基于5G 技術(shù)的水電站智能巡檢設(shè)計(jì)方案

何 秋，高建偉，宗 悅，楊 棵

（1.華東桐柏抽水蓄能發(fā)電有限責(zé)任公司，浙江 天臺(tái) 317200；2.中國(guó)電建集團(tuán)華東勘測(cè)設(shè)計(jì)研究院有限公司，浙江 杭州 311122；3.三峽大學(xué)電氣與新能源學(xué)院，湖北 宜昌 443002）

1 前言

水電站作為國(guó)家重要的能源供應(yīng)設(shè)施之一，為社會(huì)經(jīng)濟(jì)發(fā)展提供了重要的支撐作用。在水電站的日常運(yùn)行過(guò)程中，設(shè)備損耗、漏水、裂紋等風(fēng)險(xiǎn)難以避免，這些問(wèn)題如果不能及時(shí)發(fā)現(xiàn)并解決，就會(huì)對(duì)水電站設(shè)施和人員的安全造成威脅，甚至可能導(dǎo)致重大的安全事故。因此，巡檢是實(shí)現(xiàn)水電站可靠運(yùn)行的重要措施之一[1]。

5G 技術(shù)具有高帶寬、低延遲、高速率和多連接等特點(diǎn)，為水電站智能巡檢提供了更加優(yōu)越的技術(shù)平臺(tái)[2]。通過(guò)5G 技術(shù)，各種傳感器可以實(shí)現(xiàn)快速、實(shí)時(shí)的數(shù)據(jù)采集和傳輸，水電站可以采用大量無(wú)人機(jī)、巡檢機(jī)器人等設(shè)備，實(shí)現(xiàn)對(duì)水電站中人員、機(jī)械、物料、系統(tǒng)和設(shè)施的全面覆蓋和監(jiān)測(cè)，保障巡檢的全過(guò)程，同時(shí)也克服了傳統(tǒng)人工巡檢的不足。

2 基于5G 的水電站智能巡檢應(yīng)用

2.1 5G 無(wú)人機(jī)在水電站巡檢中的應(yīng)用

水電站作用重大，但由于設(shè)施分散、環(huán)境復(fù)雜、設(shè)備過(guò)多等特點(diǎn)，導(dǎo)致普通巡檢極其困難，無(wú)法快速、深入地發(fā)現(xiàn)設(shè)施潛在風(fēng)險(xiǎn)，這些安全隱患日積月累會(huì)造成重大安全事故后果。利用無(wú)人機(jī)技術(shù)，可以實(shí)現(xiàn)全方位、多角度、高清晰度的照片和視頻采集[3]，對(duì)水電站進(jìn)行快速?gòu)V泛的監(jiān)測(cè)與巡視，在發(fā)現(xiàn)待修復(fù)的問(wèn)題后能夠及時(shí)報(bào)告，從而快速解決問(wèn)題。

5G 無(wú)人機(jī)為水電站巡檢帶來(lái)了前所未有的應(yīng)用優(yōu)勢(shì)。首先，無(wú)人機(jī)可搭載超清攝像頭對(duì)水電站上下水庫(kù)以及流域河道進(jìn)行巡視，并將采集到的圖像視頻實(shí)時(shí)回傳，為實(shí)現(xiàn)水電站全覆蓋的目標(biāo)提供有力支撐[4]。同時(shí)，針對(duì)大壩壩體和邊坡等水工結(jié)構(gòu)物常規(guī)巡檢手段精度和效率低下、制約樞紐安全健康評(píng)估的問(wèn)題，5G 網(wǎng)聯(lián)無(wú)人機(jī)可依托水電站5G虛擬專網(wǎng)，建立大壩安全監(jiān)測(cè)與檢測(cè)技術(shù)的AI 智能巡檢系統(tǒng)，助力水工結(jié)構(gòu)狀態(tài)缺陷預(yù)警和隱患報(bào)警，保障大壩運(yùn)行安全，全面提升水電站運(yùn)營(yíng)效率和智能化水平。利用5G 技術(shù)、傳感、無(wú)線通信、大數(shù)據(jù)等技術(shù)手段，實(shí)現(xiàn)遠(yuǎn)程監(jiān)測(cè)水庫(kù)安全關(guān)鍵數(shù)據(jù)，如大壩變形（水平位移、垂直位移、撓度、接縫位移、界面位移）、滲流（滲流壓力、滲流量）、環(huán)境量（上下游水位、降水量、氣溫、水溫）、壓力（應(yīng)力）、雨水情況、閘門狀態(tài)等，并通過(guò)5G 將數(shù)據(jù)高速回傳至平臺(tái)。

