5G網(wǎng)絡(luò)在核電廠中的應(yīng)用研究

方 郁，呂躍躍，鐘質(zhì)飛，熊國(guó)華，楊壯豪

（中廣核研究院有限公司，廣東 深圳 518000）

0 引言

隨著信息的快速發(fā)展，第五代移動(dòng)通信網(wǎng)絡(luò)已經(jīng)由概念變?yōu)楝F(xiàn)實(shí)，結(jié)合工業(yè)物聯(lián)網(wǎng)、人工智能、大數(shù)據(jù)等新技術(shù)，5G網(wǎng)絡(luò)在鋼鐵、港口、電力、礦山等涉及國(guó)計(jì)民生重大領(lǐng)域開展了垂直行業(yè)應(yīng)用，并取得了良好的經(jīng)濟(jì)與社會(huì)效益。中國(guó)作為全球裝機(jī)容量第二，在建容量第一的核能大國(guó)，核能行業(yè)面臨信息技術(shù)飛速發(fā)展，安全與經(jīng)濟(jì)等市場(chǎng)競(jìng)爭(zhēng)的新要求，迫切需要新的信息技術(shù)與業(yè)務(wù)的深度融合，并轉(zhuǎn)變?yōu)樾碌纳a(chǎn)力。因此，在核電廠中引入5G+新技術(shù)，圍繞核電建設(shè)、運(yùn)行和大修等核心業(yè)務(wù)，高度集成各個(gè)階段的信息、業(yè)務(wù)、數(shù)據(jù)、資源，促進(jìn)核電廠協(xié)同運(yùn)作，信息高效流通，并通過一系列工具、終端開發(fā)和應(yīng)用，推進(jìn)實(shí)現(xiàn)核電全生命周期的信息化、數(shù)字化、網(wǎng)絡(luò)化、智能化，已成為智慧核電發(fā)展的重要方向之一。

1 核電廠網(wǎng)絡(luò)通信現(xiàn)狀

目前國(guó)內(nèi)核電廠采用的無線通信技術(shù)主要包括WiFi、無線集群、McWiLL和LTE等，這些無線通信系統(tǒng)有的已經(jīng)投入運(yùn)行，有的正在建設(shè)當(dāng)中。其中，海陽核電廠、石島灣核電廠、秦山第二核電廠、三門核電廠、臺(tái)山核電廠和防城港核電廠等采用WiFi技術(shù)，大亞灣核電廠和嶺澳核電廠等采用LTE技術(shù)，紅沿河核電廠、寧德核電廠和陽江核電廠等采用McWiLL技術(shù)。目前，已建設(shè)的核電廠無線通信系統(tǒng)大部分實(shí)現(xiàn)了語音通信，但是數(shù)據(jù)通信及各類智能應(yīng)用尚未大規(guī)模開展[1]。

自2019年5G牌照正式發(fā)放以來，黨和國(guó)家高度重視5G技術(shù)發(fā)展及工業(yè)應(yīng)用。工信部《關(guān)于推動(dòng)5G加快發(fā)展的通知》《能源領(lǐng)域5G應(yīng)用實(shí)施方案》等一系列文件相繼發(fā)布[2,3]，引導(dǎo)5G技術(shù)良性發(fā)展，其具有連續(xù)廣域覆蓋，低延時(shí)高可靠、熱點(diǎn)高容量、低功耗大連接等特點(diǎn)，主要面向移動(dòng)物聯(lián)網(wǎng)，使得5G應(yīng)用進(jìn)入千行百業(yè)，與工業(yè)生產(chǎn)深度融合后，逐步成為支撐工業(yè)智能化轉(zhuǎn)型的信息基礎(chǔ)設(shè)施。目前國(guó)內(nèi)工業(yè)領(lǐng)域已先行開展的試點(diǎn)示范應(yīng)用主要以機(jī)器換人、遠(yuǎn)程現(xiàn)場(chǎng)、機(jī)器視覺等應(yīng)用為主，在環(huán)境上主要針對(duì)具有大開放性空間（室外、港口、廠房、碼頭）和設(shè)備具有移動(dòng)需求的場(chǎng)所。在核電領(lǐng)域，5G公用網(wǎng)絡(luò)在各核電廠生活區(qū)域已全面覆蓋，但在工業(yè)應(yīng)用場(chǎng)合，目前尚未開展基于5G專網(wǎng)的相關(guān)應(yīng)用研究。

2 核電典型應(yīng)用需求分析

結(jié)合5G網(wǎng)絡(luò)的三大特點(diǎn)，其應(yīng)用需求可分為如下：

1）增強(qiáng)移動(dòng)帶寬應(yīng)用

5G智能視頻分析：5G+邊緣云，實(shí)現(xiàn)快速部署和AI智能識(shí)別功能，安全邊界管控與人臉追蹤。

基于5G智能頭盔的單兵作業(yè)系統(tǒng)，實(shí)現(xiàn)機(jī)組大修期間作業(yè)人員視頻交互與工作過程可視化，AR/VR員工培訓(xùn)與遠(yuǎn)程專家指導(dǎo)，人員健康管理。

