周明哲 李靖 馬德民 盧穎輝

摘要：針對電力基建工程中施工現(xiàn)場位置偏遠、建設(shè)環(huán)境復(fù)雜，導(dǎo)致網(wǎng)絡(luò)覆蓋范圍不全、傳輸不穩(wěn)定等問題，本文提出以5G專網(wǎng)為主、以無線接入點（AP）網(wǎng)絡(luò)和NB-IoT網(wǎng)絡(luò)為輔的組網(wǎng)方案，使用5G網(wǎng)絡(luò)作為主干網(wǎng)絡(luò)，憑借其高速率、低時延、大連接的優(yōu)勢，為現(xiàn)場數(shù)據(jù)匯集和高清視頻傳輸提供可靠的通道，并通過部署AP網(wǎng)絡(luò)接入移動設(shè)備的網(wǎng)絡(luò)。而NB-IoT網(wǎng)絡(luò)則以5G網(wǎng)絡(luò)作為信息傳輸?shù)妮d體，將傳感器設(shè)備采集到的現(xiàn)場數(shù)據(jù)通過5G網(wǎng)絡(luò)傳輸至邊緣代理設(shè)備進行本地分析和處理，實現(xiàn)大帶寬、低功耗、低時延的物聯(lián)網(wǎng)通信，通過建設(shè)智慧工地網(wǎng)絡(luò)層，實現(xiàn)現(xiàn)場網(wǎng)絡(luò)的全范圍覆蓋和穩(wěn)定傳輸，同時平臺能夠?qū)崟r監(jiān)控現(xiàn)場作業(yè)信息，以有效解決現(xiàn)場的突發(fā)狀況，預(yù)防安全事故的發(fā)生。

關(guān)鍵詞：5G；AP；NB-IoT；融合網(wǎng)絡(luò)

一、引言

隨著5G和物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)的發(fā)展，電力企業(yè)已將重點放在新型電力系統(tǒng)建設(shè)中。電力工程是綜合型的基建工程，目的在于滿足各類電網(wǎng)設(shè)備、電力終端的通信需求，通過5G技術(shù)和物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)實現(xiàn)智能設(shè)備狀態(tài)監(jiān)測和信息收集，為電網(wǎng)工程提供實時、穩(wěn)定、可靠的通信網(wǎng)絡(luò)支撐[1]。目前，智慧工地的網(wǎng)絡(luò)建設(shè)基于有線連接（光纖傳輸）、無線連接（WiFi、LoRa、NB-IoT）和移動公網(wǎng)（3G、4G、5G）、電力專網(wǎng)等技術(shù)，但也存在一定的局限性，例如物聯(lián)設(shè)備長時間供電問題且傳輸功耗較大，無法完全實現(xiàn)移動化、實時化、智能化。施工現(xiàn)場網(wǎng)絡(luò)層的建設(shè)是重中之重，需要滿足施工現(xiàn)場各類物聯(lián)設(shè)備數(shù)據(jù)采集、施工人員位置監(jiān)測以及物資信息獲取等要求[2]，采集到的數(shù)據(jù)信息因其特點不同，對網(wǎng)絡(luò)傳輸要求也不相同?；诖?，本文結(jié)合工地信息特點分析了不同情況下的通信網(wǎng)絡(luò)組合模式，最終選取合適的組網(wǎng)方案，以確保數(shù)據(jù)穩(wěn)定傳輸，提高風(fēng)險識別、超前防范并解決安全風(fēng)險的能力。

二、智慧工地網(wǎng)絡(luò)層建設(shè)分析

電力業(yè)務(wù)包括發(fā)電、輸電、變電、配電、用電多個環(huán)節(jié)，每個環(huán)節(jié)的網(wǎng)絡(luò)需求存在差異，而且電力基建工程施工現(xiàn)場通常在偏遠地區(qū)，工作環(huán)境復(fù)雜惡劣，網(wǎng)絡(luò)條件相對較差。以變電站為例，廠區(qū)接入終端種類較多，包括視頻攝像頭、門禁、環(huán)境監(jiān)控采集終端、智能定位終端、周界防護終端等所有智能終端，考慮到接入網(wǎng)絡(luò)制式的復(fù)雜性和終端的多樣性，應(yīng)當采用多種技術(shù)融合的方案，如WIFI、5G、NB-IOT、RFID、3G/4G等。

