現(xiàn)如今電力電纜已經(jīng)逐步取代架空輸電線路成為城市電網(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，許多問題隨之突顯出來。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，避免在改建過程中因不慎挖斷電纜造成不必要的損失。

施工中由于沒有提前預(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，浙江省臺州市三門縣的挖掘工人在魚塘施工過程中，不慎將地下的一根通電運(yùn)行狀態(tài)下的甬臺溫電信光纜挖斷，造成3條長途干線大容量波分系統(tǒng)中斷時間達(dá)129min，直接損失13.3萬余元，中斷通信的電路損失達(dá)1459.25萬元。

出于對安全性和經(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。目前國內(nèi)外對于埋地電纜的檢測技術(shù)發(fā)展相對成熟，國外發(fā)達(dá)國家的檢測技術(shù)以探地雷達(dá)法為主，探測精度高，但成本較高且操作復(fù)雜；國內(nèi)的檢測技術(shù)多以電磁法為基礎(chǔ)研究設(shè)計(jì)，性價比較高，但由于傳感方式受干擾程度較大，探測精度較低。

本文研究設(shè)計(jì)的城市地下電纜路徑檢測系統(tǒng)以電磁法為理論基礎(chǔ)，應(yīng)用信號接收和發(fā)射裝置進(jìn)行場強(qiáng)頻率傳導(dǎo)，有效提升檢測精度，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 國內(nèi)外研究現(xiàn)狀

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

我國在這方面起步較晚，但發(fā)展很快，目前技術(shù)相對成熟。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便攜式電纜檢測儀，但其內(nèi)部主要的元器件大多來自進(jìn)口，儀器價格相對較高，缺乏自主研發(fā)能力。目前對于地下電纜的探測方法有充電法、電磁感應(yīng)法和探地雷達(dá)法，基本原理及特點(diǎn)見表1。

表1 電纜常見探測方法

分析上述幾種探測方法，電磁感應(yīng)法若選擇合理的信號傳感方式，可以有效地提高檢測精度和抗干擾能力，且成本較低。城市地下電纜路徑檢測系統(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)，利用地下電纜與周圍介質(zhì)的導(dǎo)電性及導(dǎo)磁性差異這一特性，建立空間磁場的等效模型，應(yīng)用畢奧-薩伐爾定律，通過幾何關(guān)系和假設(shè)條件推導(dǎo)其空間磁場強(qiáng)度，分析線圈在磁場中的感應(yīng)電動勢。

應(yīng)用極值法將數(shù)據(jù)代入Matlab軟件進(jìn)行仿真分析，通過峰值和谷值的極值點(diǎn)確定地下電纜的方位走勢。通過雙線圈法和幾何關(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)

電纜路徑檢測系統(tǒng)硬件部分選用ARM STM32F103CET6和電磁探測模塊組成核心控制系統(tǒng)，應(yīng)用外掛的GPS模塊將探測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)果存儲在E2PROM里，根據(jù)需要在LED顯示屏上顯示或者通過數(shù)據(jù)采集模塊與電腦進(jìn)行通信，導(dǎo)出數(shù)據(jù)并對其進(jìn)行整體分析。

整個系統(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個模塊分別為預(yù)處理模塊、輸出輸入模塊（鍵盤、LCD顯示屏和揚(yáng)聲器）、存儲模塊（E2PROM、Flash）以及數(shù)據(jù)采集模塊（電磁處理模塊），4個模塊均由ARM單片機(jī)進(jìn)行總體控制?？刂葡到y(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)換器將對接收到的頻率信號進(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3個部分。電磁模塊通過振蕩電路對測量線圈產(chǎn)生激勵，進(jìn)而產(chǎn)生交變磁場，感應(yīng)到線纜時，使得磁場產(chǎn)生畸變，需要經(jīng)過2個AD處理通道進(jìn)行信號的預(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是信號存儲模塊，負(fù)責(zé)將信息存儲并進(jìn)行遠(yuǎn)端傳輸；GPS對電纜位置進(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)采用高級語言C語言，在開機(jī)后系統(tǒng)進(jìn)行初始化自檢模式，ARM單片機(jī)片的STM32F103CET6模塊開始對反饋接收到的頻率信號進(jìn)行AD轉(zhuǎn)換；通過對電磁處理模塊的信號采集和處理，在結(jié)束一個采樣周期后，由單片機(jī)完成數(shù)據(jù)分析，得到并顯示測量點(diǎn)的磁場強(qiáng)度，同時根據(jù)磁場強(qiáng)度的變化量判斷其出現(xiàn)峰值或谷值時的極值點(diǎn)，揚(yáng)聲器將磁場強(qiáng)度的大小反映在聲頻音量的大小上。

單片機(jī)采用定時器方式實(shí)現(xiàn)AD轉(zhuǎn)換、場強(qiáng)過限報(bào)警及數(shù)值顯示，程序不斷地循環(huán)實(shí)現(xiàn)不間斷測量。系統(tǒng)的E2PROM和Flash存儲模塊將檢測到的數(shù)據(jù)信息進(jìn)行采集和存儲，通過輸出模塊傳輸?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，同時也便于后期對數(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路信號采集通道，分別為峰值模式和谷值模式信號采集通道。信號通過ARM單片機(jī)，將頻率信號轉(zhuǎn)換為數(shù)字信號，代入編寫好的公式程序中進(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)和音頻雙重方式對信號進(jìn)行輸出。AD數(shù)據(jù)采集部分程序框圖如圖9所示。

深度和電流的檢測是電纜處于谷值模式下來進(jìn)行檢測的，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）來實(shí)現(xiàn)，系統(tǒng)通過ADC的相互轉(zhuǎn)換，進(jìn)行數(shù)據(jù)處理后，將電動勢變化值及各項(xiàng)已知參數(shù)代入公式得到地下電纜的埋藏深度，將頻率信號電流代入傳輸線方程計(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模塊設(shè)計(jì)框圖如圖10所示。

圖9 ADC時序控制電路

圖10 電纜埋藏深度和電流檢測程序流程圖

5 系統(tǒng)組裝調(diào)試及實(shí)測分析

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完整的系統(tǒng)，對整體系統(tǒng)進(jìn)行通電調(diào)試。為了完成對城市道路設(shè)施下的電纜現(xiàn)場實(shí)測，聯(lián)系到了市政相關(guān)部門，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)。

對長約3m的路面進(jìn)行實(shí)測試驗(yàn)，待測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)場實(shí)測試驗(yàn)數(shù)據(jù)

通過誤差分析計(jì)算得到檢測裝置的水平位置的偏差0.14m，埋藏深度的偏差0.16m，滿足系統(tǒng)對于檢測精度的要求，后續(xù)將通過計(jì)算機(jī)匯編語言改進(jìn)算法，進(jìn)一步提升系統(tǒng)檢測精度。

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)測試驗(yàn)，對敷設(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，均能較為準(zhǔn)確直觀地檢測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系統(tǒng)，在傳統(tǒng)檢測裝置的基礎(chǔ)上，對系統(tǒng)進(jìn)行改良優(yōu)化，利用場強(qiáng)頻率傳輸研究設(shè)計(jì)出電纜信號識別與采集系統(tǒng)，尤其是對系統(tǒng)的接收與發(fā)射信號模塊的創(chuàng)新應(yīng)用，提高了系統(tǒng)檢測的精準(zhǔn)度。

本文設(shè)計(jì)了系統(tǒng)的硬件成品，編寫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)用在需要探測的道路現(xiàn)場，攜帶方便，操作簡單，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。