变电站自动感应超声波驱鼠器的应用研究

罗海成，游宇堃，柳 涛，晏 斌

（国网江西省电力有限公司抚州供电分公司，江西 抚州 344100）

0 引言

目前，变电站防鼠、灭鼠害仍旧是处于被动防御阶段。防鼠方法包括在高压室加装防鼠挡板、防鼠网、安装紧闭室门、敷设铠装电缆等方法[1]，这些方法在一定程度达到了防鼠效果，但过程繁琐，难免出现疏漏。灭鼠方法包括粘鼠板、捕鼠器、化学药物等，这些方法存在着一定的局限性。粘鼠板、捕鼠器由于是定点摆放，随机性较大，且老鼠在受到伤害后，会产生较深的记忆，进而影响后期的灭鼠效果[2]。大量研究表明超声波能够对老鼠产生一定损伤，对老鼠的成长、动作行为以及生理机能产生一定的影响[3]。文献[4]中利用老鼠对超声波较为敏感这一特点，制作了基于51式单片机的超声波驱鼠装置，并取得了一定的效果。但长时间使用某一频率的超声波，老鼠会对其产生一定的耐受性，从而降低驱鼠效果，甚至完全失效。因此，需要一种更为科学、更加有效的技术来实现变电站智能驱鼠捕鼠。

变电站电缆沟、电缆竖井由于温湿度适宜，且不易被发现，是老鼠最喜欢驻巢活动的场地。当其发生鼠害时，运维巡视人员需要通过翻动电缆沟盖板进行排查，不仅费时费力，而且电缆盖板随时有掉落砸伤人的风险[5]。为此，本课题小组提出一种自动感应超声波驱鼠装置，通过合理布置自动感应超声波装置，该装置不仅能够对电缆沟内任意地点的老鼠进行红外感应、全局定位。而且通过利用分布估计算法实时优化驱捕路径，变被动为主动，实现变电站智能驱鼠捕鼠功能。同时考虑到老鼠的耐受性，通过更改超声波发射电路的设计，使其能够连续发出高频、杂乱的超声波。克服了传统超声波驱鼠装置发射频率较为单一的缺点，提升了变电站驱鼠捕鼠效果。

1 自动感应驱鼠器的设计

为提升驱鼠器的效果，同时方便安装，课题小组采用红外感应和超声波频射二合一装置。自动感应超声波驱鼠器的总体设计包括以下三个部分，即电源模块、算法控制模块、红外感应超声波频射二合一模块，具体结构如图1所示：

图1 驱鼠器总体设计框架

电源模块的作用是为整个自动感应超声波驱鼠系统提供持续的电源，从而实现系统的整体运行。自动感应采用红外热释感应原理，用于感应电缆沟内鼠类的活动，通过多点布置从而形成可视化网络，实现实时定位老鼠的实际位置的功能。超声波频射模块用于产生高频无规律变化超声波，作用于鼠类，使其产生烦躁不安、身体不适等症状，迫使其按照设计的路径逃跑。算法控制模块则采用51式单片机实现。51式单片机具有结构简单、易开发、运行速度快等特点，可用于实时优化捕鼠和控制超声波频率等功能。简而言之，当红外感应器感受到鼠类入侵时，获取其实时位置，通过单片机优化捕鼠路径并控制超声波频射模块产生高频无规律变化超声波，以达到驱鼠目的。

1.1 红外感应和超声波二合一模块

鼠类与人类一样是恒温动物，其体温一般在37℃左右，变电站电缆沟由于有盖板，温度适宜，其身体表面与周围环境有一定的温差。因此可以发出一种特定波长的红外线。利用这一特性，可以通过红外感应器监测鼠类的活动。单个红外感应器不仅感知范围有限，而且仅仅能够判断是否存在鼠类活动，无法获取电缆沟内老鼠的实时位置。为实现对鼠类的定向精确驱捕，课题小组采用多点布设红外感应器，形成可视化监视网络，进而定位鼠类的实时活动轨迹，考虑到变电站电缆沟的正常工作环境，本小组选用的红外感应器其正常工作的温度范围为-10～+50℃，这显然是满足条件的。

已有研究表明鼠类的听觉系统十分发达，尤其对超声波非常敏感。超声波驱鼠器的工作原理就是利用鼠类听到超声波后感到不安、身体不适这一特性。考虑到鼠类声音频段集中在5～50 kHz之间，剔除人耳的听觉范围，小组采用25～60 kHz的范围频率。同时，通过合理设计超声波频射电路，使其产生无规律变化的超声波，降低了鼠类对某一频率超声波的耐受性。

1.2 算法控制模块

鼠类在电缆沟具有活动速度快、运动不规律等特点。为此小组采用分布估计算法（EDA）实时计算其运动轨迹。分布估计算法（EDA）是一种新兴的算法，该算法与遗传算法（GA）有较大的区别。主要体现在：遗传算法（GA）采用变异和交叉等操作产生新的个体，而分布估计算法（EDA）则是通过搜索空间采样数和统计学习来判断搜索的最佳范围，并以此产生新的优秀个体。相比较于GA算法，EDA算法全局搜索能力更强、收敛速度更快[6]。将其应用到电缆沟驱捕老鼠路径的优化，能够快速计算出最优的驱鼠方案。其算法流程如图2所示：

图2 EDA算法流程图

2 实验效果

为了验证自动感应超声波驱鼠器的有效性，对其进行了实验。实验结果表明该驱鼠装置可重复自动感应在电缆沟内20 m处活动的老鼠，并按照分布估计算法优化驱鼠路径，自动启动超声波驱鼠装置发出无规律变化的超声波，通过多次数据迭代，实现了算法收敛，如图3所示为分布估计算法收敛仿真图。

图3 分布估计算法收敛仿真图

同时从监控画面可以看到，一旦有老鼠闯入，自动感应超声波驱鼠器能自动感应到进入其感应区域内活动的每只老鼠的运动轨迹，并根据分布估计算法控制超声波发生器的工作状态，形成了一条有效的驱赶路径，将老鼠驱赶到目标位置。

3 结语

自动感应超声波驱鼠装置选用的红外感应器、超声波发生器和51式单片机等均为技术成熟、性能稳定、模块标准化的通用元器件[7]。在应用时，只要按照设备技术方案进行安装，同时，注意根据电缆沟实际长度合理布设红外感应超声波频射二合一模块，使用条件不超出其技术参数限值，长期运行时，只要环境条件不超出元器件的技术参数范围。即可达到较为理想的驱鼠效果。

将自动感应超声波驱鼠装置应用于变电站中，有效解决了解决变电站常规防鼠、捕鼠方法落后不可控的现状。达到了精准、高效捕鼠的目标。同时该装置还可以对电缆沟封堵质量进行反馈评估。电缆沟内鼠害的起始点，即封堵的薄弱点。变被动为主动，有效帮助运维巡视人员有针对性的完善封堵，从源头上杜绝鼠害。