一种电缆外力破坏预警装置的制作方法

1.本发明属于电缆防外力的技术领域，具体涉及一种电缆外力破坏预警装置。


背景技术：

2.现有的电缆路面标志牌主要分为两种：一种为菱形标志牌，通常沿着电缆路径方向进行部署，该标志牌加工和现场安装简单，且菱形具有方向性，直观指示电缆走向；另一种为不易翻边且耐受外力的圆形+内翻式的圆形标志牌，也用于标识电缆的路径方向，特点是可以户外长期使用且耐久性高。但由于当前的电缆标志牌仅能作为电缆路径判断的单一功能，在一些偶发性外力施工作用于电缆保护区路面时，现有的电缆标志牌无法为运维人员提供电缆线路多维信息以及进行有效的外破预警，同时不能提供其他诸如电缆线路名称及其埋深等更多辅助勘查信息，也无法进行埋深和路径等数据的不定期更新，在沿线走廊出现其他偶发性外力施工时，无法及时进行有效的预警。


技术实现要素：

3.本发明的主要目的在于克服现有技术的不足，提供一种电缆外力破坏预警装置，通过该预警装置采集外力振动数据进行外力破坏判断，并将相关数据发送到远端服务器进行预警，实现了对电缆外力破坏的准确定位和判断，较少了排查时间，增加了运维人员工作效率。
4.为了达到上述目的，本发明采用以下技术方案：
5.一种电缆外力破坏预警装置，所述预警装置安装于圆筒形电缆标志牌内部，其特征在于，所述预警装置包括供电模块、传感器模块、集成电路模块和无线模块；
6.所述供电模块包括太阳能板及电池模块；
7.所述传感器模块包括振动传感器；
8.所述集成电路模块包括充电模块、io信号采集模块、芯片处理器及控制电路；
9.所述控制电路含有一外置接口，用于外部设备对预警装置进行配置；
10.所述供电模块与充电模块进行连接，并通过控制电路为整个装置供电；
11.所述传感器模块与io信号采集模块电连接，采集与传输外力振动数据；
12.所述io信号采集模块通过芯片处理器与控制电路进行连接；所述芯片处理器用于进行外力破坏判断；
13.所述无线模块与控制电路直接连接，用于与远端服务器进行数据传输。
14.作为优选的技术方案，所述太阳能板采用6v、230ma微型太阳能板；所述电池模块采用3.7v锂电池；所述充电模块中有升降压电路，用于输出5v直流电压；
15.所述太阳能板在晴好天气时提供6v、200ma的充电电能，充电模块中的降压电路将太阳能板6v的输入电压降至4.2v给3.7v锂电池充电，充电截止电压为4.2v；3.7v锂电池在充电的同时放电，放电经充电模块的升压电路升压至5v输出给控制电路，放电截止电压为3.2v。
16.作为优选的技术方案，所述太阳能板与圆筒形电缆标志牌正面一体化，表面使用高强度透明材料进行保护。
17.作为优选的技术方案，所述振动传感器采用9轴运动跟踪传感器，用于收集外力振动数据；
18.所述io信号采集模块，遵循ttl或者485协议，用于实时获取与传输振动传感器的外力振动数据；所述外部设备通过连接外置接口设置io信号采集模块的采集频率和数据输出内容；所述外力振动数据包括3轴陀螺仪、3轴加速度计和3轴罗盘；
19.所述芯片处理器采用icm20948芯片，采用android软件驱动程序，通信端口包括i2c和7mhz的高速spi，同时嵌入运动姿态处理算法，用于根据外力振动数据对外力破坏进行判断。
20.作为优选的技术方案，所述外力振动数据具体包括：横滚角、俯仰角、航向角、x加速度、y加速度、z加速度、x角速度、y角速度、z角速度、x磁场强度、y磁场强度及z磁场强度；
21.所述进行外力破坏判断具体为：
22.使用振动传感器采集一段时间内正常路面的状态数据，进行加权平均，形成振动传感器测量的初始值；
23.设定不同外力破坏行为下的测量报警阈值，当芯片处理器计算振动传感器的测量值超过设定报警阈值时，通过控制电路发出告警信息，并经无线模块传输至远端服务器；
24.远端服务器通过后台监测到该振动传感器测量值有两项变化超过设定报警阈值时，便初步判定电缆通道启动后台预告警；
