國(guó)網(wǎng)山東省電力公司日照供電公司 宋 珂 牟善仲 張 浩 韓雨真 史彥楠

引言

隨著城鎮(zhèn)現(xiàn)代化的發(fā)展，電力電纜逐漸由架空線轉(zhuǎn)為地下，然后在電纜上方安裝一個(gè)電纜警示樁，用于標(biāo)識(shí)和對(duì)人員進(jìn)行提示，這種電纜警示樁通常為普通的水泥混凝土材質(zhì)，如果維護(hù)不及時(shí)，容易造成傾倒、被泥土埋沒、甚至丟失的情況.隨著地下電纜的不斷增多，在道路施工時(shí)，電纜被挖斷的事故時(shí)有發(fā)生，給周圍企業(yè)的生產(chǎn)和附近居民的生活造成影響，造成巨大的經(jīng)濟(jì)損失[1]。為了保護(hù)地下電力電纜并實(shí)時(shí)的檢測(cè)電纜警示樁的狀態(tài)，設(shè)計(jì)了一種新型的電力電纜防外破監(jiān)測(cè)裝置，該裝置可對(duì)外界的震動(dòng)進(jìn)行精確的判別，及時(shí)阻止破壞電纜事故的發(fā)生，避免了挖斷電纜造成的經(jīng)濟(jì)損失，解決了地下電纜難以監(jiān)控的問題。

該裝置為不銹鋼外殼，呈圓餅狀，內(nèi)部嵌有震動(dòng)檢測(cè)模塊、無線傳輸模塊、GPS/北斗衛(wèi)星定位模塊、太陽能充放電管理模塊、報(bào)警模塊等檢測(cè)模塊，當(dāng)電纜周圍產(chǎn)生震動(dòng)時(shí)，通過裝置內(nèi)部主控芯片的計(jì)算，能自動(dòng)判別該震動(dòng)為正常震動(dòng)還是施工引起的震動(dòng)，當(dāng)施工進(jìn)入電纜安全區(qū)域內(nèi)時(shí)，裝置自動(dòng)報(bào)警，及時(shí)阻止可能破壞電纜的行為，并發(fā)出聲光報(bào)警，通過GPRS 無線通訊將報(bào)警信息發(fā)送至后臺(tái)客戶端，通知巡檢人員對(duì)可能的破壞行為及時(shí)進(jìn)行處理。內(nèi)部的GPS/北斗衛(wèi)星定位模塊可對(duì)電纜進(jìn)行精確定位，利用圖形化的方式在后臺(tái)呈現(xiàn)所有檢測(cè)電纜的具體位置和精確坐標(biāo)[2]。

裝置采用大容量可充電鋰電池和太陽能雙重供電，確保裝置長(zhǎng)期運(yùn)行。裝置自動(dòng)化程度高，識(shí)別精確，可有效杜絕施工可能對(duì)電纜造成的破壞，不需要人員到現(xiàn)場(chǎng)進(jìn)行監(jiān)督巡檢，降低了人力成本，具有良好的市場(chǎng)推廣價(jià)值。

1 電力電纜防外破檢測(cè)裝置的工作原理

該電纜檢測(cè)裝置分為檢測(cè)部分、傳輸部分、報(bào)警部分和供電部分等模塊單元組成。檢測(cè)部分主要負(fù)責(zé)設(shè)備喚醒和震動(dòng)檢測(cè)，自動(dòng)判別引起震動(dòng)的原因，并將震動(dòng)信息傳送至主控制器。傳輸部分主要是LoRa 無線傳輸和GPRS 無線傳輸，負(fù)責(zé)將各個(gè)電纜檢測(cè)裝置的監(jiān)測(cè)信息進(jìn)行集中，并將信息通過4G/5G 網(wǎng)絡(luò)實(shí)時(shí)的發(fā)送至管理后臺(tái)，使巡檢人員能及時(shí)了解各條電纜的實(shí)時(shí)狀態(tài)。報(bào)警部分采用聲光報(bào)警模式，當(dāng)施工車輛進(jìn)入的施工動(dòng)作進(jìn)入電纜安全范圍內(nèi)時(shí)報(bào)警器發(fā)出報(bào)警，及時(shí)提醒并阻止可能破壞電纜施工行為的繼續(xù)進(jìn)行，有效避免破壞電纜行為的發(fā)生。裝置采用鋰電池和太陽能雙重供電，保證裝置長(zhǎng)時(shí)間運(yùn)行不受影響。

