基于检波器阵列的地下电缆防外力破坏检测方法研究

王平+陈子龙+彭翊

摘 要：文章针对地下电缆的铺设特点及市政道路施工的流程，提出了一种基于地震检波器阵列的施工源检测技术，通过检测市政道路施工中破碎锤破坏硬质路表所产生的振动信号对施工源位置进行定位并及时向相关部门发送预警以实现保护地下电缆的目的。

关键词：地下电缆；检波器阵列；源定位；防外力破坏

中图分类号：TM247 文献标志码：A 文章编号：2095-2945（2017）26-0065-02

引言

随着我国社会经济发展，基础设施建设步伐加快，市政道路施工频繁，对城市地下电缆通道造成的安全隐患不断加剧，给人民的正常生活带来了极大的困扰也严重的威胁到施工人员的生命财产安全。社会基础设施建设与地下电缆供电方式的矛盾正在凸显，在基础设施建设的过程中如何有效的保护地下电缆的安全成为亟待解决的问题。

目前国内外针对地下电缆线路保护的主要措施有：安排专人进行定点、定期巡视；在电缆运行路线上方设置警示牌；采用高强度的管道、板材保护电缆。上述方式存在着人力、物力成本高，反应慢等不足，在实际的实践过程中效果并不理想，地下电缆被损毁的情况仍然经常见诸报端。随着检测手段的进步，漏电电流检测法、电力线载波检测法、点式应变传感器检测法等科学检测手段开始被应用于地下电缆保护，但是上述方法都只能对电缆线路的运行故障进行检测、定位，当检测到异常时往往意味着对电缆的破坏已经造成，不能对破坏电缆线路的隐患进行预警。

近年来，地下电缆防外力破坏技术逐渐从检测电缆本身状态向检测电缆运行线路周围环境转变，通过检测电缆线路附近的振动来判断施工信号源位置从而得到施工源与地下电缆的位置关系，并及时向有关部门发送预警信息以保护地下电缆线路。河北工业大学孟凡勇博士通过分布式光纤传感器对地下电缆线路上方道路进行检测，实现了对施工源位置的实时检测，有效的保护了地下电缆的安全运行；浙江大学张恩勇利用分布式光纤传感技术对海底管道进行检测，实现了对长距离海底管道的实时监测。但是，地下电缆通常埋设在1-10米深处，对于已经铺设的地下电缆为其安装分布式光纤传感系统成本极高，同时由于电缆埋设较深分布式光纤传感系统只有在施工源深度接近系统时才会有明显信号，其所能提供的预警时间相当有限，这也是目前分布式光纤传感技术没有被广泛应用于地下电缆放外力破坏系统的主要原因。针对上述问题，本课题提出了一种基于检波器阵列的地下电缆防外力破坏系统，利用地震检波器阵列实时采集破碎锤对地面施工信号，并对该信号进行相应的采集、处理。对目标源位置进行实时估计，当施工源位置位于地下电缆线路10m范围内时，向远程服务器发送预警。

1 防外力破坏原理分析

地下电缆是城市电力系统的主要组成之一，地下电缆配电方式有效的解决了城市用地的紧张与电力供电走廊占地的矛盾，同时也避免了极端恶劣天气对供电系统造成的恶劣影响，极大的提高了配电系统的可靠性。在市政道路施工过程中，其标准化流程如下：

（1）首先通过破碎锤对硬质路面进行破碎作业，作业对象为水泥或柏油硬质路面，作业深度为10-30cm。

（2）由挖掘机铲除破碎后的硬质路面。

（3）挖掘机对硬质路面下方的软质泥土进行挖掘作业。

（4）在挖掘泥土的过程中，遇到挖掘机不能挖开的岩石层时，由破碎锤对岩石层进行破碎后再继续挖掘，重复上述过程直至施工完成。

对电缆的破坏通常发生在阶段（3）中挖掘机对软质泥土的挖掘作业过程中，但是挖掘機不能直接对硬质路面进行挖掘作业，需要破碎锤先对硬质路面进行破碎，因此通过检测阶段（1）中破碎锤对硬质路面破碎作业的周期性脉冲信号，可以有效的判断施工源位置并及时向电力部门发送预警信息，避免不规范施工过程可能造成的损失，有效的保护地下电缆安全。

