5G技术作为第五代移动通信技术，代表着通信领域的最新进展和技术创新，5G旨在提供比前代4G技术更高的数据传输速率、更低的延迟、更高的可靠性和更广泛的网络覆盖，以满足日益增长的数据通信需求，尤其是在物联网、增强现实、虚拟现实等领域。2010年初，全球各大通信技术研发机构与公司基于当前市场趋势开始预见到4G技术将面临的挑战和局限性，因此开始投资研发下一代移动通信技术。经过数年的技术研发和试验，2018年开始，部分国家与地区已经初步部署了5G基础设施，并开始提供商业服务。与此同时，国际电信联盟（ITU）和第三代合作伙伴计划（3GPP）等国际组织也在相继制定和发布5G的相关标准和技术规范。至今，5G技术已经成为全球范围内的主流通信技术，并逐步取代4G技术，为全球人类带来了全新的通信体验和无数的应用可能性。一、无人机在特定场景中的应用
输电线路是国家电网及钢铁企业供配电输电的重要组成部分，随着经济的高速发展，越来越多的超高压、大容量、长距离输电线路应运而生。然而，传统的人工巡检方式受到自然和地理条件的限制，难以满足实际需要。因此，“无人机巡视为主，人工巡视为辅”的模式应运而生，该模式高效、快捷、不受地域限制，成为我国输电线路巡检的重要方式。武汉钢铁有限公司能环部能源调度中心则提出了采用无人机进行电力线路的自动化巡检，能高效采集地理坐标图像，通过计算机视觉算法和图像拼接技术转化为三维数字化空间数据，无人机自动化电力线路通道数字化巡检方式旨在提供更科学、高效的线路通道评估和分析手段，配套的智能分析系统能帮助相关人员更准确地查看和判断输电线路的隐患和设备缺陷，还可以应用于煤气、蒸汽管线的巡检，能有效发现和预警煤气泄漏、排水器堵塞等问题。尽管无人机在空旷地区的应用已相对成熟，但在复杂的工业环境中，如武钢，其全自主飞行监测仍面临挑战。预设导航模式下的无人机容易与障碍物发生碰撞，带有传感器的实时监测数据回传技术虽然可行，但其监测值会受到距离和风向的影响。
二、5G+无人机在钢铁行业的巡检方案概述及建设目标
武汉钢铁有限公司能环部计划整合能源动力设施的巡检、操作和监控为智能系统，并将其部署在公司级的的“六合一”管控调度大厅，用10套无人机与配套软件系统，对武钢的多条电力架空线路实施无人机巡视，同时利用1套无人机系统，对外网煤气和蒸汽管线进行巡视，实时监控电力线路的各种潜在威胁，如大型施工机械的接近、违章操作、电线污秽等，并建立智慧巡检统一展示及服务平台。该项目旨在通过智能管控系统，为武钢提供更高效、安全的能源动力设施管理，旨在优化人力资源，将电力架空线路的巡视周期由原来的每月一次延长至每两个月一次，同时降低巡视中的风险和人员劳动强度；预防电力线路故障，减少经济损失；建立基于数字三维全景的电力线路模拟预警管理系统，实现多维度数据分析、预警和总结。
三、5G+无人机在钢铁行业的巡检方案设计架构
武钢的“智慧巡检”系统（应用界面如图一所示）展现了分层的现代系统架构，如下图二所示，主要分为：智能装备层，包括传感器、无人机等，负责数据采集；智能工厂层，包含应用、基础平台、云服务等，支持数据处理和分析；智慧运行层，是用户互动界面，提供操作和监控。网络上，大部分设备利用4G/5G无线网络连接到“宝之云”服务器，与武钢内部网络互通[1]，其网络架构如下图三所示。项目云服务器全部迁入武钢大数据产业园，加强其作为工业互联网节点的地位。智能巡检接入点借武钢有限初步建成“1+N+X”的5G建设专网（“1”个专属核心网+“N”个5G共享基站+“X”个工控专网），创新应用模式，并通过5G核心网的专线接入到武钢属地网络系统和宝之云武汉节点通讯，智能巡检系统武钢5G专网网络拓扑如下图四所示。此方案体现了武钢对工业4.0和智慧工厂的深入实践，确保数据实时传输和处理，提升企业效率。
图二：5G+无人机巡检系统构架
图三：5G+无人机巡检系统网络架构
图四：智能巡检系统5G专网拓扑
四、5G+无人机在钢铁行业的巡检子系统方案
（一）飞行路线规划
武钢有限智能巡检系统中的无人机子系统负责广泛的电力架空线路巡视，其优势在于高效率、低成本、易操作和细致化巡检能力。利用高精度三维 GIS 地理信息，无人机能实现自动驾驶外业图像采集，并利用分析平台进行电力线路的细致空间分析。关于飞行路线规划，武钢线路总长达200公里。标准的巡检频率为每日一次，而精细化巡检为半月一次。考虑到无人机飞行时间和电池续航限制，推荐采用4-6组人员同时进行操作，需配备至少10架无人机以保持连续作业。为保障工作流程，建议额外配备2架备用无人机，以应对设备维修或保养的需求，具体飞行路径如下图五所示。
