閆貽鵬, 傅 銘, 胡 達(dá), 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(shè)的快速發(fā)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(shè)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(shè)于地下,有隱蔽性的特點(diǎn),同時(shí)地下走廊越來(lái)越擁擠,自來(lái)水、通信、煤氣等施工,道路拓寬、種樹、建筑施工等工程都會(huì)開挖路面,都會(huì)對(duì)地下電纜造成威脅,使得電纜外損故障仍無(wú)法得到有效遏制。 為了更好地保護(hù)地下電纜,在振動(dòng)信號(hào)檢測(cè)的基礎(chǔ)上提出了一種地下電纜保護(hù)預(yù)警方法。 根據(jù)人、車輛、打樁機(jī)械行走時(shí)所產(chǎn)生的振動(dòng)信號(hào)特點(diǎn)［1］,通過(guò)labview 采集振動(dòng)信號(hào),將采集的信號(hào)進(jìn)行預(yù)處理,提取出信號(hào)中有效的部分,在信號(hào)的時(shí)域部分,利用過(guò)零數(shù)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(hào)浮動(dòng)的比例因子,利用單位周期內(nèi)波峰頻率的次數(shù),對(duì)人、車輛、施工機(jī)械進(jìn)行識(shí)別,根據(jù)不同的目標(biāo)發(fā)出預(yù)警信號(hào),建立電纜保護(hù)預(yù)警,達(dá)到保護(hù)電纜正常工作的目的。

1 地震波傳播原理及規(guī)律

對(duì)于非剛體的地球表面介質(zhì)中,行人、車輛、施工機(jī)械等不同目標(biāo)在地面上運(yùn)動(dòng)時(shí),相當(dāng)于震源對(duì)地面施加了一定的激勵(lì),激勵(lì)持續(xù)振動(dòng)造成介質(zhì)介點(diǎn)在平衡位置上下振動(dòng)從而形成了振動(dòng)信號(hào),振動(dòng)不斷擴(kuò)散傳播形成地震波。 地震波依據(jù)傳播規(guī)律的差異,可分為體波和面波兩種［2］。 體波的質(zhì)點(diǎn)振動(dòng)方向隨形變不同而改變；面波屬于不同體波相互干涉累計(jì)疊加而形成,傳播方向位于介質(zhì)的分界面,其特點(diǎn)是隨著距離的增加能量呈指數(shù)形式減少。 體波根據(jù)形變方式的不同分為橫波(S 波)和縱波(P波),當(dāng)傳播方向與激勵(lì)振動(dòng)方向垂直時(shí),由于剪切形變產(chǎn)生了橫波；當(dāng)傳播方向與激勵(lì)振動(dòng)方向一致時(shí),由于體積形變產(chǎn)生了縱波［3］。 面波根據(jù)傳播形狀的不同分為樂(lè)夫波和瑞利波。 只有當(dāng)介質(zhì)下面的橫波速度大于介質(zhì)表層的橫波速度時(shí),才會(huì)產(chǎn)生樂(lè)夫波；當(dāng)介質(zhì)質(zhì)點(diǎn)的動(dòng)態(tài)運(yùn)動(dòng)軌跡為逆時(shí)針橢圓方向時(shí),產(chǎn)生的是瑞利波。 從傳播的前后順序來(lái)看,檢測(cè)地震波的傳感器接收順序?yàn)椋嚎v波→橫波→樂(lè)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(jù)地震波的傳播特性和產(chǎn)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(qiáng)的能量、較遠(yuǎn)的傳播距離,相比于橫波和縱波,瑞利波對(duì)于不同目標(biāo)的檢測(cè)以及識(shí)別更具優(yōu)勢(shì)［5］。 研究得到瑞利波的性質(zhì)：

(1)同一介質(zhì)中橫波的速度略大于瑞利波的速度,其速度受到介質(zhì)均勻性的影響,非均勻介質(zhì)的條件下時(shí),瑞利波會(huì)發(fā)生頻散現(xiàn)象,速度隨頻率改變而改變；均勻介質(zhì)的條件下,其速度不會(huì)受頻率的影響。

(2)當(dāng)泊松比=0.5 時(shí),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(shù)形式的衰減,且瑞利波波長(zhǎng)與衰減系數(shù)成反比。