1.1 檢測(cè)模塊

該檢測(cè)部分包括一傾斜檢測(cè)和震動(dòng)檢測(cè)模塊、一全方向滾珠開關(guān)。斜檢測(cè)和震動(dòng)檢測(cè)模塊為MPU6050陀螺儀，內(nèi)部三個(gè)獨(dú)立的MEMS 速率陀螺儀，當(dāng)陀螺儀圍繞任何軸轉(zhuǎn)動(dòng)時(shí)，內(nèi)部的電容式傳感器就會(huì)檢測(cè)到震動(dòng)，震動(dòng)信號(hào)被內(nèi)部的放大器放大，解調(diào)濾波后經(jīng)片內(nèi)的ADC 轉(zhuǎn)換電力轉(zhuǎn)化成電壓信號(hào)，讀取角速度的電壓值即可實(shí)時(shí)的檢測(cè)物體的傾斜角度；讀取陀螺儀內(nèi)的加速度傳感器的加速度數(shù)值即可得出物體的震動(dòng)幅度。為了節(jié)省電力、延長(zhǎng)電池的使用壽命，平時(shí)狀態(tài)下，電纜檢測(cè)裝置處于低功率休眠狀態(tài)。

如果電纜檢測(cè)裝置受到外力震動(dòng)，發(fā)生輕微的傾斜或碰撞，裝置內(nèi)部的全方向滾珠開關(guān)就會(huì)開啟，發(fā)出一個(gè)高電平信號(hào)，啟動(dòng)主控MCU 單片機(jī)從低功耗狀態(tài)進(jìn)入工作狀態(tài)，啟動(dòng)太陽能充放電控制單元內(nèi)的電源通斷管理電路，裝置快速進(jìn)入正常工作狀態(tài)，陀螺儀計(jì)算出目前電纜檢測(cè)裝置的角度，內(nèi)置的GPS/北斗定位模塊確定經(jīng)緯度，然后通過內(nèi)置LoRa 無線網(wǎng)絡(luò)模塊發(fā)射數(shù)據(jù)，數(shù)據(jù)經(jīng)無線集中器利用4G/5G 無線網(wǎng)絡(luò)將數(shù)據(jù)發(fā)送至云端服務(wù)器，云端服務(wù)器對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行處理、保存以及報(bào)警推送和顯示，可以通過手機(jī)端和電腦端直接讀取數(shù)據(jù)以及報(bào)警信息。

1.2 開關(guān)模塊

該電纜檢測(cè)裝置會(huì)被直接嵌入界樁、標(biāo)識(shí)樁等內(nèi)部或表面及旁邊，一旦被安裝完成就很難再被拆卸開啟，即無法拆開更換電池。裝置內(nèi)傳感器較多，頻繁的對(duì)外發(fā)射信號(hào)會(huì)消耗大量的電能，如果裝置被物體遮蓋或者遇到長(zhǎng)時(shí)間的陰雨天氣，裝置得不到及時(shí)的充電，就有可能會(huì)因?yàn)殡娏亢谋M而停止工作。為了保證檢測(cè)裝置能夠持久工作，內(nèi)部設(shè)立了一個(gè)機(jī)械的全方向滾珠開關(guān)。當(dāng)外界沒有震動(dòng)發(fā)生時(shí)，裝置處于休眠狀態(tài)，每12小時(shí)發(fā)送一次裝置的狀態(tài)數(shù)據(jù)信息；一旦周圍產(chǎn)生震動(dòng)，滾珠開關(guān)就會(huì)開啟，喚醒MCU 主控芯片，使整個(gè)裝置立刻處于正常工作狀態(tài)。該開關(guān)模塊可最大限度的節(jié)省電能，確保裝置一旦被安裝完成后可持續(xù)運(yùn)行10年以上。