图五：5G+无人机在钢铁行业的巡检子系统路径规划
（二）技术应用及平台搭建
在数字化测绘3D建模方面，对比传统的手绘与图片采集方式，无人机提供了更为直观、准确的数据。复杂地形与环境状况下的巡检与测量，无人机能够通过高精度的三维地形匹配自动进行，提高了工作效率和精确性。三维建模原理也更为先进，借助现代计算机视觉与深度学习技术，能够还原真实世界的三维结构，如下图六、七所示，使得钢铁厂复杂环境下电力线路的高精度、精细化巡检成为可能。进一步而言，三维点云地理信息平台为输电线路管理提供了更为宏观、全面的视角。台账管理、雷电定位、地形与树木的三维可视化，等等，都为电力线路管理提供了强大的支持。这不仅仅是数据的展示，更多的是对数据的分析[2]。例如，输电线路三维廊道的净空分析系统能够计算导线与地面的距离，生成剖面图表；全景地图浏览系统则提供了多样化的地图浏览选项，方便工作人员对线路进行管理；而激光雷达扫描分析系统，则能够获取高密度、高精度的点云数据，进行快速处理与分析，如下图八所示。
图七：全角度三维场景二
图八：激光雷达扫描分析画面示例
（三）模式与配置
无人机执行的任务可分为手动飞行巡检、自主飞行巡检及规划飞行巡检三大类。在巡检内容上，无人机主要应用可见光镜头、红外热成像镜头和激光雷达等技术手段进行检测。这些技术分别用于架空线路本体、附属设施、通道、电力保护区的检查、线路接头和设备本体的温度巡查以及植被、杆塔、导线、构筑物的状态分析。无人机巡检的方式主要用于常规巡检和特殊情况，常规巡检包括快速巡视和精细巡视两种，区别在于巡视的细致程度、采用的设备和所需的照片数量。特殊巡视主要是夜间巡视，针对某些设备在夜间更容易发现的隐患；故障巡视则针对已经出现故障的线路进行巡检，查明故障原因。本项目的无人机的硬件配置包括无人机主体、视觉系统、相机、全球导航卫星系统(GNSS)、云台、红外感知系统和其他相关配件。
五、5G+无人机在钢铁行业的巡检方案线路综合监测子系统
本系统旨在全方位保障输电线路的稳定和安全运行，解决由外部破坏、污染和设备老化等因素导致的各种隐患。针对易受外部破坏的输电线路区域，安装了高压线路防外力破坏智能警示装置，风险区域分别为天宇鹏公司、柱诚工贸公司和凯恒环保公司的院内，由于场内工作设备容易误碰导线，因此需要进行特别监控。为增加灵活性，系统还配备两套移动式视频监控系统，针对新出现风险地点进行实时观测。为在线监测输电线路杆塔绝缘子的污秽和放电情况，还安装了绝缘子防污闪装置，主要监控点包括武碾线、循桥线等处。对于重要的110kV电缆连接部位，如柔性终端头、充油终端头和电缆中间头，安装局部放电在线监测装置，以实时监控其运行状态，也为避雷器配备了防爆监测装置，以实时监控其泄漏电流和雷击放电情况。所有监测软件系统将被整合并提交，同时提供相关的硬件、软件接口和技术支持，与公司电力线路模拟预警管理系统平台相融合。
六、5G+无人机在钢铁行业的巡检系统集成与开发
随着工业互联网的战略布局，现代工业对设备实时运行状态的监控需求逐渐增强。企业追求能随时随地获取系统的实时运行信息，以作出恰当决策。工业互联网平台成为实现这一目标的首选，凭借其跨平台特点，可以在各种支持Web的设备上运行，简化部署，降低成本。然而，基于现代科技的快速发展，传统的工业组态软件已逐渐显得不胜任。为此，宝武智能工厂服务平台（iPlat）应运而生，针对行业发展趋势设计，并致力于打造一站式的工业监控可视化系统，为企业提供强有力的决策支持，其功能架构图如下图九所示。宝武智能工厂服务平台（iPlat）主要面向工业领域的工厂级智慧制造、集控中心、管控一体化等应用。该平台可进行工厂级的信息系统集中统一展示、实时数据组态监控、全厂视频统一监控及AI智能分析、自动化应用集中管控、制造执行系统与ERP互通互联等，并可与集团云与大数据贯通。iPlat的设计目标是实现工厂级智能管控统一平台。面向制造业数字化、网络化、智能化需求，构建基于海量数据采集、汇聚、分析的服务体系，支撑制造资源泛在连接、弹性供给、高效配置的工业平台，包括边缘、平台、应用等层级。该平台亦叠加物联网、大数据、人工智能等新兴技术，构建更精准、实时、高效的数据采集体系，建设包括存储、集成、访问、分析、管理功能的使能平台，实现工业技术、经验、知识模型化、软件化、复用化，以工业APP的形式为制造企业各类创新应用，最终形成资源富集、多方参与、合作共赢、协同演进的制造业工厂级生态；并与集团级生态圈紧密对接，打造全流程全方位的集团统一分布式工业互联网系统。