核电厂5G通信的应用

郑滟 荣月 欧阳思佳

1引言

5G 是能源转型的重要战略资源，5G 与能源行业高度融合可注入新的动力并为生产起到引领作用。核电作为能源行业不可或缺的一部分，发展5G 技术势在必行。

25G 技术

（1）5G 技术概述

5G 是第五代移动通信，是一个端到端的、全移动、全连接的生态系统。5G 的基本特征是高数率、低时延、海量设备连接、低功耗[1] 。

根据实验室理论数据，5G 移动通信的峰值吞吐率可达到10Gbps，并具有1ms 时延及100 万/ km2 的超大连接数，基于以上特性，主要从三方面概述5G 应用场景：eMBB 业务（增强型移动宽带）让我们可以随时随地高速接入網络、享受VR 和AR 等新业务并通过网络分享高清媒体视频;mMTC 业务（海量连接物联网）侧重海量大连接，使参与整个运行的事物具备可感知的能力，如个人穿戴设备（手表、耳机、手机等）、智慧家庭设备（家庭网关、声光报警器等）、智慧城市设备（共享单车、路灯等）都可以轻松接入网络并提供定制化服务;uRLLC 业务（超高可靠性、超低时延）使远程医疗、自动化交通控制和驾驶、智能工业制造成为现实。

（2）5G 与工业互联网融合应用

“5G+工业互联网”的行业应用主要包括电力、制造（电子、汽车、家电等）、港口、油田等，属于垂直行业应用。国内主要在电力、工厂制造等行业取得了一定的应用示范成果，涉及的业务种类主要包括工业控制类业务（如系统自动控制和远程控制等）、质量监测类业务和环境监测类业务（如物联网、大数据业务等）。

通用型应用主要包括5G 与工业AR/ VR、超高清视频、无人机、机器人等领域的结合[2] 。国内已取得的示范性应用成果包括信息监测、视频回传类业务（如工业AR/ VR 巡检、无人机巡检、机器人巡检、超高清视频监控等）和物流类业务（如采用AGV 完成的物料配送、仓储物流业务等）。从以上各行业应用现状观察，5G 应用的标准尚不健全，并且与产业环境的适配程度及应用模式的推广离全行业规模化应用尚有差距。期望在企业试点示范的带动下，尽早实现应用规范化。

35G网络技术

3.1网络构架

5G 网络架构由接入网、承载网和核心网组成。接入网是连接无线设备和终端传输的通道。5G 的基站通过接口对接核心网的控制面和用户面。5G 终端通过空中接口NR 接入网络，从而实现各种业务;承载网负责数据及语音业务的传输，其介质为光缆;核心网采用控制功能网元和用户功能网元分离构架，可实现移动与会话管理的同时性和独立性。用户面不同，控制面管理的特点也会不同，在确保会话质量基础上建立多样性的管理会话窗，有助于同时操作远端和实现本地分流。此外，在本地部署了移动网络边缘计算平台，可以以模块化的方式提供服务，而不需要进行网络的重新设计，使服务更靠近终端，从而降低延时并使平台更易于新增、部署和维护。

3.25G 技术场景和关键技术及之间的关系

根据业务需求，5G 技术场景包括面向移动互联网的连续广域、热点高容量场景以及面向物联网的低时延高可靠和低功耗大连接场景。

移动通信常见的覆盖形式是连续性、全面性的覆盖，即连续广域，此方式需要提供无缝高速业务体验，需要采用新型空分多址、支持多空间数据流多用户波的大规模天线阵列结合，提高频谱利用效率，使其具备多用户接入功能。在网络架构方面，采用协同技术，减少干扰，提供高效、稳定的数据速率。

热点容量高有利于满足数据流量和传输速率的要求，应用场景是热点区域。对于此场景的单位面积内频率效率的提升需要超密集组网技术;极高的传输速率需要时同频全双工技术。除此之外，频谱效率的提升仍然需要多址及天线阵列技术与组网技术、全双工技术的组合应用。

低功耗大连接与其他关键技术不同，主要应用领域是能源行业，在采集数据、控制传感方面发挥作用，需要注意的是，应用此技术时需要考虑设备接入量和功能消耗问题。多址技术可提升系统连接能力，D2D技术实现了通信终端之间的直接通信，降低了时延和功耗。此场景的碎片频谱灵活使用可借助复用技术和多载波技术实现。

低时延高可靠主要面向工业控制等具有特殊应用需求的场景，其采用极短的帧结构和更优的调制编码规则降低了空口和网络数据转发时延并提升了可靠性。网络架构方面采用了控制云的数据路径优化至靠近转发云和接入云的方案，以进一步降低传输时延。

4核电厂5G 网络推荐方案

4.1业务需求的设计

根据目前5G 发展水平及电厂环境应用，建议在建设阶段覆盖以下业务：单个设备故障可导致停堆、停机等重大设备的连续监视及故障预警;重要环境参数的数据采集及预警;放射源、危化品状态监控及移动流转溯源;照明、机柜风扇、火警探头等分布广泛系统设备简化运维;关键敏感区域出入管理;重要设备和区域的电子围栏等安保等级提升;高风险作业现场区域及时间提醒;重要作业现场、临时施工点、事故点的实时监控;井盖监控、漏水检测、停车位应用部署;建立核电站辐射监测信息网，实时传输辐射水平数据，工作人员剂量数据，热点防误入、高辐射区域人员出入管理、场所与厂区辐射危害实时监测、核清洁自动化与智能化、应急辐射防护实时监控、放射性物品实时管控等辐射防护需求;人员定位、清点及流量监控;在线培训考试、竞赛现场的实时监控等方面的管理提升。

