黃威皓，鮑自翔，肖逸軍，葉康林

(中國石油西南油氣田公司通信與信息技術(shù)中心，四川 成都 610051)

0 引言

通信技術(shù)在近年來飛速發(fā)展，2017年，國務(wù)院關(guān)于深化“互聯(lián)網(wǎng)+先進(jìn)制造業(yè)”發(fā)展工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)的指導(dǎo)意見中夯實網(wǎng)絡(luò)基礎(chǔ)部分提出了要支持企業(yè)大力推動工業(yè)無源光網(wǎng)絡(luò)(PON)的發(fā)展。工業(yè)PON，作為新一代面向數(shù)字化、智能化發(fā)展的全新網(wǎng)絡(luò)建設(shè)模式，是信息化和工業(yè)化的深度融合，能提供全光纖、高帶寬、高安全、多業(yè)務(wù)要求。

在油氣田行業(yè)中，伴隨多年的信息化發(fā)展以及生產(chǎn)場站的高速增量，傳統(tǒng)以太網(wǎng)交換組網(wǎng)方式在組網(wǎng)的靈活度、傳輸?shù)姆€(wěn)定性以及網(wǎng)絡(luò)運維成本等方面跟上油氣場站信息化需求的發(fā)展步伐。同時，傳統(tǒng)網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)還存在擴容、調(diào)整復(fù)雜耗時，無法滿足柔性制造需求；網(wǎng)線升級對走線槽空間要求高，成本高，網(wǎng)線生命周期短，帶寬升級需更換介質(zhì)等問題亟待解決。文章通過利用工業(yè)PON技術(shù)組網(wǎng)的生產(chǎn)信息化一體化橇為例，論述工業(yè)PON的技術(shù)特點和在油氣行業(yè)中的應(yīng)用場景，比較傳統(tǒng)組網(wǎng)方式和工業(yè)PON組網(wǎng)的優(yōu)劣勢，為油氣田信息化組網(wǎng)模式提供參考。

1 PON簡介

PON是一種應(yīng)用于接入網(wǎng),局端設(shè)備(OLT)與多個用戶端設(shè)備(ONU/ONT)之間通過無源的光纜、光分/合路器等組成的光分配網(wǎng)(ODN)連接的網(wǎng)絡(luò)。如圖1所示。它采用基帶數(shù)字傳輸技術(shù)傳輸雙向交互式業(yè)務(wù)。它由OLT(光線路終端)、光配線網(wǎng)ODN、及光網(wǎng)絡(luò)單元ONU組成[1]，在OLT和ONU之間的ODN沒有任何有源電子設(shè)備。PON使用波分復(fù)用(WDM)技術(shù)，同時處理雙向信號傳輸，上、下行信號分別用不同的波長，但在同一根光纖中傳送。OLT到ONU/ONT的方向為下行方向，反之為上行方向。下行方向采用1 490 nm，上行方向采用1 310 nm。這種時分多址的接入模式有效杜絕了數(shù)據(jù)沖突和網(wǎng)絡(luò)堵塞。

圖1 PON組網(wǎng)架構(gòu)

2 工業(yè)PON技術(shù)特點

工業(yè)PON組網(wǎng)具有網(wǎng)絡(luò)層級更加扁平，安全更可靠、運維更安全的特性。傳統(tǒng)以太網(wǎng)交換機網(wǎng)絡(luò)由接入層、匯聚層、核心層三層架構(gòu)進(jìn)行組網(wǎng)，網(wǎng)絡(luò)層級多，尤其在大型工廠或場站更加明細(xì)。同時傳統(tǒng)組網(wǎng)的網(wǎng)絡(luò)信號受電磁干擾較大。而工業(yè)PON無源光網(wǎng)絡(luò)是純介質(zhì)網(wǎng)絡(luò)，可以有效避免電磁對傳輸數(shù)據(jù)的影響和干擾。此外，工業(yè)PON采用更加扁平結(jié)構(gòu)的進(jìn)行組網(wǎng)，減少了如：RTN、SDH這類高成本傳輸設(shè)備，有效降低了建設(shè)成本。在網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)上PON是一種扇出的星型結(jié)構(gòu)，可以服務(wù)大量用戶且在一定程度上消除各節(jié)點處理數(shù)據(jù)路由產(chǎn)生的延遲，形成高效的網(wǎng)絡(luò)傳輸模式，很大程度上降低了運維成本和難度。