2）海量物聯(lián)網(wǎng)連接應(yīng)用

基于5G網(wǎng)絡(luò)的智能可穿戴設(shè)備，實(shí)現(xiàn)核電建造與大修期間的作業(yè)管控與人員管理，實(shí)現(xiàn)智慧建造與智慧運(yùn)維；適配5G智能儀表與傳感，實(shí)時(shí)采集環(huán)境、設(shè)備、器具、劑量等信息，實(shí)現(xiàn)基于大數(shù)據(jù)的三維可視化核電智慧管控。

3）超高可靠超低延時(shí)應(yīng)用

通過適配基于時(shí)間敏感網(wǎng)絡(luò)（Time Sensitive Networking，TSN）的交換設(shè)備，實(shí)現(xiàn)繼電保護(hù)、實(shí)體保衛(wèi)邊界機(jī)器人巡視，5G網(wǎng)絡(luò)與工控設(shè)備有線到無線連接替換，智能搬運(yùn)、核燃料操作培訓(xùn)等。

3 5G網(wǎng)絡(luò)在核電廠的典型應(yīng)用場(chǎng)景

3.1 5G+智慧作業(yè)

針對(duì)核電生產(chǎn)的作業(yè)管控、安全監(jiān)督和人員管理等問題，結(jié)合基于5G網(wǎng)絡(luò)的智能可穿戴設(shè)備終端系統(tǒng)（見圖1），包含但不限于智能安全帽、智能護(hù)目鏡、智能聽力防護(hù)耳塞和無紙化作業(yè)終端，實(shí)現(xiàn)高清（4K/8K）視頻、音頻、環(huán)境（輻照、溫濕度、氧含量、有毒氣體等）、定位、體征狀態(tài)等重要敏感信息的實(shí)時(shí)采集，實(shí)現(xiàn)作業(yè)人員管控、主動(dòng)安全防護(hù)、人員違章甄別、遠(yuǎn)程專家指導(dǎo)、人員健康（含情感）狀態(tài)分析、環(huán)境預(yù)警、電子圍欄、三維導(dǎo)航、無紙化作業(yè)等功能。利用5G網(wǎng)絡(luò)廣連接和高速率的特點(diǎn)，實(shí)現(xiàn)核電生產(chǎn)過程中的大規(guī)模監(jiān)測(cè)物聯(lián)網(wǎng)終端組網(wǎng)和高速傳輸，完成大規(guī)模作業(yè)人員可穿戴設(shè)備超多路高清（4K/8K）視頻等信息的同步獲取，保障大規(guī)模作業(yè)人員的協(xié)同作業(yè)。

圖1 面向核電應(yīng)用的可穿戴設(shè)備終端系統(tǒng)Fig.1 Wearable device terminal system for nuclear power application

3.2 5G+可重構(gòu)故障預(yù)測(cè)與健康管理

在核電站單臺(tái)機(jī)組中，各類大型機(jī)械設(shè)備達(dá)數(shù)千個(gè)，是核電站維護(hù)成本最高，工作量最大，難度最大，檢修耗時(shí)最長(zhǎng)的一類設(shè)備。目前，該類設(shè)備的維護(hù)主要通過大修期間的定期檢修實(shí)現(xiàn)，即到達(dá)檢修節(jié)點(diǎn)后，無論設(shè)備狀態(tài)是否正常，均對(duì)設(shè)備進(jìn)行全面檢修。由于設(shè)備拆卸、清理、回裝和再鑒定試驗(yàn)均需耗費(fèi)大量時(shí)間，故該維護(hù)方式大大增加了核電站的大修工期，在增加成本的同時(shí)降低了機(jī)組年發(fā)電量，是制約核電站經(jīng)濟(jì)性的重要原因之一。隨著故障預(yù)測(cè)與健康管理（PHM）技術(shù)的發(fā)展，已進(jìn)行PHM在典型設(shè)備上的應(yīng)用研究，從而實(shí)現(xiàn)更加科學(xué)的檢修策略，實(shí)現(xiàn)原材料節(jié)約，無序工序減少，機(jī)組故障診斷和無人化健康管理[4]，提升核電廠的設(shè)備與系統(tǒng)運(yùn)維的經(jīng)濟(jì)性和可靠性。

