5G 技術(shù)在瀑布溝水電站的應(yīng)用背景及意義

石葉子

（國能大渡河瀑布溝水力發(fā)電總廠，四川 雅安 625304）

0 引言

由于國家正大力推動(dòng)5G 網(wǎng)絡(luò)建設(shè)，同時(shí)5G 布網(wǎng)及應(yīng)用特性均偏重能源和大型制造行業(yè)，可以預(yù)見未來相當(dāng)長(zhǎng)的一段時(shí)期，水電行業(yè)將是5G 應(yīng)用需求的主要增長(zhǎng)點(diǎn)之一。一方面，在水電站建設(shè)過程中，需要將先進(jìn)的信息技術(shù)與工程管理技術(shù)深度融合，以“全生命周期管理、全方位風(fēng)險(xiǎn)預(yù)判、全要素智能調(diào)控”為建設(shè)目標(biāo)，通過各智能單元的建設(shè)和應(yīng)用，實(shí)現(xiàn)工程建設(shè)自動(dòng)感知、自動(dòng)預(yù)判、工程展示、輔助決策功能，全面提升工程建設(shè)展示和數(shù)據(jù)管控能力。另一方面，在水電站運(yùn)營過程中，需要完成大量的數(shù)據(jù)采集工作，并通過5G 網(wǎng)絡(luò)的特點(diǎn)完成數(shù)據(jù)快速傳遞、匯聚、分析；該數(shù)據(jù)處理和利用往往是包括本地物聯(lián)網(wǎng)的匯集，以及總部數(shù)據(jù)的再利用等層面，特別是在總部層面可通過多個(gè)水電站運(yùn)營數(shù)據(jù)的集中積累水電行業(yè)的研究資源。

1 5G 技術(shù)在瀑布溝水電站的建設(shè)背景及可行性

1.1 建設(shè)背景

近年來，全球5G 網(wǎng)絡(luò)技術(shù)得到了快速的發(fā)展，其面向增強(qiáng)型移動(dòng)寬帶、大規(guī)模機(jī)器通信、高可靠低時(shí)延通信三大業(yè)務(wù)場(chǎng)景，以全新的網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)，提供至少十倍于4G 的峰值速率、毫秒級(jí)的傳輸時(shí)延和千億級(jí)的連接能力，開啟萬物廣泛互聯(lián)、人機(jī)深度交互的新時(shí)代。從全球范圍來看，5G 當(dāng)前處于技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)形成和產(chǎn)業(yè)化培育的關(guān)鍵時(shí)期，全球各國在國家數(shù)字化戰(zhàn)略中均把5G 作為優(yōu)先發(fā)展領(lǐng)域，強(qiáng)化產(chǎn)業(yè)布局，塑造競(jìng)爭(zhēng)新優(yōu)勢(shì)。我國《國家信息化發(fā)展戰(zhàn)略綱要》指出，2020 年開始從國家戰(zhàn)略層面提出實(shí)現(xiàn)5G 全面引領(lǐng)目標(biāo)，通過5G 助推制造強(qiáng)國、網(wǎng)絡(luò)強(qiáng)國建設(shè)，全面構(gòu)筑經(jīng)濟(jì)社會(huì)數(shù)字化轉(zhuǎn)型的關(guān)鍵基礎(chǔ)設(shè)施，從線上到線下、從消費(fèi)到生產(chǎn)，從平臺(tái)到生態(tài)，推動(dòng)我國數(shù)字經(jīng)濟(jì)發(fā)展邁上新臺(tái)階。助力“中國制造2025”和“互聯(lián)網(wǎng)+”戰(zhàn)略實(shí)施。

為了推廣瀑布溝水電站5G+智慧電廠應(yīng)用，向地災(zāi)、防汛、無人機(jī)實(shí)時(shí)監(jiān)控、集團(tuán)黨校大渡河分?？梢暬虒W(xué)等基于大寬帶、高安全的信息化應(yīng)用提供載體，為瀑、深兩站生產(chǎn)現(xiàn)場(chǎng)、辦公區(qū)域及集團(tuán)黨校大渡河分校提供高速、穩(wěn)定的移動(dòng)通信環(huán)境，對(duì)兩站生產(chǎn)現(xiàn)場(chǎng)及辦公區(qū)域開展5G 技術(shù)建設(shè)勢(shì)在必行。

