基于5G網(wǎng)絡(luò)的水電廠智能巡檢系統(tǒng)研究

蹇林

(嘉陵江亭子口水利水電開發(fā)有限公司，四川蒼溪，628400)

水電廠目前普遍采用傳統(tǒng)人工巡檢與工業(yè)監(jiān)控系統(tǒng)巡檢相結(jié)合的方式進(jìn)行巡檢，但人工巡檢不但存在巡檢人員工作負(fù)荷較為繁重、安全巡檢風(fēng)險(xiǎn)高等問題，還存在工業(yè)攝像頭巡檢無法自動(dòng)識(shí)別缺陷，人工監(jiān)屏容易疲勞和漏掉重要信息，造成巡檢效果不佳等弊端。隨著5G技術(shù)的成熟應(yīng)用和推廣，利用5G高速率，低延時(shí)等網(wǎng)絡(luò)特性，將5G與水電廠的高清攝像頭及前端狀態(tài)(溫度、壓力、溫濕度、噪音)監(jiān)測的感知設(shè)備相結(jié)合，采用先進(jìn)的信息技術(shù)，建設(shè)一套基于5G全覆蓋的水電廠智能巡檢系統(tǒng)成為可能。本文主要研究基于5G網(wǎng)絡(luò)的智能巡檢系統(tǒng)的設(shè)計(jì)與開發(fā)，從電廠5G網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)，到巡檢前端信息采集設(shè)備部署及巡檢系統(tǒng)功能設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)等。通過采用先進(jìn)的網(wǎng)絡(luò)及信息技術(shù)實(shí)現(xiàn)高效智能的巡檢平臺(tái)，實(shí)現(xiàn)智能巡檢，以提高設(shè)備可靠性，降低人工成本，提高水電廠綜合管理效率和經(jīng)濟(jì)效益。

1 電站5G網(wǎng)絡(luò)建設(shè)

1.1 用途及覆蓋范圍

電站5G網(wǎng)絡(luò)建設(shè)是為水電廠智能巡檢提供安全、可靠的通信傳輸通道，需要覆蓋電站大壩、廠房及開關(guān)站和管路等生產(chǎn)區(qū)域所有設(shè)備和場所。

1.2 設(shè)計(jì)原則

水電廠作為國家關(guān)鍵基礎(chǔ)設(shè)施，必須保證水電廠安全、穩(wěn)定運(yùn)行，因此電站5G網(wǎng)絡(luò)必須具有高度的可靠性、安全性。水電廠5G網(wǎng)絡(luò)以專網(wǎng)方式進(jìn)行組網(wǎng)，專網(wǎng)的建設(shè)與安全防護(hù)必須符合電力二次安全防護(hù)及等保要求，并嚴(yán)格按照電力分區(qū)進(jìn)行隔離，做好邊界安全防護(hù)，做到不跨區(qū)直聯(lián)，數(shù)據(jù)不出廠站。系統(tǒng)設(shè)計(jì)原則如下：

(1)高可用性：用戶可以始終使用該網(wǎng)絡(luò)服務(wù)，可以確保最大的可用性。

(2)高可靠性：具有在預(yù)定持續(xù)時(shí)間內(nèi)高可靠地傳輸一定數(shù)量業(yè)務(wù)的能力，需要足夠的網(wǎng)絡(luò)覆蓋范圍和容量，以及強(qiáng)大的業(yè)務(wù)切換功能。

(3)高質(zhì)量服務(wù)：質(zhì)量QoS包括吞吐量、延遲、抖動(dòng)、丟包率等；在目標(biāo)區(qū)域內(nèi)實(shí)現(xiàn)100%全覆蓋；支持用戶在覆蓋區(qū)域內(nèi)快速移動(dòng)，業(yè)務(wù)無中斷。

(4)安全性：采用專用網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)提供全面的端到端安全性，以確保信息、基礎(chǔ)架構(gòu)和人員免受威脅；利用網(wǎng)絡(luò)隔離、數(shù)據(jù)保護(hù)和設(shè)備/用戶身份驗(yàn)證來保護(hù)關(guān)鍵資產(chǎn)，需要具有數(shù)據(jù)控制主權(quán)，以確保敏感信息保留在本地。

1.3 性能及安全技術(shù)要求

(1)信號(hào)覆蓋方式：電站需要5G信號(hào)覆蓋區(qū)域包括電站室外廠區(qū)和電站內(nèi)部生產(chǎn)區(qū)域，室外通過在壩頂建設(shè)宏基站進(jìn)行5G信號(hào)覆蓋，室內(nèi)采用有源室分方式進(jìn)行覆蓋。