运行巡检：巡检人员使用无线网络可进行实时录入发现的问题、进行照片上传及实时通信;行异常情况记录、巡检计划、路线、任务和内容的管理;边缘、危险区域的无人巡检。

运行操作：方便运行操作远程监护，运行操作电子记录，减少现场人因失误，实现运行规程等数字化移动应用。

移动维修：通过移动终端实现各种工作流程的申请、审批等业务及相应业务的状态提醒。

即时通信：实现点对点通话、多方通话、会议、广播等功能，提供语音、文字、短信、图片、视频等多媒体通信。

应急响应：使用无线网络信息传回指挥部，提高指挥调度和现场工作效率，实现人员清点搜救、事故人员疏散。

厂区配送与仓储管理：包括工器具跟踪及固定资产的定位和搜寻。

巡检安全：提高现场人员安全保护水平，避免走错隔间，放错设备。

操作安全：通过人员位置和设备位置确认避免人为操作错误。

辐射安全：对控制区域和进入控制区的人员辐射剂量进行实时监控;人员的装具佩戴监督、行为监督等。

在未来，随着5G 网络在电力系统的逐步普及应用，逐渐可由辅控扩展至专控，完成PLC 等总线控制转化。

4.2技术场景的选择

根据5G 应用的主要技术场景，厂前区域建筑为高密度办公区，属于热点高容量场景覆盖;核岛及常规岛区域应在建设阶段考虑PLC 控制需求组网，按照低时延高可靠场景进行组网设计;其他BOP 厂房在业务区域上属于低功耗大连接场景，也可以按照更高标准的“低时延高可靠场景”覆盖[3] 。

相应场景对应的关键技术须根据组网方式进一步确定。

4.3组网方式

由于企业对数据安全性要求高，公网传输方案无法满足企业需求。为了满足大带宽、低时延、高安全性的智能工业应用需求，5G 专网成为各行各业的企业优选。

5G 专网指的是专用于特定行业或企业的移动通信网络，有七种路径，如表1 所列。

目前，国内出现的5G 专网基本采用前者，并且已有很多成熟的部署方案。而关于两种方式哪种比较好的争议至今未有结果。

部分研究指出，新技术发展进步后，运营单位可以通过相关技术向各行各业提供公网服务，公网具有网络稳定、网速畅通的特点，为提高图谱利用率，减少成本损耗提供了机会。然而，面对此方案实施路径，出现很多质疑的声音，主要争议点集中在网络性质上。反方认为上述方案中的公网是不存在的，究其本质而言都是专网的范畴。未来能否真正实现专网和公网的融合还是一个未知数，需要依靠运营单位不断进行技术升级，为二者融合创造环境。

4.45G 加智能核电

5G 加智能运维：由于电厂的设备杂而多，若要实现设备的可管、可控、可视非常困难。然而，在5G 和数据运输等技术指导下，电厂设备可以增添很多监控、评估功能，切实实现智慧管理的目标。

5G 加安全生產：由于电力行业的特殊性，其安全生产问题尤为突出。通过5G 网络的覆盖，实现高危作业场景的无人化操作（如无人化天车系统），通过高清视频回传，实现远程操作，提升生产安全性，减少安全事故。

5G 加智能巡检：智能巡检依靠的技术主要有视觉成像、智能AI 系统等，通过自动化管理和远程操控管理，电厂设备可以提高运行效率，自主完成巡检任务，工作人员只需将检查内务相关指标设定完成，智能巡检便可投入使用，巡检过程高效，安全性能好，减少不必要的成本。

5G 加智慧生产控制：核电厂利用5G 相关技术，对厂内常用设备包括测量器械、控制平台等进行重新整合，建立完善的工业控制体系，实现远程在线检查、自动记录、前后台互动支持、智能辅助等功能支撑各类实时数据采集和远程控制。

5G 加智慧安全应急：5G 技术关键性特点是通信能力强，安全应急环节融入5G 可以有效减少安全事故，提高核电厂的安全等级。一旦出现人员伤亡、危险品暴露等问题，通信系统会自动发出警报，同时向总部传递实时画面，总部根据画面中呈现的问题及时给予指导，采取相关救援措施或者补救方法，最大限度减少伤害。

5G 加智慧调控：5G 技术中的网络切片技术可以对配电系统进行智能管控，系统识别出故障问题后，会自动调控其他电网线路，同时将数据传递到电力部门，进行实时共享。

5G 加智慧工地：在工地引入5G 通信技术，利用语音通信、人脸识别、RHD 等技术，综合记工地工作人员出勤率和来往车辆进入情况，针对进入现场人员的身份进行唯一性识别，实时掌握施工现场楼层分布、施工布局、实际施工人数等信息。

5G 加智能管理：根据大数据处理、5G 网络技术，可以对现场操作流程进行严格监督，总部数据管理平台与一线现场采取联网监督模式，总部发现问题时及时向一线施工现场进行预警提示，施工现场在观看预警视频后，及时找到对应节点，进行干预工作，实现智慧管理。

5G 加人工智能管路识别系统：基于5G 技术、GIS系统和AR 可以实时识别管路信息、进行管路定位，提高巡检效率。此系统搭配AR 巡检智能穿戴设备，如果遇到无法独立解决的问题，可向远程的专家发起视频通话，将现场的数据传回专家组，寻求更专业的帮助。也可通过GIS 系统后台预存图纸定位故障点，以方便后续处理。

5结束语

5G 不仅仅是运营商的5G，更是千行百业的5G，希望运营商、设备商、集成商能够密切合作，搭建适应电厂运营特点和传输网络，从而实现生产控制、智能巡检、运行维护、安全应急等智慧化管理目标。