基于電信級(jí)以太網(wǎng)的EPON 解決方案助力智慧礦山建設(shè)

梁忠輝，潘 成，羅 鵬

武漢烽火網(wǎng)絡(luò)有限責(zé)任公司

1 引言

礦山資源是不可再生資源，隨著社會(huì)的發(fā)展，人類對(duì)各類礦產(chǎn)資源的需求越來(lái)越大，國(guó)家對(duì)礦山資源的管理也逐步完善。礦業(yè)安全生產(chǎn)成為目前最為關(guān)注的焦點(diǎn)，黨和政府越來(lái)越高度重視生產(chǎn)安全的各項(xiàng)措施的落實(shí)工作。高新科技的迅猛發(fā)展，特別是信息、網(wǎng)絡(luò)技術(shù)的發(fā)展，為強(qiáng)化和深化安全生產(chǎn)管理、提高管理部門工作效能提供了強(qiáng)大的技術(shù)支撐，也為加強(qiáng)對(duì)礦業(yè)安全生產(chǎn)的監(jiān)管力度，對(duì)礦井的生產(chǎn)運(yùn)營(yíng)現(xiàn)場(chǎng)及時(shí)實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)監(jiān)控提供了更加智能的解決方案。

受全球信息演進(jìn)的“智慧地球”的影響，智慧礦山主要基于物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)，以智能化、信息化為基礎(chǔ),實(shí)現(xiàn)各類信息的統(tǒng)一管理和共享。如生產(chǎn)、運(yùn)輸、銷售、安全、統(tǒng)計(jì)、人力等環(huán)節(jié)，通過(guò)對(duì)礦山各類數(shù)據(jù)的分析和存儲(chǔ)，提供決策建議和解決方案，并將其自動(dòng)反饋給相關(guān)的系統(tǒng)或決策部門。

武漢烽火網(wǎng)絡(luò)有限責(zé)任公司 （以下簡(jiǎn)稱烽火網(wǎng)絡(luò)）作為通信行業(yè)的主流廠商關(guān)注智慧礦山的建設(shè)，致力于智慧礦山網(wǎng)絡(luò)層解決方案研究，烽火網(wǎng)結(jié)合自身的技術(shù)特點(diǎn)和目前智慧礦山建設(shè)的需求提出了最具特色基于“電信級(jí)以太網(wǎng)的EPON”的智慧礦山承載方案，為智慧礦山建設(shè)提供可靠、高速、穩(wěn)定的網(wǎng)絡(luò)服務(wù)。

2 智慧礦山需求分析

“智慧礦山”由3個(gè)核心系統(tǒng)組成：智慧生產(chǎn)、智慧安全、智慧物流。支撐“智慧礦山”的技術(shù)主要包括計(jì)算機(jī)與信息處理、云計(jì)算、物聯(lián)網(wǎng)、通信與工業(yè)自動(dòng)化技術(shù)。智慧生產(chǎn)主要是指礦山生產(chǎn)與經(jīng)營(yíng)的信息自動(dòng)化，以自動(dòng)化、計(jì)算機(jī)網(wǎng)絡(luò)技術(shù)為主；智慧安全主要是指礦山的安全監(jiān)控系統(tǒng)與安全治理措施，以傳感技術(shù)為主；智慧物流主要是指人與物的定位與流向管理，以定位識(shí)別技術(shù)為主。而“智慧”主要體現(xiàn)在這些系統(tǒng)相互銜接，相互促進(jìn)，相互保障。

“智慧礦山”建設(shè)中礦區(qū)需要傳輸?shù)臄?shù)據(jù)種類較多，如：話音業(yè)務(wù)，礦井下面的人員有時(shí)需要實(shí)時(shí)與礦上工作人員溝通；控制數(shù)據(jù)，礦井下面的瓦斯監(jiān)控?cái)?shù)據(jù)，人員、車輛定位數(shù)據(jù)，都需要實(shí)時(shí)上傳；視頻數(shù)據(jù)，井下視頻監(jiān)控的數(shù)據(jù)需要實(shí)時(shí)上傳，使管理部門能實(shí)時(shí)知道井下工作情況。

因此，建設(shè)“智慧礦山”的綜合數(shù)據(jù)承載網(wǎng)絡(luò)，提供高水平通信技術(shù)保障的需求日益強(qiáng)烈。結(jié)合前面的分析總結(jié)出“智慧礦山”承載網(wǎng)絡(luò)需滿足以下要求。

·多業(yè)務(wù)承載：為礦山的多種業(yè)務(wù)應(yīng)用與傳輸通信網(wǎng)絡(luò)提供統(tǒng)一的綜合業(yè)務(wù)傳送平臺(tái)，滿足礦區(qū)視頻、話音、數(shù)據(jù)業(yè)務(wù)的綜合承載。

·高可靠性：在環(huán)型組網(wǎng)和樹型雙歸組網(wǎng)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)中，要求在50 ms以內(nèi)實(shí)現(xiàn)對(duì)關(guān)鍵業(yè)務(wù)的保護(hù)倒換。礦區(qū)的人員定位、車輛定位及瓦斯監(jiān)控的數(shù)據(jù)信息的安全可靠傳輸，涉及礦區(qū)安全生產(chǎn)作業(yè)；對(duì)于光纖線路和設(shè)備故障導(dǎo)致的網(wǎng)絡(luò)中斷，必須能夠通過(guò)可靠的措施提供業(yè)務(wù)的保障。

·高帶寬：具有較高的傳輸帶寬，支持萬(wàn)兆以太網(wǎng)，并在流量高峰情況下仍然具有較高的效率、時(shí)延低。由于視頻監(jiān)控點(diǎn)多、視頻業(yè)務(wù)對(duì)帶寬要求高，只有建設(shè)高速的承載網(wǎng)絡(luò)才能滿足視頻監(jiān)控業(yè)務(wù)對(duì)帶寬的需求。

·支持QoS：能根據(jù)智慧礦山的要求，針對(duì)不同的業(yè)務(wù)提供相應(yīng)等級(jí)的服務(wù)質(zhì)量保證，如擁塞管理及控制、報(bào)文分類、流量整形等強(qiáng)大的QoS功能，保證網(wǎng)絡(luò)高效有序的運(yùn)行。

·兼容性：與現(xiàn)有各系統(tǒng)等無(wú)縫兼容，針對(duì)未來(lái)需求可平滑升級(jí)，有效保護(hù)已有投資，節(jié)省寶貴的資源。

·可擴(kuò)展需求：隨著智慧礦山業(yè)務(wù)的逐步完善豐富，新的業(yè)務(wù)系統(tǒng)會(huì)逐步建設(shè)，同時(shí)，隨著新的礦井建設(shè)，承載網(wