工業(yè)光纖網(wǎng)絡在巴拉素煤礦井下的應用

肖 松，武永強

(陜西延長石油巴拉素煤業(yè)有限公司，陜西 榆林 719000)

0 引言

煤礦智能化是煤炭工業(yè)高質量發(fā)展的核心技術支撐，將人工智能、工業(yè)物聯(lián)網(wǎng)、云計算、大數(shù)據(jù)、機器人、智能裝備等與現(xiàn)代煤炭開發(fā)利用深度融合，形成全面感知、實時互聯(lián)、分析決策、自主學習、動態(tài)預測、協(xié)同控制的智能系統(tǒng)，實現(xiàn)煤礦開拓、采掘(剝離)、運輸、通風、洗選、安全保障、經(jīng)營管理等過程的智能化運行，對于提升煤礦安全生產(chǎn)水平、保障煤炭穩(wěn)定供應具有重要意義。

大帶寬、低時延、高可靠的煤礦網(wǎng)絡系統(tǒng)是實現(xiàn)煤礦智能化的關鍵基礎設施。井下有線網(wǎng)絡傳統(tǒng)方案為工業(yè)以太環(huán)網(wǎng)方案，而巴拉素煤礦將采用目前最新的工業(yè)光網(wǎng)方案，實現(xiàn)井下有線網(wǎng)絡全面升級。

1 工業(yè)光網(wǎng)方案

1.1 方案簡介

某工業(yè)光網(wǎng)是基于PON技術的新型無源工業(yè)局域網(wǎng)組網(wǎng)方案，繼承了PON網(wǎng)絡大帶寬、廣覆蓋、高可靠性、扁平化、易部署、易管理等優(yōu)點。例如：宋華堯等[1-4]采用PON技術解決了傳統(tǒng)接入方法中存在的問題。李衛(wèi)國等[5-9]采用GEPON光纖網(wǎng)絡，對煤礦工業(yè)環(huán)網(wǎng)進行了設計應用。魏勇等[10-13]重點講述了EPON技術在智能變電站過程層網(wǎng)絡中的應用。

方案增加了全鏈路保護、工業(yè)級設備，來滿足工業(yè)應用特殊場景要求。PON網(wǎng)絡架構如圖1所示。

圖1 網(wǎng)絡架構

1.2 工業(yè)光網(wǎng)優(yōu)勢

網(wǎng)絡架構極簡單：2層架構、匯聚被無源分光器取代；無源ODN免取電，節(jié)能；廣覆蓋，ODN可以覆蓋40 km；一纖多業(yè)務，統(tǒng)一承載和管理。

網(wǎng)絡安全可靠：手拉手保護，50 ms極速倒換；全預鏈接ODN，井下免熔纖；工業(yè)設計ONU，防爆認證，適應70 ℃高溫，具有6 kV防雷。

網(wǎng)絡智慧運維：開局即插即用免調測，設備故障直接替換，不用專人監(jiān)管維護；端到端運維可視，智能光路診斷，故障快速定位。

網(wǎng)絡易演進：支持GPON→10GPON→50GPON→100GPON平滑演進。

2 巴拉素煤礦井下工業(yè)光網(wǎng)解決方案

2.1 巴拉素煤礦井下網(wǎng)絡需求

隨著巴拉素煤礦井下智能化和自動化設備以及智能化應用的增多，井下信息點位也隨之增多，帶寬需求更是逐步增大。傳統(tǒng)的井下網(wǎng)絡以有線網(wǎng)絡為主，光纖在井下隨巷道延伸，常常出現(xiàn)斷纖無法快速定位的問題，需要作業(yè)人員井下熔接；并且井下網(wǎng)絡設備多，網(wǎng)絡層次多，造成設備升級、管理、運維難度大。

2.2 巴拉素煤礦井下工業(yè)光網(wǎng)的總體架構

PON網(wǎng)絡的最大覆蓋距離為40 km，巴拉素煤礦井下工業(yè)光網(wǎng)的網(wǎng)絡架構需要根據(jù)巴拉素煤礦調度指揮控制數(shù)據(jù)中心到井下的距離以及網(wǎng)絡在井下的覆蓋距離確定。

巴拉素煤礦調度指揮控制數(shù)據(jù)中心到井下的距離以及網(wǎng)絡在井下的覆蓋距離大約為40 km，選擇OLT部署在地面數(shù)據(jù)中心的網(wǎng)絡架構。2臺OLT部署在數(shù)據(jù)中心機房，分別敷設2根48芯主干光纜從主立井和副立井下井，組成Type C保護。OLT部署在地面的網(wǎng)絡架構，如圖2所示。

