趙鳳祥

(廣東大唐國(guó)際雷州發(fā)電有限責(zé)任公司，廣東 湛江 524255)

0 引言

5G 作為新一代信息通信技術(shù)已與工業(yè)經(jīng)濟(jì)高度融合，在工業(yè)領(lǐng)域得到了廣泛應(yīng)用，涵蓋研發(fā)設(shè)計(jì)、生產(chǎn)制造、運(yùn)營(yíng)管理、產(chǎn)品服務(wù)四大工業(yè)環(huán)節(jié)。

2021-07-12，工業(yè)和信息化部、中央網(wǎng)信辦、國(guó)家發(fā)改委等十部門(mén)聯(lián)合印發(fā)《5G 應(yīng)用“揚(yáng)帆”行動(dòng)計(jì)劃(2021—2023年)》，提出到2023年我國(guó)5G 應(yīng)用發(fā)展水平要顯著提升，綜合實(shí)力持續(xù)增強(qiáng)，實(shí)現(xiàn)5G 在大型工業(yè)企業(yè)滲透率達(dá)到35 %、每重點(diǎn)行業(yè)5G 示范應(yīng)用標(biāo)桿數(shù)達(dá)到100 個(gè)、5G 物聯(lián)網(wǎng)終端用戶(hù)數(shù)年均增長(zhǎng)率達(dá)到200 %三大指標(biāo)。同月下旬，全國(guó)5G 行業(yè)應(yīng)用規(guī)?；l(fā)展現(xiàn)場(chǎng)會(huì)在廣東深圳、東莞召開(kāi)，會(huì)議要求全力推動(dòng)5G 行業(yè)應(yīng)用創(chuàng)新，更好地服務(wù)經(jīng)濟(jì)社會(huì)高質(zhì)量發(fā)展，以多種形式發(fā)展5G+智能工廠、5G+智能電網(wǎng)、5G+智慧港口等一系列融合創(chuàng)新的應(yīng)用行業(yè)，樹(shù)立一批高水平應(yīng)用標(biāo)桿，形成一批成熟的應(yīng)用解決方案，建設(shè)一批行業(yè)特色應(yīng)用集群，凸顯了5G 加速助力工業(yè)界數(shù)字化轉(zhuǎn)型的重要作用。

探索5G 通信技術(shù)在火電廠煤場(chǎng)斗輪機(jī)和碼頭卸船機(jī)控制系統(tǒng)自動(dòng)控制領(lǐng)域的應(yīng)用，探討5G 技術(shù)在輸煤系統(tǒng)的應(yīng)用中應(yīng)采取的安全防范措施，以期為輸煤系統(tǒng)后續(xù)的智能化應(yīng)用和改進(jìn)提供參考。

1 5G 技術(shù)特點(diǎn)

(1) 高速率。5G 依托4G 良好的技術(shù)架構(gòu)，方便地構(gòu)建起新的技術(shù)，讓用戶(hù)體驗(yàn)到更高的網(wǎng)速。以往工作主要依托較低頻段的4G 網(wǎng)絡(luò)，低頻段的好處是傳播性能優(yōu)越，運(yùn)營(yíng)商用較少的成本(少量基站)即可達(dá)到很好的覆蓋，但不足是低頻段的連續(xù)頻率資源非常稀缺，4G LTE 網(wǎng)絡(luò)中單個(gè)載波最大頻率范圍是20 MHz，通過(guò)載波聚合技術(shù)雖然可將多個(gè)非連續(xù)載波合起來(lái)使用達(dá)到較高速率，但依然不能滿足當(dāng)今大數(shù)據(jù)時(shí)代對(duì)于網(wǎng)絡(luò)的需求。而5G 采用了4G 時(shí)代未被使用的高頻，使用大規(guī)模天線(massive MIMO)高頻資源的頻率，波長(zhǎng)較短(毫米波)，可在很小的范圍內(nèi)集成天線陣列，結(jié)合波束賦形追蹤，即可彌補(bǔ)高頻通信在傳播上的受限。

