电信5G定制网%2B工业PON双千兆在化工厂区应用的研究.pdf

38新技术新业务行业应用DOI:10.3969/j.issn.1006-6403.2023.07.009电信 5G 定制网+工业 PON 双千兆在化工厂区应用的研究卢国伟牟鸣对于在物料敏感密集、安全条件苛刻、多终端数据采集的化工厂区，通过中国电信5G 定制网+工业 PON 双千兆网络的覆盖，实现高带宽大数据传输、应用 QOS 管理和生产终端统一规范接口管理，提升云网融合能力和超级算力功能，促进化工厂区加快向安全、绿色、智慧的生产应急调度厂区作数字转型。本文案例项目“安全、绿色、智慧新石化”的落地，也标志电信双千兆网络技术在能源类客户厂区场景的商用逐步成熟。卢国伟现任职中国电信广州分公司，工程师，本科毕业于暨南大学电子工程专业，高级产品经理，研究方向：传输光通信、5G 通信、工业互联网。2022 年首届“光华杯”获全国三等奖。牟鸣现任职于中国电信广州分公司，工程师，本科毕业于北京邮电大学通信工程专业，网络维护中心副总经理，长期从事网络规划/采购、网络运维。关键词：双千兆 化工厂区 数字转型摘要1 引言化工厂区属于石化企业生产区域环境，包括各种金属管线、罐塔装置、复杂钢结构、化学燃料运输车辆，各类在厂区内防爆区域部署和使用的设备都要求具有国家防爆认证，且能工作长期稳定，故障率低1。而传统的交换机以太网不够灵活，覆盖距离受限，且对高低温、湿度、防尘、供电的抗干扰能力难以达到化工保障要求，网络调整、升级、扩展受限。为此，传统化工厂区网络亟需变革，要构建面向工业互联网应用场景的高品质网络，实现电信大数据、互联网数据、视频监控数据与石化产业大数据有机整合。2 化工厂区通信网络亟需解决（1）网络割裂，能力单一。五类线易干扰、多类型工业协议不互通。网络部署复杂，网络层级随着接入设备增加而增加，网络管控和维护比较困难。（2）信号盲区多，屏蔽严重化。工厂区面积大，生产区域和办公区域分离，室外部分区域内罐体装置多，室内部分密闭空间多，导致无线信号覆盖盲区多。（3）人员体系庞大，管理追溯难。易燃易爆区域多，人员巡检路径、是否进出防爆区等往往靠员工的自觉性，没有形成对危化品全生命周期数据以及各部门监管所需数据进行集成和存储的一体化全生命周期管理手段2。39电信 5G 定制网+工业 PON 双千兆在化工厂区应用的研究新技术新业务行业应用2023.07 广东通信技术（4）布线复杂，缺乏云网规划。化工厂区网路缺乏云网规划的能力，只解决了工厂内的网络部署，但缺乏对厂区外网连接和石化上云业务的考虑，不满足发展工业互联网的需求。3 电信“双千兆”在化工厂区应用方案概述3.1 设计思想2016 年 10 月，国家工信部出台石化和化学工业发展规划（20162020 年），提出科技创新集成化、安全环保生态化的发展原则3，重点打造石化国家级石化绿色工厂、两化融合示范企业。2021 年 3 月，工信部印发“双千兆”网络协同发展行动计划（2021-2023 年）通知，在重点行业要加大千兆光网和 5G 网络建设力度，丰富应用场景，进一步发挥“双千兆”网络在拉动有效投资、促进信息消费和助力制造业数字化转型等方面的重要作用，加快推动构建新发展格局4。中国电信以 5G 定制网和工业 PON 为代表的“双千兆”方案，因其抗干扰、无源、可覆盖距离远等优势，可以从石化厂区局部内网、信号盲点与传统以太交换网络形成衔接，加强网络覆盖，节省全网更换的大规模投资。其次，“双千兆”网络能向厂区数据采集点提供千兆接入能力，具有超大带宽、超低时延、抗干扰、无源节能等特征，先进可靠5。第三，“双千兆”+云网融合技术，助力打造“石化智云”工业互联网平台，最大发挥云边协同的优势，实现过程控制层、生产营运层、经营管理层的纵向集成，促进智能化工厂区新一代生产营运指挥模式。第四，提升企业的全面感知能力、优化协同能力、预测预警能力和科学决策能力，聚焦生产管控、安全、环保等核心业务领域应用，以摄像头、音视频记录仪、无人机、AGV（Automated Guided Vehicle,自动导引运输车）、传感器等为智能应用设备，打造以下应用场景，如表 1 所示。