1.3 傳輸模塊

裝置的數(shù)據(jù)傳輸模塊分為兩部分，一個(gè)為近距離傳輸，采用NFC 傳輸模塊；一個(gè)為遠(yuǎn)距離傳輸，采用LoRa 無線傳輸模塊。為了最大限度的延長(zhǎng)電池的供電時(shí)間、提高電池的使用壽命，模塊在平時(shí)都處于休眠狀態(tài)，裝置只是定時(shí)的、低頻率的更新一次電纜狀態(tài)數(shù)據(jù)，大部分時(shí)間并不工作。如果巡檢人員在現(xiàn)場(chǎng)想要查看某一個(gè)電纜檢測(cè)裝置的信息和狀態(tài)，沒有供電就無法讀取信息。為了能隨時(shí)方便的查看近距離查看電纜檢測(cè)裝置的狀態(tài)，裝置內(nèi)置了一個(gè)NFC 模塊。NFC 為近距離被動(dòng)式傳輸模式，目前已經(jīng)廣泛應(yīng)用于各種磁卡的讀取工作中。裝置會(huì)定時(shí)的將檢測(cè)到的信息存儲(chǔ)到NFC 磁卡內(nèi)，讀取時(shí)只需要將帶有NFC 功能的設(shè)備靠近電纜檢測(cè)裝置即可。

遠(yuǎn)距離傳輸時(shí)，裝置采用LoRa 無線通訊方式。LoRa 為低功耗無線遠(yuǎn)距離傳輸技術(shù)，最遠(yuǎn)傳輸距離可達(dá)15km，而且免費(fèi)。電纜檢測(cè)裝置通過LoRa無線傳輸將信息傳送至集中器，集中器通過4G/5G網(wǎng)絡(luò)發(fā)送到云服務(wù)器，管理人員可通過后臺(tái)軟件查看各電纜檢測(cè)裝置采集的信息。一臺(tái)集中器可帶多個(gè)電纜檢測(cè)裝置，這樣就不用每個(gè)裝置都配備一張SIM 卡，可大大節(jié)省費(fèi)用、降低成本。

1.4 報(bào)警模塊

裝置內(nèi)置一個(gè)聲光報(bào)警器。當(dāng)行人和車輛從上面正常駛過時(shí)，裝置不報(bào)警；當(dāng)有施工挖掘車輛在附近施工作業(yè)時(shí)，如果施工地點(diǎn)距離電纜小于安全距離，報(bào)警器就會(huì)發(fā)出報(bào)警聲，提示施工人員遠(yuǎn)離，防止挖斷電纜的事故發(fā)生。內(nèi)置的DSP 處理器可對(duì)外界的震動(dòng)進(jìn)行精確計(jì)算，可辨別各種情況產(chǎn)生的震動(dòng)原因，智能化自動(dòng)化程度高，分辨精確。

1.5 電源供電模塊

該檢測(cè)裝置采用太陽能供電和鋰電池供電的雙重供電模式，無需市電供電、無需接線，直接安裝即可使用。裝置的大多數(shù)情況下處于低功耗休眠狀態(tài)，耗電量極少，在天氣晴好、沒有遮擋物的情況下，太陽能板充電足夠可以維持裝置的正常運(yùn)行。如果遇到連續(xù)的陰雨天，內(nèi)置的鋰電池也可維持裝置正常運(yùn)行三個(gè)月以上，不需要更換電池。設(shè)置安裝完成后，雙重的供電模式可保證設(shè)備正常運(yùn)行10年以上，大大降低了更換電池設(shè)備的成本。