因此，本项目基于宝武智能工厂服务平台（iPlat）构建智能巡检平台，智慧巡检平台呈现了分层和集成的设计架构，旨在提供全方位、实时的巡检和监测服务。核心部分是“智慧巡检应用平台”，作为整个系统的主控中心，统一管理并调度各功能模块，包括主要三大巡检模块及其他辅助模块，即“无人机巡检”、“智能监测(线路/管网/隧道)”和“人工智能”，如下图十二所示。每个模块都有其独特的功能和应用领域。例如，无人机巡检主要侧重于高空或远程的实时监控，涵盖了从系统配置、应用功能设计到手机App的应用与测试。而智能监测模块更关注于固定设施的自动化监测，如线路/管网和隧道的结构、震动以及环境因子的监测。此外，平台还与地理信息系统(GIS)和其他巡检功能如线路和设备巡检紧密集成，确保监测的全面性和准确性，提高管理效率和便捷性。
图九：iPlat功能架构图
图十：iPlat技术架构图
图十一：智慧巡检平台应用功能架构
七、5G+无人机在钢铁行业的巡检方案的安全设计
5G+无人机在钢铁行业的巡检方案的安全设计注重多方面的保护措施，所有相关的硬件设备都运行在专业的机房环境下，拥有严格的管理制度和环境控制，以确保设备的物理安全。网络、服务器和终端的通讯连接均通过防火墙进行隔离，定期进行病毒扫描，并实施严格的访问控制策略，采用HTTPS/SSL安全加密通道确保客户与云计算中心间的通信安全。在应用层面，方案提供了服务器的登入控制和频道的进入控制，确保只有经授权的用户才能访问，并对视频数据进行AES 256位的加密传输[4]。关于无人机的安全，除了为每架无人机投保，飞机本身也具备三冗余避障系统，能够在多种紧急情况下自主返航，无人机使用的电池均达到国家最高安全标准，且所有飞机在民航管理局备案。为保证无人机充电安全，提出智能充电储存柜的使用规范和设置位置，确保其满足国家安全标准[5]。
八、技术应用展望——无人机+机巢的应用
为了进一步优化电力线路的保障与巡检，中国宝武推出了“空中宝罗”无人机机场，如下图十二所示，该空中宝罗无人机机场是针对高危险性、劣势劳动环境和重复性工作的3D岗位进行优化的创新应用，由机巢、无人机和巡检云平台（空中宝罗管控云平台）三部分组成，其中机巢位于线路作业区办公大楼的楼顶，为无人机提供可休憩的“家”。通过巡检云平台（图十三所示），可以实现远程控制，确保无人机的安全操作。该无人机+机巢应用的推出，成功解决了巡检中的盲点问题，实现了线路作业区的电力架空线的高空监测巡检全覆盖，还可以对作业区的架空线、管网等进行日常安全巡查，将可见光、热成像等图像信息实时传输到生产管控中心。未来，随着技术的进一步发展，无人机+机巢的应用将更加广泛，能够为各行各业，特别是在高空、高危或难以到达的地方进行巡检的行业，提供更加便捷、安全和高效的解决方案。
图十二：“空中保罗”无人机机场
图十三：“空中保罗”管控云平台
结语：
5G技术与无人机的结合，为钢铁行业带来了巡检革命，通过高效、精确和安全的巡检方法，武钢有限作为钢铁行业首个智慧巡检案，例可以提高生产效率，降低巡检成本，及时发现并处理潜在隐患，提高整体的生产安全性。此外，这种结合还为钢铁行业的数字化、智能化转型打下了坚实的基础。然而，如何进一步优化这一结合，以及如何应对由此带来的技术和管理挑战，还需要钢铁行业、技术提供商和相关部门共同努力和探索。（作者：上海宝信软件股份有限公司 黄义华 武汉钢铁有限公司 邱军 ）
参考文献：
[1]黄成斌,姜华,丛犁等.基于车辆-无人机协同的输电线路巡检技术研究[C]//吉林省电机工程学会.吉林省电机工程学会2022年学术年会获奖论文集.吉林大学出版社,2022:347-354.
[2]练圣哲,兰晓龙,胡建超等.电力无人机巡检系统图像处理研究[J].通信与信息技术,2022(06):87-91.
[3]李晓敏. 大型水电站送出线路无人机巡检研究及应用[C]//中国水力发电工程学会自动化专业委员会.中国水力发电工程学会自动化专委会2022年年会暨全国水电厂智能化应用学术交流会会议论文集.[出版者不详],2022:52-54.
[4]洪瑜阳,王骏永. 浙江丽水供电公司成功应用无人机输变配一体化巡检[N]. 国家电网报,2022-12-13(003).[5]陈海涛,王辉,张志学等.毒品原植物无人机巡检系统及执法应用[J].中国人民警察大学学报,2022,38(12):18-21+25.
来源：冶金企业供用电专业安全经济稳定运行及智能化技术应用研讨会
官方微信公众号
皖公网安备：34020802000182号