(2)利用UPF下沉的能力，邊緣云計(jì)算構(gòu)建電站5G專網(wǎng)，通過UPF的分流能力，保證電站內(nèi)部數(shù)據(jù)的安全性。

(3)邊緣云計(jì)算功能要求：具備支持將傳統(tǒng)安防以及人臉識(shí)別衍生業(yè)務(wù)統(tǒng)一部署能力，支持實(shí)現(xiàn)低時(shí)延業(yè)務(wù)的能力；支持5G+工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)業(yè)務(wù)統(tǒng)一部署能力，以發(fā)揮5G超高帶寬，超低時(shí)延、海量連接的優(yōu)勢。

(4)邊緣云計(jì)算系統(tǒng)安全設(shè)計(jì)要求：邊緣云計(jì)算設(shè)備支持設(shè)備斷電/重啟、鏈路網(wǎng)口斷開等問題發(fā)生后觸發(fā)告警；邊緣云計(jì)算硬件服務(wù)器WAN口、LAN口、串口等須支持安全訪問控制，以防止非法用戶即未通過授權(quán)用戶插入網(wǎng)絡(luò)端口實(shí)時(shí)偵聽和物理端口的攻擊；虛擬化邊緣環(huán)境中的虛擬機(jī)，須支持對(duì)HostOS、虛擬化軟件、GuestOS進(jìn)行安全加固，同時(shí)須有虛擬機(jī)之間的隔離功能，對(duì)不安全的設(shè)備進(jìn)行嚴(yán)格隔離，以防止用戶流量流入惡意虛擬機(jī)中，邊緣云計(jì)算的管理平臺(tái)須可以實(shí)時(shí)監(jiān)測虛擬機(jī)的運(yùn)行情況，有效發(fā)掘惡意虛擬機(jī)行為，避免惡意虛擬機(jī)遷移對(duì)其他虛機(jī)造成感染；邊緣云計(jì)算須具備互聯(lián)網(wǎng)接口、企業(yè)網(wǎng)接口、無線設(shè)備接口、能力開放接口、第三方APP接口等能力；邊緣云計(jì)算須支持采用集中式或分布式的鑒權(quán)和認(rèn)證方法，支持通過第三方認(rèn)證服務(wù)器，以保障業(yè)務(wù)安全；邊緣云計(jì)算系統(tǒng)的安全管理須具備賬號(hào)和口令的安全、授權(quán)、日志的安全等功能，保證只有授權(quán)的用戶才能執(zhí)行操作，所有操作記錄日志，同時(shí)針對(duì)不同用戶，須建立分權(quán)分域的靈活管理功能。

1.4 網(wǎng)絡(luò)拓?fù)鋱D及部署設(shè)計(jì)

通過電站室外宏基站和站內(nèi)部室分實(shí)現(xiàn)電站5G信號(hào)全覆蓋建設(shè)，利用UPF(5G核心網(wǎng)設(shè)備)下沉廠區(qū)+MEC邊緣計(jì)算等技術(shù)搭建5G專網(wǎng)，降低網(wǎng)絡(luò)時(shí)延，實(shí)現(xiàn)本地?cái)?shù)據(jù)不出場，保障數(shù)據(jù)安全。前端感知采集設(shè)備(內(nèi)置5G模組，專用5G數(shù)據(jù)卡)采集數(shù)據(jù)后通過5G室分AP經(jīng)專網(wǎng)UPF直接上送到廠區(qū)生產(chǎn)平臺(tái)服務(wù)器，且前端采集數(shù)據(jù)通過5G、DNN網(wǎng)絡(luò)與生產(chǎn)平臺(tái)服務(wù)器連接時(shí)完全與互聯(lián)網(wǎng)隔離。

圖1 網(wǎng)絡(luò)拓?fù)?/p>

2 巡檢系統(tǒng)設(shè)計(jì)

