5G專網(wǎng)在電廠標(biāo)準(zhǔn)化作業(yè)安全管控的應(yīng)用

黃 雄，沈 軍，陳思勤，劉 峰，李曉斐，康新民，于 清，黃海濱

(1.華能集團(tuán)有限公司上海石洞口第二電廠，上海 200942；2.北京宇時(shí)易能科技發(fā)展有限公司，北京 100085)

0 引言

2020年是5G加速落地的關(guān)鍵一年，與工業(yè)化深度融合更是成為現(xiàn)代工業(yè)社會(huì)的基石。作為富有發(fā)展前景和極大發(fā)展空間的5G落地領(lǐng)域之一，電力行業(yè)也開啟了智慧化、現(xiàn)代化升級(jí)的新征程。華能集團(tuán)上海石洞口第二電廠(簡(jiǎn)稱石洞口二電廠)結(jié)合5G專網(wǎng)突出的技術(shù)優(yōu)勢(shì)，從電力標(biāo)準(zhǔn)作業(yè)安全管控實(shí)際應(yīng)用案例出發(fā)，描述5G時(shí)代工業(yè)領(lǐng)域釋放的巨大紅利。項(xiàng)目的成功落地為作業(yè)人員安全作業(yè)提供充足保障，使得安監(jiān)管理人員運(yùn)用智能化工具高效、可靠地開展管控工作成為現(xiàn)實(shí)。

1 5G專網(wǎng)的概念

工信部前部長(zhǎng)苗圩曾表示，5G的應(yīng)用場(chǎng)景中約20 %是ToC，80 %是ToB，而5GToB市場(chǎng)的突破點(diǎn)在于“先為各行業(yè)部署5G專網(wǎng)”。GSMA預(yù)測(cè)2025年5G連接將達(dá)到17億，行業(yè)專網(wǎng)部署預(yù)計(jì)達(dá)25 %～40 %。

5G專網(wǎng)本義在于特定區(qū)域?qū)崿F(xiàn)網(wǎng)絡(luò)信號(hào)覆蓋，并為特定用戶提供通信服務(wù)，滿足特定內(nèi)容服務(wù)商(SP)的商業(yè)模式的專業(yè)網(wǎng)絡(luò)。區(qū)別于公共網(wǎng)絡(luò)，5G專網(wǎng)具有差異化的本地服務(wù)、可定制化的建網(wǎng)成本、靈活的安全管控、個(gè)性化的自服務(wù)等諸多特點(diǎn)，5G專網(wǎng)可以通過以下兩種方式來實(shí)現(xiàn)：第一種是部署物理隔離的5G專網(wǎng)(孤島)，該網(wǎng)絡(luò)獨(dú)立于電信運(yùn)營(yíng)商的5G公網(wǎng)；第二種是通過共享電信運(yùn)營(yíng)商的5G公網(wǎng)資源來構(gòu)建5G專網(wǎng)，由運(yùn)營(yíng)商來為企業(yè)建立專用的5G網(wǎng)絡(luò)。

2 5G技術(shù)的明顯優(yōu)勢(shì)

與4G相比，5G達(dá)成高速率、可靠低時(shí)延、海量接口等三大升級(jí)。三大技術(shù)對(duì)應(yīng)不同場(chǎng)景，其中低時(shí)延、高可靠性通信主要面向工業(yè)控制等行業(yè)特殊應(yīng)用，需要達(dá)成毫秒級(jí)時(shí)延和接近100 %的可靠性。5G的毫秒級(jí)時(shí)延與千兆級(jí)網(wǎng)絡(luò)，將能高效連結(jié)云端計(jì)算，節(jié)省終端的算力需求，支持4K/8K高清視頻，讓更多工業(yè)場(chǎng)景應(yīng)用得以實(shí)現(xiàn)。

