基于5G通信的两栖带电作业机器人巡检系统

李锦煊，孟秋实，王 维

（广东电网有限责任公司广州供电局，广东 广州 510620）

0 引 言

随着现代化建设的不断推进，电力系统已成为我国不可替代的重要基础设施，电力系统的稳定运行与国家的稳定和国防安全息息相关[1,2]。输电线路作为电能的载体，与电力系统的稳定运行密切相关，关键输电线路的故障可能会造成电网的大面积停电，带来的损失不可估量。随着我国电网建设的全面铺开，输电线路分布范围越来越广，传输距离显著增加，且新增的输电线路大多为处在偏远地区的架空线路［3］。这些地区的输电线路运行环境复杂，导线、绝缘子等器件在长期运行过程中可能会发生过热、侵蚀等现象，如发现不及时则极有可能导致较大事故，影响人们的正常用电。为了保障输电线路的安全运行，需要对输电线路进行定期巡检。传统的巡检方式多为人工巡检，但由于偏远地区道路崎岖、输电线路长、天气复杂多变等原因，很难做到对所有输电线路进行每日甚至是每月一检，人工线路巡检工作面临着巨大挑战［4,5］。使用无人机代替人工巡检是近来提出的一个远程巡检方案，但受到无人机续航能力和航空管制的限制，无人机巡检尚不能完全替代人工巡检[6,7]。

两栖带电作业机器人是一种具有飞行和线路行走能力的巡检机器人，其具备的可飞行、可行走能力使其可以方便地飞到指定位置开展巡检，并使用低功耗的行走模式完成大部分巡检任务。本研究基于5G通信网络，构建一个使用两栖带电作业机器人的输电线路巡检系统。该系统通过搭载了高清摄像头和红外摄像头的两栖带电作业机器人，可以对输电线路实现在线检测，为输电线路的稳定运行消除隐患，为电网的高可靠运行提供保证。

1 相关的5G网络架构

电力行业中业务的多样性呈现对网络的多元化需求。一些业务需要极低时延，一些业务需要超高可靠性，一些业务对大规模的连接数和频繁传送小型数据包的支持有极高的要求。电力领域的业务多元化要求通信网络有更灵活的连接支持来满足不同业务场景的差异性需求。5G通信网络通过网络切片，可创建定制化的专业网络通道，并根据不同的业务需求和业务场景提供差异化的专用跑道，使运营商更便捷、更有效地满足垂直行业用户的多样化需求。

网络切片是将一个物理网络划分为多个逻辑网络，让每个业务拥有自己的逻辑网络。在电力系统的5G通信网络中，通过引入网络切片可以提高整个电力通信网络的资源配置效率，降低通信网络的建设成本，使用一张物理网来满足各业务的多样化网络需求[8,9]。5G网络切片可以使多个网络切片同时在同一个物理基础设备上运行，使得资源得到共享，物理基础设备利用率增高，成本显著降低。由于每个切片都是逻辑隔离的，安全可靠性高，让通信网络具备了根据业务需求按需定制、弹性伸缩的能力，充分满足电力业务的多样化需求[10]。

本研究在逻辑上将5G网络切片分为接入网、承载网和核心网3个逻辑子切片，通过5G网络切片管理功能可实现切片网络端到端的管理，有效提高5G网络片的安全性和隔离性[11,12]。为满足电力业务的需求，要求运营商将5G网络划分为包括4个生产切片和两个管理切片的6个商务端网络切片。两栖带电作业机器人巡检系统使用的是其中一个管理切片，通过QoS（Quality of Service）参数对网络进行保障，让管理切片的相对优先级远高于消费端网络切片，确保5G网络性能满足两栖带电作业机器人巡检系统的通信连接需求。

2 两栖带电作业机器人

两栖带电作业机器人具有飞行和线路行走两种运动方式。飞行模式具备类似无人机的飞行运动能力，运动维度高，可操控性强，但是也存在能耗高，续航能力差的问题。线路行走使用滚轮在输电线路上进行行走，虽然运动方向受到了限制，但是具有能耗低的优点。两栖带电作业机器人可以通过飞行模式与输电线路对接，然后再切换成行走模式在输电线路上行走巡视，进行低功耗巡检，在实现精准输电线路巡视作业的同时，有效规避航空管制风险，同时可以降低巡检功耗，有效延长巡检距离。

两栖带电作业机器人通过模块化设计搭载了可见光摄像机、红外线成像仪、激光测距仪等设备，能实现多样化巡检工作。可见光图像可清晰辨别出销钉、螺栓等微小线路元件，红外线图像能够分辨出销钉级缺陷或故障点。应用两栖带电作业机器人，解决无人机巡检存在的续航时间短、航空管制区域不能使用等问题。机器人跟随线路导轨，将采集到的图像、视频、激光点云数据等上送至控制中心，完成线路的日常巡检、故障巡检、动态巡检和飘挂物清除等工作，达到减轻人工巡检的作业强度，减少人员登塔的作业风险，提高输电线路巡检作业质量和管理水平。两栖带电作业机器人进行输电线路巡检如图1所示。