從電力業(yè)務(wù)場景來看，可以將電力業(yè)務(wù)分為控制類、信息采集類、移動應(yīng)用類共三種[3]：

①控制類業(yè)務(wù)，針對配網(wǎng)差動保護、精準負荷控制等核心業(yè)務(wù)，要求通信傳輸時延

極低且可靠性極高。

②信息采集類業(yè)務(wù)，包括用電信息采集、現(xiàn)場視頻采集等業(yè)務(wù)，其接入數(shù)據(jù)量多、分散范圍廣，多為視頻數(shù)據(jù)，因此對帶寬要求較高。

③移動應(yīng)用類業(yè)務(wù)，主要針對智能巡檢、視頻實時監(jiān)控等移動場景，通過機器人或無人機進行智能巡檢，并實時回傳高清影像數(shù)據(jù)。

從輸電、變電、配電三種電力業(yè)務(wù)場景出發(fā)，對通信網(wǎng)絡(luò)的需求如表1所示。

三、通信網(wǎng)絡(luò)技術(shù)方案

（一）LoRa+WiFi+光纖傳輸技術(shù)

LoRa網(wǎng)絡(luò)可以部署在需要的地方并獨立組網(wǎng)，通過無線傳感器節(jié)點采集環(huán)境數(shù)據(jù)并傳輸?shù)街行目刂葡到y(tǒng)或數(shù)據(jù)中心，以實現(xiàn)實時地環(huán)境監(jiān)測和遠程管理。WiFi網(wǎng)絡(luò)可以靈活部署，在工地安放多個AP接入點實現(xiàn)全方位網(wǎng)絡(luò)覆蓋，為數(shù)據(jù)傳輸提供高速可靠的通道。光纖傳輸具有距離長、抗干擾能力強、傳輸帶寬高等特點，能夠為工地與外部的連接提供高速穩(wěn)定大容量的通道。在偏遠山區(qū)，4G網(wǎng)絡(luò)狀況不佳或者無4G基站部署的情況下，可以通過“LoRa+WiFi+光纖傳輸”融合網(wǎng)絡(luò)技術(shù)實現(xiàn)。

（二）NB-IoT+4G+光纖傳輸技術(shù)

NB-IoT技術(shù)以蜂窩網(wǎng)絡(luò)為基本結(jié)構(gòu)，不僅可以利用現(xiàn)有的移動通信基礎(chǔ)設(shè)施，不需要額外的網(wǎng)絡(luò)建設(shè)和設(shè)備投資，降低了部署和維護的成本，還可以同時連接數(shù)以千計甚至數(shù)以萬計的設(shè)備，實現(xiàn)對大規(guī)模物聯(lián)網(wǎng)設(shè)備的管理和控制。NB-IoT采用了低功耗設(shè)計，可以使傳感器和設(shè)備在長時間內(nèi)工作，非常適用于需要長期運行和無需頻繁更換電池的應(yīng)用場景。在城市郊區(qū)和部分偏遠地區(qū)，有大量4G基站分布且網(wǎng)絡(luò)信號良好的情況下，可以采用“NB-IoT+4G+光纖傳輸”技術(shù)進行數(shù)據(jù)傳輸。

（三）NB-IoT+AP+5G技術(shù)