2 過(guò)零數(shù)分析

2.1 過(guò)零數(shù)分析方法

為了將人員、車輛、打樁機(jī)械的地振動(dòng)信號(hào)檢測(cè)并識(shí)別,選擇從分析信號(hào)的時(shí)域特征入手［7］,從中提取出具備典型性、穩(wěn)定性和代表性的特征信息,作為信號(hào)判斷與識(shí)別的依據(jù),最終實(shí)現(xiàn)預(yù)警的功能。過(guò)零數(shù)分析是指統(tǒng)計(jì)一段時(shí)間內(nèi)信號(hào)的振幅超過(guò)所設(shè)定閾值的次數(shù),將次數(shù)作為信號(hào)的特征去判斷目標(biāo)特性［8］。 由于不同目標(biāo)所產(chǎn)生的信號(hào)屬于非平穩(wěn)隨機(jī)信號(hào),無(wú)法進(jìn)行分析,故將信號(hào)截短,選取一段時(shí)間視為平穩(wěn)信號(hào),統(tǒng)計(jì)信號(hào)過(guò)零的次數(shù),作為信號(hào)的特征。 過(guò)零數(shù)分析硬件和算法實(shí)現(xiàn)簡(jiǎn)單、計(jì)算量小,抗環(huán)境干擾能力強(qiáng),可作為預(yù)警分析的基礎(chǔ)［9］。

假設(shè)過(guò)零的次數(shù)為N, 比例常數(shù)為k, 信號(hào)的頻率為f,若信號(hào)為頻率f 的正弦信號(hào),則有公式(1)：

即過(guò)零的次數(shù)N 與信號(hào)的頻率f 成正比。

假設(shè)所選取的隨機(jī)信號(hào)為x1,...xn的平穩(wěn)隨機(jī)時(shí)間序列,所設(shè)定的閾值為a,定義此二進(jìn)制序列Ht為：

則序列Ht 的過(guò)零數(shù)M 為公式(3) 為：

當(dāng)所選取的平穩(wěn)隨機(jī)信號(hào)的頻率范圍從f1變成f2時(shí),功率譜G(f) 與單位周期時(shí)間內(nèi)的過(guò)零總數(shù)N的關(guān)系式如公式(4) 所示：

從公式(4)可以看出,過(guò)零總數(shù)與信號(hào)頻率密切相關(guān)。 信號(hào)頻率范圍較低時(shí),單位周期時(shí)間內(nèi)的過(guò)零總數(shù)較少；信號(hào)頻率范圍較高時(shí),單位周期時(shí)間內(nèi)的過(guò)零總數(shù)較多。

2.2 閾值選取原則

由于電纜的鋪設(shè)大部分處于城市的地表下面,所采集的振動(dòng)信號(hào)中包含許多無(wú)效的偶然強(qiáng)干擾信號(hào)［10］,在城市環(huán)境下,振動(dòng)信號(hào)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(huì)影響信號(hào)的振幅,故采用更為實(shí)用的閾值選取原則顯得尤為關(guān)鍵。

通過(guò)大量的采集信號(hào)實(shí)驗(yàn), 提高算法的有效性,將所采集的前N 次實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)的次大值xn 的平均值作為判斷的依據(jù),設(shè)定經(jīng)驗(yàn)系數(shù)為q,閾值為O,則有公式(5) 作為閾值的設(shè)定依據(jù)。

在實(shí)時(shí)檢測(cè)的條件下,為了提高信號(hào)處理的速度,采用并行處理的方法,提高信號(hào)的處理能力。在閾值的基礎(chǔ)上加入隨信號(hào)浮動(dòng)的比例因子M,所得的閾值為O1,計(jì)算公式(6)

3 振動(dòng)信號(hào)實(shí)驗(yàn)

3.1 實(shí)驗(yàn)平臺(tái)

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(nèi),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(dòng)信號(hào)采集傳感器,同時(shí)采用該檢波器配套的安裝外殼,該傳感器廣泛應(yīng)用于石油勘探、采礦、工程和科學(xué)研究等領(lǐng)域,其主要參數(shù)如表1 所示。

