基于5G網絡的水電廠智能巡檢系統研究

蹇林

(嘉陵江亭子口水利水電開發有限公司，四川蒼溪，628400)

水電廠目前普遍采用傳統人工巡檢與工業監控系統巡檢相結合的方式進行巡檢，但人工巡檢不但存在巡檢人員工作負荷較為繁重、安全巡檢風險高等問題，還存在工業攝像頭巡檢無法自動識別缺陷，人工監屏容易疲勞和漏掉重要信息，造成巡檢效果不佳等弊端。隨著5G技術的成熟應用和推廣，利用5G高速率，低延時等網絡特性，將5G與水電廠的高清攝像頭及前端狀態(溫度、壓力、溫濕度、噪音)監測的感知設備相結合，采用先進的信息技術，建設一套基于5G全覆蓋的水電廠智能巡檢系統成為可能。本文主要研究基于5G網絡的智能巡檢系統的設計與開發，從電廠5G網絡架構，到巡檢前端信息采集設備部署及巡檢系統功能設計與實現等。通過采用先進的網絡及信息技術實現高效智能的巡檢平臺，實現智能巡檢，以提高設備可靠性，降低人工成本，提高水電廠綜合管理效率和經濟效益。

1 電站5G網絡建設

1.1 用途及覆蓋范圍

電站5G網絡建設是為水電廠智能巡檢提供安全、可靠的通信傳輸通道，需要覆蓋電站大壩、廠房及開關站和管路等生產區域所有設備和場所。

1.2 設計原則

水電廠作為國家關鍵基礎設施，必須保證水電廠安全、穩定運行，因此電站5G網絡必須具有高度的可靠性、安全性。水電廠5G網絡以專網方式進行組網，專網的建設與安全防護必須符合電力二次安全防護及等保要求，并嚴格按照電力分區進行隔離，做好邊界安全防護，做到不跨區直聯，數據不出廠站。系統設計原則如下：

(1)高可用性：用戶可以始終使用該網絡服務，可以確保最大的可用性。

(2)高可靠性：具有在預定持續時間內高可靠地傳輸一定數量業務的能力，需要足夠的網絡覆蓋范圍和容量，以及強大的業務切換功能。

(3)高質量服務：質量QoS包括吞吐量、延遲、抖動、丟包率等；在目標區域內實現100%全覆蓋；支持用戶在覆蓋區域內快速移動，業務無中斷。

(4)安全性：采用專用網絡架構提供全面的端到端安全性，以確保信息、基礎架構和人員免受威脅；利用網絡隔離、數據保護和設備/用戶身份驗證來保護關鍵資產，需要具有數據控制主權，以確保敏感信息保留在本地。

1.3 性能及安全技術要求

(1)信號覆蓋方式：電站需要5G信號覆蓋區域包括電站室外廠區和電站內部生產區域，室外通過在壩頂建設宏基站進行5G信號覆蓋，室內采用有源室分方式進行覆蓋。

(2)利用UPF下沉的能力，邊緣云計算構建電站5G專網，通過UPF的分流能力，保證電站內部數據的安全性。

(3)邊緣云計算功能要求：具備支持將傳統安防以及人臉識別衍生業務統一部署能力，支持實現低時延業務的能力；支持5G+工業互聯網業務統一部署能力，以發揮5G超高帶寬，超低時延、海量連接的優勢。

(4)邊緣云計算系統安全設計要求：邊緣云計算設備支持設備斷電/重啟、鏈路網口斷開等問題發生后觸發告警；邊緣云計算硬件服務器WAN口、LAN口、串口等須支持安全訪問控制，以防止非法用戶即未通過授權用戶插入網絡端口實時偵聽和物理端口的攻擊；虛擬化邊緣環境中的虛擬機，須支持對HostOS、虛擬化軟件、GuestOS進行安全加固，同時須有虛擬機之間的隔離功能，對不安全的設備進行嚴格隔離，以防止用戶流量流入惡意虛擬機中，邊緣云計算的管理平臺須可以實時監測虛擬機的運行情況，有效發掘惡意虛擬機行為，避免惡意虛擬機遷移對其他虛機造成感染；邊緣云計算須具備互聯網接口、企業網接口、無線設備接口、能力開放接口、第三方APP接口等能力；邊緣云計算須支持采用集中式或分布式的鑒權和認證方法，支持通過第三方認證服務器，以保障業務安全；邊緣云計算系統的安全管理須具備賬號和口令的安全、授權、日志的安全等功能，保證只有授權的用戶才能執行操作，所有操作記錄日志，同時針對不同用戶，須建立分權分域的靈活管理功能。

1.4 網絡拓撲圖及部署設計

通過電站室外宏基站和站內部室分實現電站5G信號全覆蓋建設，利用UPF(5G核心網設備)下沉廠區+MEC邊緣計算等技術搭建5G專網，降低網絡時延，實現本地數據不出場，保障數據安全。前端感知采集設備(內置5G模組，專用5G數據卡)采集數據后通過5G室分AP經專網UPF直接上送到廠區生產平臺服務器，且前端采集數據通過5G、DNN網絡與生產平臺服務器連接時完全與互聯網隔離。