在多個關(guān)鍵位置部署AP設(shè)備，實現(xiàn)現(xiàn)場全網(wǎng)絡(luò)覆蓋，以確?，F(xiàn)場人員能夠在任何位置使用移動設(shè)備接入AP網(wǎng)絡(luò)，實時順暢地與基建管控系統(tǒng)交互，進而提升工作效率。5G技術(shù)中的自組織網(wǎng)絡(luò)、網(wǎng)絡(luò)切片、邊緣計算等技術(shù)保證了數(shù)據(jù)傳輸?shù)陌踩浴⒖焖俚挠嬎隳芰Γ瑫r5G網(wǎng)絡(luò)也可以作為NB-IoT的基礎(chǔ)通信設(shè)施，降低投資部署成本。

由于變電站施工現(xiàn)場環(huán)境惡劣且機械作業(yè)復(fù)雜混亂，需要部署大量高清攝像頭和網(wǎng)絡(luò)設(shè)備，實現(xiàn)對工地的全面監(jiān)控和管理。鑒于有線網(wǎng)絡(luò)傳輸不適用于這樣的施工環(huán)境，因此現(xiàn)場網(wǎng)絡(luò)建設(shè)傾向于采用無線網(wǎng)絡(luò)方式，以滿足現(xiàn)場信息采集和設(shè)備通信的需求。通過在電力設(shè)備上部署5G客戶前端設(shè)備（CPE）接入5G網(wǎng)絡(luò)，并結(jié)合NB-IoT組網(wǎng)技術(shù)的廣覆蓋特性，現(xiàn)場實現(xiàn)全方位地網(wǎng)絡(luò)覆蓋，并通過無線傳輸方式上傳數(shù)據(jù)和視頻。此外，移動邊緣計算（MEC）技術(shù)將云計算平臺下沉到移動網(wǎng)絡(luò)邊緣，使得工地管理平臺能夠利用邊緣云的運算和存儲能力，直接在本地進行數(shù)據(jù)分析和處理，降低了服務(wù)器和終端之間的傳輸時延，從而及時處理潛在的突發(fā)事件，減少事故發(fā)生的風(fēng)險。盡管5G技術(shù)在網(wǎng)絡(luò)性能上具有顯著優(yōu)勢，但其基站的建設(shè)和維護成本相對較高。因此，在多方面因素的綜合考慮下，采用“NB-IoT+AP+5G”技術(shù)組網(wǎng)方案是更為合適的選擇。

四、5G電力物聯(lián)專網(wǎng)方案部署

（一） 5G專網(wǎng)方案部署

5G作為新一代寬帶移動通信技術(shù)，在傳輸速率、網(wǎng)絡(luò)能效、連接數(shù)密度、傳輸時延以及移動性能等多個方面都表現(xiàn)出了顯著優(yōu)勢[4]。相對于4G技術(shù)，頻譜效率提升了5倍，速率、連接數(shù)密度以及傳輸時延都提升了10倍，尤其是網(wǎng)絡(luò)能效提升了100倍，這些優(yōu)勢使得5G在各方面性能上都邁出了顯著的步伐。5G網(wǎng)絡(luò)的三大類應(yīng)用場景分別是增強型移動寬帶（eMBB）、超高可靠與低時延通信（URLLC）與大規(guī)模機器類通信（mMTC）[5]。對于視頻監(jiān)控、變電站智能巡檢等帶寬要求高的業(yè)務(wù)采用增強型移動寬帶接入；對于時延和可靠性要求的控制類業(yè)務(wù)采用超高可靠與低時延通信接入；對于數(shù)據(jù)信息采集這類接入數(shù)量大、時延要求不高的業(yè)務(wù)采用大規(guī)模機器類通信接入。

當業(yè)務(wù)場景不同時，所對應(yīng)的5G通信網(wǎng)絡(luò)需求也存在差異。而5G網(wǎng)絡(luò)切片技術(shù)將5G網(wǎng)絡(luò)分為多個獨立的邏輯網(wǎng)絡(luò)，每個網(wǎng)絡(luò)可以根據(jù)不同的業(yè)務(wù)需要進行優(yōu)化，從而為不同業(yè)務(wù)提供不同的服務(wù)方式以及網(wǎng)絡(luò)能力。5G網(wǎng)絡(luò)切片技術(shù)分為軟切片和硬切片兩種方式，5G硬切片技術(shù)使網(wǎng)絡(luò)資源專用于一個切片，適合承載控制類業(yè)務(wù)；而5G軟切片技術(shù)允許資源共享，適合承載非控制類業(yè)務(wù)。

