10］,在城市環境下,振動信號的振幅受到震源和傳感器之間距離的影響,不同硬度、濕度的地面也會影響信號的振幅,故采用更為實用的閾值選取原則顯得尤為關鍵。

通過大量的采集信號實驗, 提高算法的有效性,將所采集的前N 次實驗數據的次大值xn 的平均值作為判斷的依據,設定經驗系數為q,閾值為O,則有公式(5) 作為閾值的設定依據。

在實時檢測的條件下,為了提高信號處理的速度,采用并行處理的方法,提高信號的處理能力。在閾值的基礎上加入隨信號浮動的比例因子M,所得的閾值為O1,計算公式(6)

3 振動信號實驗

3.1 實驗平臺

由于瑞利波的頻率比較低,其主要頻率成分集中在0-150 HZ 范圍內,人的腳步頻率在50 HZ 左右,車輛的主頻在150 HZ 左右,選取兆峰公司ZF-20DX 地震檢波器作為地振動信號采集傳感器,同時采用該檢波器配套的安裝外殼,該傳感器廣泛應用于石油勘探、采礦、工程和科學研究等領域,其主要參數如表1 所示。

表1 傳感器參數Tab. 1 Sensor parameters

實驗數據的采集與分析采用美國NI 公司的嵌入式測控系統CompactRIO,其中控制器為cRIO-9030,模擬信號采集為NI9234 模塊,該模塊每通道的傳感器輸入信號經過緩沖、調理后,由24 位Delta-sigma模數轉換器對其采樣,CompactRIO 硬件平臺由FPGA 和CPU 組成,PFGA 通過可熱插拔的接口與NI9234 數據采集模塊相連,通過SPI 通信方式將數據傳輸到上位機,從而實現在上位機界面的數據實時采集與存儲,針對行人、車輛、打樁機械的振動,從不同距離入手,完成實驗數據的采集工作。

3.2 信號采集與處理

為了獲得更為準確的實驗數據,數據采集時周圍無其他干擾條件。 采集行人、車輛、打樁機械的振動,貼合電纜預警系統的實際應用場地條件,實驗場地選取為平穩的干燥土地,適宜振動傳感器信號的傳播,天氣晴朗,溫度條件適宜,如圖2 所示,在電腦上實時顯示波形的曲線。

采樣頻率取為1 000 HZ,經過多次實驗,可得到不同目標的信號,經過小波降噪處理,可得到如下的典型信號圖,如圖3～圖5 所示。 行人信號的波形較為分散、平穩,波動幅度較小,對于電纜無太大影響；車輛信號的波形單位時間內頻率較快,振幅無太大起伏；打樁機械的信號波形變化較大,振幅最大,對電纜的影響最大。

圖2 實際采集場景Fig. 2 Actual collection scene

圖3 行人信號波形圖Fig. 3 Pedestrian signal waveform

圖4 車輛信號波形圖Fig. 4 Vehicle signal waveform

圖5 打樁機械信號波形圖Fig. 5 Signal waveform of pile driving machine

分析實驗數據的振動結果,綜合實際電纜遭受破壞情況,埋在地下電纜大多數受到3 m 范圍內的物體影響,故選定傳感器與進行測試的不同目標距離為3 m。 為了便于統計不同目標的過零數個數,避免受到偶然因素的干擾,綜合分析選取單位時間周期為60 s,可以得到單位周期內不同目標的過零數統計個數,如表2 所示。

表2 不同目標過零數統計Tab. 2 Statistics of zero crossings for different targets

由于偶然誤差的干擾,去掉不同目標過零個數的最大值、最小值,可以看出距離傳感器3 米的范圍內,行人信號的過零個數在17-26 次之間,車輛信號的過零個數在30-54 之間,施工機械的過零個數在99-105 之間,各個信號的過零個數呈現倍數式的遞增,容易判斷其不同目標的特征,實驗證明所采用的改進過零數分析方法的有效性,對目標的識別具有普遍適用性。

4 電纜保護預警系統設計

根據上述分析,設計開發一套地下電纜保護預警系統,將振動傳感器安裝在地下電纜上方的路面,以傳感器為中心形成一個圓形的探測區域,當施工機械進入該區域時觸發聲光報警,提醒施工者進入了電纜保護區,施工要謹慎或停止施工。

電纜保護預警系統由信號采集放大、信號處理和報警等3 部分組成,系統整體某塊圖如圖6 所示。信號采集放大部分主要由ZF-20DX 地震檢波器和放大電路組成,檢波器輸出的毫伏信號,通過放大電路變成0-5 V 信號；信號處理部分以高性能STM32單片機為核心,進行A／D 采樣,采集前端放大電路的輸出信號,對信號進行濾波等處理,對處理后的數字信號進行過零數統計,根據設定的閾值,判別當前目標的類型；報警部分主要由聲光報警器組成,根據判別的目標類型決定是否觸發報警,實際應用中行人和車輛從電纜上方的路面經過時不會損壞電纜,主要是打樁機、鉆機等施工機械的打樁頭或鉆頭接觸到電纜時才會弄斷電纜,因此當打樁機、鉆機等施工機械進入保護區域時就觸發聲光報警,提醒施工人員已經進入保護區,地面下有電纜,施工時應該謹慎或停止施工。

圖6 系統整體模塊Fig. 6 Complete system module

控制系統電路板如圖7 所示,圖中GSM 模塊接口外接GSM 模塊,通過短信的方式把報警信息發給電纜管理部門；電量檢測模塊對供電的可充電鋰電池電量進行檢測,鋰電池由太陽能光伏板供電,當電池電量低于一定閾值時報警；測距模塊對施工機械到電纜的距離進行測量,當距離小于設定的安全距離時報警；信號放大器模塊對地震檢波器輸出的信號進行放大等調理,輸出信號進入控制器的采樣通道；控制器采用STM32F4 系列高性能微控制器,速度可達210DMPIPS＠168 MHz,集成了單周期DSP指令和FPU 浮點單元,具有較高的計算能力,作為電纜保護預警系統的控制核心,對信號放大器模塊傳輸的信號進行采樣、處理,運行施工機械檢測算法,輸出報警控制,同時和測距模塊、GSM 模塊、電量檢測模塊通信。 經過試驗,系統可以檢測到進入電纜保護區域的施工機械,觸發聲光報警。

圖7 控制電路板Fig. 7 Control circuit board

5 結束語

本文在分析地震波產生原理與傳播規律的基礎上,根據行人、車輛、施工機械運動的自身特點,利用過零數統計分析的方法進行了行人、車輛、施工機械等運動目標的識別,搭建了基于NI 的振動信號采集和處理的實驗平臺,對過零數統計分析的運動目標識別方法進行了驗證,基于驗證結果,設計開發了地下電纜保護預警系統,實現了對進入保護區域的施工機械的探測和報警,達到了保護地下電纜的目的。