基于5G 技術的水電站智能巡檢設計方案

何 秋，高建偉，宗 悅，楊 棵

（1.華東桐柏抽水蓄能發電有限責任公司，浙江 天臺 317200；2.中國電建集團華東勘測設計研究院有限公司，浙江 杭州 311122；3.三峽大學電氣與新能源學院，湖北 宜昌 443002）

1 前言

水電站作為國家重要的能源供應設施之一，為社會經濟發展提供了重要的支撐作用。在水電站的日常運行過程中，設備損耗、漏水、裂紋等風險難以避免，這些問題如果不能及時發現并解決，就會對水電站設施和人員的安全造成威脅，甚至可能導致重大的安全事故。因此，巡檢是實現水電站可靠運行的重要措施之一[1]。

5G 技術具有高帶寬、低延遲、高速率和多連接等特點，為水電站智能巡檢提供了更加優越的技術平臺[2]。通過5G 技術，各種傳感器可以實現快速、實時的數據采集和傳輸，水電站可以采用大量無人機、巡檢機器人等設備，實現對水電站中人員、機械、物料、系統和設施的全面覆蓋和監測，保障巡檢的全過程，同時也克服了傳統人工巡檢的不足。

2 基于5G 的水電站智能巡檢應用

2.1 5G 無人機在水電站巡檢中的應用

水電站作用重大，但由于設施分散、環境復雜、設備過多等特點，導致普通巡檢極其困難，無法快速、深入地發現設施潛在風險，這些安全隱患日積月累會造成重大安全事故后果。利用無人機技術，可以實現全方位、多角度、高清晰度的照片和視頻采集[3]，對水電站進行快速廣泛的監測與巡視，在發現待修復的問題后能夠及時報告，從而快速解決問題。

5G 無人機為水電站巡檢帶來了前所未有的應用優勢。首先，無人機可搭載超清攝像頭對水電站上下水庫以及流域河道進行巡視，并將采集到的圖像視頻實時回傳，為實現水電站全覆蓋的目標提供有力支撐[4]。同時，針對大壩壩體和邊坡等水工結構物常規巡檢手段精度和效率低下、制約樞紐安全健康評估的問題，5G 網聯無人機可依托水電站5G虛擬專網，建立大壩安全監測與檢測技術的AI 智能巡檢系統，助力水工結構狀態缺陷預警和隱患報警，保障大壩運行安全，全面提升水電站運營效率和智能化水平。利用5G 技術、傳感、無線通信、大數據等技術手段，實現遠程監測水庫安全關鍵數據，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）、環境量（上下游水位、降水量、氣溫、水溫）、壓力（應力）、雨水情況、閘門狀態等，并通過5G 將數據高速回傳至平臺。

此外，5G 網絡的高帶寬和低時延對于無人機巡檢基礎架構的建設和運行，以及無人機地面操作和實時云側數據處理，提供了強大的支持。由于5G網絡技術的低時延和高速率的特性，使得無人機與云端的實時數據交互更為迅速和簡便，讓水電站管理人員能夠實時掌握設施的狀態、運行情況和存在的潛在安全隱患，避免設備存在的安全問題放大或導致事故發生。

2.2 5G 巡檢機器人在水電站中的應用

隨著機器人技術的不斷發展和智能化程度的不斷提高，現代水電站采用巡檢機器人的情況越來越多。

根據5G 技術的特點，基于5G 的巡檢機器人在水電站應用中具備以下優勢：

（1）高效性：由于5G 技術的低延遲特性，操作人員能夠通過遠程控制中心實時監控機器人的運行狀態，對其進行調度和控制，同時水電站巡檢機器人也可以快速地接收遠程指令并執行相關任務。

（2）安全性：巡檢機器人能夠深入水電站的各項設備和難以進行人工巡檢的地方，如水輪發電機、輸電線路、水庫大壩等，為水電站的安全和穩定運營提供了強有力的技術手段，并減少了人員的安全風險。

（3）實時性：巡檢機器人能夠通過高速數據傳輸和低延時特性，實現對大量傳感器，包括溫度傳感器、壓力傳感器、振動傳感器等數據的實時采集和處理，并通過傳感器數據的融合分析，更準確地監測設備狀態和環境參數，實時掌握水電站的運行狀態。

（4）精確性：巡檢機器人搭載高分辨率攝像頭和圖像識別算法，可以對設備的各個細節部位進行實時監測和圖像識別。例如，機器人可以識別設備表面的裂紋、磨損和漏水等問題，并及時報警或進行維護，不會出現由于人工巡檢造成的巡視不到位等問題。