下面以一個(gè)電廠應(yīng)用案例來解釋5G技術(shù)支撐下該電廠的明顯改變。

在4G情況下，由于畫面?zhèn)鬏斔俣嚷?、延遲高，在遠(yuǎn)程操作過程中，如果發(fā)生錯(cuò)誤，可能還沒收到畫面發(fā)現(xiàn)其中的錯(cuò)漏，就已經(jīng)進(jìn)行了下一步操作。香農(nóng)第二定律告訴我們：信息傳輸率超過了信道容量，就不可能實(shí)現(xiàn)可靠的傳輸。這時(shí)候的出錯(cuò)率是100 %。這是目前依然不能脫離現(xiàn)場(chǎng)安監(jiān)的本質(zhì)原因，因?yàn)楫嬅娴那逦纫约把舆t問題無法徹底得到解決。

5G的帶寬比4G大10倍以上，可以將更大碼流的視頻數(shù)據(jù)實(shí)時(shí)上傳，從而保證視頻質(zhì)量更清晰。視頻圖像中連配電柜上的小數(shù)字都能顯示得清清楚楚。對(duì)于工作人員來說，感受差別就更明顯了。在5G高傳輸、低延遲的支持下，一旦發(fā)現(xiàn)錯(cuò)誤，就可立即命令停止操作，避免了更多錯(cuò)誤的發(fā)生。

總結(jié)來說，5G技術(shù)相比4G明顯的技術(shù)優(yōu)勢(shì)對(duì)比如表1所示。

表1 4G與5G主要技術(shù)參數(shù)對(duì)比

3 5G專網(wǎng)組網(wǎng)方案

3.1 整體組網(wǎng)

石洞口二電廠在整個(gè)項(xiàng)目在方案規(guī)劃期，就基于5G的網(wǎng)絡(luò)環(huán)境進(jìn)行全面考慮，先后與中國(guó)移動(dòng)通信公司、鐵塔公司就5G環(huán)境在該廠的搭建進(jìn)行了充分的探討和設(shè)計(jì)，在進(jìn)行智能本質(zhì)安全管控平臺(tái)開發(fā)的同時(shí)進(jìn)行了5G環(huán)境的全面建設(shè)。

本次5G專網(wǎng)的運(yùn)營(yíng)商是中國(guó)移動(dòng)上海公司（簡(jiǎn)稱上海移動(dòng)），其整體組網(wǎng)架構(gòu)如圖1所示。

圖1 整體網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)

專網(wǎng)由以下幾個(gè)部分組成：5G終端，5G無線基站，5G承載網(wǎng)和5G核心網(wǎng)。這些設(shè)備均遵從國(guó)際3GPP協(xié)議規(guī)范，并滿足99.999 %以上的電信級(jí)可靠性。

(1) 5G終端：5G CPE作為5G接入終端，本次5G終端采用華為CPE INS (CPE: customer premise equipment，客戶終端設(shè)備)設(shè)備。華為CPE INS業(yè)界首款基于3GPP標(biāo)準(zhǔn)的5G高性能的終端設(shè)備，實(shí)現(xiàn)5G網(wǎng)絡(luò)的接入，并將5G信號(hào)轉(zhuǎn)換成WIFI信號(hào)和網(wǎng)線接入，攝像頭等通過和CPE相連( WIFI或者網(wǎng)線，帶2個(gè)網(wǎng)口)，實(shí)現(xiàn)應(yīng)用終端通過5G網(wǎng)絡(luò)和應(yīng)用服務(wù)器的連接。

(2) 5G無線基站：5G基站實(shí)現(xiàn)5G用戶的接入和用戶數(shù)據(jù)的空口傳輸。本次在石洞口二電廠園區(qū)內(nèi)共部署6個(gè)5G室外宏站，用于5G信號(hào)傳輸，估算區(qū)域內(nèi)站距約為580 m。

(3) 5G承載網(wǎng)：承載網(wǎng)的作用是將5G基站連接至核心網(wǎng)，實(shí)現(xiàn)5G用戶信令和用戶數(shù)據(jù)的傳輸。上海移動(dòng)專門為5G網(wǎng)絡(luò)建設(shè)了一張承載網(wǎng)，包含接入層、匯聚層和核心網(wǎng)等網(wǎng)元設(shè)備，該承載網(wǎng)只用于承載5G基站業(yè)務(wù)，并且是一張內(nèi)部網(wǎng)絡(luò)。

