基于5G 無人機(jī)電力巡維的實(shí)現(xiàn)與研究

李瞻宇，陳志林，姚 磊

（中國聯(lián)合網(wǎng)絡(luò)通信有限公司東莞市分公司，東莞 523000）

1 引言

電力工業(yè)在國民經(jīng)濟(jì)發(fā)展中起著中流砥柱的角色，尤其隨著社會的快速發(fā)展與科技的飛速進(jìn)步，對電力的需要變得越來越大。為此，國家加大對電網(wǎng)的投資建設(shè)，但由于我國國土面積遼闊、地形相對復(fù)雜，且氣象條件較為多變，電網(wǎng)規(guī)模的擴(kuò)張也伴隨著日常運(yùn)維工作的日漸艱難。一旦用電出現(xiàn)問題，不管是日常生活還是商業(yè)活動、工業(yè)生產(chǎn)都將受到巨大影響。

早期，電力巡檢一般以人力巡檢方式為主，即派出人員沿輸電線路實(shí)際巡視檢查輸電線及電力設(shè)備運(yùn)行情況。對于巡檢人員來說，不僅工作環(huán)境惡劣，而且面臨著一定的風(fēng)險(xiǎn)。無人機(jī)技術(shù)的發(fā)展為輸電線路的巡檢工作提供了新的平臺[1]，將無人機(jī)技術(shù)應(yīng)用于電力線路巡檢中，不但可以有效降低巡檢人員工作強(qiáng)度、提高安全性，還能快速、安全地對線路實(shí)施巡檢，保障電力運(yùn)行穩(wěn)定[2]。

無人機(jī)在執(zhí)行電力巡檢工作時(shí)，替代工作人員到“需要的地方”去采集“需要的信息”，圍繞目標(biāo)進(jìn)行360度零死角全方位拍攝，快速地傳達(dá)給地面工作人員，供他們作分析、判斷、制定解決方案。這個(gè)回傳的過程中，在3G/4G 時(shí)代，由于受帶寬的限制，無法高清實(shí)時(shí)的傳輸，延遲卡頓，采集數(shù)據(jù)有效性和一致性不佳。本文針對這一情況，先介紹了目前5G 的相關(guān)技術(shù)，在基于東莞聯(lián)通開通的5G 基站上，研究了無人機(jī)運(yùn)用5G 技術(shù)進(jìn)行電力巡維的技術(shù)方案，并在東莞供電局電力巡維中予以實(shí)現(xiàn)，為后續(xù)繼續(xù)深入研究及推廣提供了技術(shù)支撐。

2 5G 相關(guān)技術(shù)

2.1 5G 組網(wǎng)方式

5G 組網(wǎng)分為NSA 網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)（非獨(dú)立組網(wǎng)）與SA 網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)（獨(dú)立組網(wǎng)）[3]。SA 新建5G 基站和5G 核心網(wǎng)，5G 和4G 之間采用互操作方式，5G 終端無需同時(shí)接入4G 網(wǎng)絡(luò)，如圖1。NSA 新建5G 基站，采用4G 核心網(wǎng)或新建5G 核心網(wǎng)，5G 和4G 無需互操作，可同時(shí)在4G 和5G 網(wǎng)絡(luò)發(fā)起業(yè)務(wù)，5G 終端需同時(shí)接入4G網(wǎng)絡(luò)，需支持4G/5G 雙鏈接，如圖2。

圖1 5G獨(dú)立組網(wǎng)方式（SA）

圖2 4G/5G融合組網(wǎng)方式（NSA）

本文中東莞聯(lián)通5G 的開通就是基于NSA 的組網(wǎng)方式，以新建4G 作為控制面的錨點(diǎn)，4G 基站（eNB）為主站，5G 基站（gNB）為從站，并沿用4G 核心網(wǎng)。

2.2 5G 設(shè)備形態(tài)

5G 基站分為CU、DU 和AAU 三部分，其中的CU、DU 合設(shè)相當(dāng)于4G 基站的BBU，CU 和DU 既可以集中部署也可以分布式部署。5G 部署初期，5G 設(shè)備形態(tài)優(yōu)先選擇CU/DU 合設(shè)方式，未來隨著5G 垂直行業(yè)等新業(yè)務(wù)需求，可基于MEC 邊緣云，后續(xù)采用CU-DU 分離方式。目前主設(shè)備廠家CU、DU 以合設(shè)為主，如圖3

圖3 CU/DU部署靈活，AAU天面部署

本文中開通的5G 基站采用的是CU/DU 合設(shè)方式。天線側(cè)采用Massive MIMO 技術(shù)，射頻模塊與天線結(jié)合，一體化集成。在與東莞供電局合作開通的5G 站測試時(shí)，通過華為CPE 接入5G網(wǎng)絡(luò)，下行速率達(dá)802Mb/s，上行速率達(dá)93Mb/s，在為無人機(jī)巡航實(shí)時(shí)高清回傳，指導(dǎo)工作人員及時(shí)精準(zhǔn)的處理發(fā)現(xiàn)的情況提供了保障。

