在地下電纜的管理維護(hù)、城市的規(guī)劃改建中，要求快速而精確地查明地下電纜位置、延伸路徑以及深度，明確電纜的具體位置信息。國(guó)網(wǎng)常熟市供電公司的研究人員李映橋、王學(xué)冬、徐青龍、汪飛，在2020年第8期《電氣技術(shù)》雜志上撰文，研究設(shè)計(jì)的城市地下電纜路徑檢測(cè)系統(tǒng)以電磁法為主要理論基礎(chǔ)，建立電纜空間等效模型，推導(dǎo)場(chǎng)強(qiáng)分量公式。

創(chuàng)新點(diǎn)在于利用場(chǎng)強(qiáng)頻率傳導(dǎo)進(jìn)行信號(hào)傳輸，應(yīng)用極值法代入Matlab軟件進(jìn)行仿真分析，能夠精準(zhǔn)探測(cè)線(xiàn)圈周?chē)艌?chǎng)大小及方向改變情況，利用雙線(xiàn)圈法進(jìn)行公式推導(dǎo)得到電纜埋地深度。在系統(tǒng)的軟硬件實(shí)施上，通過(guò)ARM控制模塊代入Keil軟件算法進(jìn)行輸出，能夠直觀清晰地呈現(xiàn)地下電纜的路徑軌跡和埋藏深度，提升智能化程度。最后通過(guò)實(shí)測(cè)試驗(yàn)進(jìn)一步驗(yàn)證系統(tǒng)的可行性。

現(xiàn)如今電力電纜已經(jīng)逐步取代架空輸電線(xiàn)路成為城市電網(wǎng)體系中的主要傳輸方式。隨著電力電纜在城市中的廣泛應(yīng)用，許多問(wèn)題隨之突顯出來(lái)。當(dāng)前很多城市為了加快推進(jìn)現(xiàn)代化進(jìn)程都在進(jìn)行城市規(guī)劃改建的項(xiàng)目，迫切需要了解地下電纜網(wǎng)絡(luò)的分布，避免在改建過(guò)程中因不慎挖斷電纜造成不必要的損失。

施工中由于沒(méi)有提前預(yù)判地下電纜的位置及埋深而將電纜挖斷的情況屢見(jiàn)不鮮，造成的后果是輕則中斷居民和企業(yè)的電力供應(yīng)，重則造成人員傷亡和重大經(jīng)濟(jì)損失。2015年4月，浙江省臺(tái)州市三門(mén)縣的挖掘工人在魚(yú)塘施工過(guò)程中，不慎將地下的一根通電運(yùn)行狀態(tài)下的甬臺(tái)溫電信光纜挖斷，造成3條長(zhǎng)途干線(xiàn)大容量波分系統(tǒng)中斷時(shí)間達(dá)129min，直接損失13.3萬(wàn)余元，中斷通信的電路損失達(dá)1459.25萬(wàn)元。

出于對(duì)安全性和經(jīng)濟(jì)性的雙重考慮，在地下電纜的管理維護(hù)、城市的規(guī)劃改建上要求簡(jiǎn)單、快速而精確地查明地下電纜位置及深度，明確電纜位置信息。目前國(guó)內(nèi)外對(duì)于埋地電纜的檢測(cè)技術(shù)發(fā)展相對(duì)成熟，國(guó)外發(fā)達(dá)國(guó)家的檢測(cè)技術(shù)以探地雷達(dá)法為主，探測(cè)精度高，但成本較高且操作復(fù)雜；國(guó)內(nèi)的檢測(cè)技術(shù)多以電磁法為基礎(chǔ)研究設(shè)計(jì)，性?xún)r(jià)比較高，但由于傳感方式受干擾程度較大，探測(cè)精度較低。

本文研究設(shè)計(jì)的城市地下電纜路徑檢測(cè)系統(tǒng)以電磁法為理論基礎(chǔ)，應(yīng)用信號(hào)接收和發(fā)射裝置進(jìn)行場(chǎng)強(qiáng)頻率傳導(dǎo)，有效提升檢測(cè)精度，在軟硬件上應(yīng)用改進(jìn)算法使得系統(tǒng)進(jìn)一步提升智能化程度。

