基于5G通信的兩棲帶電作業機器人巡檢系統

李錦煊，孟秋實，王 維

（廣東電網有限責任公司廣州供電局，廣東 廣州 510620）

0 引 言

隨著現代化建設的不斷推進，電力系統已成為我國不可替代的重要基礎設施，電力系統的穩定運行與國家的穩定和國防安全息息相關[1,2]。輸電線路作為電能的載體，與電力系統的穩定運行密切相關，關鍵輸電線路的故障可能會造成電網的大面積停電，帶來的損失不可估量。隨著我國電網建設的全面鋪開，輸電線路分布范圍越來越廣，傳輸距離顯著增加，且新增的輸電線路大多為處在偏遠地區的架空線路［3］。這些地區的輸電線路運行環境復雜，導線、絕緣子等器件在長期運行過程中可能會發生過熱、侵蝕等現象，如發現不及時則極有可能導致較大事故，影響人們的正常用電。為了保障輸電線路的安全運行，需要對輸電線路進行定期巡檢。傳統的巡檢方式多為人工巡檢，但由于偏遠地區道路崎嶇、輸電線路長、天氣復雜多變等原因，很難做到對所有輸電線路進行每日甚至是每月一檢，人工線路巡檢工作面臨著巨大挑戰［4,5］。使用無人機代替人工巡檢是近來提出的一個遠程巡檢方案，但受到無人機續航能力和航空管制的限制，無人機巡檢尚不能完全替代人工巡檢[6,7]。

兩棲帶電作業機器人是一種具有飛行和線路行走能力的巡檢機器人，其具備的可飛行、可行走能力使其可以方便地飛到指定位置開展巡檢，并使用低功耗的行走模式完成大部分巡檢任務。本研究基于5G通信網絡，構建一個使用兩棲帶電作業機器人的輸電線路巡檢系統。該系統通過搭載了高清攝像頭和紅外攝像頭的兩棲帶電作業機器人，可以對輸電線路實現在線檢測，為輸電線路的穩定運行消除隱患，為電網的高可靠運行提供保證。

1 相關的5G網絡架構

電力行業中業務的多樣性呈現對網絡的多元化需求。一些業務需要極低時延，一些業務需要超高可靠性，一些業務對大規模的連接數和頻繁傳送小型數據包的支持有極高的要求。電力領域的業務多元化要求通信網絡有更靈活的連接支持來滿足不同業務場景的差異性需求。5G通信網絡通過網絡切片，可創建定制化的專業網絡通道，并根據不同的業務需求和業務場景提供差異化的專用跑道，使運營商更便捷、更有效地滿足垂直行業用戶的多樣化需求。

網絡切片是將一個物理網絡劃分為多個邏輯網絡，讓每個業務擁有自己的邏輯網絡。在電力系統的5G通信網絡中，通過引入網絡切片可以提高整個電力通信網絡的資源配置效率，降低通信網絡的建設成本，使用一張物理網來滿足各業務的多樣化網絡需求[8,9]。5G網絡切片可以使多個網絡切片同時在同一個物理基礎設備上運行，使得資源得到共享，物理基礎設備利用率增高，成本顯著降低。由于每個切片都是邏輯隔離的，安全可靠性高，讓通信網絡具備了根據業務需求按需定制、彈性伸縮的能力，充分滿足電力業務的多樣化需求[10]。

本研究在邏輯上將5G網絡切片分為接入網、承載網和核心網3個邏輯子切片，通過5G網絡切片管理功能可實現切片網絡端到端的管理，有效提高5G網絡片的安全性和隔離性[11,12]。為滿足電力業務的需求，要求運營商將5G網絡劃分為包括4個生產切片和兩個管理切片的6個商務端網絡切片。兩棲帶電作業機器人巡檢系統使用的是其中一個管理切片，通過QoS（Quality of Service）參數對網絡進行保障，讓管理切片的相對優先級遠高于消費端網絡切片，確保5G網絡性能滿足兩棲帶電作業機器人巡檢系統的通信連接需求。

2 兩棲帶電作業機器人

兩棲帶電作業機器人具有飛行和線路行走兩種運動方式。飛行模式具備類似無人機的飛行運動能力，運動維度高，可操控性強，但是也存在能耗高，續航能力差的問題。線路行走使用滾輪在輸電線路上進行行走，雖然運動方向受到了限制，但是具有能耗低的優點。兩棲帶電作業機器人可以通過飛行模式與輸電線路對接，然后再切換成行走模式在輸電線路上行走巡視，進行低功耗巡檢，在實現精準輸電線路巡視作業的同時，有效規避航空管制風險，同時可以降低巡檢功耗，有效延長巡檢距離。

兩棲帶電作業機器人通過模塊化設計搭載了可見光攝像機、紅外線成像儀、激光測距儀等設備，能實現多樣化巡檢工作。可見光圖像可清晰辨別出銷釘、螺栓等微小線路元件，紅外線圖像能夠分辨出銷釘級缺陷或故障點。應用兩棲帶電作業機器人，解決無人機巡檢存在的續航時間短、航空管制區域不能使用等問題。機器人跟隨線路導軌，將采集到的圖像、視頻、激光點云數據等上送至控制中心，完成線路的日常巡檢、故障巡檢、動態巡檢和飄掛物清除等工作，達到減輕人工巡檢的作業強度，減少人員登塔的作業風險，提高輸電線路巡檢作業質量和管理水平。兩棲帶電作業機器人進行輸電線路巡檢如圖1所示。

