核電廠5G通信的應(yīng)用

鄭滟 榮月 歐陽思佳

1引言

5G 是能源轉(zhuǎn)型的重要戰(zhàn)略資源，5G 與能源行業(yè)高度融合可注入新的動(dòng)力并為生產(chǎn)起到引領(lǐng)作用。核電作為能源行業(yè)不可或缺的一部分，發(fā)展5G 技術(shù)勢在必行。

25G 技術(shù)

（1）5G 技術(shù)概述

5G 是第五代移動(dòng)通信，是一個(gè)端到端的、全移動(dòng)、全連接的生態(tài)系統(tǒng)。5G 的基本特征是高數(shù)率、低時(shí)延、海量設(shè)備連接、低功耗[1] 。

根據(jù)實(shí)驗(yàn)室理論數(shù)據(jù)，5G 移動(dòng)通信的峰值吞吐率可達(dá)到10Gbps，并具有1ms 時(shí)延及100 萬/ km2 的超大連接數(shù)，基于以上特性，主要從三方面概述5G 應(yīng)用場景：eMBB 業(yè)務(wù)（增強(qiáng)型移動(dòng)寬帶）讓我們可以隨時(shí)隨地高速接入網(wǎng)絡(luò)、享受VR 和AR 等新業(yè)務(wù)并通過網(wǎng)絡(luò)分享高清媒體視頻;mMTC 業(yè)務(wù)（海量連接物聯(lián)網(wǎng)）側(cè)重海量大連接，使參與整個(gè)運(yùn)行的事物具備可感知的能力，如個(gè)人穿戴設(shè)備（手表、耳機(jī)、手機(jī)等）、智慧家庭設(shè)備（家庭網(wǎng)關(guān)、聲光報(bào)警器等）、智慧城市設(shè)備（共享單車、路燈等）都可以輕松接入網(wǎng)絡(luò)并提供定制化服務(wù);uRLLC 業(yè)務(wù)（超高可靠性、超低時(shí)延）使遠(yuǎn)程醫(yī)療、自動(dòng)化交通控制和駕駛、智能工業(yè)制造成為現(xiàn)實(shí)。

（2）5G 與工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)融合應(yīng)用

“5G+工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)”的行業(yè)應(yīng)用主要包括電力、制造（電子、汽車、家電等）、港口、油田等，屬于垂直行業(yè)應(yīng)用。國內(nèi)主要在電力、工廠制造等行業(yè)取得了一定的應(yīng)用示范成果，涉及的業(yè)務(wù)種類主要包括工業(yè)控制類業(yè)務(wù)（如系統(tǒng)自動(dòng)控制和遠(yuǎn)程控制等）、質(zhì)量監(jiān)測類業(yè)務(wù)和環(huán)境監(jiān)測類業(yè)務(wù)（如物聯(lián)網(wǎng)、大數(shù)據(jù)業(yè)務(wù)等）。

通用型應(yīng)用主要包括5G 與工業(yè)AR/ VR、超高清視頻、無人機(jī)、機(jī)器人等領(lǐng)域的結(jié)合[2] 。國內(nèi)已取得的示范性應(yīng)用成果包括信息監(jiān)測、視頻回傳類業(yè)務(wù)（如工業(yè)AR/ VR 巡檢、無人機(jī)巡檢、機(jī)器人巡檢、超高清視頻監(jiān)控等）和物流類業(yè)務(wù)（如采用AGV 完成的物料配送、倉儲(chǔ)物流業(yè)務(wù)等）。從以上各行業(yè)應(yīng)用現(xiàn)狀觀察，5G 應(yīng)用的標(biāo)準(zhǔn)尚不健全，并且與產(chǎn)業(yè)環(huán)境的適配程度及應(yīng)用模式的推廣離全行業(yè)規(guī)?；瘧?yīng)用尚有差距。期望在企業(yè)試點(diǎn)示范的帶動(dòng)下，盡早實(shí)現(xiàn)應(yīng)用規(guī)范化。

35G網(wǎng)絡(luò)技術(shù)