針對(duì)傳統(tǒng)故障預(yù)測(cè)與健康管理（Fault Prediction and Health Management，簡(jiǎn)稱PHM）手段的不足：① PHM需新增大量傳感器，對(duì)應(yīng)的信號(hào)電纜大大增加了施工難度和硬件成本；② 需對(duì)應(yīng)新增大量監(jiān)測(cè)機(jī)柜，在設(shè)備布置和成本控制上存在巨大挑戰(zhàn)；③ PHM系統(tǒng)多為定制方案，多數(shù)傳感器需同PHM系統(tǒng)同步安裝和同步運(yùn)行，且一經(jīng)投入僅能為當(dāng)前設(shè)備服務(wù)，缺乏靈活性。利用5G技術(shù)超大節(jié)點(diǎn)規(guī)模、低時(shí)延和高可靠的特點(diǎn)，結(jié)合面向核電行業(yè)的5G可重構(gòu)PHM終端設(shè)備，實(shí)現(xiàn)PHM系統(tǒng)所需的傳感器（如高清視頻、振動(dòng)、溫度、聲波等）通過5G靈活入網(wǎng)，完成測(cè)量節(jié)點(diǎn)的靈活部署和可靠傳輸，為“核電云”中實(shí)現(xiàn)故障預(yù)測(cè)提供更加靈活的數(shù)據(jù)源，實(shí)現(xiàn)PHM系統(tǒng)的可重構(gòu)，如圖2。徹底解決信號(hào)電纜及配套機(jī)柜的布置難題，并大大提升布置靈活性，給PHM系統(tǒng)的發(fā)展帶來全新的實(shí)現(xiàn)方案。

圖2 傳統(tǒng)PHM和基于5G的PHM對(duì)比框圖Fig.2 Comparative block diagram of traditional PHM and 5G-based PHM

圖3 核電5G專網(wǎng)方案架構(gòu)圖Fig.3 Architecture diagram of nuclear power 5G private network scheme

3.3 5G+冷源監(jiān)視

近年來，國(guó)內(nèi)核電廠已發(fā)生多起由于海生物（毛蝦、海地瓜、水母、筆帽螺、棕囊藻等）或海洋雜物堵塞取水口而引發(fā)的跳機(jī)、跳堆事件。從歷史數(shù)據(jù)統(tǒng)計(jì)看，國(guó)內(nèi)目前投運(yùn)的核電廠址均發(fā)生過類似異常，并逐年呈上升趨勢(shì)。核電廠取水口堵塞問題不但可能對(duì)機(jī)組的運(yùn)行產(chǎn)生影響，導(dǎo)致機(jī)組被迫降功率或停堆停機(jī)，甚至?xí)?duì)核電廠最終熱阱的可用性構(gòu)成威脅,危及核安全。因此，通過開發(fā)基于5G傳輸?shù)暮穗娺M(jìn)水渠海生物、海流及攔網(wǎng)設(shè)施工作狀態(tài)監(jiān)測(cè)系統(tǒng)級(jí)終端，利用已有建構(gòu)筑物搭載高清（4K/8K）視頻矩陣等監(jiān)測(cè)設(shè)備，為實(shí)現(xiàn)進(jìn)水渠水母、毛蝦、藻類等致災(zāi)生物的深度分析提供實(shí)時(shí)、可靠的信息源，為電廠冷源應(yīng)急響應(yīng)決策提供數(shù)據(jù)信息。同時(shí)，結(jié)合基于5G的無人機(jī)遙感系統(tǒng)，實(shí)現(xiàn)對(duì)冷源附近海域的水面海生物/漂浮物的快速檢測(cè)，形成遠(yuǎn)中近兼顧，水面水下兼顧，監(jiān)測(cè)程度粗細(xì)兼顧的冷源監(jiān)視系統(tǒng)。

4 基于應(yīng)用場(chǎng)景的5G專網(wǎng)設(shè)計(jì)方案

5G定制專網(wǎng)是指將5G技術(shù)創(chuàng)建具有統(tǒng)一連接性、優(yōu)化服務(wù)和特定區(qū)域內(nèi)安全通信方式的專用網(wǎng)絡(luò)[5]。在核電廠內(nèi)部建設(shè)完全專用的5G無線網(wǎng)、5G核心網(wǎng)、UPF、MEC，整個(gè)網(wǎng)絡(luò)獨(dú)立于公網(wǎng)，邏輯網(wǎng)絡(luò)和物理硬件均隔離，實(shí)現(xiàn)核電專網(wǎng)的高安全性。無線資源占用上，核電應(yīng)用終端獨(dú)享所有的無線資源，可根據(jù)應(yīng)用終端的特性進(jìn)行終端切片；用戶管理上，所有用戶由核電自行管理，未經(jīng)授權(quán)的公眾用戶無法使用該網(wǎng)絡(luò)，保障5G專網(wǎng)的接入安全域；用戶面數(shù)據(jù)上，屬于專網(wǎng)設(shè)備的數(shù)據(jù)流量被傳遞到企業(yè)私有UPF，僅保留在企業(yè)中，系統(tǒng)帶寬為核電業(yè)務(wù)獨(dú)享，數(shù)據(jù)安全性、通信質(zhì)量可得到最大限度的保障。UPF和MEC位于核電廠區(qū)，可在Device-gNB-UPF-MEC之間提供超低延遲的通信服務(wù)。同時(shí)，UPF卸載本地業(yè)務(wù)流量到MEC應(yīng)用中，大大降低傳輸網(wǎng)絡(luò)的流量壓力，符合核電應(yīng)用中對(duì)eMMB的需求。