25.结合外力破坏样本库中不同外力破坏行为下振动传感器的测量值特征，结合深度学习算法综合判定并最终发出外破行为诊断结果。
26.作为优选的技术方案，所述无线模块采用nb-lot无线模块，用于传输预警装置状态信息和传感器采集信息；
27.所述无线模块采用唤醒机制，不工作时进入待机状态，工作时由控制电路唤醒进入通信状态；
28.所述无线模块的r引脚与控制电路的t引脚连接，无线模块的t引脚与控制电路的r引脚连接，进行双向通信；
29.所述无线模块能与电脑连接，通过at命令设置参数。
30.作为优选的技术方案，所述圆筒形电缆标志牌正面内置有物联网标签，便于现场运维人员对电缆通道基础信息的快速查询和修正；
31.所述物联网标签中包含的信息采用5层树结构，包括所属单位、电压等级、线路名称、经纬度坐标及运维单位。
32.作为优选的技术方案，所述圆筒形电缆标志牌为不锈钢圆筒；所述预警装置置于不锈钢圆筒内部；所述不锈钢圆筒的底部使用螺纹密封，四个方向做卡片弹性锁紧处理。
33.作为优选的技术方案，当所述圆筒形电缆标志牌安装时，获取安装位置的gps坐标及圆筒形电缆标志牌的编码，将其录入物联网标签中。
34.本发明与现有技术相比，具有如下优点和有益效果：
35.1、本发明设计的电缆外力破坏预警装置，通过太阳能板和锂电池充电电路，并结合低功耗元器件以及采集和传输方式策略的自动策略调整，保障了预警装置户外的长期稳
定且有效运行。
36.2、使用传感器模块采集外力振动数据，使用芯片处理器并结合深度学习算法过滤非破坏型路面振动的误报警，确保外力破坏行为的正确判断，降低了故障排查及处理时间，便于维护作业的开展；
37.3、本发明通过在电缆标志牌正面张贴二维码的方式，有利于运维人员快速获取现场电缆信息，为市政工程管线交叉施工提供数据支撑，同时通过无线模块将装置运行状态数据和外力破坏预警信息定时传输到远端服务器进行处理，实现电缆通道状态的远程实时可视化和精准化监控，及现场电缆通道施工机械等外破状态的准确定位。
附图说明
38.图1是本发明实施例中一种电缆外力破坏预警装置的结构示意图；
39.图2是本发明实施例中供电模块与充电模块的工作示意图；
40.图3为本发明实施例中存在通道重压的外力破坏行为的外力破坏判断图；
41.图4为本发明实施例中存在破碎挖掘的外力破坏行为的外力破坏判断图；
42.图5为本发明实施例中无线模块与控制电路的连接示意图；
43.图6是本发明实施例中物联网标签的示意图；
44.图7是本发明实施例中太阳能板安装位置示意图；
45.图8为本发明实施例中圆筒形标志牌的结构示意图。
具体实施方式
46.下面结合实施例及附图对本发明作进一步详细的描述，但本发明的实施方式不限于此。
47.如图1所示，本发明实施例中提供了一种电缆外力破坏预警装置，该装置安装于圆筒形电缆标志牌内部，包括供电模块、传感器模块、集成电路模块和无线模块；
48.其中供电模块包括太阳能板及电池模块；传感器模块包括振动传感器；集成电路模块包括充电模块、io信号采集模块、芯片处理器及控制电路；控制电路含有一外置接口，用于外部设备对预警装置进行配置，接口包括type-c接口、usb接口、苹果或者安卓等数据接口；
49.供电模块与充电模块进行连接，并通过控制电路为整个装置供电；传感器模块与io信号采集模块电连接，采集与传输外力振动数据；io信号采集模块通过芯片处理器与控制电路进行连接；芯片处理器用于进行外力破坏判断；无线模块与控制电路直接连接，用于与远端服务器进行数据传输。
50.更具体的，如图2所示，本实施例中，太阳能板采用6v、230ma微型太阳能板；电池模块采用3.7v锂电池；充电模块中有升降压电路，用于输出5v直流电压；
51.太阳能板在晴好天气时提供6v、200ma的充电电能，充电模块中的降压电路将太阳能板6v的输入电压降至4.2v给3.7v锂电池充电，充电截止电压为4.2v；3.7v锂电池在充电的同时放电，放电经充电模块的升压电路升压至5v输出给控制电路，放电截止电压为3.2v。