以變電站工程為例，應(yīng)當結(jié)合電廠網(wǎng)絡(luò)覆蓋需求，使用“有線+無線融合”的設(shè)計方案，并采用三層網(wǎng)絡(luò)層次化結(jié)構(gòu)和雙節(jié)點冗余設(shè)計。電廠5G網(wǎng)絡(luò)核心網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)架構(gòu)采用無線、承載和核心網(wǎng)的端到端整體解決方案以及云部署網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)，引入邊緣計算使核心網(wǎng)用戶面功能下沉，實現(xiàn)本地業(yè)務(wù)直接處理。整體網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)示意圖及物理組網(wǎng)如圖1所示。

5G終端通過5G網(wǎng)關(guān)接入無線基站，然后基帶處理單元（BBU）通過智能城域網(wǎng)和5G混合專網(wǎng)互通，核心網(wǎng)根據(jù)終端訪問地址，送到不同的應(yīng)用服務(wù)器進行訪問。在本次方案中，5G混合專網(wǎng)僅為電站提供5G數(shù)據(jù)業(yè)務(wù)，避免與公眾網(wǎng)絡(luò)互通，不影響專網(wǎng)的獨立性和安全性。

1. 5G核心網(wǎng)平臺設(shè)計方案

5G核心網(wǎng)絡(luò)平臺設(shè)計方案著重于提供高性能的通信基礎(chǔ)設(shè)施，促進數(shù)據(jù)本地化處理，以此支持廠區(qū)內(nèi)的智能制造和生產(chǎn)優(yōu)化。該方案包括構(gòu)建小型化的5G核心混合專網(wǎng)，以確保與業(yè)務(wù)平臺的緊密對接，滿足廠區(qū)內(nèi)各種通信需求。通過優(yōu)化業(yè)務(wù)策略，可以實現(xiàn)廠區(qū)內(nèi)5G專網(wǎng)用戶的安全接入，并保障用戶數(shù)據(jù)在本地存儲，確保用戶管理的自主性以及廠內(nèi)生產(chǎn)數(shù)據(jù)的安全性[6]。

2.5G傳輸網(wǎng)+無線網(wǎng)設(shè)計方案

傳輸網(wǎng)整體組網(wǎng)方案如圖2所示，采用ATN（Access Transport Network）組環(huán)方式接入5G基站，各類業(yè)務(wù)經(jīng)5G基站-ATN匯聚到一對移動接入路由器（Mobile Access Router，MAR）設(shè)備。廠區(qū)內(nèi)部署MAR，負責(zé)MEC及辦公園區(qū)網(wǎng)絡(luò)的接入；經(jīng)過“MAR-MER-MCR”鏈接到核心網(wǎng)UPF；方框內(nèi)為承載網(wǎng)框架，其中ATN、MAR、NE8000采用環(huán)式與邊緣處理設(shè)備MEC連接[7]。為了滿足業(yè)務(wù)發(fā)展需求，ATN設(shè)備采用100GE接口和匯聚設(shè)備對接，下行采用10GE接口和BBU對接。

在自建基站場景下，需要MAR匯聚到ATN環(huán)，同時數(shù)據(jù)在園區(qū)形成“基站-ATN-MAR-MEC”的閉環(huán)，以滿足數(shù)據(jù)不出園區(qū)需求，并保障數(shù)據(jù)安全。同時，MAR也可以作為地面辦公網(wǎng)絡(luò)的接入?yún)R聚節(jié)點，實現(xiàn)辦公生產(chǎn)網(wǎng)絡(luò)統(tǒng)一承載。