1.2 技術(shù)可行性分析

5G 是一個(gè)嶄新的、顛覆性的起點(diǎn)，它以全新的網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)提供至少十倍于4G 的峰值速率、毫秒級(jí)的傳輸時(shí)延和千億級(jí)的連接能力，并將結(jié)合NFV、SDN、人工智能、云計(jì)算、物聯(lián)網(wǎng)等技術(shù)構(gòu)成新的信息基礎(chǔ)設(shè)施，開啟萬物廣泛互聯(lián)、人機(jī)深度交互的新時(shí)代，成為經(jīng)濟(jì)社會(huì)數(shù)字化轉(zhuǎn)型的關(guān)鍵使能器。

5G 標(biāo)準(zhǔn)中原4G 網(wǎng)絡(luò)中的BBU 功能被重構(gòu)為CU 和DU 兩個(gè)新的功能實(shí)體，二者間接口為F1 接口。CU/DU 邏輯功能上的分離使無線基站架構(gòu)相比3G 和4G 網(wǎng)絡(luò)更為靈活，可基于不同業(yè)務(wù)場(chǎng)景差異化部署，更有效地滿足各類業(yè)務(wù)的不同特性需求。

圖1 網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)對(duì)比

CU（集中單元）：主要包括非實(shí)時(shí)的無線高層協(xié)議棧功能，同時(shí)也支持部分核心網(wǎng)功能下沉和邊緣應(yīng)用業(yè)務(wù)的部署。

DU（分布單元）：主要處理物理層功能和實(shí)時(shí)性需求的層2 功能。考慮節(jié)省RRU 和DU 之間的傳輸資料，部分物理層功能也可上移至RRU 實(shí)現(xiàn)。

現(xiàn)階段需要小區(qū)間深度協(xié)同場(chǎng)景和需提供超低時(shí)延業(yè)務(wù)場(chǎng)景需求不明顯，CU/DU 合設(shè)產(chǎn)品成熟度較高，以CU/DU 合設(shè)方式為主。中遠(yuǎn)期宏微異構(gòu)網(wǎng)場(chǎng)景、小站UDN（超密集組網(wǎng)）場(chǎng)景、雙鏈接場(chǎng)景大量涌現(xiàn)，設(shè)備產(chǎn)品也趨向成熟，超低時(shí)延等新業(yè)務(wù)場(chǎng)景需求逐步旺盛，將引入CU/DU 分離式架構(gòu)，如圖2 所示。

圖2 兩種架構(gòu)示意

按照部署位置和組網(wǎng)的差異，5G 無線基站組網(wǎng)模式包括D-RAN（Distributed Radio Access Network，分布式無線接入網(wǎng)）、C-RAN（Centralized Radio Access Network or Cloud Radio Access Network，集中化或云化無線接入網(wǎng)）兩類。其中，C-RAN 包括CU 云化&DU 分布式部署、CU 云化&DU 集中部署兩種。

圖3 組網(wǎng)模式示意

C-RAN 是各通信運(yùn)營商5G 無線網(wǎng)絡(luò)的主要組網(wǎng)模式，它是基于集中化處理(Centralized Processing)、協(xié)作式無線電(Collaborative Radio) 和實(shí)時(shí)云計(jì)算架構(gòu)(Real-time Cloud Infrastructure)的綠色無線接入網(wǎng)架構(gòu)(Clean system)。其本質(zhì)是通過實(shí)現(xiàn)減少基站機(jī)房數(shù)量，減少能耗，采用協(xié)作化、虛擬化技術(shù)，實(shí)現(xiàn)資源共享和動(dòng)態(tài)調(diào)度，提高頻譜效率，以實(shí)現(xiàn)低成本、高帶寬和靈活度的運(yùn)營。

5G 無線網(wǎng)絡(luò)將采用立體組網(wǎng)方式滿足各類場(chǎng)景覆蓋和業(yè)務(wù)承載需求，主要包括基礎(chǔ)覆蓋容量層、容量體驗(yàn)層和價(jià)值場(chǎng)景室內(nèi)覆蓋層3 個(gè)部分，如圖4 所示。

圖4 立體組網(wǎng)示意

基礎(chǔ)覆蓋容量層（底層網(wǎng)）是以宏站為主的連續(xù)覆蓋和容量網(wǎng)絡(luò)，滿足基本的覆蓋和容量吸收，主要實(shí)現(xiàn)室外普遍的業(yè)務(wù)承載。

容量體驗(yàn)層（中層網(wǎng)）是以微站為主的非連續(xù)覆蓋和容量網(wǎng)絡(luò)，針對(duì)宏站邊緣區(qū)域或流量高地等特定場(chǎng)景的盲點(diǎn)、弱點(diǎn)深度覆蓋和大容量吸收，主要部署于道路、高層建筑、居民區(qū)、大型集會(huì)、風(fēng)景區(qū)等區(qū)域。