52.本实施例中太阳能板采用两块6v、230ma太阳能板进行并联；锂电池采用3.7v/2500mah循环充放电。
53.更具体的，太阳能板与圆筒形电缆标志牌正面一体化，表面使用高强度透明材料进行保护，避免被车辆、机械等压力损坏。本实施例中采用高强度有机玻璃进行保护。
54.更具体的，振动传感器采用9轴运动跟踪传感器，用于收集外力振动数据；io信号采集模块，遵循ttl或者485协议，用于实时获取与传输振动传感器的外力振动数据；io信号采集模块与振动传感器电连接，通过主控电路提供工作电压；外部设备通过连接外置接口设置io信号采集模块的采集频率和数据输出内容；芯片处理器采用icm20948芯片，采用android软件驱动程序，通信端口包括i2c和7mhz的高速spi，同时嵌入运动姿态处理算法，用于根据外力振动数据对外力破坏进行判断。
55.其中9轴运动跟踪传感器收集的外力振动数据包括3轴陀螺仪、3轴加速度计和3轴罗盘，具体包括横滚角、俯仰角、航向角、x加速度、y加速度、z加速度、x角速度、y角速度、z角速度、x磁场强度、y磁场强度及z磁场强度等；
56.然后芯片处理器根据io信号采集模块传输的外力振动数据进行外力破坏判断，具体为：
57.使用振动传感器采集一段时间内正常路面的状态数据，进行加权平均，形成振动传感器测量的初始值；
58.设定不同外力破坏行为下的测量报警阈值，当芯片处理器计算振动传感器的测量值超过设定报警阈值时，通过控制电路发出告警信息，并经无线模块传输至远端服务器；
59.远端服务器通过后台监测到该振动传感器测量值有两项变化超过设定报警阈值时，便初步判定电缆通道启动后台预告警；
60.结合外力破坏样本库中不同外皮破坏行为下振动传感器的测量值特征，结合深度学习算法综合判定并最终发出外破行为诊断结果。
61.以外力破坏行为是路面重压场景为例，通过振动传感器采集的横滚角、俯仰角、航向角、x角速度、y角速度来综合判定是否有重载卡车或施工车辆碾压电缆通道，具体为：
62.(1)、以无重压的情况下，传感器横滚角、俯仰角、航向角、x角速度、y角速度测量值为初始状态数据，采用一周时间内的测量数据进行加权平均，获取振动传感器测量的初始值；
63.(2)、以30吨重载卡车或施工车辆碾压预警装置时测量值为报警阈值，即：传感器横滚角、俯仰角、航向角三项有一项变化达到1
°
(
±1°
)；同时传感器x角速度、y角速度两项有一项变化达到0.5(
±
0.5)，如图3所示，即表示受到路面重压的外力破坏，控制电路发出告警信息，并经过无线模块传输至远端服务器；
64.(3)、远端服务器通过后台实时监测数据中有以上两项变化达到报警阈值，即初步判定电缆通道遭受重压，启动预告警；
65.(4)、结合路面重压样本库中的振动传感器测量值特征，结合深度学习算法综合判定并发出外破行为告警至运维人员。
66.再以外力破坏行为是路面破碎挖掘场景为例，通过x加速度、y加速度、z加速度、x角速度、y角速度、z角速度综合判定大型挖掘机、破碎机等在电缆通道周围是否进行开挖破碎施工，具体为：
67.(1)、以无挖掘、破碎情况下，振动传感器采集的x加速度、y加速度、z加速度、x角速度、y角速度、z角速度的测量值为初始状态数据，采用一周时间内的测量数据进行加权平
均，获取振动传感器测量的初始值；
68.(2)、以挖掘、破碎施工行为距离预警装置5米时的测量值为报警阈值，即：振动传感器x加速度、y加速度、z加速度三项有一项变化达到0.3(
±
0.3)，同时对应的振动传感器x角速度、y角速度、z角速度三项有一项变化达到0.3(
±
0.3)，如图4所示，即表示受到路面破碎挖掘的外力破坏，控制电路发出告警信息，并经过无线模块传输至远端服务器；
69.(3)、远端服务器通过后台实时监测数据中有以上两项变化达到报警阈值，即判定电缆通道周围有挖掘、破碎施工行为，启动预告警；
70.(4)、将预警装置的采集频率设为1hz，同时远端服务器后台根据1分钟内所采集的达到报警阈值数据数量判定是挖掘还是破碎行为；1分钟内所采集的达到报警阈值数据大于10次判定为破碎行为，1分钟内所采集的达到报警阈值数据小于10次判定为挖掘行为；