1.6 GPS/北斗定位模塊、主控制器模塊

監(jiān)測(cè)裝置安裝在電纜的上方，內(nèi)置的GPS/北斗定位模塊可以對(duì)電纜的地理坐標(biāo)做出精確定位，后臺(tái)管理軟件根據(jù)定位呈現(xiàn)出電纜的線路圖。電纜圖形化可以使電纜的布局更加形象，便于巡檢人員就行統(tǒng)籌管理[3]；本檢測(cè)裝置采用超低功耗的STM32系列的32位單片機(jī)，為裝置的主控單元，對(duì)裝置內(nèi)的斜檢測(cè)單元、震動(dòng)檢測(cè)單元、北斗/GPS模塊、太陽能充放電控制單元等模塊進(jìn)行控制和數(shù)據(jù)通信，同時(shí)檢測(cè)內(nèi)置電池電壓，通過采集到的各種數(shù)據(jù)進(jìn)行現(xiàn)場(chǎng)分析，得出當(dāng)前狀態(tài)，根據(jù)各種不同的狀態(tài)采取相應(yīng)的任務(wù)策略。

1.7 后臺(tái)管理軟件

后臺(tái)管理單元主要為上位軟件部分，主要用來顯示采集到的數(shù)據(jù)、報(bào)警等信息。當(dāng)檢測(cè)裝置感應(yīng)到一定的傾斜角度或較大震動(dòng)時(shí)，電纜樁中的控制單元立即轉(zhuǎn)入報(bào)警程序，對(duì)當(dāng)前位置進(jìn)行坐標(biāo)采集，并啟動(dòng)LoRa 無線傳輸模塊，將采集到的定位數(shù)據(jù)和報(bào)警信息上傳至集中器，集中器通過Internet 傳輸?shù)綌?shù)據(jù)中心。當(dāng)需要掌握監(jiān)測(cè)點(diǎn)的情況時(shí)，監(jiān)控人員可以在用戶終端上通過數(shù)據(jù)管理系統(tǒng)來查看、統(tǒng)計(jì)和分析服務(wù)器上數(shù)據(jù)中心的各項(xiàng)數(shù)據(jù)[4]。

后臺(tái)管理軟件主要由數(shù)據(jù)管理、數(shù)據(jù)采集、數(shù)據(jù)查詢、告警、查詢、存儲(chǔ)等功能構(gòu)成[5]。數(shù)據(jù)管理功能可對(duì)所檢測(cè)的電纜采集點(diǎn)進(jìn)行設(shè)置、分級(jí)、巡檢等功能；數(shù)據(jù)采集可以對(duì)采集點(diǎn)的坐標(biāo)、電纜防外破檢測(cè)裝置檢測(cè)到的震動(dòng)情況及傾斜角度、電池電量等信息進(jìn)行實(shí)時(shí)采集；告警功能主要是當(dāng)檢測(cè)裝置發(fā)生傾斜、位移和電量不足時(shí)，及時(shí)發(fā)出告警信息，提醒巡檢人員及時(shí)到現(xiàn)場(chǎng)進(jìn)行處理；查詢功能是指管理人員可在軟件內(nèi)隨時(shí)查詢檢測(cè)的實(shí)時(shí)信息和歷史數(shù)據(jù)記錄，便于對(duì)檢測(cè)電纜進(jìn)行后續(xù)分析；存儲(chǔ)功能是利用數(shù)據(jù)庫對(duì)采集到的數(shù)據(jù)進(jìn)行存儲(chǔ)記錄。