3.2 方案架构通信涉及总体架构如图 1 所示。应用层：分析应用数据，利用工业大数据分析平台，表 1 应用场景与关键技术业务层次应用场景双千兆关键技术过程控制层现场生产巡检5G UPF 下沉和 MEC 边缘计算生产异常实时监督5G 统一智能装备协议现场作业安全智能监管PON Web/APP多样化管理方式，无人机巡检5G 高覆盖和 AI 运算生产营运层生产应急指挥工业 PON 双保护VOCs（Volatile Organic Compounds,总挥发性有机物）溯源5G 高覆盖和端到端 SLA 保障经营管理层智能机泵群监测双千兆和 AI 运算图 1 石化厂区通信设计架构图连接工业应用系统，通过云网融合和能力开放，打造包括工作台、三维数字工厂模型、6 大功能模块的工业数据指挥中心，实现智能生产指挥。平台层：集中收集上报数据，保存数据，为上层应用提供数据，并提供建立数据关联模型，解决了企业信息孤岛的痛点，并最终实现数据互通。网络层：其中，5G 定制网采用比邻模式，本地处理，云边协同，其优势如图 2 所示。图 2 电信 5G 比邻模式定制专网拓扑与优势40新技术 新业务新技术新业务行业应用图 3 电信工业 PON 优势而工业 PON 光网的部署优势如图 3 所示6。接入层：厂区终端设备统一接入，实现工业设备及管理互联。安全注册机制，下行数据传送天然加密，上行数据传送时分机制隔离，实现高安全性保障。对于下沉至厂区的 OLT 设备，主、备用的 OLT PON 端口均处于工作状态，光分路器采用 2 个 1 N 光分路器，可以满足 TYPE D 倒换机制保护的部署要求6，如图 5 所示。正是内网接入的 PON高可靠性，确保平台 7*24 小时高可用在线营运，如图 6所示。图 4 广州石化厂区“双千兆”网络方案图 5 PON 的 TYPE D 保护倒换机制图 6 广州石化“现场-消防-应急指挥中心”融合通信平台4.2 智能生产异常实时监管智能生产异常监管在传输网络主要依赖 5G 专网的安全性和应用匹配能力：厂区用户共享内部同一个DNN（Data Network Name，数据网络名称），UPF 下沉专属广州石化通道，并与其他用户 5G 外网隔离通道对接，保证客户业务端到端安全隔离。其空口侧 GBR（Guranteed Bit Rate，保证比特速率）保障基站侧配置切片与 TAC（Tracking Area Code，跟踪区码）映射，达到不同应用不同 QOS 保障7。基于生产数据识别模型及规则，通过 5G 防爆智能移动巡检终端，在可视化场景中实现现场巡检人员的巡检内容和巡检轨迹的实时回传；基于 5G 音视频记录仪的实时记录内容，通过 AI 智能分析，实现现场表数据识别。识别现场异常，自动生成异常记录。如图 7 试验可燃性气体泄露后调度避险的示例场景。4.3 现场作业安全智能监管4 应用案例广州电信采用“双千兆”网络方案，如图 4 所示，联合中兴通讯股份有限公司、石化盈科信息技术有限责任公司，共同打造高质量网络与石化算力平台，创新广州石化5G 工业应用。4.1 现场-消防-应急三位一体融合通讯调度平台 统一接入调度平台的数据传输必须确保高可靠性、高稳定性、高安全性，因此采用工业 PON 作平台侧的接入段必不可少：当一路 ONU 设备端口故障中断时，快速进行主备链路切换和业务恢复，同时 PON 网络设置 ONU41电信 5G 定制网+工业 PON 双千兆在化工厂区应用的研究新技术新业务行业应用2023.07 广东通信技术图 7 生产数据实时监督示例国家出台的智能装备标准协议如图 8 所示，主要用于规定智能传感器、智能仪表等智能装备的数据字典、通信协议、接口、集成和互联互通、优化等技术要求，解决生产过程智能装备之间，智能装备与物流系统、检测系统、工业软件、工业云平台之间数据共享和互联互通问题8。