71.(5)、结合破碎或挖掘外破样本库的传感器测量值特征，结合深度学习算法综合判定并发出外破行为告警至运维人员。
72.其他外力破坏行为的判断预警方法皆采用上述方法，本实施例不作一一阐述，在不具备创造性的改进下均认为落入本方法的保护范围内。
73.更具体的，本实施例中无线模块采用nb-lot无线模块，用于传输预警装置状态信息和传感器采集信息；无线模块采用唤醒机制，不工作时进入待机状态，工作时由控制电路唤醒进入通信状态；
74.如图5所示，无线模块的r引脚与控制电路的t引脚连接，无线模块的t引脚与控制电路的r引脚连接，进行双向通信；无线模块还能与电脑连接，通过at命令设置参数。
75.为了确保装置能长期稳定运行，需对各模块工作模式进行整体考虑。传感器模块的工作模式为5分钟工作1次，每次工作1分钟；无线模块的工作模式为1个小时工作1次，每次工作5分钟；充电模块一直保持工作。
76.更具体的，本实施例中的圆筒形电缆标志牌正面内置有物联网标签，便于现场运维人员对电缆通道基础信息的快速查询和修正。
77.如图6所示，物联网标签中包含的信息采用5层树结构，包括所属单位、电压等级、线路名称、经纬度坐标及运维单位。如所属单位：xxx供电局输电二所、电压等级：220kv、线路名称：xx线、经纬度坐标：xxxx；xxxx、运维单位：xxx。如图7所示，本实施例提供一种圆筒形电缆标志牌正面的布局图，两块太阳能板并联为长74mm，宽70mm的太阳能板，并使用高强度有机玻璃进行保护，物联网标签置于太阳能板下方，其他无实质性的变动也属于本技术的保护范围之一。
78.更具体的，如图8所示，本实施例中的圆筒形电缆标志牌为不锈钢圆筒(直径100mm，深度40mm)，预警装置置于不锈钢圆筒内部，然后不锈钢圆筒的底部使用螺纹密封；同时不锈钢圆筒四个方向做卡片弹性锁紧处理，便于埋入地下。
79.更具体的，当圆筒形电缆标志牌安装时，获取安装位置的gps坐标及圆筒形电缆标志牌的编码，将其录入物联网标签中。
80.还需要说明的是，在本说明书中，诸如术语“包括”、“包含”或者其任何其他变体意在涵盖非排他性的包含，从而使得包括一系列要素的过程、方法、物品或者设备不仅包括那些要素，而且还包括没有明确列出的其他要素，或者是还包括为这种过程、方法、物品或者设备所固有的要素。在没有更多限制的情况下，由语句“包括一个
……”
限定的要素，并不排
除在包括所述要素的过程、方法、物品或者设备中还存在另外的相同要素。
81.对所公开的实施例的上述说明，使本领域专业技术人员能够实现或使用本发明。对这些实施例的多种修改对本领域的专业技术人员来说将是显而易见的，本文中所定义的一般原理可以在不脱离本发明的精神或范围的情况下，在其他实施例中实现。因此，本发明将不会被限制于本文所示的这些实施例，而是要符合与本文所公开的原理和新颖特点相一致的最宽的范围。

技术特征：
1.一种电缆外力破坏预警装置，所述预警装置安装于圆筒形电缆标志牌内部，其特征在于，所述预警装置包括供电模块、传感器模块、集成电路模块和无线模块；所述供电模块包括太阳能板及电池模块；所述传感器模块包括振动传感器；所述集成电路模块包括充电模块、io信号采集模块、芯片处理器及控制电路；所述控制电路含有一外置接口，用于外部设备对预警装置进行配置；所述供电模块与充电模块进行连接，并通过控制电路为整个装置供电；所述传感器模块与io信号采集模块电连接，采集与传输外力振动数据；所述io信号采集模块通过芯片处理器与控制电路进行连接；所述芯片处理器用于进行外力破坏判断；所述无线模块与控制电路直接连接，用于与远端服务器进行数据传输。2.