針對(duì)核電5G業(yè)務(wù)需要同時(shí)滿足eMBB、uRLLC、eMTC三大不同場(chǎng)景的需求，通過網(wǎng)絡(luò)切片在通用的網(wǎng)絡(luò)平臺(tái)上根據(jù)不同的業(yè)務(wù)場(chǎng)景部署不同的網(wǎng)絡(luò)邏輯功能，靈活編排網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)和功能，為不同的業(yè)務(wù)提供差異化網(wǎng)絡(luò)服務(wù)，為不同的用戶提供網(wǎng)絡(luò)隔離的特性，為特定業(yè)務(wù)提供差異化的安全服務(wù)。

在核電5G專網(wǎng)中，可以根據(jù)業(yè)務(wù)需求進(jìn)行網(wǎng)絡(luò)切片的規(guī)劃設(shè)計(jì)，組網(wǎng)方案如圖3。例如，智慧冷源自適應(yīng)監(jiān)視系統(tǒng)切片可以實(shí)現(xiàn)海量數(shù)據(jù)的實(shí)時(shí)傳輸?；诙嘣磦鞲衅餍畔⒌牟杉⑻幚?、建模、分析、應(yīng)用等過程，在云端形成決策，融合聲吶、攝像頭等傳感器類型，實(shí)現(xiàn)不同類型的風(fēng)險(xiǎn)識(shí)別。通過智能視頻監(jiān)控業(yè)務(wù)切片，實(shí)現(xiàn)基于5G網(wǎng)絡(luò)的核電站視頻監(jiān)控，結(jié)合邊緣云，實(shí)現(xiàn)快速部署和AI智能識(shí)別功能，實(shí)現(xiàn)人臉識(shí)別，周界防護(hù)、區(qū)域入侵、違規(guī)作業(yè)等安全生產(chǎn)防護(hù)功能。5G最大的優(yōu)勢(shì)之一是可以提供極低的時(shí)延和高可靠穩(wěn)定的網(wǎng)絡(luò)。為了達(dá)到實(shí)時(shí)控制需求，傳感器的信息需要毫秒級(jí)的響應(yīng)和處理，5G通過uRLLC切片提供極低時(shí)延的能力，從而確保了實(shí)時(shí)控制的實(shí)現(xiàn)。

整個(gè)核電5G專網(wǎng)根據(jù)業(yè)務(wù)特點(diǎn)區(qū)分兩種不同的網(wǎng)絡(luò)，時(shí)間要求不高的eMMB、mMTC用戶，使用聯(lián)通的IPRAN環(huán)網(wǎng)接入5G專網(wǎng)核心網(wǎng)。該網(wǎng)絡(luò)滿足基于5G的可穿戴設(shè)備、設(shè)備監(jiān)測(cè)、智慧冷源監(jiān)視的網(wǎng)絡(luò)應(yīng)用需求。核電應(yīng)用有部分業(yè)務(wù)需要時(shí)敏性網(wǎng)絡(luò)，需要研究把時(shí)敏性網(wǎng)絡(luò)與5G相融合，滿足部分時(shí)敏5G業(yè)務(wù)接入的傳輸要求。在核電專網(wǎng)中，對(duì)時(shí)敏業(yè)務(wù)網(wǎng)絡(luò)采用TSN交換設(shè)備組成TSN環(huán)網(wǎng)，接入到專網(wǎng)UPF2中，實(shí)現(xiàn)時(shí)敏業(yè)務(wù)在傳輸層的確定性時(shí)延。

5 總結(jié)

5G+智慧是未來核電廠發(fā)展的趨勢(shì)之一，本文通過分析現(xiàn)有核電廠具體應(yīng)用需求，提出了多個(gè)5G+智慧核電典型應(yīng)用場(chǎng)景及其應(yīng)用方案。同時(shí)，結(jié)合實(shí)際需求，規(guī)劃了5G專網(wǎng)建設(shè)方案。考慮核電保守決策的特點(diǎn)，目前正在在役電廠內(nèi)開展小規(guī)模局部試點(diǎn)示范，待其可靠性和經(jīng)濟(jì)性得到驗(yàn)證后，再結(jié)合網(wǎng)絡(luò)信息安全，逐步推廣到全廠乃至整個(gè)行業(yè)。