(2) 大容量。受限于終端的功耗及無(wú)線網(wǎng)絡(luò)的覆蓋能力，廣域物聯(lián)網(wǎng)仍處于初期萌芽狀態(tài)，5G推出了針對(duì)廣域物聯(lián)網(wǎng)的窄帶物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)，可通過(guò)限定終端的速率降低使用帶寬、終端發(fā)射功率、天線復(fù)雜度(SISO)，優(yōu)化物理層技術(shù)，使終端耗電量降低，支持更多的終端接入。

(3) 低時(shí)延。5G 網(wǎng)絡(luò)的時(shí)延邁進(jìn)了100 ms 關(guān)口，使時(shí)延降至更低，為更多對(duì)時(shí)延要求極致的應(yīng)用提供了空間。

(4) 實(shí)景化。5G 時(shí)代使空間信息服務(wù)更加社會(huì)化、大眾化，實(shí)景三維信息更完整、語(yǔ)音信息更豐富、空間關(guān)系更精準(zhǔn)。應(yīng)用人工智能、5G 網(wǎng)絡(luò)、云計(jì)算區(qū)塊鏈技術(shù)等可提高海量數(shù)據(jù)處理速度、智能化水平，實(shí)現(xiàn)傳感、測(cè)量、控制、感知一體化，以及更精準(zhǔn)的自動(dòng)化、精細(xì)化管理。

2 5G 技術(shù)在火電領(lǐng)域的應(yīng)用方向

(1) 智能化生產(chǎn)。5G 技術(shù)應(yīng)用于發(fā)電機(jī)組主、輔設(shè)備智能診斷系統(tǒng)，可對(duì)各設(shè)備生產(chǎn)過(guò)程的數(shù)據(jù)進(jìn)行自動(dòng)采集、分析和判斷，實(shí)現(xiàn)運(yùn)轉(zhuǎn)設(shè)備主要運(yùn)行參數(shù)在線監(jiān)控、在線狀況自動(dòng)判定；5G 技術(shù)應(yīng)用于煤場(chǎng)斗輪機(jī)和碼頭卸船機(jī)，可實(shí)現(xiàn)遠(yuǎn)程實(shí)時(shí)控制，提高運(yùn)維效率的同時(shí)促進(jìn)設(shè)備操控向無(wú)人化轉(zhuǎn)型，實(shí)現(xiàn)現(xiàn)場(chǎng)設(shè)備運(yùn)維無(wú)人值守，提高運(yùn)維效率；無(wú)人機(jī)航拍、機(jī)器人巡檢等的應(yīng)用，可實(shí)現(xiàn)生產(chǎn)現(xiàn)場(chǎng)作業(yè)人員遵章守紀(jì)行為監(jiān)督，使重要場(chǎng)所的安全防護(hù)向智能化、可視化、高清化升級(jí)。

(2) 智慧化運(yùn)營(yíng)。5G 技術(shù)可實(shí)現(xiàn)輸煤皮帶機(jī)運(yùn)行過(guò)程的智能巡檢、輸煤系統(tǒng)生產(chǎn)過(guò)程的在線監(jiān)控及狀態(tài)自動(dòng)判定，并判斷設(shè)備運(yùn)行、環(huán)境及人員操作是否存在異常，從而提升輸煤系統(tǒng)安全性。

(3) 綠色發(fā)展。5G 技術(shù)應(yīng)用于鍋爐排煙、除塵、脫硫脫硝各環(huán)節(jié)的能源消耗和污染物排放數(shù)據(jù)采集，可協(xié)助環(huán)保部門(mén)實(shí)時(shí)監(jiān)控發(fā)電企業(yè)生產(chǎn)環(huán)節(jié)中的問(wèn)題，并進(jìn)行工藝優(yōu)化和設(shè)備升級(jí)，降低能耗成本和環(huán)保成本，從而實(shí)現(xiàn)清潔低碳的綠色化生產(chǎn)。