根据权利要求1所述的一种电缆外力破坏预警装置，其特征在于，所述太阳能板采用6v、230ma微型太阳能板；所述电池模块采用3.7v锂电池；所述充电模块中有升降压电路，用于输出5v直流电压；所述太阳能板在晴好天气时提供6v、200ma的充电电能，充电模块中的降压电路将太阳能板6v的输入电压降至4.2v给3.7v锂电池充电，充电截止电压为4.2v；3.7v锂电池在充电的同时放电，放电经充电模块的升压电路升压至5v输出给控制电路，放电截止电压为3.2v。3.根据权利要求2所述的一种电缆外力破坏预警装置，其特征在于，所述太阳能板与圆筒形电缆标志牌正面一体化，表面使用高强度透明材料进行保护。4.根据权利要求1所述的一种电缆外力破坏预警装置，其特征在于，所述振动传感器采用9轴运动跟踪传感器，用于收集外力振动数据；所述io信号采集模块，遵循ttl或者485协议，用于实时获取与传输振动传感器的外力振动数据；所述外部设备通过连接外置接口设置io信号采集模块的采集频率和数据输出内容；所述外力振动数据包括3轴陀螺仪、3轴加速度计和3轴罗盘；所述芯片处理器采用icm20948芯片，采用android软件驱动程序，通信端口包括i2c和7mhz的高速spi，同时嵌入运动姿态处理算法，用于根据外力振动数据对外力破坏进行判断。5.根据权利要求4所述的一种电缆外力破坏预警装置，其特征在于，所述外力振动数据具体包括：横滚角、俯仰角、航向角、x加速度、y加速度、z加速度、x角速度、y角速度、z角速度、x磁场强度、y磁场强度及z磁场强度；所述进行外力破坏判断具体为：使用振动传感器采集一段时间内正常路面的状态数据，进行加权平均，形成振动传感器测量的初始值；设定不同外力破坏行为下的测量报警阈值，当芯片处理器计算振动传感器的测量值超过设定报警阈值时，通过控制电路发出告警信息，并经无线模块传输至远端服务器；远端服务器通过后台监测到该振动传感器测量值有两项变化超过设定报警阈值时，便初步判定电缆通道启动后台预告警；结合外力破坏样本库中不同外力破坏行为下振动传感器的测量值特征，结合深度学习算法综合判定并最终发出外破行为诊断结果。
6.根据权利要求1所述的一种电缆外力破坏预警装置，其特征在于，所述无线模块采用nb-lot无线模块，用于传输预警装置状态信息和传感器采集信息；所述无线模块采用唤醒机制，不工作时进入待机状态，工作时由控制电路唤醒进入通信状态；所述无线模块的r引脚与控制电路的t引脚连接，无线模块的t引脚与控制电路的r引脚连接，进行双向通信；所述无线模块能与电脑连接，通过at命令设置参数。7.根据权利要求1所述的一种电缆外力破坏预警装置，其特征在于，所述圆筒形电缆标志牌正面内置有物联网标签，便于现场运维人员对电缆通道基础信息的快速查询和修正；所述物联网标签中包含的信息采用5层树结构，包括所属单位、电压等级、线路名称、经纬度坐标及运维单位。8.根据权利要求7所述的一种电缆外力破坏预警装置，其特征在于，所述圆筒形电缆标志牌为不锈钢圆筒；所述预警装置置于不锈钢圆筒内部；所述不锈钢圆筒的底部使用螺纹密封，四个方向做卡片弹性锁紧处理。9.根据权利要求8所述的一种电缆外力破坏预警装置，其特征在于，当所述圆筒形电缆标志牌安装时，获取安装位置的gps坐标及圆筒形电缆标志牌的编码，将其录入物联网标签中。

技术总结
本发明公开了一种电缆外力破坏预警装置，所述预警装置包括供电模块、传感器模块、集成电路模块和无线模块；所述供电模块包括太阳能板及电池模块；所述传感器模块包括振动传感器；所述集成电路模块包括充电模块、IO信号采集模块、芯片处理器及控制电路；所述供电模块与充电模块连接通过控制电路为整个装置供电；所述传感器模块与IO信号采集模块进行连接；所述IO信号采集模块通过芯片处理器与控制电路进行连接；所述无线模块与控制电路直接连接。本发明通过预警装置远程采集电缆通道外破振动信息，实时呈现电缆保护区外部环境动态，能第一时间定位和判断电缆通道是否遭受外力破坏威胁，提高电缆防外破效率并保障电缆安全运行。行。行。


技术研发人员：徐涛 张滔 张耿斌 祁宏昌 刘智勇
受保护的技术使用者：广东电网有限责任公司广州供电局
技术研发日：2023.02.10
技术公布日：2023/6/28