1 國(guó)內(nèi)外研究現(xiàn)狀

國(guó)外發(fā)達(dá)國(guó)家對(duì)于地下電纜探測(cè)技術(shù)的研究與應(yīng)用已經(jīng)發(fā)展多年，其中以英國(guó)雷迪公司為代表設(shè)計(jì)生產(chǎn)的RD400系列和RD432系列地下管線(xiàn)探測(cè)儀處于世界領(lǐng)先水平，其以探地雷達(dá)法為理論基礎(chǔ)，采用傳輸天線(xiàn)向地下待測(cè)目標(biāo)發(fā)射高頻電磁脈沖信號(hào)，根據(jù)地下反射得到的雷達(dá)波進(jìn)行探測(cè)。探測(cè)儀器的頻率和精度較高，智能化程度高，對(duì)周?chē)鷱?fù)雜環(huán)境抗干擾能力強(qiáng)，但是儀器價(jià)格昂貴，對(duì)儀器的操作者要求較高。

我國(guó)在這方面起步較晚，但發(fā)展很快，目前技術(shù)相對(duì)成熟。其中最有知名度的是西安華傲通訊公司基于電磁法設(shè)計(jì)研發(fā)的GXY便攜式電纜檢測(cè)儀，但其內(nèi)部主要的元器件大多來(lái)自進(jìn)口，儀器價(jià)格相對(duì)較高，缺乏自主研發(fā)能力。目前對(duì)于地下電纜的探測(cè)方法有充電法、電磁感應(yīng)法和探地雷達(dá)法，基本原理及特點(diǎn)見(jiàn)表1。

表1 電纜常見(jiàn)探測(cè)方法

分析上述幾種探測(cè)方法，電磁感應(yīng)法若選擇合理的信號(hào)傳感方式，可以有效地提高檢測(cè)精度和抗干擾能力，且成本較低。城市地下電纜路徑檢測(cè)系統(tǒng)就是以電磁感應(yīng)法為基礎(chǔ)研究設(shè)計(jì)的。

2 理論研究與分析（略）

系統(tǒng)以電磁感應(yīng)原理為主要理論基礎(chǔ)，利用地下電纜與周?chē)橘|(zhì)的導(dǎo)電性及導(dǎo)磁性差異這一特性，建立空間磁場(chǎng)的等效模型，應(yīng)用畢奧-薩伐爾定律，通過(guò)幾何關(guān)系和假設(shè)條件推導(dǎo)其空間磁場(chǎng)強(qiáng)度，分析線(xiàn)圈在磁場(chǎng)中的感應(yīng)電動(dòng)勢(shì)。

應(yīng)用極值法將數(shù)據(jù)代入Matlab軟件進(jìn)行仿真分析，通過(guò)峰值和谷值的極值點(diǎn)確定地下電纜的方位走勢(shì)。通過(guò)雙線(xiàn)圈法和幾何關(guān)系推導(dǎo)出地下電纜的埋藏深度。

3 系統(tǒng)硬件設(shè)計(jì)

電纜路徑檢測(cè)系統(tǒng)硬件部分選用ARM STM32F103CET6和電磁探測(cè)模塊組成核心控制系統(tǒng)，應(yīng)用外掛的GPS模塊將探測(cè)到的電纜路徑方位和埋藏深度等信息轉(zhuǎn)化為經(jīng)緯度坐標(biāo)形式，并將結(jié)果存儲(chǔ)在E2PROM里，根據(jù)需要在LED顯示屏上顯示或者通過(guò)數(shù)據(jù)采集模塊與電腦進(jìn)行通信，導(dǎo)出數(shù)據(jù)并對(duì)其進(jìn)行整體分析。

整個(gè)系統(tǒng)由CPU、顯示模塊、電磁處理模塊、預(yù)處理模塊等4大部分組成。其中CPU為ARM單片機(jī)STM32F103CET6；4個(gè)模塊分別為預(yù)處理模塊、輸出輸入模塊（鍵盤(pán)、LCD顯示屏和揚(yáng)聲器）、存儲(chǔ)模塊（E2PROM、Flash）以及數(shù)據(jù)采集模塊（電磁處理模塊），4個(gè)模塊均由ARM單片機(jī)進(jìn)行總體控制。控制系統(tǒng)的整體構(gòu)架如圖7所示。

圖7 系統(tǒng)硬件原理框圖

如圖7所示，ARM單片機(jī)自帶的12位/16通道數(shù)模轉(zhuǎn)換器將對(duì)接收到的頻率信號(hào)進(jìn)行數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換和處理。輸入輸出模塊包含揚(yáng)聲器、LCD和鍵盤(pán)3個(gè)部分。電磁模塊通過(guò)振蕩電路對(duì)測(cè)量線(xiàn)圈產(chǎn)生激勵(lì)，進(jìn)而產(chǎn)生交變磁場(chǎng)，感應(yīng)到線(xiàn)纜時(shí)，使得磁場(chǎng)產(chǎn)生畸變，需要經(jīng)過(guò)2個(gè)AD處理通道進(jìn)行信號(hào)的預(yù)處理，將結(jié)果反饋給ARM單片機(jī)。

