基于5G网络的水电厂智能巡检系统研究

蹇林

(嘉陵江亭子口水利水电开发有限公司，四川苍溪，628400)

水电厂目前普遍采用传统人工巡检与工业监控系统巡检相结合的方式进行巡检，但人工巡检不但存在巡检人员工作负荷较为繁重、安全巡检风险高等问题，还存在工业摄像头巡检无法自动识别缺陷，人工监屏容易疲劳和漏掉重要信息，造成巡检效果不佳等弊端。随着5G技术的成熟应用和推广，利用5G高速率，低延时等网络特性，将5G与水电厂的高清摄像头及前端状态(温度、压力、温湿度、噪音)监测的感知设备相结合，采用先进的信息技术，建设一套基于5G全覆盖的水电厂智能巡检系统成为可能。本文主要研究基于5G网络的智能巡检系统的设计与开发，从电厂5G网络架构，到巡检前端信息采集设备部署及巡检系统功能设计与实现等。通过采用先进的网络及信息技术实现高效智能的巡检平台，实现智能巡检，以提高设备可靠性，降低人工成本，提高水电厂综合管理效率和经济效益。

1 电站5G网络建设

1.1 用途及覆盖范围

电站5G网络建设是为水电厂智能巡检提供安全、可靠的通信传输通道，需要覆盖电站大坝、厂房及开关站和管路等生产区域所有设备和场所。

1.2 设计原则

水电厂作为国家关键基础设施，必须保证水电厂安全、稳定运行，因此电站5G网络必须具有高度的可靠性、安全性。水电厂5G网络以专网方式进行组网，专网的建设与安全防护必须符合电力二次安全防护及等保要求，并严格按照电力分区进行隔离，做好边界安全防护，做到不跨区直联，数据不出厂站。系统设计原则如下：

(1)高可用性：用户可以始终使用该网络服务，可以确保最大的可用性。

(2)高可靠性：具有在预定持续时间内高可靠地传输一定数量业务的能力，需要足够的网络覆盖范围和容量，以及强大的业务切换功能。

(3)高质量服务：质量QoS包括吞吐量、延迟、抖动、丢包率等；在目标区域内实现100%全覆盖；支持用户在覆盖区域内快速移动，业务无中断。

(4)安全性：采用专用网络架构提供全面的端到端安全性，以确保信息、基础架构和人员免受威胁；利用网络隔离、数据保护和设备/用户身份验证来保护关键资产，需要具有数据控制主权，以确保敏感信息保留在本地。

1.3 性能及安全技术要求

(1)信号覆盖方式：电站需要5G信号覆盖区域包括电站室外厂区和电站内部生产区域，室外通过在坝顶建设宏基站进行5G信号覆盖，室内采用有源室分方式进行覆盖。

(2)利用UPF下沉的能力，边缘云计算构建电站5G专网，通过UPF的分流能力，保证电站内部数据的安全性。

(3)边缘云计算功能要求：具备支持将传统安防以及人脸识别衍生业务统一部署能力，支持实现低时延业务的能力；支持5G+工业互联网业务统一部署能力，以发挥5G超高带宽，超低时延、海量连接的优势。

(4)边缘云计算系统安全设计要求：边缘云计算设备支持设备断电/重启、链路网口断开等问题发生后触发告警；边缘云计算硬件服务器WAN口、LAN口、串口等须支持安全访问控制，以防止非法用户即未通过授权用户插入网络端口实时侦听和物理端口的攻击；虚拟化边缘环境中的虚拟机，须支持对HostOS、虚拟化软件、GuestOS进行安全加固，同时须有虚拟机之间的隔离功能，对不安全的设备进行严格隔离，以防止用户流量流入恶意虚拟机中，边缘云计算的管理平台须可以实时监测虚拟机的运行情况，有效发掘恶意虚拟机行为，避免恶意虚拟机迁移对其他虚机造成感染；边缘云计算须具备互联网接口、企业网接口、无线设备接口、能力开放接口、第三方APP接口等能力；边缘云计算须支持采用集中式或分布式的鉴权和认证方法，支持通过第三方认证服务器，以保障业务安全；边缘云计算系统的安全管理须具备账号和口令的安全、授权、日志的安全等功能，保证只有授权的用户才能执行操作，所有操作记录日志，同时针对不同用户，须建立分权分域的灵活管理功能。

1.4 网络拓扑图及部署设计

通过电站室外宏基站和站内部室分实现电站5G信号全覆盖建设，利用UPF(5G核心网设备)下沉厂区+MEC边缘计算等技术搭建5G专网，降低网络时延，实现本地数据不出场，保障数据安全。前端感知采集设备(内置5G模组，专用5G数据卡)采集数据后通过5G室分AP经专网UPF直接上送到厂区生产平台服务器，且前端采集数据通过5G、DNN网络与生产平台服务器连接时完全与互联网隔离。