2 基于检波器阵列的源定位方法

本文提出的基于检波器阵列的源定位方法，是利用地震检波器阵列实时采集破碎锤对地面施工信号，并对该信号进行相应的采集、处理。对目标源位置进行实时估计，当施工源位置位于地下电缆线路10m范围内时，向远程服务器发送预警。

本设计中采用了磁电式地震检波器结构。线圈与壳体之间随地表振动产生相对运动，线圈切割磁感线将振动信号转化为模拟电信号，在设计过程中通常与放大器、积分运算结合，实现对加速度、速度、位移信号的敏感。

基于检波器阵列的源定位技术，实质上就是根据地震检波器阵列各个阵列元的信号间相互关系求解目标源信号位置的一种无源定位技术。目前，常见的无源定位技术有基于最大输出功率的可控波束形成方法、基于信号强度定位方法、基于到达时间差定位方法，其中基于最大输出功率的可控波束形成方法被广泛应用于声源定位领域。基于最大输出功率的可控波束形成方法通过对接收到的信号滤波、加权求和的方式得到信号加权总和最大的权值，此时检波器阵列的波束即指向信号源。基于信号强度的定位方法根据阵元所接受信号与源信号的振幅比值估计信号源与阵元距离。基于到达时间差的定位方法通过检波器阵列各阵元接受到同一信号的时间差求解源信号位置。在本设计中，需要在复杂的环境噪声下对不同型号破碎锤施工信号进行源定位，同时由于预警的需要，对定位算法的时间复杂度提出了较高的要求。

在本设计中，由于大地是一种频散介质，从信号源发出的信号在到达检波器阵列时各个阵元的波形信号对应性不是很好。如果以一个固定的门槛值为标准来判断施工信号到达时间会存在较大误差。而通过上述分析，广义互相关时延法、最小均方差自适应时延估计法及互功率谱时延估计法均不能很好的满足本课题要求，考虑到特定频率下的波在整个传播过程中波速保持不变的特性，采用小波变换，提取、分析单一频率或者窄频率段内的波形，以提高定位精度。

3 基于检波器阵列的地下电缆防外力破坏检测系统设计

本文设计的系统以地震检波器阵列为核心，获取垂直于地面方向的地表振动信息，通过高速采样、滤波的方式对数据进行处理后根据施工信号到达检波器阵列各阵元的时间差解算施工源位置，当判断施工源位置距地下电缆线路的距离小于10m时发出预警信息。系统总体框架如图1所示。

考虑到施工源定位算法对系统采样频率及处理器性能的要求，本设计选用FPGA芯片实现4路AD采样过程的控制并通过USB接口将采样数据发送至上位机，其中单路采样率最高为500Ksps，上位机采用ARM11架构处理器运行Linux操作系统。系统主要包括处理器模块、电源模块、存储模块、地震检波器阵列、LED报警模块、3G网络模块、蓝牙模块。其中电源模块给系统提供稳定的工作电压，地震检波器阵列采集地面振动信息并通过USB接口发送给处理器模块，处理器模块基于所采集的信号进行施工源位置定位并判断施工信号强度并闪烁LED灯进行警示，3G网络模块用于向远程主机发送报警信息，蓝牙模块可与上位机通信进行时间校准、位置校准。

系统软件设计包括操作系统移植、系统各模块测试程序及应用程序编写，其中操作系统的移植是系统正常稳定运行的基础。

4 结束语

为了对系统样机的功能与性能进行测试，我们在杭州萧山某工厂内进行了实地试验，在测试过程中通过红外测距仪测量各检波器阵元与施工源的位置。在该工厂中，我们共采集了192组数据并进行了相应处理。在这192组数据中，共有163组数据满足本课题提出的定距误差<5m，定向误差<10°的目标；12组数据满足定距误差要求但并不满足定向误差要求；10组数据满足定向误差要求但不满足定距误差要求；7组数据即不满足定距误差也不满足定向误差的要求。在本设计中，主要的误差来源于外界环境、系统性能、系统理论模型以及时延估计的误差。

参考文献：

[1]彭 翊.基于检波器阵列的地下电缆防外力破坏系统[D].浙江大学，2017.

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