圖1 輸電線路巡檢中的兩棲帶電作業機器人

3 應用效果

3.1 5G網絡狀況

為了驗證兩棲帶電作業機器人巡檢系統的通信網絡狀況，本研究對5G切片網絡進行了一系列測試。首先測試了5G網絡切片的隔離性，驗證核心網是否可以有效隔離不同切片。將兩個5G測試終端分別簽約到生產控制區切片和管理區切片，把測試終端A開機，分別向生產控制區切片和管理區切片注冊，驗證測試終端A是否注冊成功。然后把測試終端B開機，分別向生產控制區切片和管理區切片注冊，驗證終端B是否注冊成功。測試結果顯示，終端A僅能接入生產控制區切片而終端B僅能接入管理區切片失敗，測試結果顯示網絡切片隔離功能正常。

將5G測試終端1簽約到切片A，同時將5G測試終端2簽約到切片B，并進行網絡連接測試，檢查兩臺測試終端能否與對方終端、各自切片區以及對方切片區的生產控制主站和管理主站正常通信。測試結果顯示，在同一個切片里，終端可以與生產控制主站和管理主站互相通信，但是不同切片間終端與終端、主站與終端之間均不能互相通信，5G網絡切片可以對不同業務進行有效隔離。

在對電網切片帶寬資源保障測試中，讓5G測試終端A與管理切片A簽約，5G測試終端B簽約消費端切片。讓測試終端A做上下行非滿灌包業務，同時測試終端B做上下行滿灌包業務，記錄此時兩個切片的帶寬情況，測試5G切片網絡是否能保障高優先級的電網管理切片帶寬。首先，在同一點位，讓兩個測試終端同時做上行滿灌包業務，測得上行最大帶寬約為150 Mb/s。然后讓測試終端B做上行滿灌包業務，同時測試終端A做上行非滿灌包業務，測試結果顯示測試終端A的上行帶寬與上行滿灌包業務速率相一致，測試終端A的上行帶寬不受影響。其次，在同一點位，讓兩個測試終端同時做下行滿灌包業務，測得下行最大帶寬約為1 000 Mb/s。讓測試終端B做下行滿灌包業務，同時測試終端A做下行非滿灌包業務，測試結果顯示測試終端A的下行帶寬與下行滿灌包業務速率相一致，不受影響，5G網絡切片的上行帶寬能達到150 Mb/s，下行帶寬可達到1 000 Mb/s，上下行帶寬均滿足本研究需求。在用戶都是滿灌包業務時，會按照優先級分配時頻資源，即使測試終端B為滿灌包業務，由于測試終端A所在的管理切片的相對優先級較高，會優先保障測試終端A的時頻資源，在滿足管理切片的帶寬需求前提下，再將剩余資源分配給消費端切片，確保本巡檢系統網絡通信的大帶寬。

為了測試5G網絡端到端的通道可靠性，將測試終端接入5G網絡，保持測試終端處于連接態并記錄相關信令。通過ping包工具發起ping包業務，設置ping包大小為32 Byte、512 Byte和1 400 Byte，發包間隔設置為20 ms和50 ms，發包次數各為10 000次，測量不同包大小和不同時延下網絡通信的可靠性，測試結果如表1所示。

表1 5G網絡端到端的通道可靠性測試結果

測試結果顯示5G網絡通道的可靠性達到了99.999%，能夠滿足兩棲帶電作業機器人巡檢系統的網絡可靠性要求。

3.2 兩棲帶電作業機器人巡檢系統的運行情況

讓兩棲帶電作業機器人飛行至指定位置，使其懸掛在輸電線路的地線上，并與固定在鐵塔上的無線熱點進行通信。無線熱點通過網線連接5G用戶端設備，用戶端插入SIM卡后接入5G網絡，通過5G切片網絡將視頻數據回傳到監控主站。兩棲帶電作業機器人傳回的在線巡檢圖像如圖2所示。

圖2 兩棲帶電作業機器人巡檢影像

結果表明本研究構建的基于5G通信網絡的兩棲帶電作業機器人巡檢系統可以實現架空線路的遠程巡檢。通過搭載的高清攝像頭和紅外攝像頭以及激光測距儀，能對輸電線路上的微小缺陷進行有效識別，在降低巡檢設備功耗的同時，顯著提高巡檢效率。

4 結 論

本研究構建了一個基于5G通信網絡的兩棲帶電作業機器人輸電線路巡檢系統。通過構建5G切片網絡，確保了巡檢系統通信網絡的安全性和隔離性。同時本巡檢系統利用兩棲帶電作業機器人既可以飛行，又可以在輸電線路上行走的特性，有效提升了輸電線路巡檢的巡檢距離和巡檢效率。兩棲帶電作業機器人“可飛行、可行走”的兩棲特點，有效彌補了傳統無人機巡視續航時間短、受航空管制等短板。通過5G網絡將現場拍攝的實時高清視頻數據傳送到遠程智能控制主站，后期再結合AI視頻智能分析技術，有望實現對輸電架空線路的自動檢測。