表1 傳感器參數(shù)Tab. 1 Sensor parameters

實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)的采集與分析采用美國(guó)NI 公司的嵌入式測(cè)控系統(tǒng)CompactRIO,其中控制器為cRIO-9030,模擬信號(hào)采集為NI9234 模塊,該模塊每通道的傳感器輸入信號(hào)經(jīng)過(guò)緩沖、調(diào)理后,由24 位Delta-sigma模數(shù)轉(zhuǎn)換器對(duì)其采樣,CompactRIO 硬件平臺(tái)由FPGA 和CPU 組成,PFGA 通過(guò)可熱插拔的接口與NI9234 數(shù)據(jù)采集模塊相連,通過(guò)SPI 通信方式將數(shù)據(jù)傳輸?shù)缴衔粰C(jī),從而實(shí)現(xiàn)在上位機(jī)界面的數(shù)據(jù)實(shí)時(shí)采集與存儲(chǔ),針對(duì)行人、車輛、打樁機(jī)械的振動(dòng),從不同距離入手,完成實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)的采集工作。

3.2 信號(hào)采集與處理

為了獲得更為準(zhǔn)確的實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù),數(shù)據(jù)采集時(shí)周圍無(wú)其他干擾條件。 采集行人、車輛、打樁機(jī)械的振動(dòng),貼合電纜預(yù)警系統(tǒng)的實(shí)際應(yīng)用場(chǎng)地條件,實(shí)驗(yàn)場(chǎng)地選取為平穩(wěn)的干燥土地,適宜振動(dòng)傳感器信號(hào)的傳播,天氣晴朗,溫度條件適宜,如圖2 所示,在電腦上實(shí)時(shí)顯示波形的曲線。

采樣頻率取為1 000 HZ,經(jīng)過(guò)多次實(shí)驗(yàn),可得到不同目標(biāo)的信號(hào),經(jīng)過(guò)小波降噪處理,可得到如下的典型信號(hào)圖,如圖3～圖5 所示。 行人信號(hào)的波形較為分散、平穩(wěn),波動(dòng)幅度較小,對(duì)于電纜無(wú)太大影響；車輛信號(hào)的波形單位時(shí)間內(nèi)頻率較快,振幅無(wú)太大起伏；打樁機(jī)械的信號(hào)波形變化較大,振幅最大,對(duì)電纜的影響最大。

圖2 實(shí)際采集場(chǎng)景Fig. 2 Actual collection scene

圖3 行人信號(hào)波形圖Fig. 3 Pedestrian signal waveform

圖4 車輛信號(hào)波形圖Fig. 4 Vehicle signal waveform

圖5 打樁機(jī)械信號(hào)波形圖Fig. 5 Signal waveform of pile driving machine

分析實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)的振動(dòng)結(jié)果,綜合實(shí)際電纜遭受破壞情況,埋在地下電纜大多數(shù)受到3 m 范圍內(nèi)的物體影響,故選定傳感器與進(jìn)行測(cè)試的不同目標(biāo)距離為3 m。 為了便于統(tǒng)計(jì)不同目標(biāo)的過(guò)零數(shù)個(gè)數(shù),避免受到偶然因素的干擾,綜合分析選取單位時(shí)間周期為60 s,可以得到單位周期內(nèi)不同目標(biāo)的過(guò)零數(shù)統(tǒng)計(jì)個(gè)數(shù),如表2 所示。

表2 不同目標(biāo)過(guò)零數(shù)統(tǒng)計(jì)Tab. 2 Statistics of zero crossings for different targets

由于偶然誤差的干擾,去掉不同目標(biāo)過(guò)零個(gè)數(shù)的最大值、最小值,可以看出距離傳感器3 米的范圍內(nèi),行人信號(hào)的過(guò)零個(gè)數(shù)在17-26 次之間,車輛信號(hào)的過(guò)零個(gè)數(shù)在30-54 之間,施工機(jī)械的過(guò)零個(gè)數(shù)在99-105 之間,各個(gè)信號(hào)的過(guò)零個(gè)數(shù)呈現(xiàn)倍數(shù)式的遞增,容易判斷其不同目標(biāo)的特征,實(shí)驗(yàn)證明所采用的改進(jìn)過(guò)零數(shù)分析方法的有效性,對(duì)目標(biāo)的識(shí)別具有普遍適用性。

4 電纜保護(hù)預(yù)警系統(tǒng)設(shè)計(jì)

根據(jù)上述分析,設(shè)計(jì)開發(fā)一套地下電纜保護(hù)預(yù)警系統(tǒng),將振動(dòng)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(gè)圓形的探測(cè)區(qū)域,當(dāng)施工機(jī)械進(jìn)入該區(qū)域時(shí)觸發(fā)聲光報(bào)警,提醒施工者進(jìn)入了電纜保護(hù)區(qū),施工要謹(jǐn)慎或停止施工。