而石化因其生产流程复杂性、生态多样性，使得厂区现场设备种类繁多，接口和总线协议不统一，多数生产设备并非符合上述智能是非标总线接口和非标总线协议。为了实现设备的互联互通和监管，实现设备数据采集，PON数据采集网关终端，支持内置 OPC-UA 服务器，MQTT client/server,支持 HTTP 通信及 web server，解析现场总线及实时以太网协议实现数据采集；最终实现通过协议转换实现异构通信协议到统一协议的映射，实现现场通信协议的统一，降低设备组网的难度，实现访问统一性通过协议兼容将不同的网络和通信协议统一映射成统一协议6。混合定位、人工智能、射频识别技术，实现人机具数字化管理和现场直接作业不安全行为自动识别，变革现场作业票管理模式和流程，实现现场作业智能管控，提升企业本质图 8 智能装备标准子协议安全能力。4.4 空地一体化无人机管线巡检石化厂区的管线覆盖面积广，纵深距离远，而且环境敏感，传统的有线网络无法覆盖风险盲点。无人机 5G 在线摄像头实时回传的影像及图像，识别现场异常，自动生成异常记录。整合激光雷达、云台视觉、红外等对障碍物的识别以及地形定位侦测技术，利用 AI 技术，建立典型移动作业监护场景，对利用 5G 传输的低时延的现场监控视频流进行计算分析，及时发现偏离作业管理规范的不安全行为，形成现场异常信息（包括管线泄漏、温度异常、施工作业等）的自动采集、识别、分析、在线监测预警、统一管控治理等功能的一体巡检机制。图 9 现场作业安全监控大屏图 10 5G 无人机+AI 管线巡检4.5 大数据辅助智能 VOCs 溯源在双千兆网+石化智云平台基础上，广州石化开发“点、面、域”多源融合 VOCs 立体监测预警溯源应用软件，用5G 机器人、AGV 等工具，对挥发性有机物（VOCs）进行全方位、全天候、全时段的监测管控与精准治理，如图 11 所示，极大地提升厂区环境保护能力和绩效。图 11 VOCs 监测溯源示例4.6 泵群智能化诊断泵群通过传感器采集设备的振动、温度、电流数据，以双千兆网络全面覆盖厂区的能力，将数据传输至网关，利用 WAN 接口将数据传输至石化智云平台服务器，平台应用 AI 分析能力建立的比照标准阈值或模型进行匹配，以此进行潜在风险分析、预判。该架构能实现本地化或远42新技术 新业务新技术新业务行业应用程对数据的监测和诊断，推进设备运行维护智能化、机泵房值守无人化、设备全生命周期数字化，实现设备运行本质安全10。图 12 泵群智能化诊断5 创新效果与经济效益创新点一：统一数据采集接口标准，提升网络覆盖和传输能力。本项目满足化工设备具备的 RS232/485、以太口、光口等多类型接口连接要求，提供可靠、稳定的网络传输能力，使得海量化工设备能够实现快速联网的需求。项目实施后，数据采集和监测点的数据传输效率提升 30%，靠近基站区域上行速率提升 2060%，偏远弱覆盖区域可提升最高 300%11。创新点二：网络运维便捷高效，释放人力风险和降低风险损失本项目用于企业内网建设和改造，实现对工厂内各种设备运行数据、生产数据的采集与传输：无人机巡检，释放人力 5 人/班次，巡检质量得到提升，减少损失 500 万元/年；智能生产异常实时监管，减少全年加工损失196.9 万元/年。此外按每年避免两次非计划停车，减少损失 500 万元/年11。创新点三：打造实现 AI 算力的石化智云工业互联网平台结合石化集团总部的集约化建设的目标，与广州石化工厂企业个性化建设的诉求，搭建石化集团-企业工业互联网平台分级部署架构，实现各领域单位共享协同分配资源。充分发挥工业互联网平台 AI 使能能力，构建基于机理+人工智能的炼化模型，支撑炼化业务应用的智慧化12。创新点四：全面贯彻安全、绿色、智慧的原则，造福于民厂区生产设备可视化、信息系统互通化产品质量可溯化，有效提高产品质量、提高生产效率、延长设备使用寿命。在环境保护方面，通过“点、面、域”多源融合立体监测预警溯源体系，实现环保预警次数同比