图1 输电线路巡检中的两栖带电作业机器人

3 应用效果

3.1 5G网络状况

为了验证两栖带电作业机器人巡检系统的通信网络状况，本研究对5G切片网络进行了一系列测试。首先测试了5G网络切片的隔离性，验证核心网是否可以有效隔离不同切片。将两个5G测试终端分别签约到生产控制区切片和管理区切片，把测试终端A开机，分别向生产控制区切片和管理区切片注册，验证测试终端A是否注册成功。然后把测试终端B开机，分别向生产控制区切片和管理区切片注册，验证终端B是否注册成功。测试结果显示，终端A仅能接入生产控制区切片而终端B仅能接入管理区切片失败，测试结果显示网络切片隔离功能正常。

将5G测试终端1签约到切片A，同时将5G测试终端2签约到切片B，并进行网络连接测试，检查两台测试终端能否与对方终端、各自切片区以及对方切片区的生产控制主站和管理主站正常通信。测试结果显示，在同一个切片里，终端可以与生产控制主站和管理主站互相通信，但是不同切片间终端与终端、主站与终端之间均不能互相通信，5G网络切片可以对不同业务进行有效隔离。

在对电网切片带宽资源保障测试中，让5G测试终端A与管理切片A签约，5G测试终端B签约消费端切片。让测试终端A做上下行非满灌包业务，同时测试终端B做上下行满灌包业务，记录此时两个切片的带宽情况，测试5G切片网络是否能保障高优先级的电网管理切片带宽。首先，在同一点位，让两个测试终端同时做上行满灌包业务，测得上行最大带宽约为150 Mb/s。然后让测试终端B做上行满灌包业务，同时测试终端A做上行非满灌包业务，测试结果显示测试终端A的上行带宽与上行满灌包业务速率相一致，测试终端A的上行带宽不受影响。其次，在同一点位，让两个测试终端同时做下行满灌包业务，测得下行最大带宽约为1 000 Mb/s。让测试终端B做下行满灌包业务，同时测试终端A做下行非满灌包业务，测试结果显示测试终端A的下行带宽与下行满灌包业务速率相一致，不受影响，5G网络切片的上行带宽能达到150 Mb/s，下行带宽可达到1 000 Mb/s，上下行带宽均满足本研究需求。在用户都是满灌包业务时，会按照优先级分配时频资源，即使测试终端B为满灌包业务，由于测试终端A所在的管理切片的相对优先级较高，会优先保障测试终端A的时频资源，在满足管理切片的带宽需求前提下，再将剩余资源分配给消费端切片，确保本巡检系统网络通信的大带宽。

为了测试5G网络端到端的通道可靠性，将测试终端接入5G网络，保持测试终端处于连接态并记录相关信令。通过ping包工具发起ping包业务，设置ping包大小为32 Byte、512 Byte和1 400 Byte，发包间隔设置为20 ms和50 ms，发包次数各为10 000次，测量不同包大小和不同时延下网络通信的可靠性，测试结果如表1所示。

表1 5G网络端到端的通道可靠性测试结果

测试结果显示5G网络通道的可靠性达到了99.999%，能够满足两栖带电作业机器人巡检系统的网络可靠性要求。

3.2 两栖带电作业机器人巡检系统的运行情况

让两栖带电作业机器人飞行至指定位置，使其悬挂在输电线路的地线上，并与固定在铁塔上的无线热点进行通信。无线热点通过网线连接5G用户端设备，用户端插入SIM卡后接入5G网络，通过5G切片网络将视频数据回传到监控主站。两栖带电作业机器人传回的在线巡检图像如图2所示。

图2 两栖带电作业机器人巡检影像

结果表明本研究构建的基于5G通信网络的两栖带电作业机器人巡检系统可以实现架空线路的远程巡检。通过搭载的高清摄像头和红外摄像头以及激光测距仪，能对输电线路上的微小缺陷进行有效识别，在降低巡检设备功耗的同时，显著提高巡检效率。

4 结 论

本研究构建了一个基于5G通信网络的两栖带电作业机器人输电线路巡检系统。通过构建5G切片网络，确保了巡检系统通信网络的安全性和隔离性。同时本巡检系统利用两栖带电作业机器人既可以飞行，又可以在输电线路上行走的特性，有效提升了输电线路巡检的巡检距离和巡检效率。两栖带电作业机器人“可飞行、可行走”的两栖特点，有效弥补了传统无人机巡视续航时间短、受航空管制等短板。通过5G网络将现场拍摄的实时高清视频数据传送到远程智能控制主站，后期再结合AI视频智能分析技术，有望实现对输电架空线路的自动检测。