工业光纤网络在巴拉素煤矿井下的应用

肖 松，武永强

(陕西延长石油巴拉素煤业有限公司，陕西 榆林 719000)

0 引言

煤矿智能化是煤炭工业高质量发展的核心技术支撑，将人工智能、工业物联网、云计算、大数据、机器人、智能装备等与现代煤炭开发利用深度融合，形成全面感知、实时互联、分析决策、自主学习、动态预测、协同控制的智能系统，实现煤矿开拓、采掘(剥离)、运输、通风、洗选、安全保障、经营管理等过程的智能化运行，对于提升煤矿安全生产水平、保障煤炭稳定供应具有重要意义。

大带宽、低时延、高可靠的煤矿网络系统是实现煤矿智能化的关键基础设施。井下有线网络传统方案为工业以太环网方案，而巴拉素煤矿将采用目前最新的工业光网方案，实现井下有线网络全面升级。

1 工业光网方案

1.1 方案简介

某工业光网是基于PON技术的新型无源工业局域网组网方案，继承了PON网络大带宽、广覆盖、高可靠性、扁平化、易部署、易管理等优点。例如：宋华尧等[1-4]采用PON技术解决了传统接入方法中存在的问题。李卫国等[5-9]采用GEPON光纤网络，对煤矿工业环网进行了设计应用。魏勇等[10-13]重点讲述了EPON技术在智能变电站过程层网络中的应用。

方案增加了全链路保护、工业级设备，来满足工业应用特殊场景要求。PON网络架构如图1所示。

图1 网络架构

1.2 工业光网优势

网络架构极简单：2层架构、汇聚被无源分光器取代；无源ODN免取电，节能；广覆盖，ODN可以覆盖40 km；一纤多业务，统一承载和管理。

网络安全可靠：手拉手保护，50 ms极速倒换；全预链接ODN，井下免熔纤；工业设计ONU，防爆认证，适应70 ℃高温，具有6 kV防雷。

网络智慧运维：开局即插即用免调测，设备故障直接替换，不用专人监管维护；端到端运维可视，智能光路诊断，故障快速定位。

网络易演进：支持GPON→10GPON→50GPON→100GPON平滑演进。

2 巴拉素煤矿井下工业光网解决方案

2.1 巴拉素煤矿井下网络需求

随着巴拉素煤矿井下智能化和自动化设备以及智能化应用的增多，井下信息点位也随之增多，带宽需求更是逐步增大。传统的井下网络以有线网络为主，光纤在井下随巷道延伸，常常出现断纤无法快速定位的问题，需要作业人员井下熔接；并且井下网络设备多，网络层次多，造成设备升级、管理、运维难度大。

2.2 巴拉素煤矿井下工业光网的总体架构

PON网络的最大覆盖距离为40 km，巴拉素煤矿井下工业光网的网络架构需要根据巴拉素煤矿调度指挥控制数据中心到井下的距离以及网络在井下的覆盖距离确定。

巴拉素煤矿调度指挥控制数据中心到井下的距离以及网络在井下的覆盖距离大约为40 km，选择OLT部署在地面数据中心的网络架构。2台OLT部署在数据中心机房，分别敷设2根48芯主干光缆从主立井和副立井下井，组成Type C保护。OLT部署在地面的网络架构，如图2所示。

图2 OLT部署在地面网络架构

机房到井下的距离和网络在井下的覆盖距离大于40公里，选择OLT部署在井下的网络架构。OLT部署在井下，OLT之间组环网，接入地面核心交换机。OLT部署在井下的网络架构，如图3所示。

图3 OLT部署在井下网络架构

2.3 井下工业光网的安装部署

工业光网基于PON技术，P2MP连接，一个PON口经过分光后，可以接入多个ONU，与传统的交换机P2P连接完全不同。分光器的网络位置处于汇聚交换机位置，取代汇聚交换机，属于无源器件，免取电、免维护，与汇聚交换机不同。这2个差异点带来工业光网在井下的安装部署与传统的环网交换机方案差异很大，需重点分析和讨论工业光网在井下的安装部署。

井下光网总体部署：OLT侧接出多芯光缆，多芯光缆覆盖主变电所、盘区变电所、机头硐室、主排水泵房、盘区水泵房、采掘工作面、永久避难硐室等处。在这些关键位置部署多芯光缆直通、配线或者分光的主接头盒，接头盒成端端口支持预连接。在井底车场、主运大巷、辅运大巷、采煤工作面、掘进工作面等部署等比或者不等比预连接接头盒，接头盒上连主接头盒的成端端口，下连ONU。ODN总体部署图，如图4所示。

图4 ODN总体部署

主接头盒(Hub box)要求：主接头盒取代环网交换机，其成端PON口要满足后续井下新增接入点扩展，支持8个端口以上。主接头盒内部不仅支持成端，还可以支持内置分光器，做到在主接头盒内部分光。主接头盒支持的直通多芯光缆芯数为48芯。内部支持熔纤，成端端口支持预连接。

子接头盒(Sub box)要求：巴拉素煤矿井下区域可以分为2类：一类为井底车场网格状物理空间;另一类为主运/辅运巷条状物理空间。网格状物理空间采用了等比预连接分光；条状物理空间是典型的链型组网，采用不等比预连接分光。子接头盒采用支持等比预连接分光和不等比预连接分光。等比分光比采用1∶8；不等比分光根据实际要求采用10∶90或者30∶70不等比分光。