價(jià)值場(chǎng)景：室內(nèi)覆蓋層（室內(nèi)網(wǎng)）是以皮站、飛站等室分系統(tǒng)為主的室內(nèi)價(jià)值場(chǎng)景覆蓋和容量網(wǎng)絡(luò)，提供優(yōu)質(zhì)的室內(nèi)用戶體驗(yàn)，主要面向交通樞紐、購物中心、醫(yī)院、酒店/辦公樓、園區(qū)等室內(nèi)場(chǎng)景。

瀑布溝水電站需求為實(shí)現(xiàn)深溪溝電站、集團(tuán)黨校大渡河分校、瀑布溝電站室內(nèi)、室外5G 網(wǎng)絡(luò)信號(hào)的全覆蓋，提供語音通話、短彩信等優(yōu)質(zhì)的基礎(chǔ)通信服務(wù)，并為5G+智慧電廠應(yīng)用提供通信網(wǎng)絡(luò)載體。

整體組網(wǎng)架構(gòu)見圖5。

圖5 整體組網(wǎng)架構(gòu)

2 5G 技術(shù)在瀑布溝水電站的建設(shè)意義及必要性

2.1 與集團(tuán)公司及大渡河公司即時(shí)通信方面

與集團(tuán)公司和大渡河公司建設(shè)一張統(tǒng)一的5G切片專網(wǎng)。5G 切片專網(wǎng)不僅具有高帶寬、低時(shí)延、大連接的特性，還提供了電信運(yùn)營商級(jí)別的安全防護(hù)。

（1）使得與集團(tuán)公司和大渡河公司業(yè)務(wù)以及數(shù)據(jù)交互更加快速和可靠；

（2）可進(jìn)一步促進(jìn)集團(tuán)公司、大渡河公司與瀑電總廠在辦公、生產(chǎn)、管理上的遠(yuǎn)程互動(dòng)；

（3）為遠(yuǎn)程辦公、遠(yuǎn)程巡檢、遠(yuǎn)程維護(hù)、遠(yuǎn)程協(xié)助等基于大帶寬、高安全的信息化應(yīng)用創(chuàng)造了條件。

2.2 在地災(zāi)、防汛等方面

通過5G 的大帶寬、低延時(shí)、大連接的特性，可以將前端的視頻圖像、監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)等極低延遲回傳到后端平臺(tái)。后端平臺(tái)通過圖像處理、精密算法對(duì)視頻圖像、監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)進(jìn)行處理和分析，及時(shí)發(fā)現(xiàn)潛在的危險(xiǎn)和隱患。

2.3 無人機(jī)實(shí)時(shí)監(jiān)控方面

依托5G 大帶寬+低時(shí)延的特性，遠(yuǎn)程操控或預(yù)置路線，實(shí)現(xiàn)：

（1）整個(gè)廠區(qū)的定期無人機(jī)巡航；

（2）實(shí)時(shí)回傳巡航畫面；

（3）依托視頻AI 技術(shù)在線辨識(shí)事故和設(shè)備故障；

（4）巡檢機(jī)器人搭載多路高清視頻攝像頭及傳感設(shè)備，將高清視頻及傳感信息回傳至遠(yuǎn)程控制中心進(jìn)行決策；

（5）可利用5G 低延時(shí)特性下發(fā)控制指令，實(shí)現(xiàn)實(shí)時(shí)運(yùn)動(dòng)控制機(jī)器人；

（6）可滿足各類事故環(huán)境偵查、滅火降溫等多功能的作業(yè)需求；

（7）全面掌握廠區(qū)的整體運(yùn)行情況，保障安全生產(chǎn)。

2.4 集團(tuán)黨校大渡河分校培訓(xùn)中心可視化教學(xué)方面

基于5G 的高帶寬、低時(shí)延等特性，實(shí)現(xiàn)遠(yuǎn)程教學(xué)的高清音視頻數(shù)據(jù)實(shí)時(shí)傳輸、以及遠(yuǎn)端學(xué)員與近端老師的沉浸式、低時(shí)延互動(dòng)，全面提升學(xué)員的學(xué)習(xí)效果。

（1）場(chǎng)景基于5G 網(wǎng)絡(luò)，整合優(yōu)質(zhì)培訓(xùn)資源，旨在實(shí)現(xiàn)“一帶一、一帶多”的遠(yuǎn)程實(shí)時(shí)互動(dòng)上課模式，解決培訓(xùn)師資緊張、課后服務(wù)模式單一、培訓(xùn)內(nèi)容呈現(xiàn)難等問題。

