全光網絡在石化行業(yè)的應用分析及展望

摘要：在石化行業(yè)“智改數轉”的大背景下，傳統以太網絡系統架構將無法滿足信息化的發(fā)展趨勢。全光網絡作為基礎網絡的優(yōu)質載體，在數字化技術改造提升、新技術應用場景研發(fā)以及人工智能場景發(fā)掘的新驅動下，將充分展現其寬帶寬、長距離傳輸、抗干擾能力強以及低碳環(huán)保的特點，發(fā)揮網絡架構扁平化、冗余高可靠、升級迭代便捷化、運維管理智能化的優(yōu)勢，助力石化企業(yè)發(fā)展新質生產力，實現綠色創(chuàng)新高質量發(fā)展。

關鍵詞：全光網絡；以太網；數字化轉型；石化行業(yè)；綠色低碳

近年來，石油石化行業(yè)大力推動產業(yè)轉型升級，實現數字化、智能化轉型是石化行業(yè)提升競爭力的重要手段[1]。石化園區(qū)部署了越來越多的新技術應用場景，對基建網絡的可靠性、安全性、便捷性等提出了更高的要求。其中，以5G、物聯網、工業(yè)互聯網為代表的新基建是支撐石化產業(yè)推進數字化建設、智能化轉型的基石[2]。推動5G、Wi-Fi 6、全光網絡在石化工廠中的廣泛覆蓋并完善網絡化基礎建設，是實現石化企業(yè)數字化轉型的關鍵步驟。全光網絡作為通信網絡基礎設施的承載底座，具有超低時延、超大帶寬、極簡架構等優(yōu)質特點，其將為新質生產力、先進生產力提供可靠的技術支持。

一、傳統網絡在石化行業(yè)的應用現狀

石化園區(qū)配置的全廠網絡通信系統通常劃分為內網和外網兩套系統[3]。內網系統分為辦公網、視頻網、數據中心網，用于支持日常行政辦公、生產和財務管理、廠區(qū)安防系統以及數據中心的網絡通信。外網主要用于滿足業(yè)主人員的移動應用、合作單位人員聯網需求和臨時外來人員聯網需求[3]。

每一套網絡系統單獨設置以太網三層交換機架構，形成多張煙囪式網絡組網。核心層交換機與匯聚層交換機安裝于廠前區(qū)中控樓或行政辦公樓等主要建筑物內，各區(qū)域的裝置機柜間配置接入層交換機并通過干線光纖跳接至相應的匯聚層交換機[3]。

在廠前區(qū)主要建筑物以及裝置機柜間內設置電信間，將配線子系統中的接入層交換機以及光、電配線架放置在電信間內。通常電信間的房間面積不小于10㎡且需要滿足溫度和相對濕度的要求。當水平纜線的距離不滿足90m范圍要求時，電信間數量應相應增加[4]。根據工作區(qū)的終端用戶實際需求，采用屏蔽或非屏蔽4對對絞電纜與各工作區(qū)插座設備進行連接[4]。水平纜線的敷設采用導管、橋架的方式。建筑物外或在工藝裝置區(qū)設置的無線通信設備、視頻安防監(jiān)控設備、出入口控制系統設備可通過工業(yè)級交換機或光電轉換器接入弱電系統機柜[5]。

由上可知，當前的網絡系統方案是以以太網交換技術為主，配套多張三層網絡架構，較為繁雜，且不利于后期的系統擴容。例如，當生產區(qū)倉庫或廠房考慮增加無線終端設備或插座時，新增一套機柜（包括接入層交換機和配線架設備等）需要安裝在現場空間，且具體位置不能影響正常的生產操作，在匯聚層機房增加相應光模塊甚至系統機柜用于主干光纜的接入；當建筑物內新增信息插座時，不僅需要增加接入層交換機的下行端口，還需增加水平銅纜的數量。

二、全光網絡的特點及應用

目前，全光網絡的主流方案主要分為全光以太網和F5G全光網絡兩類架構[6]。

全光以太網仍是傳統以太網絡的三層架構，與以太網的差異主要體現為接入交換機下沉到房間或者終端用戶附近，水平布線使用光纖代替銅纜網線[6]，本質仍為點對點的交換技術。其優(yōu)勢體現在，接入層到匯聚層獨享網絡帶寬，且在東西向流量大時，本地完成交換轉發(fā)，減少對核心網絡流量的占用。

F5G全光網絡系統主要依托光纖路終端OLT、無源光分路器ODN、光網絡單元ONU等設備[7]。通過單模光纖連接，采用GPON、WI-FI6等接入技術傳輸語音信號、數據信號、視頻信號等多種業(yè)務形式，實現一根光纖多網融合[7]。F5G全光網絡具有網絡架構扁平化、冗余高可靠、升級迭代便捷化、運維管理智能化的特點。但F5G全光網絡的ONU之間共享帶寬，且東西向流量的轉發(fā)需要繞行OLT，舍近求遠，一旦東西流量過大會對核心層以及整體架構產生影響。

由上可知，全光以太網和F5G全光網絡共享了水平布線改用光纖的優(yōu)勢，區(qū)別在于協議與架構的不同。在實際應用中，具體選取何種方案需綜合考慮項目的投資概算以及園區(qū)面積、終端用戶業(yè)務需求等客觀因素。本文則主要介紹F5G全光網絡系統在以南北向流量為主的園區(qū)的應用優(yōu)勢。