系統(tǒng)通信模塊包含E2PROM和GPS，其中E2PROM是信號(hào)存儲(chǔ)模塊，負(fù)責(zé)將信息存儲(chǔ)并進(jìn)行遠(yuǎn)端傳輸；GPS對(duì)電纜位置進(jìn)行精確定位，將位置信息轉(zhuǎn)化為經(jīng)緯度坐標(biāo)形式。

4 系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)

程序設(shè)計(jì)采用高級(jí)語(yǔ)言C語(yǔ)言，在開(kāi)機(jī)后系統(tǒng)進(jìn)行初始化自檢模式，ARM單片機(jī)片的STM32F103CET6模塊開(kāi)始對(duì)反饋接收到的頻率信號(hào)進(jìn)行AD轉(zhuǎn)換；通過(guò)對(duì)電磁處理模塊的信號(hào)采集和處理，在結(jié)束一個(gè)采樣周期后，由單片機(jī)完成數(shù)據(jù)分析，得到并顯示測(cè)量點(diǎn)的磁場(chǎng)強(qiáng)度，同時(shí)根據(jù)磁場(chǎng)強(qiáng)度的變化量判斷其出現(xiàn)峰值或谷值時(shí)的極值點(diǎn)，揚(yáng)聲器將磁場(chǎng)強(qiáng)度的大小反映在聲頻音量的大小上。

單片機(jī)采用定時(shí)器方式實(shí)現(xiàn)AD轉(zhuǎn)換、場(chǎng)強(qiáng)過(guò)限報(bào)警及數(shù)值顯示，程序不斷地循環(huán)實(shí)現(xiàn)不間斷測(cè)量。系統(tǒng)的E2PROM和Flash存儲(chǔ)模塊將檢測(cè)到的數(shù)據(jù)信息進(jìn)行采集和存儲(chǔ)，通過(guò)輸出模塊傳輸?shù)竭h(yuǎn)程PC終端，以便后續(xù)數(shù)據(jù)處理和分析。

采用通用異步收發(fā)傳輸器（universal asynchronous receiver/transmitter, UART）與GPS模塊進(jìn)行通信實(shí)現(xiàn)設(shè)備的定位以及經(jīng)緯度的獲取。GPS模塊的主要作用是將系統(tǒng)接收到的頻率信號(hào)轉(zhuǎn)化為地理坐標(biāo)形式，便于操作者尋找到電纜的具體方位，同時(shí)也便于后期對(duì)數(shù)據(jù)信息的處理分析。ARM單片機(jī)與UART通信的程序框圖如圖8所示。

圖8 UART與GPS通信程序框圖

本系統(tǒng)的多通道數(shù)據(jù)采集模塊使用ARM內(nèi)部自帶12位模數(shù)轉(zhuǎn)換器實(shí)現(xiàn)，有2路信號(hào)采集通道，分別為峰值模式和谷值模式信號(hào)采集通道。信號(hào)通過(guò)ARM單片機(jī)，將頻率信號(hào)轉(zhuǎn)換為數(shù)字信號(hào)，代入編寫(xiě)好的公式程序中進(jìn)行計(jì)算，將計(jì)算后得到的結(jié)果數(shù)據(jù)送給顯示屏進(jìn)行顯示。

AD1和AD2數(shù)據(jù)采集通道分別負(fù)責(zé)對(duì)峰值模式和谷值模式下的數(shù)據(jù)進(jìn)行采集處理。系統(tǒng)通過(guò)AD1數(shù)據(jù)采集通道將峰值模式下的電纜位置轉(zhuǎn)化為數(shù)據(jù)參數(shù)輸出到AD2數(shù)據(jù)采集通道，進(jìn)行谷值模式下的電纜方位精確定位，以數(shù)據(jù)和音頻雙重方式對(duì)信號(hào)進(jìn)行輸出。AD數(shù)據(jù)采集部分程序框圖如圖9所示。

