5G通信技術在核電的應用

張陸洋 梅華悅

（信通院工業互聯網創新中心（重慶）有限公司 重慶市 401147）

1 引言

近年來，隨著4G通信技術的高速發展和廣泛應用，有效滿足了用戶對無線通信系統支持快速增長的移動寬帶數據業務的需求。然而伴隨著新型工業化呈現出的產業范式向創新發展轉變，平臺經濟成為新的產業組織形態和綠色發展成為新的戰略任務等新趨勢。作為國之重器之一的核電工程，5G通信技術在核電的應用，可以為其提供新動能，解決超高帶寬、超低時延、超高可靠性和廣覆蓋的大連接業務需求。

2 5G通信關鍵技術

5G 新空口（NR，New Radio）支持FDD 和TDD 雙工模式，可工作頻率范圍為3.3-3.6 GHz、4.8-5.0 GHz、24.75-27.5 GHz和37-42.5 GHz。子載波間隔可根據業務情況靈活配置，包括15 kHz，30 kHz，60 kHz，120 kHz，240 kHz，不同子載波間隔對應不同單載波帶寬，單載波支持最大帶寬分別為100 MHz（6 GHz 以下）和400 MHz（6 GHz 以上）。

2.1 幀結構

5G NR 的幀結構的基礎組成單位為時隙（slot），其中每個時隙包含有14 個符號。幀長度為10 ms，每個幀由10 個子幀組成，由于子載波間隔的可配置性，每個子幀的時隙個數也不同，子載波間隔越大，子幀內包含的時隙數越多。

2.2 技術標準兼容性

由最早的3GPP 中R14 開展5G 系統框架和關鍵技術研究，到R15 滿足5G 需求的第一版標準，再到推進中的R16 第二版5G 標準，技術標準的前后兼容性是5G 技術最基本要求。

2.3 Massive MIMO

大規模天線是5G NR 提升頻譜效率的核心技術，其主要特點是優化頻譜使用效率，擴展系統容量，有效抑制干擾。多天線傳輸基本過程如圖1所示。

圖1：多天線傳輸基本過程

2.4 邊緣計算

邊緣計算技術可以在網絡邊緣側，分布式部署融合云-邊-網-端能力的邊緣節點，提供通信、計算和存儲能力，保證數據處理和分析的實時性。

3 核電應用場景

3.1 核電運營中的車聯網應用

核電站廠區內大量通勤車的運行，增加了電站的運營成本，提高了安全事故風險。在廠區環境內傳統的班車運營模式缺乏智能化和大數據分析管理手段，造成綜合工作效率低和資源浪費的問題。基于C-V2X 技術的無人駕駛是有效解決以上痛點和問題的有效解決方案。核電站車聯網場景如圖2所示。核電站依托5G 通信低延時與高帶寬的技術特征，完成車內、車與車、車與路、車與人、車與服務平臺的全方位連接，從而實現智能駕駛和智能出行，為用戶提供智能、舒適、安全、節能、高效的綜合服務。

圖2：核電站車聯網場景圖

3.2 核電運營中的智能巡檢

核電站在運營中的巡檢主要以人工巡檢為主。人工巡檢存在人力成本高、時間周期長、巡檢效率低、漏檢率高等幾個問題。通過部署5G 與無人駕駛飛行器（Unmanned Aerial Vehicle，簡稱無人機）融合平臺可以對以上問題進行合理優化，特別是在安全和效率方面，實現智能化、精細化巡檢。5G 與無人機融合平臺搭載技術主要有高清拍攝和視頻回傳、紅外熱成像、雷達、實時差分定位和云平臺服務。

3.3 5G+MEC智慧核電數字孿生平臺

由于核電站系統組裝拆卸工序復雜、核反應堆組件所處環境不可接近、核電站參數異常診斷及處理困難，核電站具有廠區數字化設計建模、核反應堆在線監測、核電設備設計建造等應用需求。5G+MEC 智慧核電數字孿生平臺如圖3所示，利用物理數據模型、傳感器更新、運行歷史等數據，利用傳感器數據與制造數據集成融合、多模態數據采集等技術對常規島、核島等核電站廠區進行數字孿生基座的采集重建[1]，將現實空間解析再編程，完成核電站在虛擬空間的映射，反映核電站運行的全生命周期過程，模擬核電站在現實環境中的智能化生產運維，實現原材料節約、無效工序減少、機組故障診斷和無人化健康管理[2]，提升核電站運行經濟性和安全性。

圖3：5G+MEC 智慧核電數字孿生示意圖

3.4 智能化核電站安全管控平臺

核電站發電作業、安全管理影響因素較多，核島具有放射性且存在密閉空間，核電站機組大修期間核島通風、照明問題突出，且常規島中管道密集，設備集中。智能化核電站安全管控平臺，是基于5G 的流量、氣體、溫度、濕度傳感器，全方位收集核電站各項環境信息，結合北斗高精度定位監測核電站資產空間位置，收集實時監控數據和異動警告。搭建智能化核電站安全管控平臺將有效提高核電站的核安保、核應急能力和安全水平，為核島和常規島提供現場安全監管，實現高危復雜的核發電作業環境的全過程風險防范和監管督查。

4 系統網絡架構

5G 通信系統網絡架構基本包括UE（終端層）、無線接入層、網絡接入層和應用業務層。系統網絡架構圖如圖4所示。

圖4：系統網絡架構圖

5 結語

本文基于幀結構、大規模MIMO 技術、邊緣計算、切片網絡等5G通信技術，提出核電運營的車聯網應用、智能巡檢、5G+MEC 智慧核電數字孿生、智能化核電站安全管控平臺等應用，為核電工程賦能。