（一）網絡架構扁平化

在F5G全光網絡系統架構中，OLT設備與核心層交換機共同配置在全廠中心機房內，ODN無源分光器可放置在建筑物電信間或裝置機柜間，用于連接終端ONU與核心層設備[7]。ONU終端設備盡可能靠近用戶側配置。F5G全光網絡采用無源分光器替代傳統有源匯聚層交換機[7]。有源的傳統三層架構被扁平化的二層架構取代，實現了架構上的優(yōu)化（如圖1所示）。

基于F5G全光網絡的二層架構，多類智能化業(yè)務可從接入層直達核心層，比傳統三層架構減少了中間匯聚層，時延更低。

安裝于煉化裝置區(qū)或公輔區(qū)集合點的無源分光器，因為無需供電且體積小、設置要求簡單，極大減小了對電信間面積的需求并提高了建筑利用率，對電氣專業(yè)的供電以及暖通專業(yè)空調通風的依賴也更少，可助力實現“雙碳”目標，促進綠色發(fā)展。

前端ONU可以放置在終端用戶附近，電信間與工作區(qū)域之間的水平布線采用單模光纜布線[7]。對比100米距離限制的傳統銅纜網線，F5G全光網絡架構充分發(fā)揮了光纜的長距離傳輸和高帶寬的特質。石化園區(qū)廠前區(qū)大型建筑物如中控樓、行政辦公樓等，在光纖下沉的優(yōu)勢加持下，大量減少了電信間的設置，同時優(yōu)化了數量多、重量大、易受干擾的水平銅纜，便于現場施工及后期維護。

（二）冗余高可靠

在石化行業(yè)傳統的以太網交換機網絡中，前端接入層交換機與匯聚層交換機以及核心層交換機通過布置多條傳輸鏈路實現線路冗余，而當布置多臺交換機實現對主設備的保護時，會有占用空間大、散熱量多以及供電負荷提升的弊端。

F5G全光網絡依靠TYPE B以及TYPE C的冗余保護措施，提升網絡架構穩(wěn)定性，實現對設備、端口以及鏈路的保護[8]。針對不同的應用場景以及項目預算費用，還可以選用合適的冗余措施（如圖2、圖3所示），具有冗余高可靠的優(yōu)勢。

圖2 " TYPE B雙歸屬保護

圖3 " TYPE B雙歸屬保護

（三）升級迭代便捷化

F5G全光網絡采用無源ODN設備以及水平光纜鏈路的連接方式[9]。與傳統網絡架構相比，其具有帶寬升級便捷、設備擴容靈活的優(yōu)勢。

隨著石化園區(qū)業(yè)務量的擴展以及新技術的落地應用，園區(qū)帶寬急需擴容。中間的分光器無源網絡層不需要變更，只需要迭代網絡架構首尾兩側的OLT與ONU有源設備。與傳統以太網絡架構中需要替代匯聚層交換機以及光模塊設備相比，F5G的升級任務量與變更影響范圍更小，可最大化避免對正常生產任務的干擾。

其中，水平鏈路采用光纜的帶寬演進能力遠高于傳統的水平電纜（Cat6， Cat6A， Cat7）。因為光纖具備1Tbps的帶寬能力，且傳輸距離可達到40km，而Cat6只支持千兆帶寬，傳輸距離至多100m，且后續(xù)逐步升級為支持萬兆的Cat6A乃至Cat7的工程量繁重[9]。除此之外，傳統水平電纜的重量大且占用大量空間用于布線，而光纖則可以很好地解決此類問題。

當石化園區(qū)廠前區(qū)大型建筑物如行政辦公樓，因為部分房間的功能性變化導致需要增加信息插座數量時，F5G全光網絡也能體現擴容靈活的優(yōu)勢。在其網絡架構中僅需替換擁有更多下行端口的ONU設備即可實現，不需要改變水平布線的光纜。反觀傳統網絡架構，增加插座意味著增加水平電纜數量，不僅投資更大且施工影響范圍廣，不利于工廠的正常運轉。

（四）運維管理智能化

OLT作為F5G全光網的大腦與指揮官，通過對OLT設備進行管理和配置實現對ONU設備的控制，ONU設備無需進行獨立的IP配置管理工作[10]。OLT和ONU之間的ODN無源分光器也無需管理[10]。對比傳統網絡三層網絡架構中每臺交換機均需要配置IP的情況，全光網絡極大減少了網絡的節(jié)點數量，管理節(jié)點只是幾臺OLT設備及核心交換機，管理更加便捷。

由于對ONU設備的集中管理可以依托OLT來完成，在全光網絡中可以通過OLT實現對整個網絡數據的快速收集和處理，實現廠區(qū)網絡故障實時接收，保障業(yè)務實時在線。

三、全光網絡的未來發(fā)展展望

工業(yè)和信息化部等9部門聯合發(fā)布的《石化化工行業(yè)數字化轉型實施指南》中明確提及，到2026年，石化行業(yè)的網絡化水平顯著提升，加快5G、工業(yè)光網、WiFi-6等新型網絡通信技術在工廠的廣泛覆蓋，打通研發(fā)、生產、管理等不同環(huán)節(jié)的“數據孤島”[11]。全光網絡憑借高效穩(wěn)定、綠色低碳的優(yōu)勢，必將在推動石化行業(yè)網絡化水平提升的過程中發(fā)揮積極作用。

在“光進銅退”和數智化轉型的大背景趨勢下，全光網絡進入石化行業(yè)的步伐逐漸加快。無論設計院或是石油化工行業(yè)的上下游，都需要提高對全光網絡的認知度，走出傳統局域網技術的舒適圈，為石化行業(yè)的數字化、智能化轉型貢獻力量。

作者單位：張錦嘉 中國寰球工程有限公司

參考文獻

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