3.1網(wǎng)絡(luò)構(gòu)架

5G 網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)由接入網(wǎng)、承載網(wǎng)和核心網(wǎng)組成。接入網(wǎng)是連接無線設(shè)備和終端傳輸?shù)耐ǖ馈?G 的基站通過接口對(duì)接核心網(wǎng)的控制面和用戶面。5G 終端通過空中接口NR 接入網(wǎng)絡(luò)，從而實(shí)現(xiàn)各種業(yè)務(wù);承載網(wǎng)負(fù)責(zé)數(shù)據(jù)及語音業(yè)務(wù)的傳輸，其介質(zhì)為光纜;核心網(wǎng)采用控制功能網(wǎng)元和用戶功能網(wǎng)元分離構(gòu)架，可實(shí)現(xiàn)移動(dòng)與會(huì)話管理的同時(shí)性和獨(dú)立性。用戶面不同，控制面管理的特點(diǎn)也會(huì)不同，在確保會(huì)話質(zhì)量基礎(chǔ)上建立多樣性的管理會(huì)話窗，有助于同時(shí)操作遠(yuǎn)端和實(shí)現(xiàn)本地分流。此外，在本地部署了移動(dòng)網(wǎng)絡(luò)邊緣計(jì)算平臺(tái)，可以以模塊化的方式提供服務(wù)，而不需要進(jìn)行網(wǎng)絡(luò)的重新設(shè)計(jì)，使服務(wù)更靠近終端，從而降低延時(shí)并使平臺(tái)更易于新增、部署和維護(hù)。

3.25G 技術(shù)場景和關(guān)鍵技術(shù)及之間的關(guān)系

根據(jù)業(yè)務(wù)需求，5G 技術(shù)場景包括面向移動(dòng)互聯(lián)網(wǎng)的連續(xù)廣域、熱點(diǎn)高容量場景以及面向物聯(lián)網(wǎng)的低時(shí)延高可靠和低功耗大連接場景。

移動(dòng)通信常見的覆蓋形式是連續(xù)性、全面性的覆蓋，即連續(xù)廣域，此方式需要提供無縫高速業(yè)務(wù)體驗(yàn)，需要采用新型空分多址、支持多空間數(shù)據(jù)流多用戶波的大規(guī)模天線陣列結(jié)合，提高頻譜利用效率，使其具備多用戶接入功能。在網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)方面，采用協(xié)同技術(shù)，減少干擾，提供高效、穩(wěn)定的數(shù)據(jù)速率。

熱點(diǎn)容量高有利于滿足數(shù)據(jù)流量和傳輸速率的要求，應(yīng)用場景是熱點(diǎn)區(qū)域。對(duì)于此場景的單位面積內(nèi)頻率效率的提升需要超密集組網(wǎng)技術(shù);極高的傳輸速率需要時(shí)同頻全雙工技術(shù)。除此之外，頻譜效率的提升仍然需要多址及天線陣列技術(shù)與組網(wǎng)技術(shù)、全雙工技術(shù)的組合應(yīng)用。

低功耗大連接與其他關(guān)鍵技術(shù)不同，主要應(yīng)用領(lǐng)域是能源行業(yè)，在采集數(shù)據(jù)、控制傳感方面發(fā)揮作用，需要注意的是，應(yīng)用此技術(shù)時(shí)需要考慮設(shè)備接入量和功能消耗問題。多址技術(shù)可提升系統(tǒng)連接能力，D2D技術(shù)實(shí)現(xiàn)了通信終端之間的直接通信，降低了時(shí)延和功耗。此場景的碎片頻譜靈活使用可借助復(fù)用技術(shù)和多載波技術(shù)實(shí)現(xiàn)。

低時(shí)延高可靠主要面向工業(yè)控制等具有特殊應(yīng)用需求的場景，其采用極短的幀結(jié)構(gòu)和更優(yōu)的調(diào)制編碼規(guī)則降低了空口和網(wǎng)絡(luò)數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)發(fā)時(shí)延并提升了可靠性。網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)方面采用了控制云的數(shù)據(jù)路徑優(yōu)化至靠近轉(zhuǎn)發(fā)云和接入云的方案，以進(jìn)一步降低傳輸時(shí)延。