预制光缆的要求：预制光缆带来井下组网即插即用，不用专业工具，不用开盒，不用熔纤，极大提高了工作效率。预制光缆的难度在于长度的确定，需要根据巴拉素点位分布，进行统计整理出3～5种长度的预制光缆，用的比较多的预制光缆长度为500 m、1 000 m、2 000 m。

光功率的预算考虑：巴拉素煤矿井下属于典型的广覆盖场景，最远巷道距离为8公里，光功率预算要充分考虑这一点。OLT设备GPON端口的SFP光模块采用Class D级。总的分光比采用1∶16以下。

2.4 巴拉素煤矿井下工业光网的业务承载

巴拉素煤矿井下的有线网络承载的业务系统主要分为2类：一类是生产设备的控制和维护管理系统；另一类是人员、环境、车辆等监测类系统。系统对网络的要求为高可靠、低时延、高安全，随着智能化应用变多，井下摄像头、AP会增多，对网络大带宽也提出了要求。工业光网可以提供高可靠、低时延、高安全、大带宽的有线网络。

高可靠性保证：①设备级和部件级可靠性要求设备重要部件如主控板、电源、上联口支持1+1冗余备份；②PON网络可靠性保证。PON网络采用Type C双归属保护，保证PON网络任何一个环节出问题，都可以50 ms切换到备用，对外体现为业务不中断，如图5所示；③OLT上行组网可靠性保证。核心交换机堆叠，OLT上行接口LAG，保证上行可靠传输。

图5 PON网络

低时延保证：①全光网络采用二层数据承载技术，需要利用VLAN技术来对不同业务划分不同的VLAN，这样可以做到不同业务相互隔离，互不影响。具体如图6所示。②不同的业务选用不同的优先级，保证重要业务高优先级。具体见表1。③重要低时延业务也可以DBA模板选用固定带宽类型，保证带宽和时延不受网络拥塞影响。

图6 全光网络示意

表1 业务分类参数

高安全保证：GPON链路支持AES-128加密，可以保证传输报文的高安全性。具体如图7所示。

图7 GPON报文加密

大带宽保证：为了满足矿井应用后续大带宽要求，建议选用当前主流的10G PON组网，保证一个PON口的带宽上下行各10 Gbps。OLT和ONU提供配置手段，保证各种业务或者各个ONU带宽的灵活配置。

3 井下工业光网的管理和维护

3.1 工业光网网管平台

网管平台优势：工业光网采用OLT集中代理管理方式，网管平台只通过SNMP协议与OLT进行通信，这种方式相对传统的交换机方案其优势在于①ONU不用配置IP，节省大量维护管理IP；②业务部署、升级都是批量方式，效率大大提升。

网管平台功能：对于工业光网的监控和运维管理，建议采用一体化融合运维管理平台来进行维护管理。网管平台应该具备以下功能。①部署。ONU即插即用，免现场调测。②资源管理。全网PON资源统一管理，自动发现设备链路并生成组网拓扑。③设备状态监控。健康度评估及关键KPI。④告警监控。告警信息主动上报。⑤故障多点监控。快速发现故障位置。

3.2 光线路故障维护

井下工作环境恶劣、机械设备多，会经常出现断纤问题，故线路故障定位和维护尤其重要。部署OTDR系统，实现光线路故障的快速定位。

初步判断故障原因：根据 OTDR测试显示曲线情况，初步判断故障原因，有针对性地进行故障处理，如图8所示。

图8 网管客户端显示

故障距离判断：当网管判定故障是光缆线路故障时，维护人员应尽快在机房对故障光缆线路进行测试，用 OTDR测试可判定线路故障点的距离，高精度的 OTDR能使距离误差<5 m。

故障点判断：将 OTDR测到的距离与线路图纸进行比对，可以精确判定故障点具体位置；如有需要，可对断纤进行双向测试，进一步提高定位的精度。

4 巴拉素煤矿井下工业光网应用尝试

鉴于工业光网第1次在巴拉素煤矿井下应用，先选择井下视频监控系统采用工业光网方案承载。在使用过程中，对工业光网的可靠性、稳定性、低时延、大带宽、可维护性进行全面测试，确定一切都满足井下要求后，再推广到其他业务采用工业光网来承载。

巴拉素煤矿井下视频监控系统采用工业光网单独组网，分别建设地面视频千万兆无源光网络和井下视频万兆无源光网络。

井下各防爆摄像机均通过光纤手拉手传输方式，就近接入井下ONU，完成井下图像信息的上传。矿井视频监控系统共设置123台500万红外高清防爆枪型摄像机，配置16端口OLT设备板卡4块及50台井下ONU。这些设备就构成了整个井下视频监控系统。

5 结语

煤矿网络系统是实现煤矿智能化的关键基础设施。以巴拉素煤矿为实施点，提出了工业光网方案，重点对光网安装部署、承载业务以及管理运维等进行了分析讨论，并成功应用至巴拉素煤矿井下视频监控系统。工业智能化已成为发展趋势，GEPON传输技术代表着未来网络发展的新趋势，更是矿山现代化的基础神经中枢的首选方案。