图1 网络拓扑

2 巡检系统设计

智能巡检系统采用三层架构，分为感知层、网络层、应用层。感知层通过分布式视觉监控和传感器检测设备，完成对现场设备运行及设备状态的采集；通信层主要作用是完成对来自现场检测设备状态参数及工作参数的网络传输，将相关数据传输至上层信息管理层，或将来自上层信息管理层的远程控制指令传输至各现场控制设备或者控制节点；应用层对感知层上传的数据进行数据分析、存储和展示(图形化显示)。对数据信息的存储、查询，以及根据数据信息做出超限报警、远程控制指令的下达，完成对设备的运行状态和工作参数的实时监测和远程控制。

2.1 前端感知层功能设计

智能巡检系统需要对电厂内设备状态的相关数据进行采集、检测和分析。其具体功能如下。

2.1.1 外观缺陷识别

部署分布式监控摄像头对管道的漏油、漏水等现象进行检测，对设备的外形异常如保温层破损、管道设备裂纹、部件变形等进行监测，并实现对外观异常如表面腐蚀、锈蚀、污损、变色等进行监控。

2.1.2 设备测温

(1)非接触式热成像测温：设备正常运行过程中，温度检测是保障设备运行可靠性的重要手段，通过部署红外热成像摄像头由运维人员设置红外普测任务，对电厂指定区域设备进行红外热成像测温。在巡检过程中，摄像头可实时读取设备的温度分布数据，实现监测所有设备工作温度状态的目的，全面掌握设备工作状态。

(2)接触式测温：针对轴承金属温度，及具体工艺温度测点，可靠性和准确性要求比较高，采用在线式温度传感器进行测温，利用捆绑式无线传感器，支持多个传感器数据接入终端集控，数据统一接入后台进行，设置阈值告警，同时根据温度曲线了解设备温度状态，分析设备运行健康程度。

2.1.3 设备测振

通过部署测振传感器实现对轴振、盖(瓦)振等参数进行监测，协助运维人员判明机器故障，使得这些故障在引起严重损坏前能及时发现并采取预防措施，保证机组安全运行。

2.1.4 液位监测

部署导波雷达或超声波液位传感器，采集油箱或水箱中的液体位置，实现对油箱、水箱的油位监测，并将数据实时上传至后台监控系统，实现液位差的安全告警。

2.1.5 噪音监测

在电厂环境内，众多的机械设备运行故障隐患或者故障发生时，均伴有特定的设备异常噪音的产生。为及时检测到设备异常噪音或者环境噪音，可在指定区域部署噪音传感器对噪音进行提取和分析。

2.2 巡检系统应用层功能设计

巡检系统应层主要对前端采集的数据进行管理、分析和展示。

2.2.1 信息展示功能

(1)厂站和机组信息显示：显示当前厂站的基本信息，如对电站的基本信息进行展示，包括当前发电生产的核心指标，如发电量数据、上网电量数据等。对各机组的开机/停机状态进行统一展示。

(2)巡检画面展示界面：可对当前的巡检画面进行展示，操作人员可通过切换摄像头、进入三维导航等功能，对系统当前的巡检区域、终端画面和三维虚拟画面进行切换。

(3)巡检告警信息：对系统巡检任务中发现的各项设备缺陷和故障告警信息进行展示和提醒，对缺陷的处置情况进行跟踪展示。

(4)个人工作台：个人工作台应能满足电站个性化设置。

2.2.2 设备的智能管理

设备管理功能可以查看和统计电厂全站的摄像头、测温及测振等前端感知设备的数量、在线数、在线率、录像完整性以及完好情况等信息。

2.2.3 设施管理

包括设备台账、工器具、技术文档、故障代码、设备评级、全景展示、设备智能看板等信息。

2.2.4 智能巡检管理

(1)巡检任务管理：按照巡检工作的性质，巡检任务有按照一定时间周期发生的周期性任务和临时产生的突发任务。巡检任务调度系统可以支持上述两种任务的定义，在系统中通过巡检地点、巡检单元、巡检项目的组合定义，创建针对性的巡检任务。

(2)巡检台账管理：巡检任务调度管理可以对巡检任务完成情况进行自动统计，包括巡检任务的完成数量、巡检用时，未能完成的异常巡检任务情况等，定期形成巡检任务台账。系统支持多种的巡检任务台账查看方式，包括按照巡检项目、巡检编号、专业、人员、时段、位置、线路等查询方式。

(3)智能预警分析：智能预警分析至少包含巡视视图分析内容、视频分析场景管理、视频分析和告警服务、基于知识库的故障告警服务。

(4)统计报表功能：可根据巡视工作要求在系统内提供按巡视周期及巡视内容标准巡视报表及巡视报告，支持报表及报告的自动统计及生成。

3 结语

基于5G新技术的智能巡检系统，可以将过去依赖人工的周期性巡检工作变为连续的巡检，实现全天候不间断地对设备状态的巡视，降低了巡检间隔时间，避免人工巡检多出现的巡检不到位、漏检的情况，提升了设备的可靠性[1]。同时新的智能巡检可实时对巡检的结果进行识别和诊断，通过与相关系统的接口及时对巡检结果进行数据的传递和应用，极大地提升了巡检数据处理及时性。