3 5G 技術(shù)在輸煤系統(tǒng)中的應(yīng)用探索

3.1 5G 技術(shù)應(yīng)用于輸煤系統(tǒng)的必要性

卸船機(jī)、斗輪機(jī)作為火電廠煤碼頭和煤場(chǎng)的重要卸、取煤設(shè)備，其穩(wěn)定性直接關(guān)系到火電廠的燃料保供安全，但由于煤碼頭和煤場(chǎng)作業(yè)環(huán)境差、作業(yè)時(shí)間長(zhǎng)、勞動(dòng)強(qiáng)度高等原因，操作人員在工作中極易出現(xiàn)誤操作。例如螺旋卸船機(jī)原操作是通過(guò)司機(jī)室控制手柄及按鈕進(jìn)行手動(dòng)操作，或者由司機(jī)站在碼頭或船上通過(guò)遙控手柄對(duì)螺旋卸船機(jī)進(jìn)行遠(yuǎn)程手動(dòng)操作。司機(jī)操作時(shí)，無(wú)論在司機(jī)室內(nèi)俯視船艙，還是站在碼頭或船上遙控操作，都會(huì)受到天氣狀況、司機(jī)室玻璃潔凈度等因素影響，導(dǎo)致視角和視覺(jué)能見(jiàn)度很難看清船艙內(nèi)殘煤狀態(tài)。操作取料中，司機(jī)還需彎腰低頭保持高專(zhuān)注力，且卸船過(guò)程中勞動(dòng)強(qiáng)度極大，長(zhǎng)時(shí)間卸船作業(yè)對(duì)卸船機(jī)司機(jī)體力、耐力、視力等考驗(yàn)極大，易發(fā)生卸船機(jī)與船只碰撞、卸船機(jī)喂料頭與船底部碰撞等不安全事件。因此，基于5G 技術(shù)開(kāi)發(fā)一種可實(shí)現(xiàn)無(wú)人值守的智能化卸船機(jī)、斗輪機(jī)全自動(dòng)控制系統(tǒng)尤為必要。

3.2 5G 智能化控制系統(tǒng)開(kāi)發(fā)

雷州發(fā)電公司對(duì)卸船機(jī)、斗輪機(jī)堆取料機(jī)進(jìn)行智能化設(shè)計(jì)，對(duì)碼頭和煤場(chǎng)范圍進(jìn)行5G 無(wú)線信號(hào)全覆蓋，通過(guò)與斗輪機(jī)控制系統(tǒng)網(wǎng)絡(luò)對(duì)接，實(shí)現(xiàn)以太網(wǎng)轉(zhuǎn)5G 無(wú)線通信，將煤場(chǎng)管理系統(tǒng)相關(guān)實(shí)時(shí)控制信息、視頻信息通過(guò)5G 網(wǎng)絡(luò)傳輸至控制室集控系統(tǒng)。

煤場(chǎng)管理系統(tǒng)軟件三維數(shù)據(jù)引擎采用Opengl，開(kāi)發(fā)平臺(tái)采用Visual Studio 2013 或以上版本，指令采用C++語(yǔ)言，系統(tǒng)服務(wù)器采用SQL server2012。據(jù)此開(kāi)發(fā)的遠(yuǎn)程控制系統(tǒng)軟件以三維方式顯示規(guī)定區(qū)域內(nèi)船倉(cāng)和整個(gè)煤場(chǎng)料堆及設(shè)備的動(dòng)態(tài)模型，真實(shí)反映出相應(yīng)作業(yè)場(chǎng)所的狀態(tài)；同時(shí)，遠(yuǎn)程控制系統(tǒng)軟件能夠自動(dòng)調(diào)用視頻信號(hào)，利用斗輪堆取料機(jī)定位系統(tǒng)獲得設(shè)備的準(zhǔn)確位置信息，通過(guò)高精度激光掃描設(shè)備對(duì)煤場(chǎng)進(jìn)行三維成像、建模，并將所有現(xiàn)場(chǎng)信息采集至無(wú)人值守智能控制軟件；系統(tǒng)軟件接收操作員輸入信息，經(jīng)過(guò)分析計(jì)算優(yōu)化斗輪堆取料機(jī)作業(yè)任務(wù)，并將作業(yè)過(guò)程所需特征點(diǎn)實(shí)時(shí)傳送到斗輪堆取料機(jī)控制系統(tǒng)，從而實(shí)現(xiàn)斗輪堆取料機(jī)自動(dòng)堆垛、開(kāi)層、換層、空?qǐng)龆讯?、補(bǔ)垛等堆取料全過(guò)程無(wú)人值守全自動(dòng)作業(yè)，以及卸船機(jī)、斗輪機(jī)對(duì)燃煤卸、堆取料機(jī)的智能化操控。