此外，5G 網(wǎng)絡(luò)的高帶寬和低時(shí)延對(duì)于無(wú)人機(jī)巡檢基礎(chǔ)架構(gòu)的建設(shè)和運(yùn)行，以及無(wú)人機(jī)地面操作和實(shí)時(shí)云側(cè)數(shù)據(jù)處理，提供了強(qiáng)大的支持。由于5G網(wǎng)絡(luò)技術(shù)的低時(shí)延和高速率的特性，使得無(wú)人機(jī)與云端的實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)交互更為迅速和簡(jiǎn)便，讓水電站管理人員能夠?qū)崟r(shí)掌握設(shè)施的狀態(tài)、運(yùn)行情況和存在的潛在安全隱患，避免設(shè)備存在的安全問(wèn)題放大或?qū)е率鹿拾l(fā)生。

2.2 5G 巡檢機(jī)器人在水電站中的應(yīng)用

隨著機(jī)器人技術(shù)的不斷發(fā)展和智能化程度的不斷提高，現(xiàn)代水電站采用巡檢機(jī)器人的情況越來(lái)越多。

根據(jù)5G 技術(shù)的特點(diǎn)，基于5G 的巡檢機(jī)器人在水電站應(yīng)用中具備以下優(yōu)勢(shì)：

（1）高效性：由于5G 技術(shù)的低延遲特性，操作人員能夠通過(guò)遠(yuǎn)程控制中心實(shí)時(shí)監(jiān)控機(jī)器人的運(yùn)行狀態(tài)，對(duì)其進(jìn)行調(diào)度和控制，同時(shí)水電站巡檢機(jī)器人也可以快速地接收遠(yuǎn)程指令并執(zhí)行相關(guān)任務(wù)。

（2）安全性：巡檢機(jī)器人能夠深入水電站的各項(xiàng)設(shè)備和難以進(jìn)行人工巡檢的地方，如水輪發(fā)電機(jī)、輸電線路、水庫(kù)大壩等，為水電站的安全和穩(wěn)定運(yùn)營(yíng)提供了強(qiáng)有力的技術(shù)手段，并減少了人員的安全風(fēng)險(xiǎn)。

（3）實(shí)時(shí)性：巡檢機(jī)器人能夠通過(guò)高速數(shù)據(jù)傳輸和低延時(shí)特性，實(shí)現(xiàn)對(duì)大量傳感器，包括溫度傳感器、壓力傳感器、振動(dòng)傳感器等數(shù)據(jù)的實(shí)時(shí)采集和處理，并通過(guò)傳感器數(shù)據(jù)的融合分析，更準(zhǔn)確地監(jiān)測(cè)設(shè)備狀態(tài)和環(huán)境參數(shù)，實(shí)時(shí)掌握水電站的運(yùn)行狀態(tài)。

（4）精確性：巡檢機(jī)器人搭載高分辨率攝像頭和圖像識(shí)別算法，可以對(duì)設(shè)備的各個(gè)細(xì)節(jié)部位進(jìn)行實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)和圖像識(shí)別。例如，機(jī)器人可以識(shí)別設(shè)備表面的裂紋、磨損和漏水等問(wèn)題，并及時(shí)報(bào)警或進(jìn)行維護(hù)，不會(huì)出現(xiàn)由于人工巡檢造成的巡視不到位等問(wèn)題。

3 水電站智能巡檢總體設(shè)計(jì)