（2）支持多終端視頻全融合，滿足同步上課，直播聽課，老師和學(xué)員互動(dòng)等功能，強(qiáng)大的音視頻交互能力、超低時(shí)延，帶來更好的互動(dòng)教學(xué)體驗(yàn)。

（3）可以實(shí)時(shí)呈現(xiàn)直播教室老師的3D 圖像。

（4）支持一對(duì)多模式（1 個(gè)主會(huì)場(chǎng)3 個(gè)分會(huì)場(chǎng)）。

（5）支持圖像語音互動(dòng)。

（6）支持使用黑板等傳統(tǒng)教學(xué)方式。

3 效益預(yù)測(cè)及風(fēng)險(xiǎn)分析

3.1 財(cái)務(wù)效益

5G 服務(wù)項(xiàng)目的實(shí)施為瀑深兩站生產(chǎn)現(xiàn)場(chǎng)、辦公區(qū)域及集團(tuán)黨校黑馬分校提供高速、穩(wěn)定的移動(dòng)通信環(huán)境，提高效率，降本增效，提升經(jīng)濟(jì)效益。

3.2 社會(huì)效益

本次5G 服務(wù)項(xiàng)目建設(shè)為推廣瀑電總廠5G+智慧電廠應(yīng)用，向地災(zāi)、防汛、無人機(jī)實(shí)時(shí)監(jiān)控、集團(tuán)黨校可視化教學(xué)等基于大寬帶、高安全的信息化應(yīng)用提供載體。有力地促進(jìn)了瀑電總廠的信息化發(fā)展，為智慧企業(yè)建設(shè)提供堅(jiān)實(shí)的基礎(chǔ)，提升了央企形象，也推動(dòng)了行業(yè)的發(fā)展。

3.3 管理效益

提高工作效率：5G 與光纖寬帶網(wǎng)絡(luò)深度融合統(tǒng)一管理，搭配MOA 等應(yīng)用程序，實(shí)現(xiàn)高效移動(dòng)、自動(dòng)辦公。

提高管理水平：基于5G 網(wǎng)絡(luò)基礎(chǔ)，聚焦精細(xì)化運(yùn)維和監(jiān)控場(chǎng)景，實(shí)現(xiàn)全域?qū)崟r(shí)可視化監(jiān)控，提高管理效率。

3.4 風(fēng)險(xiǎn)分析

（1）組織風(fēng)險(xiǎn)

項(xiàng)目組內(nèi)部人員以及項(xiàng)目組與關(guān)聯(lián)部門人員交流和溝通順暢，組織風(fēng)險(xiǎn)較低。

（2）技術(shù)風(fēng)險(xiǎn)

本項(xiàng)目采用國家已正式商用的5G 通信技術(shù)，且國內(nèi)外已有大量的5G 網(wǎng)絡(luò)建設(shè)覆蓋項(xiàng)目成熟案例，技術(shù)風(fēng)險(xiǎn)較低。

（3）經(jīng)濟(jì)風(fēng)險(xiǎn)

本項(xiàng)目通過公開招標(biāo)方式，項(xiàng)目成本可控，經(jīng)濟(jì)風(fēng)險(xiǎn)較低。

（4）社會(huì)風(fēng)險(xiǎn)

本項(xiàng)目采用成熟度高的5G 網(wǎng)絡(luò)技術(shù)，實(shí)施經(jīng)驗(yàn)豐富，對(duì)瀑電總廠業(yè)務(wù)系統(tǒng)運(yùn)行，以及公眾使用能源或者訪問業(yè)務(wù)系統(tǒng)不會(huì)造成影響，社會(huì)風(fēng)險(xiǎn)較低。

（5）政策許可風(fēng)險(xiǎn)

5G 技術(shù)是國家和集團(tuán)大力推進(jìn)的方向，能夠得到國家和集團(tuán)政策的大力支持，故存在政策許可風(fēng)險(xiǎn)的可能性極低。

4 結(jié)束語

5G 技術(shù)在瀑電總廠的建設(shè)及應(yīng)用為建設(shè)5G+智慧電廠提供了先進(jìn)的技術(shù)保障；為移動(dòng)辦公提供網(wǎng)絡(luò)高速公路，為生產(chǎn)管理效率和生產(chǎn)安全賦能，為全域自動(dòng)化、實(shí)時(shí)化、可視化監(jiān)控賦能，為節(jié)能減排、降本增效提供創(chuàng)新可能；對(duì)水電高效管理具有促進(jìn)作用，也能提高電廠運(yùn)行的經(jīng)濟(jì)效益。