3 無人機(jī)電力巡維方案

無人機(jī)電力巡維過程，引言中有簡要提到，具體巡維流程如圖4。需要強(qiáng)調(diào)的是，為保障任務(wù)的順利進(jìn)行，巡維流程中的每一步，不管是巡維數(shù)據(jù)準(zhǔn)備階段、無人機(jī)巡維準(zhǔn)備階段、無人機(jī)巡維階段及回收階段都需要提前精心準(zhǔn)備。但在當(dāng)前的4G 主流網(wǎng)絡(luò)下，只能支持1K 的圖傳，視頻和圖片的清晰度在放大后不夠清晰，會錯(cuò)過某些細(xì)節(jié)檢查。而5G 網(wǎng)絡(luò)可實(shí)現(xiàn)上行單用戶體驗(yàn)速率100Mb/s 以上，空口時(shí)延低于10ms，將使得實(shí)時(shí)回傳視頻更加流暢、更加清晰、巡維效果更優(yōu)，如圖5。

圖4 無人機(jī)巡維流程圖

圖5 5G無人機(jī)巡維示意圖

無人機(jī)能搭載多種傳感器（高清變焦相機(jī)、紅外相機(jī)、夜視相機(jī)、激光雷達(dá)等），這些傳感器通過連入5G 網(wǎng)絡(luò)的CPE 將視頻流回傳到流媒體服務(wù)器中，巡維人員再通過 PC 從該服務(wù)器拉流觀看巡查，實(shí)現(xiàn)電力線巡查高清視頻的即拍即傳。多機(jī)能協(xié)同360度全景拍攝，地面站與管理中心進(jìn)行內(nèi)外場協(xié)同作業(yè)，即時(shí)發(fā)現(xiàn)問題并進(jìn)行圖像復(fù)采集，作業(yè)效率顯巨提升。

4 變電站5G 遠(yuǎn)程控制無人機(jī)定點(diǎn)巡航實(shí)例

實(shí)例中無人機(jī)為深圳科比特的多旋翼無人機(jī)，根據(jù)東莞供電局無人機(jī)巡維5G 覆蓋需求，東莞聯(lián)通在東莞供電局的將軍變電站與立新站巡維中心新增兩個(gè)華為5G 基站。變電站內(nèi)各設(shè)備通過激光雷達(dá)掃描、三維建模，建成三維實(shí)景系統(tǒng)，建立了基于GPS 的三維坐標(biāo)系，無人機(jī)能根據(jù)這坐標(biāo)系定位調(diào)試自主巡航?？刂浦行脑O(shè)在立新站巡維中心，東莞供電局變電管理二所管理操作指令。隨著操作人員按下“智能一鍵操作”按鈕，將軍變電站無人機(jī)已按設(shè)定的命令巡維，5分鐘后，立新巡維中心在調(diào)度系統(tǒng)確認(rèn)“110千伏立將甲線由熱備用狀態(tài)轉(zhuǎn)為冷備用狀態(tài)”。

傳統(tǒng)的操作模式下，110千伏線路操作平均需耗時(shí)40分鐘，并且需要2名值班人員到站配合操作，而應(yīng)用5G 無人機(jī)配合程序化操作模式，耗時(shí)只需5分鐘，全過程無需人工干預(yù)。5G 無人機(jī)根據(jù)預(yù)設(shè)的程序自動實(shí)現(xiàn)了工業(yè)數(shù)據(jù)的自動化采集、智能化數(shù)據(jù)處理，能夠自動識別操作步驟，完成設(shè)備狀態(tài)校核，并檢查是否正確操作，在確保安全的前提下極大了提高了停送電操作效率。

5 結(jié)語

無人機(jī)電力巡維在4G 網(wǎng)絡(luò)時(shí)代所受的掣肘，5G 技術(shù)的到來已迎刃而解?；?G 的無人機(jī)電力巡維進(jìn)一步解放了生產(chǎn)力，提升了巡維工作的質(zhì)量與效率，降低巡檢工作投入的人工、財(cái)力及物資等成本，為電力企業(yè)安全發(fā)展提供了重要的技術(shù)保障。本文在基于5G 技術(shù)上，研究了無人機(jī)進(jìn)行電力巡維的技術(shù)方案，并以東莞供電局實(shí)現(xiàn)的5G 無人機(jī)電力巡維作為實(shí)例，為后續(xù)繼續(xù)深入研究及推廣提供了理論依據(jù)及實(shí)踐經(jīng)驗(yàn)。