圖2 傳輸網(wǎng)組網(wǎng)設(shè)計

（二）WiFi網(wǎng)絡(luò)部署

針對應(yīng)用需求及網(wǎng)絡(luò)建設(shè)原則，結(jié)合電廠WiFi辦公網(wǎng)絡(luò)需求的部署情況，WiFi辦公網(wǎng)絡(luò)總體架構(gòu)如圖3所示。

圖3 WiFi辦公網(wǎng)絡(luò)總體架構(gòu)

在大樓機房部署無線控制器（AC）2臺以及認證準入系統(tǒng)、安全日志系統(tǒng)和綜合網(wǎng)管系統(tǒng)各一套。網(wǎng)絡(luò)出口的安全設(shè)備配備支持防火墻功能的安全網(wǎng)關(guān)，以滿足分行大樓的網(wǎng)絡(luò)安全防護、上網(wǎng)行為管理、用戶準入認證審計和網(wǎng)絡(luò)運維管理等需求。在園區(qū)和樓層接入?yún)^(qū)域部署POE交換機，并在大樓內(nèi)部辦公區(qū)域和外部公共區(qū)域分別部署一定數(shù)量的無線AP，使得WiFi網(wǎng)絡(luò)覆蓋整個區(qū)域。

整個電廠無線網(wǎng)絡(luò)的數(shù)據(jù)流分為三類：設(shè)備管理數(shù)據(jù)、用戶管理數(shù)據(jù)和用戶上網(wǎng)數(shù)據(jù)。在上述組網(wǎng)模式下，網(wǎng)絡(luò)出口處部署安全網(wǎng)關(guān)設(shè)備并配置相應(yīng)的安全模塊，用戶上網(wǎng)數(shù)據(jù)均通過安全網(wǎng)關(guān)設(shè)備訪問互聯(lián)網(wǎng)。用戶管理數(shù)據(jù)通過本地局域網(wǎng)傳輸?shù)秸J證準入系統(tǒng)和安全日志系統(tǒng)；AP的管理數(shù)據(jù)則通過大樓內(nèi)部無線局域網(wǎng)和AC進行通信。

（三）數(shù)據(jù)傳輸設(shè)計

施工現(xiàn)場網(wǎng)絡(luò)建設(shè)的具體實施方案如下，首先，需要在現(xiàn)場部署5G基站、5G終端設(shè)備、無線AP、傳感器終端等設(shè)備；其次，在變電站管控室內(nèi)安裝小型機柜，內(nèi)置5G核心網(wǎng)及交換機等設(shè)備，以存儲本地數(shù)據(jù)，數(shù)據(jù)傳輸如圖4所示。

圖4 數(shù)據(jù)傳輸流向

5G基站承擔(dān)著確保數(shù)據(jù)傳輸可靠通道的職責(zé)，其中，5G CPE作為5G終端接收，并轉(zhuǎn)換5G信號成為無線網(wǎng)絡(luò)信號用于用戶連接，同時搜集來自固定攝像機和布控球等視頻數(shù)據(jù)，通過無線傳輸至5G基站，再從5G基站傳輸并存儲到機房。

無線AP是無線網(wǎng)絡(luò)的核心，通過在多個關(guān)鍵位置部署AP設(shè)備，實現(xiàn)現(xiàn)場全網(wǎng)絡(luò)覆蓋，以確?，F(xiàn)場人員在任何位置能夠使用移動設(shè)備接入AP網(wǎng)絡(luò)，并與基建管控系統(tǒng)交互，將業(yè)務(wù)數(shù)據(jù)通過無線方式傳輸并存儲到機房。

傳感器終端包括門禁、視頻監(jiān)控設(shè)備、傳感器設(shè)備以及其他物聯(lián)設(shè)備，用于現(xiàn)場環(huán)境的采集監(jiān)測?，F(xiàn)場感知設(shè)備統(tǒng)一接入NB-IoT網(wǎng)絡(luò)，通過無線網(wǎng)橋方式將數(shù)據(jù)傳輸?shù)綑C房存儲。