3.3 應(yīng)用成效

雷州發(fā)電公司通過(guò)在碼頭建立5G 通信基站及全自動(dòng)監(jiān)視和操作配套設(shè)施，使卸船機(jī)實(shí)現(xiàn)四自由度高精度姿態(tài)定位，建立三維仿真系統(tǒng)，對(duì)實(shí)際生產(chǎn)狀態(tài)進(jìn)行三維模擬，將原來(lái)手動(dòng)控制模式更改優(yōu)化為任務(wù)單自動(dòng)控制模式，對(duì)螺旋卸船機(jī)控制系統(tǒng)及安全系統(tǒng)進(jìn)行整體升級(jí)，與控制室進(jìn)行局域網(wǎng)通信，實(shí)現(xiàn)了卸船機(jī)無(wú)人值守作業(yè)。

激光掃描儀使物料探測(cè)系統(tǒng)在氣象及環(huán)境狀況良好時(shí)，能進(jìn)行非常準(zhǔn)確的測(cè)量；結(jié)合雷達(dá)料位計(jì)，利用雷達(dá)長(zhǎng)波，可穿透高粉塵、嚴(yán)重潮氣惡劣環(huán)境檢測(cè)到處于粉塵或霧幕后面的物料，實(shí)現(xiàn)船艙物料的三維成像與探測(cè)，準(zhǔn)確獲取船艙內(nèi)散貨物料分布情況，提供動(dòng)態(tài)實(shí)時(shí)的船艙內(nèi)料堆可視化狀態(tài)，實(shí)現(xiàn)螺旋卸船機(jī)自動(dòng)取料，為螺旋卸船機(jī)的智能控制提供資源數(shù)據(jù)支持；同時(shí)，增加的安全檢測(cè)傳感器，能夠防止碰撞，實(shí)現(xiàn)了螺旋卸船機(jī)的安全作業(yè)。

該卸船機(jī)、斗輪機(jī)無(wú)人值守系統(tǒng)在確保穩(wěn)定運(yùn)行基礎(chǔ)上，還保留了原有傳統(tǒng)堆、取料功能以及輸煤程控系統(tǒng)正常運(yùn)行能力，斗輪機(jī)司機(jī)室現(xiàn)場(chǎng)保留了人工操作的功能，以防5G 無(wú)人值守系統(tǒng)出現(xiàn)異常時(shí)相關(guān)設(shè)備能及時(shí)轉(zhuǎn)為人工操作，以確保電廠燃料供應(yīng)安全。

4 安全維護(hù)建議

(1) 保障通信網(wǎng)絡(luò)安全。5G技術(shù)應(yīng)用于卸船機(jī)、斗輪機(jī)等火電廠設(shè)備，其基礎(chǔ)是5G 通信網(wǎng)絡(luò)，因此首先要滿足5G 移動(dòng)通信網(wǎng)的安全需求、新技術(shù)驅(qū)動(dòng)的安全需求以及垂直行業(yè)驅(qū)動(dòng)的安全需求。

