城市地下电缆路径检测系统的研究与设计

在地下电缆的管理维护、城市的规划改建中，要求快速而精确地查明地下电缆位置、延伸路径以及深度，明确电缆的具体位置信息。国网常熟市供电公司的研究人员李映桥、王学冬、徐青龙、汪飞，在2020年第8期《电气技术》杂志上撰文，研究设计的城市地下电缆路径检测系统以电磁法为主要理论基础，建立电缆空间等效模型，推导场强分量公式。

创新点在于利用场强频率传导进行信号传输，应用极值法代入Matlab软件进行仿真分析，能够精准探测线圈周围磁场大小及方向改变情况，利用双线圈法进行公式推导得到电缆埋地深度。在系统的软硬件实施上，通过ARM控制模块代入Keil软件算法进行输出，能够直观清晰地呈现地下电缆的路径轨迹和埋藏深度，提升智能化程度。最后通过实测试验进一步验证系统的可行性。

现如今电力电缆已经逐步取代架空输电线路成为城市电网体系中的主要传输方式。随着电力电缆在城市中的广泛应用，许多问题随之突显出来。当前很多城市为了加快推进现代化进程都在进行城市规划改建的项目，迫切需要了解地下电缆网络的分布，避免在改建过程中因不慎挖断电缆造成不必要的损失。

施工中由于没有提前预判地下电缆的位置及埋深而将电缆挖断的情况屡见不鲜，造成的后果是轻则中断居民和企业的电力供应，重则造成人员伤亡和重大经济损失。2015年4月，浙江省台州市三门县的挖掘工人在鱼塘施工过程中，不慎将地下的一根通电运行状态下的甬台温电信光缆挖断，造成3条长途干线大容量波分系统中断时间达129min，直接损失13.3万余元，中断通信的电路损失达1459.25万元。

出于对安全性和经济性的双重考虑，在地下电缆的管理维护、城市的规划改建上要求简单、快速而精确地查明地下电缆位置及深度，明确电缆位置信息。目前国内外对于埋地电缆的检测技术发展相对成熟，国外发达国家的检测技术以探地雷达法为主，探测精度高，但成本较高且操作复杂；国内的检测技术多以电磁法为基础研究设计，性价比较高，但由于传感方式受干扰程度较大，探测精度较低。

本文研究设计的城市地下电缆路径检测系统以电磁法为理论基础，应用信号接收和发射装置进行场强频率传导，有效提升检测精度，在软硬件上应用改进算法使得系统进一步提升智能化程度。

1  国内外研究现状

国外发达国家对于地下电缆探测技术的研究与应用已经发展多年，其中以英国雷迪公司为代表设计生产的RD400系列和RD432系列地下管线探测仪处于世界领先水平，其以探地雷达法为理论基础，采用传输天线向地下待测目标发射高频电磁脉冲信号，根据地下反射得到的雷达波进行探测。探测仪器的频率和精度较高，智能化程度高，对周围复杂环境抗干扰能力强，但是仪器价格昂贵，对仪器的操作者要求较高。

我国在这方面起步较晚，但发展很快，目前技术相对成熟。其中最有知名度的是西安华傲通讯公司基于电磁法设计研发的GXY便携式电缆检测仪，但其内部主要的元器件大多来自进口，仪器价格相对较高，缺乏自主研发能力。目前对于地下电缆的探测方法有充电法、电磁感应法和探地雷达法，基本原理及特点见表1。

表1  电缆常见探测方法

分析上述几种探测方法，电磁感应法若选择合理的信号传感方式，可以有效地提高检测精度和抗干扰能力，且成本较低。城市地下电缆路径检测系统就是以电磁感应法为基础研究设计的。

2  理论研究与分析（略）

系统以电磁感应原理为主要理论基础，利用地下电缆与周围介质的导电性及导磁性差异这一特性，建立空间磁场的等效模型，应用毕奥-萨伐尔定律，通过几何关系和假设条件推导其空间磁场强度，分析线圈在磁场中的感应电动势。

应用极值法将数据代入Matlab软件进行仿真分析，通过峰值和谷值的极值点确定地下电缆的方位走势。通过双线圈法和几何关系推导出地下电缆的埋藏深度。

3  系统硬件设计

电缆路径检测系统硬件部分选用ARM STM32F103CET6和电磁探测模块组成核心控制系统，应用外挂的GPS模块将探测到的电缆路径方位和埋藏深度等信息转化为经纬度坐标形式，并将结果存储在E2PROM里，根据需要在LED显示屏上显示或者通过数据采集模块与电脑进行通信，导出数据并对其进行整体分析。

整个系统由CPU、显示模块、电磁处理模块、预处理模块等4大部分组成。其中CPU为ARM单片机STM32F103CET6；4个模块分别为预处理模块、输出输入模块（键盘、LCD显示屏和扬声器）、存储模块（E2PROM、Flash）以及数据采集模块（电磁处理模块），4个模块均由ARM单片机进行总体控制。控制系统的整体构架如图7所示。

