5G專網在電廠標準化作業安全管控的應用

黃 雄，沈 軍，陳思勤，劉 峰，李曉斐，康新民，于 清，黃海濱

(1.華能集團有限公司上海石洞口第二電廠，上海 200942；2.北京宇時易能科技發展有限公司，北京 100085)

0 引言

2020年是5G加速落地的關鍵一年，與工業化深度融合更是成為現代工業社會的基石。作為富有發展前景和極大發展空間的5G落地領域之一，電力行業也開啟了智慧化、現代化升級的新征程。華能集團上海石洞口第二電廠(簡稱石洞口二電廠)結合5G專網突出的技術優勢，從電力標準作業安全管控實際應用案例出發，描述5G時代工業領域釋放的巨大紅利。項目的成功落地為作業人員安全作業提供充足保障，使得安監管理人員運用智能化工具高效、可靠地開展管控工作成為現實。

1 5G專網的概念

工信部前部長苗圩曾表示，5G的應用場景中約20 %是ToC，80 %是ToB，而5GToB市場的突破點在于“先為各行業部署5G專網”。GSMA預測2025年5G連接將達到17億，行業專網部署預計達25 %～40 %。

5G專網本義在于特定區域實現網絡信號覆蓋，并為特定用戶提供通信服務，滿足特定內容服務商(SP)的商業模式的專業網絡。區別于公共網絡，5G專網具有差異化的本地服務、可定制化的建網成本、靈活的安全管控、個性化的自服務等諸多特點，5G專網可以通過以下兩種方式來實現：第一種是部署物理隔離的5G專網(孤島)，該網絡獨立于電信運營商的5G公網；第二種是通過共享電信運營商的5G公網資源來構建5G專網，由運營商來為企業建立專用的5G網絡。

2 5G技術的明顯優勢

與4G相比，5G達成高速率、可靠低時延、海量接口等三大升級。三大技術對應不同場景，其中低時延、高可靠性通信主要面向工業控制等行業特殊應用，需要達成毫秒級時延和接近100 %的可靠性。5G的毫秒級時延與千兆級網絡，將能高效連結云端計算，節省終端的算力需求，支持4K/8K高清視頻，讓更多工業場景應用得以實現。

下面以一個電廠應用案例來解釋5G技術支撐下該電廠的明顯改變。

在4G情況下，由于畫面傳輸速度慢、延遲高，在遠程操作過程中，如果發生錯誤，可能還沒收到畫面發現其中的錯漏，就已經進行了下一步操作。香農第二定律告訴我們：信息傳輸率超過了信道容量，就不可能實現可靠的傳輸。這時候的出錯率是100 %。這是目前依然不能脫離現場安監的本質原因，因為畫面的清晰度以及延遲問題無法徹底得到解決。

5G的帶寬比4G大10倍以上，可以將更大碼流的視頻數據實時上傳，從而保證視頻質量更清晰。視頻圖像中連配電柜上的小數字都能顯示得清清楚楚。對于工作人員來說，感受差別就更明顯了。在5G高傳輸、低延遲的支持下，一旦發現錯誤，就可立即命令停止操作，避免了更多錯誤的發生。

總結來說，5G技術相比4G明顯的技術優勢對比如表1所示。

表1 4G與5G主要技術參數對比

3 5G專網組網方案

3.1 整體組網

石洞口二電廠在整個項目在方案規劃期，就基于5G的網絡環境進行全面考慮，先后與中國移動通信公司、鐵塔公司就5G環境在該廠的搭建進行了充分的探討和設計，在進行智能本質安全管控平臺開發的同時進行了5G環境的全面建設。

本次5G專網的運營商是中國移動上海公司（簡稱上海移動），其整體組網架構如圖1所示。

圖1 整體網絡架構

專網由以下幾個部分組成：5G終端，5G無線基站，5G承載網和5G核心網。這些設備均遵從國際3GPP協議規范，并滿足99.999 %以上的電信級可靠性。

(1) 5G終端：5G CPE作為5G接入終端，本次5G終端采用華為CPE INS (CPE: customer premise equipment，客戶終端設備)設備。華為CPE INS業界首款基于3GPP標準的5G高性能的終端設備，實現5G網絡的接入，并將5G信號轉換成WIFI信號和網線接入，攝像頭等通過和CPE相連( WIFI或者網線，帶2個網口)，實現應用終端通過5G網絡和應用服務器的連接。

(2) 5G無線基站：5G基站實現5G用戶的接入和用戶數據的空口傳輸。本次在石洞口二電廠園區內共部署6個5G室外宏站，用于5G信號傳輸，估算區域內站距約為580 m。

(3) 5G承載網：承載網的作用是將5G基站連接至核心網，實現5G用戶信令和用戶數據的傳輸。上海移動專門為5G網絡建設了一張承載網，包含接入層、匯聚層和核心網等網元設備，該承載網只用于承載5G基站業務，并且是一張內部網絡。