4核電廠5G 網(wǎng)絡(luò)推薦方案

4.1業(yè)務(wù)需求的設(shè)計(jì)

根據(jù)目前5G 發(fā)展水平及電廠環(huán)境應(yīng)用，建議在建設(shè)階段覆蓋以下業(yè)務(wù)：單個(gè)設(shè)備故障可導(dǎo)致停堆、停機(jī)等重大設(shè)備的連續(xù)監(jiān)視及故障預(yù)警;重要環(huán)境參數(shù)的數(shù)據(jù)采集及預(yù)警;放射源、?；窢顟B(tài)監(jiān)控及移動(dòng)流轉(zhuǎn)溯源;照明、機(jī)柜風(fēng)扇、火警探頭等分布廣泛系統(tǒng)設(shè)備簡化運(yùn)維;關(guān)鍵敏感區(qū)域出入管理;重要設(shè)備和區(qū)域的電子圍欄等安保等級(jí)提升;高風(fēng)險(xiǎn)作業(yè)現(xiàn)場區(qū)域及時(shí)間提醒;重要作業(yè)現(xiàn)場、臨時(shí)施工點(diǎn)、事故點(diǎn)的實(shí)時(shí)監(jiān)控;井蓋監(jiān)控、漏水檢測、停車位應(yīng)用部署;建立核電站輻射監(jiān)測信息網(wǎng)，實(shí)時(shí)傳輸輻射水平數(shù)據(jù)，工作人員劑量數(shù)據(jù)，熱點(diǎn)防誤入、高輻射區(qū)域人員出入管理、場所與廠區(qū)輻射危害實(shí)時(shí)監(jiān)測、核清潔自動(dòng)化與智能化、應(yīng)急輻射防護(hù)實(shí)時(shí)監(jiān)控、放射性物品實(shí)時(shí)管控等輻射防護(hù)需求;人員定位、清點(diǎn)及流量監(jiān)控;在線培訓(xùn)考試、競賽現(xiàn)場的實(shí)時(shí)監(jiān)控等方面的管理提升。

運(yùn)行巡檢：巡檢人員使用無線網(wǎng)絡(luò)可進(jìn)行實(shí)時(shí)錄入發(fā)現(xiàn)的問題、進(jìn)行照片上傳及實(shí)時(shí)通信;行異常情況記錄、巡檢計(jì)劃、路線、任務(wù)和內(nèi)容的管理;邊緣、危險(xiǎn)區(qū)域的無人巡檢。

運(yùn)行操作：方便運(yùn)行操作遠(yuǎn)程監(jiān)護(hù)，運(yùn)行操作電子記錄，減少現(xiàn)場人因失誤，實(shí)現(xiàn)運(yùn)行規(guī)程等數(shù)字化移動(dòng)應(yīng)用。

移動(dòng)維修：通過移動(dòng)終端實(shí)現(xiàn)各種工作流程的申請、審批等業(yè)務(wù)及相應(yīng)業(yè)務(wù)的狀態(tài)提醒。

即時(shí)通信：實(shí)現(xiàn)點(diǎn)對(duì)點(diǎn)通話、多方通話、會(huì)議、廣播等功能，提供語音、文字、短信、圖片、視頻等多媒體通信。

應(yīng)急響應(yīng)：使用無線網(wǎng)絡(luò)信息傳回指揮部，提高指揮調(diào)度和現(xiàn)場工作效率，實(shí)現(xiàn)人員清點(diǎn)搜救、事故人員疏散。

廠區(qū)配送與倉儲(chǔ)管理：包括工器具跟蹤及固定資產(chǎn)的定位和搜尋。

巡檢安全：提高現(xiàn)場人員安全保護(hù)水平，避免走錯(cuò)隔間，放錯(cuò)設(shè)備。

操作安全：通過人員位置和設(shè)備位置確認(rèn)避免人為操作錯(cuò)誤。

輻射安全：對(duì)控制區(qū)域和進(jìn)入控制區(qū)的人員輻射劑量進(jìn)行實(shí)時(shí)監(jiān)控;人員的裝具佩戴監(jiān)督、行為監(jiān)督等。