图7  系统硬件原理框图

如图7所示，ARM单片机自带的12位/16通道数模转换器将对接收到的频率信号进行数据转换和处理。输入输出模块包含扬声器、LCD和键盘3个部分。电磁模块通过振荡电路对测量线圈产生激励，进而产生交变磁场，感应到线缆时，使得磁场产生畸变，需要经过2个AD处理通道进行信号的预处理，将结果反馈给ARM单片机。

系统通信模块包含E2PROM和GPS，其中E2PROM是信号存储模块，负责将信息存储并进行远端传输；GPS对电缆位置进行精确定位，将位置信息转化为经纬度坐标形式。

4  系统软件设计

程序设计采用高级语言C语言，在开机后系统进行初始化自检模式，ARM单片机片的STM32F103CET6模块开始对反馈接收到的频率信号进行AD转换；通过对电磁处理模块的信号采集和处理，在结束一个采样周期后，由单片机完成数据分析，得到并显示测量点的磁场强度，同时根据磁场强度的变化量判断其出现峰值或谷值时的极值点，扬声器将磁场强度的大小反映在声频音量的大小上。

单片机采用定时器方式实现AD转换、场强过限报警及数值显示，程序不断地循环实现不间断测量。系统的E2PROM和Flash存储模块将检测到的数据信息进行采集和存储，通过输出模块传输到远程PC终端，以便后续数据处理和分析。

采用通用异步收发传输器（universal asynchronous receiver/transmitter, UART）与GPS模块进行通信实现设备的定位以及经纬度的获取。GPS模块的主要作用是将系统接收到的频率信号转化为地理坐标形式，便于操作者寻找到电缆的具体方位，同时也便于后期对数据信息的处理分析。ARM单片机与UART通信的程序框图如图8所示。

图8  UART与GPS通信程序框图

本系统的多通道数据采集模块使用ARM内部自带12位模数转换器实现，有2路信号采集通道，分别为峰值模式和谷值模式信号采集通道。信号通过ARM单片机，将频率信号转换为数字信号，代入编写好的公式程序中进行计算，将计算后得到的结果数据送给显示屏进行显示。

AD1和AD2数据采集通道分别负责对峰值模式和谷值模式下的数据进行采集处理。系统通过AD1数据采集通道将峰值模式下的电缆位置转化为数据参数输出到AD2数据采集通道，进行谷值模式下的电缆方位精确定位，以数据和音频双重方式对信号进行输出。AD数据采集部分程序框图如图9所示。

深度和电流的检测是电缆处于谷值模式下来进行检测的，该功能主要由单片机内部的模拟数字转换器（analog to digital converter, ADC）来实现，系统通过ADC的相互转换，进行数据处理后，将电动势变化值及各项已知参数代入公式得到地下电缆的埋藏深度，将频率信号电流代入传输线方程计算后得到地下电缆的交变电流。电缆埋藏深度和电流检测模块设计框图如图10所示。

图9  ADC时序控制电路

图10  电缆埋藏深度和电流检测程序流程图

5  系统组装调试及实测分析

在完成系统各模块的拼接组装后，需要将所有模块组合成一个完整的系统，对整体系统进行通电调试。

为了完成对城市道路设施下的电缆现场实测，联系到了市政相关部门，取得了马路旁人行横道处的一块路面下敷设的电缆方位及埋深数据。

对长约3m的路面进行实测试验，待测电缆上方覆有土壤和水泥方砖，电缆埋藏的实际深度为0.82m，电缆运行状态为带电导通状态。

表2  现场实测试验数据

通过误差分析计算得到检测装置的水平位置的偏差0.14m，埋藏深度的偏差0.16m，满足系统对于检测精度的要求，后续将通过计算机汇编语言改进算法，进一步提升系统检测精度。

试验基本确定了所研究设计的城市地下电缆路径检测系统具有可行性，其理论方法和软硬件部分的设计均满足预期想法，实现了设计的基本要求和预想理念，达到了预期效果。在该试验的基础上，还进行了其他实测试验，对敷设在变电所电缆沟内的电力电缆，以及已知地下结构分布的道路地下埋藏的电力电缆都进行了路径和埋深的探测，均能较为准确直观地检测到地下电力电缆的路径方位信息和埋藏深度信息。

6  结论

本文研究设计的城市地下电缆路径检测系统，在传统检测装置的基础上，对系统进行改良优化，利用场强频率传输研究设计出电缆信号识别与采集系统，尤其是对系统的接收与发射信号模块的创新应用，提高了系统检测的精准度。

本文设计了系统的硬件成品，编写了主要核心模块的软件程序。使相关人员能够快速、精准地明确地下电缆的位置、深度等相关信息，节省人力物力和查找时间，避免因挖断地下电缆而造成的不必要事故。该系统应用在需要探测的道路现场，携带方便，操作简单，能够快速精准地获知地下电缆的准确方位、埋藏深度和电流等位置信息。

本文编自2020年第8期《电气技术》，标题为“城市地下电缆路径检测系统的研究与设计”，作者为李映桥、王学冬、徐青龙、汪飞。