智能巡檢系統(tǒng)采用三層架構(gòu)，分為感知層、網(wǎng)絡(luò)層、應(yīng)用層。感知層通過分布式視覺監(jiān)控和傳感器檢測設(shè)備，完成對(duì)現(xiàn)場設(shè)備運(yùn)行及設(shè)備狀態(tài)的采集；通信層主要作用是完成對(duì)來自現(xiàn)場檢測設(shè)備狀態(tài)參數(shù)及工作參數(shù)的網(wǎng)絡(luò)傳輸，將相關(guān)數(shù)據(jù)傳輸至上層信息管理層，或?qū)碜陨蠈有畔⒐芾韺拥倪h(yuǎn)程控制指令傳輸至各現(xiàn)場控制設(shè)備或者控制節(jié)點(diǎn)；應(yīng)用層對(duì)感知層上傳的數(shù)據(jù)進(jìn)行數(shù)據(jù)分析、存儲(chǔ)和展示(圖形化顯示)。對(duì)數(shù)據(jù)信息的存儲(chǔ)、查詢，以及根據(jù)數(shù)據(jù)信息做出超限報(bào)警、遠(yuǎn)程控制指令的下達(dá)，完成對(duì)設(shè)備的運(yùn)行狀態(tài)和工作參數(shù)的實(shí)時(shí)監(jiān)測和遠(yuǎn)程控制。

2.1 前端感知層功能設(shè)計(jì)

智能巡檢系統(tǒng)需要對(duì)電廠內(nèi)設(shè)備狀態(tài)的相關(guān)數(shù)據(jù)進(jìn)行采集、檢測和分析。其具體功能如下。

2.1.1 外觀缺陷識(shí)別

部署分布式監(jiān)控?cái)z像頭對(duì)管道的漏油、漏水等現(xiàn)象進(jìn)行檢測，對(duì)設(shè)備的外形異常如保溫層破損、管道設(shè)備裂紋、部件變形等進(jìn)行監(jiān)測，并實(shí)現(xiàn)對(duì)外觀異常如表面腐蝕、銹蝕、污損、變色等進(jìn)行監(jiān)控。

2.1.2 設(shè)備測溫

(1)非接觸式熱成像測溫：設(shè)備正常運(yùn)行過程中，溫度檢測是保障設(shè)備運(yùn)行可靠性的重要手段，通過部署紅外熱成像攝像頭由運(yùn)維人員設(shè)置紅外普測任務(wù)，對(duì)電廠指定區(qū)域設(shè)備進(jìn)行紅外熱成像測溫。在巡檢過程中，攝像頭可實(shí)時(shí)讀取設(shè)備的溫度分布數(shù)據(jù)，實(shí)現(xiàn)監(jiān)測所有設(shè)備工作溫度狀態(tài)的目的，全面掌握設(shè)備工作狀態(tài)。

(2)接觸式測溫：針對(duì)軸承金屬溫度，及具體工藝溫度測點(diǎn)，可靠性和準(zhǔn)確性要求比較高，采用在線式溫度傳感器進(jìn)行測溫，利用捆綁式無線傳感器，支持多個(gè)傳感器數(shù)據(jù)接入終端集控，數(shù)據(jù)統(tǒng)一接入后臺(tái)進(jìn)行，設(shè)置閾值告警，同時(shí)根據(jù)溫度曲線了解設(shè)備溫度狀態(tài)，分析設(shè)備運(yùn)行健康程度。

2.1.3 設(shè)備測振

通過部署測振傳感器實(shí)現(xiàn)對(duì)軸振、蓋(瓦)振等參數(shù)進(jìn)行監(jiān)測，協(xié)助運(yùn)維人員判明機(jī)器故障，使得這些故障在引起嚴(yán)重?fù)p壞前能及時(shí)發(fā)現(xiàn)并采取預(yù)防措施，保證機(jī)組安全運(yùn)行。

2.1.4 液位監(jiān)測

部署導(dǎo)波雷達(dá)或超聲波液位傳感器，采集油箱或水箱中的液體位置，實(shí)現(xiàn)對(duì)油箱、水箱的油位監(jiān)測，并將數(shù)據(jù)實(shí)時(shí)上傳至后臺(tái)監(jiān)控系統(tǒng)，實(shí)現(xiàn)液位差的安全告警。

2.1.5 噪音監(jiān)測

在電廠環(huán)境內(nèi)，眾多的機(jī)械設(shè)備運(yùn)行故障隱患或者故障發(fā)生時(shí)，均伴有特定的設(shè)備異常噪音的產(chǎn)生。為及時(shí)檢測到設(shè)備異常噪音或者環(huán)境噪音，可在指定區(qū)域部署噪音傳感器對(duì)噪音進(jìn)行提取和分析。

2.2 巡檢系統(tǒng)應(yīng)用層功能設(shè)計(jì)