3 水電站智能巡檢總體設計

3.1 通信設計方案

5G 是社會高質量發展的戰略性基礎設施，可加速各領域企業轉型進程，推動大量新應用落地。傳統集中部署的5G 核心網無法支撐新的業務需求，將業務轉移到網絡邊緣已成為行業發展趨勢。多接入邊緣計算部署在邊緣，可以實現低時延、高帶寬的通信服務，如AR/VR 虛擬現實技術服務、移動視頻監控系統、移動廣播系統、信息安全和超清視頻等。此外，多接入邊緣計算部署設備具有CDN 的功能，它可以減少時延，使用戶在更短的時間內獲取內容，提高響應速度。

與傳統CDN 相比，多接入邊緣計算更接近無線網絡，由于物理距離的減小，多接入邊緣計算的時延將進一步降低，而多接入邊緣計算還包含了本地化計算和對外開放的能力，因此具有低時延和智能系統特性。針對低時延業務需求的特殊性，水電站選擇直接部署多接入邊緣計算，以滿足遠程控制、巡檢和本地數據不被傳輸的需求。

水電站智能巡檢整體框架圖如圖1 所示。通信運營商提供的5G 核心網通過PTN 傳輸網接入水電站，并在水電站中部署多接入邊緣計算。同時，BBU通過光纜接入RRU，為水電站內高清攝像頭、智能頭盔、無人機、巡檢機器人等巡檢設備提供安全認證。由于5G 高帶寬、低延遲、多連接的3 大特點，可以對邊緣計算服務器進行多路訪問，配置在PTN網絡與調度平臺服務器之間，通過智能巡檢系統實現監控數據的智能分析、自主分析、智能決策等邊緣計算服務。同時，多接入邊緣計算配合水電站端口UPF，有效降低數據傳輸時延，并采用通用機器學習系統集成行業內領先的AI 視覺檢測算法，支持水電站多種場景下的多種算法檢測任務，實現對水電站中人員、機械、物料、系統和設施的安全管控。

圖1 水電站智能巡檢整體框架圖

3.2 智能巡檢系統框架

如圖2 所示，智能巡檢系統主要由5 個部分構成。設備層主要是水電站中巡檢、管控的監測設備，如無人機、巡檢機器人、高清攝像頭、智能巡檢頭盔等終端設備。然后將設備采集的實時數據通過網絡傳輸到平臺層，利用多接入邊緣計算和5G 通信技術的方法實現數據快速傳輸和網絡全覆蓋[5]。數據層的作用是將傳輸來的數據進行分析處理，包括對機器學習的模型訓練、模型評估等以及對巡檢設備采集的圖片、視頻進行儲存和處理。算法層利用訓練好的機器學習模型對目標實現監測、識別、定位等功能，最終到達應用層，將分析結果傳給監控室、管理人員和行業專家進行智能決策。通過智能巡檢系統可將狀態監控、事件推進、安全策略、統計報表、自動化、人員軌跡、無線、視頻等功能有效集成，實現統一調度、統一管理、智能聯動，云端維護系統遠程實時維護。同時，可根據一體化調度軟件實現通信網絡系統的統一管理和調度，短時間內確定人員軌跡、鎖定障礙物位置，并利用智能終端第一時間實現與其他系統的集成聯動，實現網絡、電力、安裝設備檢測、環境綜合監測等數據智能融合分析，以及云服務平臺專家遠程指導維修，從而緩解站內技術力量不足[6]。

圖2 智能巡檢系統

4 基于5G 技術的水電站智能巡檢應用效果

4.1 實時數據傳輸

通過上述5G 通信設計方案，水電站中無人機、巡檢機器人、高清攝像頭等巡檢設備可以通過5G的高帶寬和低延遲等特性快速傳輸實時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構物，水電站人員、機械、物料、系統和設施等，覆蓋全站。相比于其他傳統的通信巡檢方案而言，基于5G 的水電站智能巡檢設計具有更快的傳輸效率，能夠實現水電站的實時監測。

4.2 多接入邊緣計算處理數據

在水電站智能巡檢過程中，水電站智能巡檢設備將會傳輸大量的數據，利用5G 技術的多接入邊緣計算，可以將水電站內采集的所有數據在靠近水電站的一側處理。通過部署在水電站的多接入邊緣計算減少了網絡帶寬的使用，同時減低了傳輸的成本，進一步提高了數據的傳輸速度和處理速度。

4.3 智能分析與智能決策

將實時傳輸得到的高清圖片和視頻通過在水電站智能巡檢系統中集成行業內領先的AI 視覺檢測算法進行分析，對水電站目標實現監測、識別、定位等功能，再結合水電站管理人員和專家的決策以及智能巡檢系統智能決策，實現對水電站中人員、機械、物料、系統和設施的安全管控。

5 結束語

水電站是重要的能源設施，因此保障水電站安全可靠的運行至關重要。5G 技術賦能水電站，通過無人機、巡檢機器人、高清攝像頭等巡檢設備結合智能巡檢系統和通信設計方案可以實現水電站的數據實時傳輸、自主分析、智能決策等功能，從而保障水電站安全可靠的運行，相比于傳統的水電站巡檢技術，基于5G 技術的智能巡檢方法具有更多的優勢。