5G网络在核电厂中的应用研究
时间：2023-01-29 19:30:04 来源：天一资源网 本文已影响 人 
方 郁，吕跃跃，钟质飞，熊国华，杨壮豪
（中广核研究院有限公司，广东 深圳 518000）
随着信息的快速发展，第五代移动通信网络已经由概念变为现实，结合工业物联网、人工智能、大数据等新技术，5G网络在钢铁、港口、电力、矿山等涉及国计民生重大领域开展了垂直行业应用，并取得了良好的经济与社会效益。中国作为全球装机容量第二，在建容量第一的核能大国，核能行业面临信息技术飞速发展，安全与经济等市场竞争的新要求，迫切需要新的信息技术与业务的深度融合，并转变为新的生产力。因此，在核电厂中引入5G+新技术，围绕核电建设、运行和大修等核心业务，高度集成各个阶段的信息、业务、数据、资源，促进核电厂协同运作，信息高效流通，并通过一系列工具、终端开发和应用，推进实现核电全生命周期的信息化、数字化、网络化、智能化，已成为智慧核电发展的重要方向之一。
目前国内核电厂采用的无线通信技术主要包括WiFi、无线集群、McWiLL和LTE等，这些无线通信系统有的已经投入运行，有的正在建设当中。其中，海阳核电厂、石岛湾核电厂、秦山第二核电厂、三门核电厂、台山核电厂和防城港核电厂等采用WiFi技术，大亚湾核电厂和岭澳核电厂等采用LTE技术，红沿河核电厂、宁德核电厂和阳江核电厂等采用McWiLL技术。目前，已建设的核电厂无线通信系统大部分实现了语音通信，但是数据通信及各类智能应用尚未大规模开展[1]。
自2019年5G牌照正式发放以来，党和国家高度重视5G技术发展及工业应用。工信部《关于推动5G加快发展的通知》《能源领域5G应用实施方案》等一系列文件相继发布[2,3]，引导5G技术良性发展，其具有连续广域覆盖，低延时高可靠、热点高容量、低功耗大连接等特点，主要面向移动物联网，使得5G应用进入千行百业，与工业生产深度融合后，逐步成为支撑工业智能化转型的信息基础设施。目前国内工业领域已先行开展的试点示范应用主要以机器换人、远程现场、机器视觉等应用为主，在环境上主要针对具有大开放性空间（室外、港口、厂房、码头）和设备具有移动需求的场所。在核电领域，5G公用网络在各核电厂生活区域已全面覆盖，但在工业应用场合，目前尚未开展基于5G专网的相关应用研究。
结合5G网络的三大特点，其应用需求可分为如下：
1）增强移动带宽应用
5G智能视频分析：5G+边缘云，实现快速部署和AI智能识别功能，安全边界管控与人脸追踪。
基于5G智能头盔的单兵作业系统，实现机组大修期间作业人员视频交互与工作过程可视化，AR/VR员工培训与远程专家指导，人员健康管理。
2）海量物联网连接应用
基于5G网络的智能可穿戴设备，实现核电建造与大修期间的作业管控与人员管理，实现智慧建造与智慧运维；
适配5G智能仪表与传感，实时采集环境、设备、器具、剂量等信息，实现基于大数据的三维可视化核电智慧管控。
3）超高可靠超低延时应用
通过适配基于时间敏感网络（Time Sensitive Networking，TSN）的交换设备，实现继电保护、实体保卫边界机器人巡视，5G网络与工控设备有线到无线连接替换，智能搬运、核燃料操作培训等。
3.1 5G+智慧作业
针对核电生产的作业管控、安全监督和人员管理等问题，结合基于5G网络的智能可穿戴设备终端系统（见图1），包含但不限于智能安全帽、智能护目镜、智能听力防护耳塞和无纸化作业终端，实现高清（4K/8K）视频、音频、环境（辐照、温湿度、氧含量、有毒气体等）、定位、体征状态等重要敏感信息的实时采集，实现作业人员管控、主动安全防护、人员违章甄别、远程专家指导、人员健康（含情感）状态分析、环境预警、电子围栏、三维导航、无纸化作业等功能。利用5G网络广连接和高速率的特点，实现核电生产过程中的大规模监测物联网终端组网和高速传输，完成大规模作业人员可穿戴设备超多路高清（4K/8K）视频等信息的同步获取，保障大规模作业人员的协同作业。
图1 面向核电应用的可穿戴设备终端系统Fig.1 Wearable device terminal system for nuclear power application
3.2 5G+可重构故障预测与健康管理
在核电站单台机组中，各类大型机械设备达数千个，是核电站维护成本最高，工作量最大，难度最大，检修耗时最长的一类设备。目前，该类设备的维护主要通过大修期间的定期检修实现，即到达检修节点后，无论设备状态是否正常，均对设备进行全面检修。由于设备拆卸、清理、回装和再鉴定试验均需耗费大量时间，故该维护方式大大增加了核电站的大修工期，在增加成本的同时降低了机组年发电量，是制约核电站经济性的重要原因之一。随着故障预测与健康管理（PHM）技术的发展，已进行PHM在典型设备上的应用研究，从而实现更加科学的检修策略，实现原材料节约，无序工序减少，机组故障诊断和无人化健康管理[4]，提升核电厂的设备与系统运维的经济性和可靠性。