3.1 通信設(shè)計(jì)方案

5G 是社會(huì)高質(zhì)量發(fā)展的戰(zhàn)略性基礎(chǔ)設(shè)施，可加速各領(lǐng)域企業(yè)轉(zhuǎn)型進(jìn)程，推動(dòng)大量新應(yīng)用落地。傳統(tǒng)集中部署的5G 核心網(wǎng)無(wú)法支撐新的業(yè)務(wù)需求，將業(yè)務(wù)轉(zhuǎn)移到網(wǎng)絡(luò)邊緣已成為行業(yè)發(fā)展趨勢(shì)。多接入邊緣計(jì)算部署在邊緣，可以實(shí)現(xiàn)低時(shí)延、高帶寬的通信服務(wù)，如AR/VR 虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)服務(wù)、移動(dòng)視頻監(jiān)控系統(tǒng)、移動(dòng)廣播系統(tǒng)、信息安全和超清視頻等。此外，多接入邊緣計(jì)算部署設(shè)備具有CDN 的功能，它可以減少時(shí)延，使用戶在更短的時(shí)間內(nèi)獲取內(nèi)容，提高響應(yīng)速度。

與傳統(tǒng)CDN 相比，多接入邊緣計(jì)算更接近無(wú)線網(wǎng)絡(luò)，由于物理距離的減小，多接入邊緣計(jì)算的時(shí)延將進(jìn)一步降低，而多接入邊緣計(jì)算還包含了本地化計(jì)算和對(duì)外開放的能力，因此具有低時(shí)延和智能系統(tǒng)特性。針對(duì)低時(shí)延業(yè)務(wù)需求的特殊性，水電站選擇直接部署多接入邊緣計(jì)算，以滿足遠(yuǎn)程控制、巡檢和本地?cái)?shù)據(jù)不被傳輸?shù)男枨蟆?/p>

水電站智能巡檢整體框架圖如圖1 所示。通信運(yùn)營(yíng)商提供的5G 核心網(wǎng)通過(guò)PTN 傳輸網(wǎng)接入水電站，并在水電站中部署多接入邊緣計(jì)算。同時(shí)，BBU通過(guò)光纜接入RRU，為水電站內(nèi)高清攝像頭、智能頭盔、無(wú)人機(jī)、巡檢機(jī)器人等巡檢設(shè)備提供安全認(rèn)證。由于5G 高帶寬、低延遲、多連接的3 大特點(diǎn)，可以對(duì)邊緣計(jì)算服務(wù)器進(jìn)行多路訪問(wèn)，配置在PTN網(wǎng)絡(luò)與調(diào)度平臺(tái)服務(wù)器之間，通過(guò)智能巡檢系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)監(jiān)控?cái)?shù)據(jù)的智能分析、自主分析、智能決策等邊緣計(jì)算服務(wù)。同時(shí)，多接入邊緣計(jì)算配合水電站端口UPF，有效降低數(shù)據(jù)傳輸時(shí)延，并采用通用機(jī)器學(xué)習(xí)系統(tǒng)集成行業(yè)內(nèi)領(lǐng)先的AI 視覺(jué)檢測(cè)算法，支持水電站多種場(chǎng)景下的多種算法檢測(cè)任務(wù)，實(shí)現(xiàn)對(duì)水電站中人員、機(jī)械、物料、系統(tǒng)和設(shè)施的安全管控。

圖1 水電站智能巡檢整體框架圖

3.2 智能巡檢系統(tǒng)框架

如圖2 所示，智能巡檢系統(tǒng)主要由5 個(gè)部分構(gòu)成。設(shè)備層主要是水電站中巡檢、管控的監(jiān)測(cè)設(shè)備，如無(wú)人機(jī)、巡檢機(jī)器人、高清攝像頭、智能巡檢頭盔等終端設(shè)備。然后將設(shè)備采集的實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)通過(guò)網(wǎng)絡(luò)傳輸?shù)狡脚_(tái)層，利用多接入邊緣計(jì)算和5G 通信技術(shù)的方法實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)快速傳輸和網(wǎng)絡(luò)全覆蓋[5]。數(shù)據(jù)層的作用是將傳輸來(lái)的數(shù)據(jù)進(jìn)行分析處理，包括對(duì)機(jī)器學(xué)習(xí)的模型訓(xùn)練、模型評(píng)估等以及對(duì)巡檢設(shè)備采集的圖片、視頻進(jìn)行儲(chǔ)存和處理。算法層利用訓(xùn)練好的機(jī)器學(xué)習(xí)模型對(duì)目標(biāo)實(shí)現(xiàn)監(jiān)測(cè)、識(shí)別、定位等功能，最終到達(dá)應(yīng)用層，將分析結(jié)果傳給監(jiān)控室、管理人員和行業(yè)專家進(jìn)行智能決策。通過(guò)智能巡檢系統(tǒng)可將狀態(tài)監(jiān)控、事件推進(jìn)、安全策略、統(tǒng)計(jì)報(bào)表、自動(dòng)化、人員軌跡、無(wú)線、視頻等功能有效集成，實(shí)現(xiàn)統(tǒng)一調(diào)度、統(tǒng)一管理、智能聯(lián)動(dòng)，云端維護(hù)系統(tǒng)遠(yuǎn)程實(shí)時(shí)維護(hù)。同時(shí)，可根據(jù)一體化調(diào)度軟件實(shí)現(xiàn)通信網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)的統(tǒng)一管理和調(diào)度，短時(shí)間內(nèi)確定人員軌跡、鎖定障礙物位置，并利用智能終端第一時(shí)間實(shí)現(xiàn)與其他系統(tǒng)的集成聯(lián)動(dòng)，實(shí)現(xiàn)網(wǎng)絡(luò)、電力、安裝設(shè)備檢測(cè)、環(huán)境綜合監(jiān)測(cè)等數(shù)據(jù)智能融合分析，以及云服務(wù)平臺(tái)專家遠(yuǎn)程指導(dǎo)維修，從而緩解站內(nèi)技術(shù)力量不足[6]。