本次在新蘊(yùn)川機(jī)房部署了上海移動(dòng)承載網(wǎng)的接入層設(shè)備，并和同廠區(qū)內(nèi)5G基站相連，實(shí)現(xiàn)5G基站和核心網(wǎng)之間的信令和數(shù)據(jù)連接。5G網(wǎng)絡(luò)及華能用戶面網(wǎng)元設(shè)備(user plane runction，UPF)連接全景如圖2所示。

圖2 5G網(wǎng)絡(luò)及華能UPF連接全景

(4) 5G核心網(wǎng)：5G核心網(wǎng)的功能主要是提供用戶連接、對(duì)用戶的管理以及對(duì)業(yè)務(wù)完成承載，作為承載網(wǎng)絡(luò)提供到外部網(wǎng)絡(luò)的接口。核心網(wǎng)包含控制面部分和用戶面部分，控制面負(fù)責(zé)管理用戶接入、建立和管理分發(fā)業(yè)務(wù)數(shù)據(jù)的路線，用戶面負(fù)責(zé)執(zhí)行分發(fā)用戶的業(yè)務(wù)數(shù)據(jù)。

本次核心網(wǎng)部署包含兩個(gè)部分，控制面網(wǎng)元設(shè)備部署在上海移動(dòng)欽州76號(hào)機(jī)房的核心網(wǎng)中，用戶UPF部署于石洞口二電廠廠區(qū)機(jī)房?jī)?nèi)，UPF通過接入到承載網(wǎng)接入點(diǎn)上，實(shí)現(xiàn)用戶面網(wǎng)元和控制面網(wǎng)元的交互，并且實(shí)現(xiàn)了5G基站和核心網(wǎng)之間的連接。

3.2 安全責(zé)任邊界劃分

按照國(guó)家安全等級(jí)保護(hù)要求，首先需要分析、確定定級(jí)的對(duì)象，對(duì)等級(jí)保護(hù)對(duì)象的重要性、邊界、網(wǎng)絡(luò)拓?fù)洹⒃O(shè)備、應(yīng)用、用戶等情況進(jìn)行分析和描述。對(duì)于石洞口二電廠5G專網(wǎng)來說，需要?jiǎng)澐蛛姀S和中國(guó)移動(dòng)之間的網(wǎng)絡(luò)/資產(chǎn)邊界，圈定清楚電廠的等級(jí)保護(hù)對(duì)象范圍。

本次石洞口二電廠電力工業(yè)網(wǎng)絡(luò)為三級(jí)體系，包含應(yīng)用、網(wǎng)絡(luò)、終端三部分。5G CPE等應(yīng)用終端、防火墻、電廠內(nèi)部網(wǎng)絡(luò)、服務(wù)器等是電廠等級(jí)保護(hù)定級(jí)對(duì)象范圍，此部分可參照等級(jí)保護(hù)三級(jí)相關(guān)要求實(shí)施安全防護(hù)；RAN，UPF，5GC等是中國(guó)移動(dòng)的ICT基礎(chǔ)設(shè)施，安全責(zé)任由中移動(dòng)承擔(dān)。兩者之間需要進(jìn)行嚴(yán)格的隔離，承載在中國(guó)移動(dòng)基礎(chǔ)設(shè)施上的企業(yè)數(shù)據(jù)，需要通過VPN或者TLS的方式，確保傳輸數(shù)據(jù)加密和完整性保護(hù)。

4 基于5G專網(wǎng)的智能本安管控平臺(tái)

石洞口二電廠與北京宇時(shí)易能科技發(fā)展有限公司合作研發(fā)的智能化本質(zhì)安全管控平臺(tái)（以下簡(jiǎn)稱“平臺(tái)”），作為科技項(xiàng)目，已列入《中國(guó)華能集團(tuán)有限公司2020年安全工作要點(diǎn)》。該平臺(tái)危險(xiǎn)作業(yè)智能管控、安全監(jiān)控預(yù)警等模塊構(gòu)成通過智能化手段實(shí)現(xiàn)對(duì)電廠標(biāo)準(zhǔn)化作業(yè)風(fēng)險(xiǎn)隱患的預(yù)防機(jī)制及無死角管控。智能本安管控平臺(tái)完善的架構(gòu)，真正讓平臺(tái)成為領(lǐng)導(dǎo)的“眼睛”、安監(jiān)管理人員的“工具”、作業(yè)人員的“警鐘”。