2 試用結(jié)果分析

為了測(cè)試該電纜防外破檢測(cè)裝置的實(shí)際應(yīng)用效果，在某道路施工區(qū)的電纜上方安裝了186個(gè)檢測(cè)裝置，經(jīng)過20多天的實(shí)驗(yàn)觀測(cè)，并對(duì)裝置的性能及其實(shí)際效果進(jìn)行了對(duì)比分析。經(jīng)測(cè)試，該電纜防外破檢測(cè)裝置的最遠(yuǎn)感應(yīng)距離可達(dá)15米，檢測(cè)到有效外界震動(dòng)417次，其中挖掘機(jī)在感應(yīng)區(qū)內(nèi)的挖掘施工時(shí)產(chǎn)生的震動(dòng)54次、報(bào)警4次，經(jīng)過與現(xiàn)場(chǎng)巡檢人員的實(shí)際記錄對(duì)比，報(bào)警正確率100%，及時(shí)阻止了可能破壞地下電纜的施工行為，避免了由于可能的斷電造成的經(jīng)濟(jì)損失。對(duì)裝置的電量測(cè)試，將裝置用附著物進(jìn)行遮蓋，在沒有外接進(jìn)行充電的情況下，裝置正常工作超過30天、耗電量低，可滿足在各種復(fù)雜地區(qū)內(nèi)安裝使用，待機(jī)性能強(qiáng)。

該檢測(cè)裝置反應(yīng)靈敏，判斷準(zhǔn)確，提前感知并預(yù)警了可能的破壞行為。由于地下電纜數(shù)量眾多，施工人員往往難以確定地下是否有電纜存在，或者電纜的實(shí)際走向與下一步進(jìn)行的施工地點(diǎn)距離有多遠(yuǎn)，在施工前往往需要先進(jìn)行電纜確定工作，需要使用電纜探測(cè)儀器對(duì)地下電纜進(jìn)行監(jiān)測(cè)，工作繁瑣。該檢測(cè)裝置使用了人工智能自學(xué)算法，能夠準(zhǔn)確的判別發(fā)生震動(dòng)的震動(dòng)源是來自于挖掘施工行為、還是正常的車輛和行人行走，使用了該檢測(cè)裝置后，只要是挖掘行為進(jìn)入了可能破壞電纜的范圍內(nèi)，裝置就會(huì)發(fā)出聲光報(bào)警，這就為施工方省去了前期的電纜探測(cè)工序，節(jié)省了時(shí)間，提高了工作效率，間接提高了經(jīng)濟(jì)效益。

3 結(jié)語

隨著電力電纜入地工作的深入，越來越多的架空線被埋入地下，部分地區(qū)地面上的電纜標(biāo)志樁由于維護(hù)不及時(shí)，會(huì)有傾斜、被泥土埋沒、甚至丟失的情況，這就使得在電纜線附近進(jìn)行道路、管道施工時(shí)，常有挖斷電纜的事故發(fā)生，給周圍的供電居民造成了經(jīng)濟(jì)損失。對(duì)于在電纜附近施工時(shí)，傳統(tǒng)的做法是派專人去現(xiàn)場(chǎng)看護(hù)，但是由于地下電纜過多，再加上有些年代久遠(yuǎn)，看護(hù)人員也可能不確定地下是否有電纜存在，這就造成了即使有專人看管依然會(huì)發(fā)生電纜被挖斷的情況發(fā)生。

為了能及時(shí)的檢測(cè)到地下各電纜的情況，避免挖斷電纜事故的發(fā)生，設(shè)計(jì)了一款基于物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)的電力電纜防外破檢測(cè)裝置。該裝置內(nèi)置震動(dòng)和傾斜檢測(cè)模塊，可精確判別電纜周圍的震動(dòng)情況，判定到施工車輛的施工行為進(jìn)入電纜的安全距離后，啟動(dòng)裝置內(nèi)的聲光報(bào)警器，及時(shí)阻止破壞電纜事故的發(fā)生，并通過4G/5G 網(wǎng)絡(luò)將報(bào)警信息發(fā)送至后臺(tái)軟件，管理人員通過軟件即可遠(yuǎn)程監(jiān)控所有電纜的狀態(tài)。內(nèi)置的GPS/北斗衛(wèi)星定位模塊可將各條地下電纜進(jìn)行精確定位，在后臺(tái)軟件形成圖形化界面，形象直觀。裝置采用太陽能和鋰電池雙重供電，保證裝置可長(zhǎng)期使用。裝置體積小、質(zhì)量輕，安裝方便，一次安裝即可穩(wěn)定使用10年以上，大大提高了智能化水平，降低了人工成本，具有很好的實(shí)用和推廣價(jià)值。