针对传统故障预测与健康管理（Fault Prediction and Health Management，简称PHM）手段的不足：① PHM需新增大量传感器，对应的信号电缆大大增加了施工难度和硬件成本；
② 需对应新增大量监测机柜，在设备布置和成本控制上存在巨大挑战；
③ PHM系统多为定制方案，多数传感器需同PHM系统同步安装和同步运行，且一经投入仅能为当前设备服务，缺乏灵活性。利用5G技术超大节点规模、低时延和高可靠的特点，结合面向核电行业的5G可重构PHM终端设备，实现PHM系统所需的传感器（如高清视频、振动、温度、声波等）通过5G灵活入网，完成测量节点的灵活部署和可靠传输，为“核电云”中实现故障预测提供更加灵活的数据源，实现PHM系统的可重构，如图2。彻底解决信号电缆及配套机柜的布置难题，并大大提升布置灵活性，给PHM系统的发展带来全新的实现方案。
图2 传统PHM和基于5G的PHM对比框图Fig.2 Comparative block diagram of traditional PHM and 5G-based PHM
图3 核电5G专网方案架构图Fig.3 Architecture diagram of nuclear power 5G private network scheme
3.3 5G+冷源监视
近年来，国内核电厂已发生多起由于海生物（毛虾、海地瓜、水母、笔帽螺、棕囊藻等）或海洋杂物堵塞取水口而引发的跳机、跳堆事件。从历史数据统计看，国内目前投运的核电厂址均发生过类似异常，并逐年呈上升趋势。核电厂取水口堵塞问题不但可能对机组的运行产生影响，导致机组被迫降功率或停堆停机，甚至会对核电厂最终热阱的可用性构成威胁,危及核安全。因此，通过开发基于5G传输的核电进水渠海生物、海流及拦网设施工作状态监测系统级终端，利用已有建构筑物搭载高清（4K/8K）视频矩阵等监测设备，为实现进水渠水母、毛虾、藻类等致灾生物的深度分析提供实时、可靠的信息源，为电厂冷源应急响应决策提供数据信息。同时，结合基于5G的无人机遥感系统，实现对冷源附近海域的水面海生物/漂浮物的快速检测，形成远中近兼顾，水面水下兼顾，监测程度粗细兼顾的冷源监视系统。
5G定制专网是指将5G技术创建具有统一连接性、优化服务和特定区域内安全通信方式的专用网络[5]。在核电厂内部建设完全专用的5G无线网、5G核心网、UPF、MEC，整个网络独立于公网，逻辑网络和物理硬件均隔离，实现核电专网的高安全性。无线资源占用上，核电应用终端独享所有的无线资源，可根据应用终端的特性进行终端切片；
用户管理上，所有用户由核电自行管理，未经授权的公众用户无法使用该网络，保障5G专网的接入安全域；
用户面数据上，属于专网设备的数据流量被传递到企业私有UPF，仅保留在企业中，系统带宽为核电业务独享，数据安全性、通信质量可得到最大限度的保障。UPF和MEC位于核电厂区，可在Device-gNB-UPF-MEC之间提供超低延迟的通信服务。同时，UPF卸载本地业务流量到MEC应用中，大大降低传输网络的流量压力，符合核电应用中对eMMB的需求。
针对核电5G业务需要同时满足eMBB、uRLLC、eMTC三大不同场景的需求，通过网络切片在通用的网络平台上根据不同的业务场景部署不同的网络逻辑功能，灵活编排网络架构和功能，为不同的业务提供差异化网络服务，为不同的用户提供网络隔离的特性，为特定业务提供差异化的安全服务。
在核电5G专网中，可以根据业务需求进行网络切片的规划设计，组网方案如图3。例如，智慧冷源自适应监视系统切片可以实现海量数据的实时传输。基于多源传感器信息的采集、处理、建模、分析、应用等过程，在云端形成决策，融合声呐、摄像头等传感器类型，实现不同类型的风险识别。通过智能视频监控业务切片，实现基于5G网络的核电站视频监控，结合边缘云，实现快速部署和AI智能识别功能，实现人脸识别，周界防护、区域入侵、违规作业等安全生产防护功能。5G最大的优势之一是可以提供极低的时延和高可靠稳定的网络。为了达到实时控制需求，传感器的信息需要毫秒级的响应和处理，5G通过uRLLC切片提供极低时延的能力，从而确保了实时控制的实现。
整个核电5G专网根据业务特点区分两种不同的网络，时间要求不高的eMMB、mMTC用户，使用联通的IPRAN环网接入5G专网核心网。该网络满足基于5G的可穿戴设备、设备监测、智慧冷源监视的网络应用需求。核电应用有部分业务需要时敏性网络，需要研究把时敏性网络与5G相融合，满足部分时敏5G业务接入的传输要求。在核电专网中，对时敏业务网络采用TSN交换设备组成TSN环网，接入到专网UPF2中，实现时敏业务在传输层的确定性时延。
5G+智慧是未来核电厂发展的趋势之一，本文通过分析现有核电厂具体应用需求，提出了多个5G+智慧核电典型应用场景及其应用方案。同时，结合实际需求，规划了5G专网建设方案。考虑核电保守决策的特点，目前正在在役电厂内开展小规模局部试点示范，待其可靠性和经济性得到验证后，再结合网络信息安全，逐步推广到全厂乃至整个行业。
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