深度和電流的檢測(cè)是電纜處于谷值模式下來(lái)進(jìn)行檢測(cè)的，該功能主要由單片機(jī)內(nèi)部的模擬數(shù)字轉(zhuǎn)換器（analog to digital converter, ADC）來(lái)實(shí)現(xiàn)，系統(tǒng)通過(guò)ADC的相互轉(zhuǎn)換，進(jìn)行數(shù)據(jù)處理后，將電動(dòng)勢(shì)變化值及各項(xiàng)已知參數(shù)代入公式得到地下電纜的埋藏深度，將頻率信號(hào)電流代入傳輸線(xiàn)方程計(jì)算后得到地下電纜的交變電流。電纜埋藏深度和電流檢測(cè)模塊設(shè)計(jì)框圖如圖10所示。

圖9 ADC時(shí)序控制電路

圖10 電纜埋藏深度和電流檢測(cè)程序流程

5 系統(tǒng)組裝調(diào)試及實(shí)測(cè)分析

在完成系統(tǒng)各模塊的拼接組裝后，需要將所有模塊組合成一個(gè)完整的系統(tǒng)，對(duì)整體系統(tǒng)進(jìn)行通電調(diào)試。為了完成對(duì)城市道路設(shè)施下的電纜現(xiàn)場(chǎng)實(shí)測(cè)，聯(lián)系到了市政相關(guān)部門(mén)，取得了馬路旁人行橫道處的一塊路面下敷設(shè)的電纜方位及埋深數(shù)據(jù)。

對(duì)長(zhǎng)約3m的路面進(jìn)行實(shí)測(cè)試驗(yàn)，待測(cè)電纜上方覆有土壤和水泥方磚，電纜埋藏的實(shí)際深度為0.82m，電纜運(yùn)行狀態(tài)為帶電導(dǎo)通狀態(tài)。

表2 現(xiàn)場(chǎng)實(shí)測(cè)試驗(yàn)數(shù)據(jù)

通過(guò)誤差分析計(jì)算得到檢測(cè)裝置的水平位置的偏差0.14m，埋藏深度的偏差0.16m，滿(mǎn)足系統(tǒng)對(duì)于檢測(cè)精度的要求，后續(xù)將通過(guò)計(jì)算機(jī)匯編語(yǔ)言改進(jìn)算法，進(jìn)一步提升系統(tǒng)檢測(cè)精度。

試驗(yàn)基本確定了所研究設(shè)計(jì)的城市地下電纜路徑檢測(cè)系統(tǒng)具有可行性，其理論方法和軟硬件部分的設(shè)計(jì)均滿(mǎn)足預(yù)期想法，實(shí)現(xiàn)了設(shè)計(jì)的基本要求和預(yù)想理念，達(dá)到了預(yù)期效果。在該試驗(yàn)的基礎(chǔ)上，還進(jìn)行了其他實(shí)測(cè)試驗(yàn)，對(duì)敷設(shè)在變電所電纜溝內(nèi)的電力電纜，以及已知地下結(jié)構(gòu)分布的道路地下埋藏的電力電纜都進(jìn)行了路徑和埋深的探測(cè)，均能較為準(zhǔn)確直觀地檢測(cè)到地下電力電纜的路徑方位信息和埋藏深度信息。

6 結(jié)論

本文研究設(shè)計(jì)的城市地下電纜路徑檢測(cè)系統(tǒng)，在傳統(tǒng)檢測(cè)裝置的基礎(chǔ)上，對(duì)系統(tǒng)進(jìn)行改良優(yōu)化，利用場(chǎng)強(qiáng)頻率傳輸研究設(shè)計(jì)出電纜信號(hào)識(shí)別與采集系統(tǒng)，尤其是對(duì)系統(tǒng)的接收與發(fā)射信號(hào)模塊的創(chuàng)新應(yīng)用，提高了系統(tǒng)檢測(cè)的精準(zhǔn)度。

本文設(shè)計(jì)了系統(tǒng)的硬件成品，編寫(xiě)了主要核心模塊的軟件程序。使相關(guān)人員能夠快速、精準(zhǔn)地明確地下電纜的位置、深度等相關(guān)信息，節(jié)省人力物力和查找時(shí)間，避免因挖斷地下電纜而造成的不必要事故。該系統(tǒng)應(yīng)用在需要探測(cè)的道路現(xiàn)場(chǎng)，攜帶方便，操作簡(jiǎn)單，能夠快速精準(zhǔn)地獲知地下電纜的準(zhǔn)確方位、埋藏深度和電流等位置信息。

本文編自2020年第8期《電氣技術(shù)》，標(biāo)題為“城市地下電纜路徑檢測(cè)系統(tǒng)的研究與設(shè)計(jì)”，作者為李映橋、王學(xué)冬、徐青龍、汪飛。