圖2 OLT部署在地面網(wǎng)絡架構

機房到井下的距離和網(wǎng)絡在井下的覆蓋距離大于40公里，選擇OLT部署在井下的網(wǎng)絡架構。OLT部署在井下，OLT之間組環(huán)網(wǎng)，接入地面核心交換機。OLT部署在井下的網(wǎng)絡架構，如圖3所示。

圖3 OLT部署在井下網(wǎng)絡架構

2.3 井下工業(yè)光網(wǎng)的安裝部署

工業(yè)光網(wǎng)基于PON技術，P2MP連接，一個PON口經(jīng)過分光后，可以接入多個ONU，與傳統(tǒng)的交換機P2P連接完全不同。分光器的網(wǎng)絡位置處于匯聚交換機位置，取代匯聚交換機，屬于無源器件，免取電、免維護，與匯聚交換機不同。這2個差異點帶來工業(yè)光網(wǎng)在井下的安裝部署與傳統(tǒng)的環(huán)網(wǎng)交換機方案差異很大，需重點分析和討論工業(yè)光網(wǎng)在井下的安裝部署。

井下光網(wǎng)總體部署：OLT側接出多芯光纜，多芯光纜覆蓋主變電所、盤區(qū)變電所、機頭硐室、主排水泵房、盤區(qū)水泵房、采掘工作面、永久避難硐室等處。在這些關鍵位置部署多芯光纜直通、配線或者分光的主接頭盒，接頭盒成端端口支持預連接。在井底車場、主運大巷、輔運大巷、采煤工作面、掘進工作面等部署等比或者不等比預連接接頭盒，接頭盒上連主接頭盒的成端端口，下連ONU。ODN總體部署圖，如圖4所示。

圖4 ODN總體部署

主接頭盒(Hub box)要求：主接頭盒取代環(huán)網(wǎng)交換機，其成端PON口要滿足后續(xù)井下新增接入點擴展，支持8個端口以上。主接頭盒內部不僅支持成端，還可以支持內置分光器，做到在主接頭盒內部分光。主接頭盒支持的直通多芯光纜芯數(shù)為48芯。內部支持熔纖，成端端口支持預連接。

子接頭盒(Sub box)要求：巴拉素煤礦井下區(qū)域可以分為2類：一類為井底車場網(wǎng)格狀物理空間;另一類為主運/輔運巷條狀物理空間。網(wǎng)格狀物理空間采用了等比預連接分光；條狀物理空間是典型的鏈型組網(wǎng)，采用不等比預連接分光。子接頭盒采用支持等比預連接分光和不等比預連接分光。等比分光比采用1∶8；不等比分光根據(jù)實際要求采用10∶90或者30∶70不等比分光。

預制光纜的要求：預制光纜帶來井下組網(wǎng)即插即用，不用專業(yè)工具，不用開盒，不用熔纖，極大提高了工作效率。預制光纜的難度在于長度的確定，需要根據(jù)巴拉素點位分布，進行統(tǒng)計整理出3～5種長度的預制光纜，用的比較多的預制光纜長度為500 m、1 000 m、2 000 m。

光功率的預算考慮：巴拉素煤礦井下屬于典型的廣覆蓋場景，最遠巷道距離為8公里，光功率預算要充分考慮這一點。OLT設備GPON端口的SFP光模塊采用Class D級?？偟姆止獗炔捎?∶16以下。

2.4 巴拉素煤礦井下工業(yè)光網(wǎng)的業(yè)務承載

巴拉素煤礦井下的有線網(wǎng)絡承載的業(yè)務系統(tǒng)主要分為2類：一類是生產(chǎn)設備的控制和維護管理系統(tǒng)；另一類是人員、環(huán)境、車輛等監(jiān)測類系統(tǒng)。系統(tǒng)對網(wǎng)絡的要求為高可靠、低時延、高安全，隨著智能化應用變多，井下攝像頭、AP會增多，對網(wǎng)絡大帶寬也提出了要求。工業(yè)光網(wǎng)可以提供高可靠、低時延、高安全、大帶寬的有線網(wǎng)絡。

高可靠性保證：①設備級和部件級可靠性要求設備重要部件如主控板、電源、上聯(lián)口支持1+1冗余備份；②PON網(wǎng)絡可靠性保證。PON網(wǎng)絡采用Type C雙歸屬保護，保證PON網(wǎng)絡任何一個環(huán)節(jié)出問題，都可以50 ms切換到備用，對外體現(xiàn)為業(yè)務不中斷，如圖5所示；③OLT上行組網(wǎng)可靠性保證。核心交換機堆疊，OLT上行接口LAG，保證上行可靠傳輸。

圖5 PON網(wǎng)絡

低時延保證：①全光網(wǎng)絡采用二層數(shù)據(jù)承載技術，需要利用VLAN技術來對不同業(yè)務劃分不同的VLAN，這樣可以做到不同業(yè)務相互隔離，互不影響。具體如圖6所示。②不同的業(yè)務選用不同的優(yōu)先級，保證重要業(yè)務高優(yōu)先級。具體見表1。③重要低時延業(yè)務也可以DBA模板選用固定帶寬類型，保證帶寬和時延不受網(wǎng)絡擁塞影響。