工業(yè)PON技術(shù)具備終端接入認(rèn)證和數(shù)據(jù)加密安全性，提供從終端到網(wǎng)絡(luò)到數(shù)據(jù)的三重安全保障，并支持多種ONU終端的認(rèn)證功能，例如基于物理標(biāo)識、RFID、邏輯標(biāo)識等方式，可有效避免非受控終端接進(jìn)網(wǎng)絡(luò)。工業(yè)PON的硬件設(shè)備具備很強工業(yè)穩(wěn)定性，在超高低溫、高頻振動以及電磁干擾等環(huán)境下能保持正常運行。

工業(yè)PON在技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)層面支持Type A-D多種保護(hù)倒換方案，可以提供不同等級的網(wǎng)絡(luò)自愈能力，在一路ODN網(wǎng)絡(luò)或者PON設(shè)備端口發(fā)生故障導(dǎo)致網(wǎng)絡(luò)中斷時，快速進(jìn)行主備鏈路切換和業(yè)務(wù)恢復(fù)，保證工業(yè)場景對于系統(tǒng)高可靠性的要求。面對各類業(yè)務(wù)對于網(wǎng)絡(luò)資源能力需求、分權(quán)分域管理、安全隔離等必要的要求，工業(yè)PON設(shè)備具備切片能力，一個物理OLT可以虛擬為多個OLT分片，分別承載各類業(yè)務(wù)，實現(xiàn)獨立運維管理，業(yè)務(wù)和網(wǎng)絡(luò)資源互不干擾，可以有效實現(xiàn)可靠性、安全性、網(wǎng)絡(luò)資源三者之間的平衡。傳統(tǒng)組網(wǎng)與工業(yè)PON組網(wǎng)對比[2]如表1所示。

表1 傳統(tǒng)組網(wǎng)與工業(yè)PON組網(wǎng)對比

3 生產(chǎn)場站工業(yè)PON組網(wǎng)方案

3.1 傳統(tǒng)生產(chǎn)場站典型網(wǎng)絡(luò)介紹

在油氣生產(chǎn)物聯(lián)網(wǎng)系統(tǒng)建設(shè)中，數(shù)據(jù)及圖片傳輸是其關(guān)鍵部分之一，是系統(tǒng)運行的基礎(chǔ)。生產(chǎn)場站/井站作為終端對數(shù)據(jù)及圖片完成采集后通過生產(chǎn)網(wǎng)絡(luò)層層上傳。生產(chǎn)場站/井站作為數(shù)據(jù)匯聚的第一層級，匯聚場站生產(chǎn)數(shù)據(jù)后傳輸至中心站。目前場站采用的是傳統(tǒng)以太網(wǎng)交換機組網(wǎng)模式，局部傳輸網(wǎng)絡(luò)由二層匯集交換機以及光傳輸設(shè)備構(gòu)成。如圖2所示。匯聚交換機下連數(shù)據(jù)采集器、硬盤錄像機、門禁安防主機等設(shè)備以此來匯聚工業(yè)生產(chǎn)數(shù)據(jù)、視頻數(shù)據(jù)以及安防數(shù)據(jù)，光傳輸設(shè)備用于局部網(wǎng)絡(luò)出局，通過光纖傳輸上行至中心站核心交換機。整個網(wǎng)絡(luò)使用數(shù)字電纜進(jìn)行數(shù)據(jù)傳輸，帶寬窄、速度慢、數(shù)據(jù)實時性差。同時通信機房到各個生產(chǎn)設(shè)備之間需要添加有源設(shè)備和敷設(shè)大量電纜，不但提高了成本，而且不易維護(hù)，故障率高，穩(wěn)定性差。