(2) 防止軟件設(shè)計(jì)漏洞。5G 技術(shù)的應(yīng)用使得終端的定義不再局限于傳統(tǒng)的手持終端，而是涵蓋了數(shù)量更為龐大、種類(lèi)更為豐富的IOT 物聯(lián)網(wǎng)終端。若終端芯片設(shè)計(jì)上存在的漏洞或硬件體系安全防護(hù)不足，終端身份可能被盜用，數(shù)據(jù)被竊取、篡改，卸船機(jī)、斗輪機(jī)終端用戶(hù)的無(wú)人值守程序?qū)⒉荒苷２僮?，不能?shí)現(xiàn)自動(dòng)卸煤和上煤。因此，需要從軟件設(shè)計(jì)角度考慮操作系統(tǒng)運(yùn)行的各類(lèi)應(yīng)用安全，防止攻擊者通過(guò)對(duì)軟件系統(tǒng)發(fā)起注入攻擊、釣魚(yú)攻擊等以達(dá)到其控制和更改終端軟件目的。

(3) 抓牢安全測(cè)試和權(quán)限管理?？刂破魇蔷W(wǎng)絡(luò)調(diào)度的中心，當(dāng)其發(fā)出錯(cuò)誤指令或發(fā)生故障時(shí)，就會(huì)使整個(gè)網(wǎng)絡(luò)或操作系統(tǒng)癱瘓，因此安全可靠的控制器對(duì)于網(wǎng)絡(luò)或操控系統(tǒng)至關(guān)重要?？刂破骱偷讓咏粨Q設(shè)備之間的通道要防止受到人為攻擊或破壞，需要對(duì)控制器上運(yùn)行的應(yīng)用軟件進(jìn)行安全測(cè)試，以防被植入惡意代碼。與此同時(shí)，要抓牢應(yīng)用隔離和權(quán)限管理，限制應(yīng)用對(duì)底層資源的訪問(wèn)權(quán)限，防止負(fù)責(zé)數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)發(fā)的底層交換設(shè)備遭受各種攻擊，比如防止有人用虛假流信息填滿流表、修改交換機(jī)對(duì)數(shù)據(jù)包的操作等入侵交換機(jī)，除定期進(jìn)行防攻擊性檢測(cè)防護(hù)外，還可通過(guò)流控、擁塞丟包和超時(shí)調(diào)整等方式抵御外部攻擊。

(4) 做好設(shè)備安全維護(hù)。要對(duì)卸船機(jī)、斗輪機(jī)等應(yīng)用5G 實(shí)現(xiàn)無(wú)人值守的自動(dòng)控制系統(tǒng)做好日常安全檢查和維護(hù)。要保證三維激光掃描儀、雷達(dá)料位計(jì)等檢測(cè)設(shè)施安全可用，確保檢測(cè)信息準(zhǔn)確、可靠，并能夠安全可靠地將現(xiàn)場(chǎng)信息傳遞給自動(dòng)控制處理中心；平日要清除電纜周?chē)悍?，以防發(fā)生自燃燒毀電纜；要加強(qiáng)對(duì)探頭、觸碰開(kāi)關(guān)等部件的日常檢查和定期保養(yǎng)，以防部件失靈導(dǎo)致卸船機(jī)、斗輪機(jī)自動(dòng)控制發(fā)生故障。

(5) 建立多級(jí)防護(hù)機(jī)制。5G 技術(shù)在卸船機(jī)、斗輪機(jī)等火電廠設(shè)備上的應(yīng)用目前尚在研究、試用、經(jīng)驗(yàn)積累的摸索階段，使用過(guò)程中可能會(huì)出現(xiàn)各種問(wèn)題，需要加強(qiáng)系統(tǒng)的完好性檢查和維護(hù)，提高其使用中的安全性、可靠性；同時(shí)要建立必要的多級(jí)安全協(xié)同防護(hù)機(jī)制，做好應(yīng)急狀況缺陷處理，并對(duì)5G 應(yīng)用存在的安全風(fēng)險(xiǎn)和可能出現(xiàn)的安全問(wèn)題制定相應(yīng)的安全防護(hù)措施，以確保5G 應(yīng)用自動(dòng)控制系統(tǒng)安全穩(wěn)定運(yùn)行。