在未來，隨著5G 網(wǎng)絡(luò)在電力系統(tǒng)的逐步普及應(yīng)用，逐漸可由輔控?cái)U(kuò)展至?？?，完成PLC 等總線控制轉(zhuǎn)化。

4.2技術(shù)場景的選擇

根據(jù)5G 應(yīng)用的主要技術(shù)場景，廠前區(qū)域建筑為高密度辦公區(qū)，屬于熱點(diǎn)高容量場景覆蓋;核島及常規(guī)島區(qū)域應(yīng)在建設(shè)階段考慮PLC 控制需求組網(wǎng)，按照低時(shí)延高可靠場景進(jìn)行組網(wǎng)設(shè)計(jì);其他BOP 廠房在業(yè)務(wù)區(qū)域上屬于低功耗大連接場景，也可以按照更高標(biāo)準(zhǔn)的“低時(shí)延高可靠場景”覆蓋[3] 。

相應(yīng)場景對(duì)應(yīng)的關(guān)鍵技術(shù)須根據(jù)組網(wǎng)方式進(jìn)一步確定。

4.3組網(wǎng)方式

由于企業(yè)對(duì)數(shù)據(jù)安全性要求高，公網(wǎng)傳輸方案無法滿足企業(yè)需求。為了滿足大帶寬、低時(shí)延、高安全性的智能工業(yè)應(yīng)用需求，5G 專網(wǎng)成為各行各業(yè)的企業(yè)優(yōu)選。

5G 專網(wǎng)指的是專用于特定行業(yè)或企業(yè)的移動(dòng)通信網(wǎng)絡(luò)，有七種路徑，如表1 所列。

目前，國內(nèi)出現(xiàn)的5G 專網(wǎng)基本采用前者，并且已有很多成熟的部署方案。而關(guān)于兩種方式哪種比較好的爭議至今未有結(jié)果。

部分研究指出，新技術(shù)發(fā)展進(jìn)步后，運(yùn)營單位可以通過相關(guān)技術(shù)向各行各業(yè)提供公網(wǎng)服務(wù)，公網(wǎng)具有網(wǎng)絡(luò)穩(wěn)定、網(wǎng)速暢通的特點(diǎn)，為提高圖譜利用率，減少成本損耗提供了機(jī)會(huì)。然而，面對(duì)此方案實(shí)施路徑，出現(xiàn)很多質(zhì)疑的聲音，主要爭議點(diǎn)集中在網(wǎng)絡(luò)性質(zhì)上。反方認(rèn)為上述方案中的公網(wǎng)是不存在的，究其本質(zhì)而言都是專網(wǎng)的范疇。未來能否真正實(shí)現(xiàn)專網(wǎng)和公網(wǎng)的融合還是一個(gè)未知數(shù)，需要依靠運(yùn)營單位不斷進(jìn)行技術(shù)升級(jí)，為二者融合創(chuàng)造環(huán)境。

4.45G 加智能核電

5G 加智能運(yùn)維：由于電廠的設(shè)備雜而多，若要實(shí)現(xiàn)設(shè)備的可管、可控、可視非常困難。然而，在5G 和數(shù)據(jù)運(yùn)輸?shù)燃夹g(shù)指導(dǎo)下，電廠設(shè)備可以增添很多監(jiān)控、評(píng)估功能，切實(shí)實(shí)現(xiàn)智慧管理的目標(biāo)。

5G 加安全生產(chǎn)：由于電力行業(yè)的特殊性，其安全生產(chǎn)問題尤為突出。通過5G 網(wǎng)絡(luò)的覆蓋，實(shí)現(xiàn)高危作業(yè)場景的無人化操作（如無人化天車系統(tǒng)），通過高清視頻回傳，實(shí)現(xiàn)遠(yuǎn)程操作，提升生產(chǎn)安全性，減少安全事故。

5G 加智能巡檢：智能巡檢依靠的技術(shù)主要有視覺成像、智能AI 系統(tǒng)等，通過自動(dòng)化管理和遠(yuǎn)程操控管理，電廠設(shè)備可以提高運(yùn)行效率，自主完成巡檢任務(wù)，工作人員只需將檢查內(nèi)務(wù)相關(guān)指標(biāo)設(shè)定完成，智能巡檢便可投入使用，巡檢過程高效，安全性能好，減少不必要的成本。