圖6 全光網(wǎng)絡示意

表1 業(yè)務分類參數(shù)

高安全保證：GPON鏈路支持AES-128加密，可以保證傳輸報文的高安全性。具體如圖7所示。

圖7 GPON報文加密

大帶寬保證：為了滿足礦井應用后續(xù)大帶寬要求，建議選用當前主流的10G PON組網(wǎng)，保證一個PON口的帶寬上下行各10 Gbps。OLT和ONU提供配置手段，保證各種業(yè)務或者各個ONU帶寬的靈活配置。

3 井下工業(yè)光網(wǎng)的管理和維護

3.1 工業(yè)光網(wǎng)網(wǎng)管平臺

網(wǎng)管平臺優(yōu)勢：工業(yè)光網(wǎng)采用OLT集中代理管理方式，網(wǎng)管平臺只通過SNMP協(xié)議與OLT進行通信，這種方式相對傳統(tǒng)的交換機方案其優(yōu)勢在于①ONU不用配置IP，節(jié)省大量維護管理IP；②業(yè)務部署、升級都是批量方式，效率大大提升。

網(wǎng)管平臺功能：對于工業(yè)光網(wǎng)的監(jiān)控和運維管理，建議采用一體化融合運維管理平臺來進行維護管理。網(wǎng)管平臺應該具備以下功能。①部署。ONU即插即用，免現(xiàn)場調測。②資源管理。全網(wǎng)PON資源統(tǒng)一管理，自動發(fā)現(xiàn)設備鏈路并生成組網(wǎng)拓撲。③設備狀態(tài)監(jiān)控。健康度評估及關鍵KPI。④告警監(jiān)控。告警信息主動上報。⑤故障多點監(jiān)控。快速發(fā)現(xiàn)故障位置。

3.2 光線路故障維護

井下工作環(huán)境惡劣、機械設備多，會經(jīng)常出現(xiàn)斷纖問題，故線路故障定位和維護尤其重要。部署OTDR系統(tǒng)，實現(xiàn)光線路故障的快速定位。

初步判斷故障原因：根據(jù) OTDR測試顯示曲線情況，初步判斷故障原因，有針對性地進行故障處理，如圖8所示。

圖8 網(wǎng)管客戶端顯示

故障距離判斷：當網(wǎng)管判定故障是光纜線路故障時，維護人員應盡快在機房對故障光纜線路進行測試，用 OTDR測試可判定線路故障點的距離，高精度的 OTDR能使距離誤差<5 m。

故障點判斷：將 OTDR測到的距離與線路圖紙進行比對，可以精確判定故障點具體位置；如有需要，可對斷纖進行雙向測試，進一步提高定位的精度。

4 巴拉素煤礦井下工業(yè)光網(wǎng)應用嘗試

鑒于工業(yè)光網(wǎng)第1次在巴拉素煤礦井下應用，先選擇井下視頻監(jiān)控系統(tǒng)采用工業(yè)光網(wǎng)方案承載。在使用過程中，對工業(yè)光網(wǎng)的可靠性、穩(wěn)定性、低時延、大帶寬、可維護性進行全面測試，確定一切都滿足井下要求后，再推廣到其他業(yè)務采用工業(yè)光網(wǎng)來承載。

巴拉素煤礦井下視頻監(jiān)控系統(tǒng)采用工業(yè)光網(wǎng)單獨組網(wǎng)，分別建設地面視頻千萬兆無源光網(wǎng)絡和井下視頻萬兆無源光網(wǎng)絡。

井下各防爆攝像機均通過光纖手拉手傳輸方式，就近接入井下ONU，完成井下圖像信息的上傳。礦井視頻監(jiān)控系統(tǒng)共設置123臺500萬紅外高清防爆槍型攝像機，配置16端口OLT設備板卡4塊及50臺井下ONU。這些設備就構成了整個井下視頻監(jiān)控系統(tǒng)。

5 結語

煤礦網(wǎng)絡系統(tǒng)是實現(xiàn)煤礦智能化的關鍵基礎設施。以巴拉素煤礦為實施點，提出了工業(yè)光網(wǎng)方案，重點對光網(wǎng)安裝部署、承載業(yè)務以及管理運維等進行了分析討論，并成功應用至巴拉素煤礦井下視頻監(jiān)控系統(tǒng)。工業(yè)智能化已成為發(fā)展趨勢，GEPON傳輸技術代表著未來網(wǎng)絡發(fā)展的新趨勢，更是礦山現(xiàn)代化的基礎神經(jīng)中樞的首選方案。