五、5G融合通信在智慧工地中的應(yīng)用

在高壓變電站工程中，通過5G和物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)對變電系統(tǒng)監(jiān)測數(shù)據(jù)信息進行動態(tài)采集并傳輸，相關(guān)工作人員通過分析數(shù)據(jù)信息，以保障變電系統(tǒng)運行的穩(wěn)定性。將移動和視頻業(yè)務(wù)通過5G接入可以實現(xiàn)以下應(yīng)用場景。

（一）人員智慧管理

在智能安全帽、智能手環(huán)等設(shè)備上集成攝像頭、通信模塊、語音等模塊，實現(xiàn)“指揮、監(jiān)督、感知、分析、服務(wù)”五位一體，完成質(zhì)量安全監(jiān)督、遠程溝通、定時定位等功能。

（二）便攜式監(jiān)控布控球場景

在高壓變電站部署一套便攜式智慧球機，以便移動架設(shè)[8]。該設(shè)備內(nèi)置高速云臺，全網(wǎng)通撥號模塊、GPS定位模塊，同時具備存儲、傳輸、供電和定位功能，支持晝夜監(jiān)控、區(qū)域入侵、3D定位、車流量統(tǒng)計、移動偵測、遮擋報警、越界偵測等功能，適用于各種應(yīng)急、臨時布控、無人值守的場景。

（三）5G無人機/機器人巡檢

在高壓變電站巡檢過程中，利用巡檢機器人搭載高清攝像頭實時監(jiān)控現(xiàn)場的音視頻、環(huán)境信息。在復(fù)雜地形條件下，無人機設(shè)備可以發(fā)揮其優(yōu)勢拍攝影像數(shù)據(jù)，通過5G網(wǎng)絡(luò)將視頻數(shù)據(jù)低時延傳輸?shù)狡脚_；還可以利用圖像AI檢測識別絕緣子損壞、外力破壞等缺陷。

（四）AR/VR實景

利用AR全景攝像機對實景地圖進行標注，通過標記點實時切換視角。場站內(nèi)的VR實景可以了解無法及時追蹤的區(qū)域，并且均能360度展示場景。

六、結(jié)束語

本文研究搭建5G專網(wǎng)、無線AP網(wǎng)絡(luò)和NB-IoT網(wǎng)絡(luò)組網(wǎng)方案，充分利用5G網(wǎng)絡(luò)高速率、低時延、高可靠和海量連接的特點以及NB-IoT網(wǎng)絡(luò)覆蓋廣、成本低等優(yōu)勢，實現(xiàn)感知數(shù)據(jù)無線實時傳輸以及本地匯聚，解決了施工現(xiàn)場感知層應(yīng)用層之間的數(shù)據(jù)傳輸問題，實現(xiàn)網(wǎng)絡(luò)部署無線化、簡易化?；?G專網(wǎng)網(wǎng)絡(luò)切片技術(shù)和邊緣計算技術(shù)能夠?qū)I(yè)務(wù)數(shù)據(jù)本地進行分析和處理，提高數(shù)據(jù)傳輸效率，解決現(xiàn)有網(wǎng)絡(luò)資源浪費的問題。隨著5G網(wǎng)絡(luò)的全面展開，智能電網(wǎng)工程全方位的感知能力和智能化水平將會獲得更大地提升。

作者單位：周明哲 李靖 馬德民 盧穎輝 國網(wǎng)內(nèi)蒙古東部電力有限公司

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周明哲（1985.09-），女，漢族，山東聊城，研究生，高級經(jīng)濟師，研究方向：信息系統(tǒng)計劃及建設(shè)；

李靖（1994.04-），男，漢族，山西大同，研究生，研究方向：業(yè)務(wù)系統(tǒng)建設(shè)；

馬德民（1993.10-），男，漢族，內(nèi)蒙古包頭，本科，中級工程師，研究方向：信息項目建設(shè)；

盧穎輝（1988.11-），男，漢族，內(nèi)蒙古烏蘭察布，研究生，中級工程師，研究方向：信息項目建設(shè)。