圖2 傳統(tǒng)場站組網(wǎng)模式

3.2 工業(yè)PON組網(wǎng)方案

如圖3所示，通過工業(yè)PON技術(shù)優(yōu)化生產(chǎn)場站網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)，通過ONU替代傳統(tǒng)模式二層匯聚交換機作為新的匯聚設(shè)備，OUN具備比傳統(tǒng)交換機更強的工業(yè)性，在運行過程中穩(wěn)定性更強，良好解決了傳統(tǒng)交換機因溫度過高跑死的問題。同時OUN同時具備電口和光口，減少了下聯(lián)光信號設(shè)備的層級，提升數(shù)據(jù)傳輸效率和穩(wěn)定性。視頻數(shù)據(jù)、生產(chǎn)數(shù)據(jù)以及機房環(huán)境數(shù)據(jù)通過并在中心站部署OLT用于替代傳統(tǒng)核心交換機，極大扁平了網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)。ONU作為新的匯聚設(shè)備，通過其優(yōu)秀的兼容性和協(xié)議轉(zhuǎn)換能力以及傳統(tǒng)交換機不具備的無線模塊，將生產(chǎn)場站所需的視頻圖像、生產(chǎn)數(shù)據(jù)以及環(huán)境信息等關(guān)鍵數(shù)據(jù)不沖突的匯聚到一起，視頻類數(shù)據(jù)需要高帶寬傳輸通過光纖匯入。站內(nèi)各類無線傳感器和低帶寬設(shè)備則通過網(wǎng)線或無線接入接入。然后通過OUN上行傳輸至中心站OLT，OLT繼續(xù)上傳至生產(chǎn)數(shù)據(jù)平臺。

圖3 PON組網(wǎng)模式

3.3 優(yōu)化效果

工業(yè)PON系統(tǒng)對局端資源占用很少，設(shè)備成本投入低，擴展容易且易于升級并能提供非常高的帶寬。同時采用無源光網(wǎng)絡(luò)進(jìn)行數(shù)據(jù)傳輸，傳輸網(wǎng)絡(luò)中沒有任何有源電子設(shè)備，因此非常容易鋪設(shè)，減少了網(wǎng)絡(luò)管理和設(shè)備運維的工作量，有效降低運營和維護(hù)成本[3]。按照油氣行業(yè)生產(chǎn)現(xiàn)場一個中心站及四個下屬場站進(jìn)行測算，工業(yè)PON所需的組網(wǎng)設(shè)備遠(yuǎn)遠(yuǎn)少于傳統(tǒng)以太網(wǎng)交換機組網(wǎng)，同比設(shè)備成本降低50%～70%，柜內(nèi)占用空間降低2U。設(shè)備對比如表2所示。

表2 兩種組網(wǎng)模式設(shè)備需求對比

同時工業(yè)PON作為面向工業(yè)場景的傳輸設(shè)備，其抗高低溫、振動、電磁干擾的穩(wěn)定工業(yè)特性能在各種惡劣的環(huán)境下穩(wěn)定工作。高兼容度以及多種接入模式，可以滿足不同設(shè)備通信接口下的信號數(shù)據(jù)傳輸，有效保障油氣行業(yè)網(wǎng)絡(luò)傳輸能力和穩(wěn)定性。

4 結(jié)語

工業(yè)PON作為新一代面向數(shù)字化、智能化發(fā)展的全新網(wǎng)絡(luò)建設(shè)模式，實踐發(fā)現(xiàn)，工業(yè)PON無源光網(wǎng)絡(luò)在工業(yè)環(huán)境下能夠較好地替代傳統(tǒng)組網(wǎng)方式，并具有穩(wěn)定性強、經(jīng)濟(jì)型高、維護(hù)管理簡單、擴展容易等優(yōu)點，有效地減少了工業(yè)場景的網(wǎng)絡(luò)拓?fù)鋵蛹?，提升網(wǎng)絡(luò)傳輸穩(wěn)定性，并極大程度的降低了設(shè)備和運維成本，實現(xiàn)光纖替代網(wǎng)線而減少電磁干擾的安全生產(chǎn)目的。