圖1 網絡拓撲

2 巡檢系統設計

智能巡檢系統采用三層架構，分為感知層、網絡層、應用層。感知層通過分布式視覺監控和傳感器檢測設備，完成對現場設備運行及設備狀態的采集；通信層主要作用是完成對來自現場檢測設備狀態參數及工作參數的網絡傳輸，將相關數據傳輸至上層信息管理層，或將來自上層信息管理層的遠程控制指令傳輸至各現場控制設備或者控制節點；應用層對感知層上傳的數據進行數據分析、存儲和展示(圖形化顯示)。對數據信息的存儲、查詢，以及根據數據信息做出超限報警、遠程控制指令的下達，完成對設備的運行狀態和工作參數的實時監測和遠程控制。

2.1 前端感知層功能設計

智能巡檢系統需要對電廠內設備狀態的相關數據進行采集、檢測和分析。其具體功能如下。

2.1.1 外觀缺陷識別

部署分布式監控攝像頭對管道的漏油、漏水等現象進行檢測，對設備的外形異常如保溫層破損、管道設備裂紋、部件變形等進行監測，并實現對外觀異常如表面腐蝕、銹蝕、污損、變色等進行監控。

2.1.2 設備測溫

(1)非接觸式熱成像測溫：設備正常運行過程中，溫度檢測是保障設備運行可靠性的重要手段，通過部署紅外熱成像攝像頭由運維人員設置紅外普測任務，對電廠指定區域設備進行紅外熱成像測溫。在巡檢過程中，攝像頭可實時讀取設備的溫度分布數據，實現監測所有設備工作溫度狀態的目的，全面掌握設備工作狀態。

(2)接觸式測溫：針對軸承金屬溫度，及具體工藝溫度測點，可靠性和準確性要求比較高，采用在線式溫度傳感器進行測溫，利用捆綁式無線傳感器，支持多個傳感器數據接入終端集控，數據統一接入后臺進行，設置閾值告警，同時根據溫度曲線了解設備溫度狀態，分析設備運行健康程度。

2.1.3 設備測振

通過部署測振傳感器實現對軸振、蓋(瓦)振等參數進行監測，協助運維人員判明機器故障，使得這些故障在引起嚴重損壞前能及時發現并采取預防措施，保證機組安全運行。

2.1.4 液位監測

部署導波雷達或超聲波液位傳感器，采集油箱或水箱中的液體位置，實現對油箱、水箱的油位監測，并將數據實時上傳至后臺監控系統，實現液位差的安全告警。

2.1.5 噪音監測

在電廠環境內，眾多的機械設備運行故障隱患或者故障發生時，均伴有特定的設備異常噪音的產生。為及時檢測到設備異常噪音或者環境噪音，可在指定區域部署噪音傳感器對噪音進行提取和分析。

2.2 巡檢系統應用層功能設計

巡檢系統應層主要對前端采集的數據進行管理、分析和展示。

2.2.1 信息展示功能

(1)廠站和機組信息顯示：顯示當前廠站的基本信息，如對電站的基本信息進行展示，包括當前發電生產的核心指標，如發電量數據、上網電量數據等。對各機組的開機/停機狀態進行統一展示。

(2)巡檢畫面展示界面：可對當前的巡檢畫面進行展示，操作人員可通過切換攝像頭、進入三維導航等功能，對系統當前的巡檢區域、終端畫面和三維虛擬畫面進行切換。

(3)巡檢告警信息：對系統巡檢任務中發現的各項設備缺陷和故障告警信息進行展示和提醒，對缺陷的處置情況進行跟蹤展示。

(4)個人工作臺：個人工作臺應能滿足電站個性化設置。

2.2.2 設備的智能管理

設備管理功能可以查看和統計電廠全站的攝像頭、測溫及測振等前端感知設備的數量、在線數、在線率、錄像完整性以及完好情況等信息。

2.2.3 設施管理

包括設備臺賬、工器具、技術文檔、故障代碼、設備評級、全景展示、設備智能看板等信息。

2.2.4 智能巡檢管理

(1)巡檢任務管理：按照巡檢工作的性質，巡檢任務有按照一定時間周期發生的周期性任務和臨時產生的突發任務。巡檢任務調度系統可以支持上述兩種任務的定義，在系統中通過巡檢地點、巡檢單元、巡檢項目的組合定義，創建針對性的巡檢任務。

(2)巡檢臺賬管理：巡檢任務調度管理可以對巡檢任務完成情況進行自動統計，包括巡檢任務的完成數量、巡檢用時，未能完成的異常巡檢任務情況等，定期形成巡檢任務臺賬。系統支持多種的巡檢任務臺賬查看方式，包括按照巡檢項目、巡檢編號、專業、人員、時段、位置、線路等查詢方式。

(3)智能預警分析：智能預警分析至少包含巡視視圖分析內容、視頻分析場景管理、視頻分析和告警服務、基于知識庫的故障告警服務。

(4)統計報表功能：可根據巡視工作要求在系統內提供按巡視周期及巡視內容標準巡視報表及巡視報告，支持報表及報告的自動統計及生成。

3 結語

基于5G新技術的智能巡檢系統，可以將過去依賴人工的周期性巡檢工作變為連續的巡檢，實現全天候不間斷地對設備狀態的巡視，降低了巡檢間隔時間，避免人工巡檢多出現的巡檢不到位、漏檢的情況，提升了設備的可靠性[1]。同時新的智能巡檢可實時對巡檢的結果進行識別和診斷，通過與相關系統的接口及時對巡檢結果進行數據的傳遞和應用，極大地提升了巡檢數據處理及時性。