5G 加智慧生產(chǎn)控制：核電廠利用5G 相關(guān)技術(shù)，對(duì)廠內(nèi)常用設(shè)備包括測量器械、控制平臺(tái)等進(jìn)行重新整合，建立完善的工業(yè)控制體系，實(shí)現(xiàn)遠(yuǎn)程在線檢查、自動(dòng)記錄、前后臺(tái)互動(dòng)支持、智能輔助等功能支撐各類實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)采集和遠(yuǎn)程控制。

5G 加智慧安全應(yīng)急：5G 技術(shù)關(guān)鍵性特點(diǎn)是通信能力強(qiáng)，安全應(yīng)急環(huán)節(jié)融入5G 可以有效減少安全事故，提高核電廠的安全等級(jí)。一旦出現(xiàn)人員傷亡、危險(xiǎn)品暴露等問題，通信系統(tǒng)會(huì)自動(dòng)發(fā)出警報(bào)，同時(shí)向總部傳遞實(shí)時(shí)畫面，總部根據(jù)畫面中呈現(xiàn)的問題及時(shí)給予指導(dǎo)，采取相關(guān)救援措施或者補(bǔ)救方法，最大限度減少傷害。

5G 加智慧調(diào)控：5G 技術(shù)中的網(wǎng)絡(luò)切片技術(shù)可以對(duì)配電系統(tǒng)進(jìn)行智能管控，系統(tǒng)識(shí)別出故障問題后，會(huì)自動(dòng)調(diào)控其他電網(wǎng)線路，同時(shí)將數(shù)據(jù)傳遞到電力部門，進(jìn)行實(shí)時(shí)共享。

5G 加智慧工地：在工地引入5G 通信技術(shù)，利用語音通信、人臉識(shí)別、RHD 等技術(shù)，綜合記工地工作人員出勤率和來往車輛進(jìn)入情況，針對(duì)進(jìn)入現(xiàn)場人員的身份進(jìn)行唯一性識(shí)別，實(shí)時(shí)掌握施工現(xiàn)場樓層分布、施工布局、實(shí)際施工人數(shù)等信息。

5G 加智能管理：根據(jù)大數(shù)據(jù)處理、5G 網(wǎng)絡(luò)技術(shù)，可以對(duì)現(xiàn)場操作流程進(jìn)行嚴(yán)格監(jiān)督，總部數(shù)據(jù)管理平臺(tái)與一線現(xiàn)場采取聯(lián)網(wǎng)監(jiān)督模式，總部發(fā)現(xiàn)問題時(shí)及時(shí)向一線施工現(xiàn)場進(jìn)行預(yù)警提示，施工現(xiàn)場在觀看預(yù)警視頻后，及時(shí)找到對(duì)應(yīng)節(jié)點(diǎn)，進(jìn)行干預(yù)工作，實(shí)現(xiàn)智慧管理。

5G 加人工智能管路識(shí)別系統(tǒng)：基于5G 技術(shù)、GIS系統(tǒng)和AR 可以實(shí)時(shí)識(shí)別管路信息、進(jìn)行管路定位，提高巡檢效率。此系統(tǒng)搭配AR 巡檢智能穿戴設(shè)備，如果遇到無法獨(dú)立解決的問題，可向遠(yuǎn)程的專家發(fā)起視頻通話，將現(xiàn)場的數(shù)據(jù)傳回專家組，尋求更專業(yè)的幫助。也可通過GIS 系統(tǒng)后臺(tái)預(yù)存圖紙定位故障點(diǎn)，以方便后續(xù)處理。

5結(jié)束語

5G 不僅僅是運(yùn)營商的5G，更是千行百業(yè)的5G，希望運(yùn)營商、設(shè)備商、集成商能夠密切合作，搭建適應(yīng)電廠運(yùn)營特點(diǎn)和傳輸網(wǎng)絡(luò)，從而實(shí)現(xiàn)生產(chǎn)控制、智能巡檢、運(yùn)行維護(hù)、安全應(yīng)急等智慧化管理目標(biāo)。