電纜保護(hù)預(yù)警系統(tǒng)由信號(hào)采集放大、信號(hào)處理和報(bào)警等3 部分組成,系統(tǒng)整體某塊圖如圖6 所示。信號(hào)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(hào),通過(guò)放大電路變成0-5 V 信號(hào)；信號(hào)處理部分以高性能STM32單片機(jī)為核心,進(jìn)行A／D 采樣,采集前端放大電路的輸出信號(hào),對(duì)信號(hào)進(jìn)行濾波等處理,對(duì)處理后的數(shù)字信號(hào)進(jìn)行過(guò)零數(shù)統(tǒng)計(jì),根據(jù)設(shè)定的閾值,判別當(dāng)前目標(biāo)的類型；報(bào)警部分主要由聲光報(bào)警器組成,根據(jù)判別的目標(biāo)類型決定是否觸發(fā)報(bào)警,實(shí)際應(yīng)用中行人和車輛從電纜上方的路面經(jīng)過(guò)時(shí)不會(huì)損壞電纜,主要是打樁機(jī)、鉆機(jī)等施工機(jī)械的打樁頭或鉆頭接觸到電纜時(shí)才會(huì)弄斷電纜,因此當(dāng)打樁機(jī)、鉆機(jī)等施工機(jī)械進(jìn)入保護(hù)區(qū)域時(shí)就觸發(fā)聲光報(bào)警,提醒施工人員已經(jīng)進(jìn)入保護(hù)區(qū),地面下有電纜,施工時(shí)應(yīng)該謹(jǐn)慎或停止施工。

圖6 系統(tǒng)整體模塊Fig. 6 Complete system module

控制系統(tǒng)電路板如圖7 所示,圖中GSM 模塊接口外接GSM 模塊,通過(guò)短信的方式把報(bào)警信息發(fā)給電纜管理部門；電量檢測(cè)模塊對(duì)供電的可充電鋰電池電量進(jìn)行檢測(cè),鋰電池由太陽(yáng)能光伏板供電,當(dāng)電池電量低于一定閾值時(shí)報(bào)警；測(cè)距模塊對(duì)施工機(jī)械到電纜的距離進(jìn)行測(cè)量,當(dāng)距離小于設(shè)定的安全距離時(shí)報(bào)警；信號(hào)放大器模塊對(duì)地震檢波器輸出的信號(hào)進(jìn)行放大等調(diào)理,輸出信號(hào)進(jìn)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(dá)210DMPIPS＠168 MHz,集成了單周期DSP指令和FPU 浮點(diǎn)單元,具有較高的計(jì)算能力,作為電纜保護(hù)預(yù)警系統(tǒng)的控制核心,對(duì)信號(hào)放大器模塊傳輸?shù)男盘?hào)進(jìn)行采樣、處理,運(yùn)行施工機(jī)械檢測(cè)算法,輸出報(bào)警控制,同時(shí)和測(cè)距模塊、GSM 模塊、電量檢測(cè)模塊通信。 經(jīng)過(guò)試驗(yàn),系統(tǒng)可以檢測(cè)到進(jìn)入電纜保護(hù)區(qū)域的施工機(jī)械,觸發(fā)聲光報(bào)警。

圖7 控制電路板Fig. 7 Control circuit board

5 結(jié)束語(yǔ)

本文在分析地震波產(chǎn)生原理與傳播規(guī)律的基礎(chǔ)上,根據(jù)行人、車輛、施工機(jī)械運(yùn)動(dòng)的自身特點(diǎn),利用過(guò)零數(shù)統(tǒng)計(jì)分析的方法進(jìn)行了行人、車輛、施工機(jī)械等運(yùn)動(dòng)目標(biāo)的識(shí)別,搭建了基于NI 的振動(dòng)信號(hào)采集和處理的實(shí)驗(yàn)平臺(tái),對(duì)過(guò)零數(shù)統(tǒng)計(jì)分析的運(yùn)動(dòng)目標(biāo)識(shí)別方法進(jìn)行了驗(yàn)證,基于驗(yàn)證結(jié)果,設(shè)計(jì)開發(fā)了地下電纜保護(hù)預(yù)警系統(tǒng),實(shí)現(xiàn)了對(duì)進(jìn)入保護(hù)區(qū)域的施工機(jī)械的探測(cè)和報(bào)警,達(dá)到了保護(hù)地下電纜的目的。