變電站自動感應超聲波驅鼠器的應用研究

羅海成，游宇堃，柳 濤，晏 斌

（國網江西省電力有限公司撫州供電分公司，江西 撫州 344100）

0 引言

目前，變電站防鼠、滅鼠害仍舊是處于被動防御階段。防鼠方法包括在高壓室加裝防鼠擋板、防鼠網、安裝緊閉室門、敷設鎧裝電纜等方法[1]，這些方法在一定程度達到了防鼠效果，但過程繁瑣，難免出現疏漏。滅鼠方法包括粘鼠板、捕鼠器、化學藥物等，這些方法存在著一定的局限性。粘鼠板、捕鼠器由于是定點擺放，隨機性較大，且老鼠在受到傷害后，會產生較深的記憶，進而影響后期的滅鼠效果[2]。大量研究表明超聲波能夠對老鼠產生一定損傷，對老鼠的成長、動作行為以及生理機能產生一定的影響[3]。文獻[4]中利用老鼠對超聲波較為敏感這一特點，制作了基于51式單片機的超聲波驅鼠裝置，并取得了一定的效果。但長時間使用某一頻率的超聲波，老鼠會對其產生一定的耐受性，從而降低驅鼠效果，甚至完全失效。因此，需要一種更為科學、更加有效的技術來實現變電站智能驅鼠捕鼠。

變電站電纜溝、電纜豎井由于溫濕度適宜，且不易被發現，是老鼠最喜歡駐巢活動的場地。當其發生鼠害時，運維巡視人員需要通過翻動電纜溝蓋板進行排查，不僅費時費力，而且電纜蓋板隨時有掉落砸傷人的風險[5]。為此，本課題小組提出一種自動感應超聲波驅鼠裝置，通過合理布置自動感應超聲波裝置，該裝置不僅能夠對電纜溝內任意地點的老鼠進行紅外感應、全局定位。而且通過利用分布估計算法實時優化驅捕路徑，變被動為主動，實現變電站智能驅鼠捕鼠功能。同時考慮到老鼠的耐受性，通過更改超聲波發射電路的設計，使其能夠連續發出高頻、雜亂的超聲波。克服了傳統超聲波驅鼠裝置發射頻率較為單一的缺點，提升了變電站驅鼠捕鼠效果。

1 自動感應驅鼠器的設計

為提升驅鼠器的效果，同時方便安裝，課題小組采用紅外感應和超聲波頻射二合一裝置。自動感應超聲波驅鼠器的總體設計包括以下三個部分，即電源模塊、算法控制模塊、紅外感應超聲波頻射二合一模塊，具體結構如圖1所示：

圖1 驅鼠器總體設計框架

電源模塊的作用是為整個自動感應超聲波驅鼠系統提供持續的電源，從而實現系統的整體運行。自動感應采用紅外熱釋感應原理，用于感應電纜溝內鼠類的活動，通過多點布置從而形成可視化網絡，實現實時定位老鼠的實際位置的功能。超聲波頻射模塊用于產生高頻無規律變化超聲波，作用于鼠類，使其產生煩躁不安、身體不適等癥狀，迫使其按照設計的路徑逃跑。算法控制模塊則采用51式單片機實現。51式單片機具有結構簡單、易開發、運行速度快等特點，可用于實時優化捕鼠和控制超聲波頻率等功能。簡而言之，當紅外感應器感受到鼠類入侵時，獲取其實時位置，通過單片機優化捕鼠路徑并控制超聲波頻射模塊產生高頻無規律變化超聲波，以達到驅鼠目的。

1.1 紅外感應和超聲波二合一模塊

鼠類與人類一樣是恒溫動物，其體溫一般在37℃左右，變電站電纜溝由于有蓋板，溫度適宜，其身體表面與周圍環境有一定的溫差。因此可以發出一種特定波長的紅外線。利用這一特性，可以通過紅外感應器監測鼠類的活動。單個紅外感應器不僅感知范圍有限，而且僅僅能夠判斷是否存在鼠類活動，無法獲取電纜溝內老鼠的實時位置。為實現對鼠類的定向精確驅捕，課題小組采用多點布設紅外感應器，形成可視化監視網絡，進而定位鼠類的實時活動軌跡，考慮到變電站電纜溝的正常工作環境，本小組選用的紅外感應器其正常工作的溫度范圍為-10～+50℃，這顯然是滿足條件的。

已有研究表明鼠類的聽覺系統十分發達，尤其對超聲波非常敏感。超聲波驅鼠器的工作原理就是利用鼠類聽到超聲波后感到不安、身體不適這一特性。考慮到鼠類聲音頻段集中在5～50 kHz之間，剔除人耳的聽覺范圍，小組采用25～60 kHz的范圍頻率。同時，通過合理設計超聲波頻射電路，使其產生無規律變化的超聲波，降低了鼠類對某一頻率超聲波的耐受性。

1.2 算法控制模塊

鼠類在電纜溝具有活動速度快、運動不規律等特點。為此小組采用分布估計算法（EDA）實時計算其運動軌跡。分布估計算法（EDA）是一種新興的算法，該算法與遺傳算法（GA）有較大的區別。主要體現在：遺傳算法（GA）采用變異和交叉等操作產生新的個體，而分布估計算法（EDA）則是通過搜索空間采樣數和統計學習來判斷搜索的最佳范圍，并以此產生新的優秀個體。相比較于GA算法，EDA算法全局搜索能力更強、收斂速度更快[6]。將其應用到電纜溝驅捕老鼠路徑的優化，能夠快速計算出最優的驅鼠方案。其算法流程如圖2所示：

圖2 EDA算法流程圖

2 實驗效果

為了驗證自動感應超聲波驅鼠器的有效性，對其進行了實驗。實驗結果表明該驅鼠裝置可重復自動感應在電纜溝內20 m處活動的老鼠，并按照分布估計算法優化驅鼠路徑，自動啟動超聲波驅鼠裝置發出無規律變化的超聲波，通過多次數據迭代，實現了算法收斂，如圖3所示為分布估計算法收斂仿真圖。

圖3 分布估計算法收斂仿真圖

同時從監控畫面可以看到，一旦有老鼠闖入，自動感應超聲波驅鼠器能自動感應到進入其感應區域內活動的每只老鼠的運動軌跡，并根據分布估計算法控制超聲波發生器的工作狀態，形成了一條有效的驅趕路徑，將老鼠驅趕到目標位置。

3 結語

自動感應超聲波驅鼠裝置選用的紅外感應器、超聲波發生器和51式單片機等均為技術成熟、性能穩定、模塊標準化的通用元器件[7]。在應用時，只要按照設備技術方案進行安裝，同時，注意根據電纜溝實際長度合理布設紅外感應超聲波頻射二合一模塊，使用條件不超出其技術參數限值，長期運行時，只要環境條件不超出元器件的技術參數范圍。即可達到較為理想的驅鼠效果。

將自動感應超聲波驅鼠裝置應用于變電站中，有效解決了解決變電站常規防鼠、捕鼠方法落后不可控的現狀。達到了精準、高效捕鼠的目標。同時該裝置還可以對電纜溝封堵質量進行反饋評估。電纜溝內鼠害的起始點，即封堵的薄弱點。變被動為主動，有效幫助運維巡視人員有針對性的完善封堵，從源頭上杜絕鼠害。