圖2 智能巡檢系統(tǒng)

4 基于5G 技術(shù)的水電站智能巡檢應(yīng)用效果

4.1 實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)傳輸

通過(guò)上述5G 通信設(shè)計(jì)方案，水電站中無(wú)人機(jī)、巡檢機(jī)器人、高清攝像頭等巡檢設(shè)備可以通過(guò)5G的高帶寬和低延遲等特性快速傳輸實(shí)時(shí)采集的反映水電站信息的高清圖片和視頻，如大壩壩體和邊坡等水工結(jié)構(gòu)物，水電站人員、機(jī)械、物料、系統(tǒng)和設(shè)施等，覆蓋全站。相比于其他傳統(tǒng)的通信巡檢方案而言，基于5G 的水電站智能巡檢設(shè)計(jì)具有更快的傳輸效率，能夠?qū)崿F(xiàn)水電站的實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)。

4.2 多接入邊緣計(jì)算處理數(shù)據(jù)

在水電站智能巡檢過(guò)程中，水電站智能巡檢設(shè)備將會(huì)傳輸大量的數(shù)據(jù)，利用5G 技術(shù)的多接入邊緣計(jì)算，可以將水電站內(nèi)采集的所有數(shù)據(jù)在靠近水電站的一側(cè)處理。通過(guò)部署在水電站的多接入邊緣計(jì)算減少了網(wǎng)絡(luò)帶寬的使用，同時(shí)減低了傳輸?shù)某杀荆M(jìn)一步提高了數(shù)據(jù)的傳輸速度和處理速度。

4.3 智能分析與智能決策

將實(shí)時(shí)傳輸?shù)玫降母咔鍒D片和視頻通過(guò)在水電站智能巡檢系統(tǒng)中集成行業(yè)內(nèi)領(lǐng)先的AI 視覺(jué)檢測(cè)算法進(jìn)行分析，對(duì)水電站目標(biāo)實(shí)現(xiàn)監(jiān)測(cè)、識(shí)別、定位等功能，再結(jié)合水電站管理人員和專家的決策以及智能巡檢系統(tǒng)智能決策，實(shí)現(xiàn)對(duì)水電站中人員、機(jī)械、物料、系統(tǒng)和設(shè)施的安全管控。

5 結(jié)束語(yǔ)

水電站是重要的能源設(shè)施，因此保障水電站安全可靠的運(yùn)行至關(guān)重要。5G 技術(shù)賦能水電站，通過(guò)無(wú)人機(jī)、巡檢機(jī)器人、高清攝像頭等巡檢設(shè)備結(jié)合智能巡檢系統(tǒng)和通信設(shè)計(jì)方案可以實(shí)現(xiàn)水電站的數(shù)據(jù)實(shí)時(shí)傳輸、自主分析、智能決策等功能，從而保障水電站安全可靠的運(yùn)行，相比于傳統(tǒng)的水電站巡檢技術(shù)，基于5G 技術(shù)的智能巡檢方法具有更多的優(yōu)勢(shì)。