本次在新蘊川機房部署了上海移動承載網的接入層設備，并和同廠區內5G基站相連，實現5G基站和核心網之間的信令和數據連接。5G網絡及華能用戶面網元設備(user plane runction，UPF)連接全景如圖2所示。

圖2 5G網絡及華能UPF連接全景

(4) 5G核心網：5G核心網的功能主要是提供用戶連接、對用戶的管理以及對業務完成承載，作為承載網絡提供到外部網絡的接口。核心網包含控制面部分和用戶面部分，控制面負責管理用戶接入、建立和管理分發業務數據的路線，用戶面負責執行分發用戶的業務數據。

本次核心網部署包含兩個部分，控制面網元設備部署在上海移動欽州76號機房的核心網中，用戶UPF部署于石洞口二電廠廠區機房內，UPF通過接入到承載網接入點上，實現用戶面網元和控制面網元的交互，并且實現了5G基站和核心網之間的連接。

3.2 安全責任邊界劃分

按照國家安全等級保護要求，首先需要分析、確定定級的對象，對等級保護對象的重要性、邊界、網絡拓撲、設備、應用、用戶等情況進行分析和描述。對于石洞口二電廠5G專網來說，需要劃分電廠和中國移動之間的網絡/資產邊界，圈定清楚電廠的等級保護對象范圍。

本次石洞口二電廠電力工業網絡為三級體系，包含應用、網絡、終端三部分。5G CPE等應用終端、防火墻、電廠內部網絡、服務器等是電廠等級保護定級對象范圍，此部分可參照等級保護三級相關要求實施安全防護；RAN，UPF，5GC等是中國移動的ICT基礎設施，安全責任由中移動承擔。兩者之間需要進行嚴格的隔離，承載在中國移動基礎設施上的企業數據，需要通過VPN或者TLS的方式，確保傳輸數據加密和完整性保護。

4 基于5G專網的智能本安管控平臺

石洞口二電廠與北京宇時易能科技發展有限公司合作研發的智能化本質安全管控平臺（以下簡稱“平臺”），作為科技項目，已列入《中國華能集團有限公司2020年安全工作要點》。該平臺危險作業智能管控、安全監控預警等模塊構成通過智能化手段實現對電廠標準化作業風險隱患的預防機制及無死角管控。智能本安管控平臺完善的架構，真正讓平臺成為領導的“眼睛”、安監管理人員的“工具”、作業人員的“警鐘”。

(1) 電廠標準化作業管控。電力行業一向高度重視安全培訓教育，但為什么安全作業事故依然時有發生。這主要是因為作業安全交底措施通常是前置的，作業人員當時雖然聽了，也確認了，但往往容易流于形式。因主設備及主要輔助設備作業周期時間跨度較長，作業人員在具體作業中可能已經將數日前進行的安全交底淡忘，更可能出現“疏忽”“誤操作”等情形，并沒有真正起到作業安全本質防范的目的。

通過平臺的移動端APP就地執行操作票的各項操作和工作票的安全措施，有效防止安全措施的漏操作、誤操作，實現“兩票”執行過程的全方位監控。安措的落實和操作票的執行必須經過手機APP確認完成，以規范員工作業操作流程，降低員工違章操作概率。完成過程可通過語音、視頻、文本、圖片記錄，為日后追溯提供證據依據。

(2) “風險直擊”——作業過程視頻聯動監控。平臺在硬件方面，研發了智能接駁終端，支持以太網、藍牙、WIFI、無線網橋、5G等各種有線、無線網絡信號連接協議，可針對危險作業快速設置視頻聯動安措機制，支持工業電視、移動攝像機、智能安全帽(帶攝像機)接入作業監控系統。系統支持作業現場快速設置可移動攝像機，支持與對作業全程進行實時監控。

通過平臺的“風險直擊”頁面，也可以清晰地看到電廠標準作業工序，通過APP進行操作確認，在現場5G環境下實時高清顯示作業進程，如有工序遺漏、違章操作則系統直接出發報警。

5 項目整體總結

5G環境下的安全管控系統的超前的設計理念的和部分應用實踐，能夠有效提升發電企業本質安全管理水平，預計可以在發電行業快速推廣應用，取得良好的社會效益。但也存在一些問題需要后續進一步改進：

(1) 5G信號在電廠的穿透性和穩定性有待檢驗。電廠內部結構復雜、設備密集，現場存在電磁、低頻干擾等情況，5G信號的穿透性和穩定性有待現場檢驗。

(2) 本次5G環境的搭建是建立專用的廠級網絡，前期投入整體較大。

(3) 現階段5G資費代價高，給電力企業帶來較大運營成本。