(1) 電廠標(biāo)準(zhǔn)化作業(yè)管控。電力行業(yè)一向高度重視安全培訓(xùn)教育，但為什么安全作業(yè)事故依然時(shí)有發(fā)生。這主要是因?yàn)樽鳂I(yè)安全交底措施通常是前置的，作業(yè)人員當(dāng)時(shí)雖然聽了，也確認(rèn)了，但往往容易流于形式。因主設(shè)備及主要輔助設(shè)備作業(yè)周期時(shí)間跨度較長(zhǎng)，作業(yè)人員在具體作業(yè)中可能已經(jīng)將數(shù)日前進(jìn)行的安全交底淡忘，更可能出現(xiàn)“疏忽”“誤操作”等情形，并沒有真正起到作業(yè)安全本質(zhì)防范的目的。

通過平臺(tái)的移動(dòng)端APP就地執(zhí)行操作票的各項(xiàng)操作和工作票的安全措施，有效防止安全措施的漏操作、誤操作，實(shí)現(xiàn)“兩票”執(zhí)行過程的全方位監(jiān)控。安措的落實(shí)和操作票的執(zhí)行必須經(jīng)過手機(jī)APP確認(rèn)完成，以規(guī)范員工作業(yè)操作流程，降低員工違章操作概率。完成過程可通過語音、視頻、文本、圖片記錄，為日后追溯提供證據(jù)依據(jù)。

(2) “風(fēng)險(xiǎn)直擊”——作業(yè)過程視頻聯(lián)動(dòng)監(jiān)控。平臺(tái)在硬件方面，研發(fā)了智能接駁終端，支持以太網(wǎng)、藍(lán)牙、WIFI、無線網(wǎng)橋、5G等各種有線、無線網(wǎng)絡(luò)信號(hào)連接協(xié)議，可針對(duì)危險(xiǎn)作業(yè)快速設(shè)置視頻聯(lián)動(dòng)安措機(jī)制，支持工業(yè)電視、移動(dòng)攝像機(jī)、智能安全帽(帶攝像機(jī))接入作業(yè)監(jiān)控系統(tǒng)。系統(tǒng)支持作業(yè)現(xiàn)場(chǎng)快速設(shè)置可移動(dòng)攝像機(jī)，支持與對(duì)作業(yè)全程進(jìn)行實(shí)時(shí)監(jiān)控。

通過平臺(tái)的“風(fēng)險(xiǎn)直擊”頁面，也可以清晰地看到電廠標(biāo)準(zhǔn)作業(yè)工序，通過APP進(jìn)行操作確認(rèn)，在現(xiàn)場(chǎng)5G環(huán)境下實(shí)時(shí)高清顯示作業(yè)進(jìn)程，如有工序遺漏、違章操作則系統(tǒng)直接出發(fā)報(bào)警。

5 項(xiàng)目整體總結(jié)

5G環(huán)境下的安全管控系統(tǒng)的超前的設(shè)計(jì)理念的和部分應(yīng)用實(shí)踐，能夠有效提升發(fā)電企業(yè)本質(zhì)安全管理水平，預(yù)計(jì)可以在發(fā)電行業(yè)快速推廣應(yīng)用，取得良好的社會(huì)效益。但也存在一些問題需要后續(xù)進(jìn)一步改進(jìn)：

(1) 5G信號(hào)在電廠的穿透性和穩(wěn)定性有待檢驗(yàn)。電廠內(nèi)部結(jié)構(gòu)復(fù)雜、設(shè)備密集，現(xiàn)場(chǎng)存在電磁、低頻干擾等情況，5G信號(hào)的穿透性和穩(wěn)定性有待現(xiàn)場(chǎng)檢驗(yàn)。

(2) 本次5G環(huán)境的搭建是建立專用的廠級(jí)網(wǎng)絡(luò)，前期投入整體較大。

(3) 現(xiàn)階段5G資費(fèi)代價(jià)高，給電力企業(yè)帶來較大運(yùn)營(yíng)成本。