巡檢系統(tǒng)應(yīng)層主要對(duì)前端采集的數(shù)據(jù)進(jìn)行管理、分析和展示。

2.2.1 信息展示功能

(1)廠站和機(jī)組信息顯示：顯示當(dāng)前廠站的基本信息，如對(duì)電站的基本信息進(jìn)行展示，包括當(dāng)前發(fā)電生產(chǎn)的核心指標(biāo)，如發(fā)電量數(shù)據(jù)、上網(wǎng)電量數(shù)據(jù)等。對(duì)各機(jī)組的開機(jī)/停機(jī)狀態(tài)進(jìn)行統(tǒng)一展示。

(2)巡檢畫面展示界面：可對(duì)當(dāng)前的巡檢畫面進(jìn)行展示，操作人員可通過切換攝像頭、進(jìn)入三維導(dǎo)航等功能，對(duì)系統(tǒng)當(dāng)前的巡檢區(qū)域、終端畫面和三維虛擬畫面進(jìn)行切換。

(3)巡檢告警信息：對(duì)系統(tǒng)巡檢任務(wù)中發(fā)現(xiàn)的各項(xiàng)設(shè)備缺陷和故障告警信息進(jìn)行展示和提醒，對(duì)缺陷的處置情況進(jìn)行跟蹤展示。

(4)個(gè)人工作臺(tái)：個(gè)人工作臺(tái)應(yīng)能滿足電站個(gè)性化設(shè)置。

2.2.2 設(shè)備的智能管理

設(shè)備管理功能可以查看和統(tǒng)計(jì)電廠全站的攝像頭、測溫及測振等前端感知設(shè)備的數(shù)量、在線數(shù)、在線率、錄像完整性以及完好情況等信息。

2.2.3 設(shè)施管理

包括設(shè)備臺(tái)賬、工器具、技術(shù)文檔、故障代碼、設(shè)備評(píng)級(jí)、全景展示、設(shè)備智能看板等信息。

2.2.4 智能巡檢管理

(1)巡檢任務(wù)管理：按照巡檢工作的性質(zhì)，巡檢任務(wù)有按照一定時(shí)間周期發(fā)生的周期性任務(wù)和臨時(shí)產(chǎn)生的突發(fā)任務(wù)。巡檢任務(wù)調(diào)度系統(tǒng)可以支持上述兩種任務(wù)的定義，在系統(tǒng)中通過巡檢地點(diǎn)、巡檢單元、巡檢項(xiàng)目的組合定義，創(chuàng)建針對(duì)性的巡檢任務(wù)。

(2)巡檢臺(tái)賬管理：巡檢任務(wù)調(diào)度管理可以對(duì)巡檢任務(wù)完成情況進(jìn)行自動(dòng)統(tǒng)計(jì)，包括巡檢任務(wù)的完成數(shù)量、巡檢用時(shí)，未能完成的異常巡檢任務(wù)情況等，定期形成巡檢任務(wù)臺(tái)賬。系統(tǒng)支持多種的巡檢任務(wù)臺(tái)賬查看方式，包括按照巡檢項(xiàng)目、巡檢編號(hào)、專業(yè)、人員、時(shí)段、位置、線路等查詢方式。

(3)智能預(yù)警分析：智能預(yù)警分析至少包含巡視視圖分析內(nèi)容、視頻分析場景管理、視頻分析和告警服務(wù)、基于知識(shí)庫的故障告警服務(wù)。

(4)統(tǒng)計(jì)報(bào)表功能：可根據(jù)巡視工作要求在系統(tǒng)內(nèi)提供按巡視周期及巡視內(nèi)容標(biāo)準(zhǔn)巡視報(bào)表及巡視報(bào)告，支持報(bào)表及報(bào)告的自動(dòng)統(tǒng)計(jì)及生成。

3 結(jié)語

基于5G新技術(shù)的智能巡檢系統(tǒng)，可以將過去依賴人工的周期性巡檢工作變?yōu)檫B續(xù)的巡檢，實(shí)現(xiàn)全天候不間斷地對(duì)設(shè)備狀態(tài)的巡視，降低了巡檢間隔時(shí)間，避免人工巡檢多出現(xiàn)的巡檢不到位、漏檢的情況，提升了設(shè)備的可靠性[1]。同時(shí)新的智能巡檢可實(shí)時(shí)對(duì)巡檢的結(jié)果進(jìn)行識(shí)別和診斷，通過與相關(guān)系統(tǒng)的接口及時(shí)對(duì)巡檢結(jié)果進(jìn)行數(shù)據(jù)的傳遞和應(yīng)用，極大地提升了巡檢數(shù)據(jù)處理及時(shí)性。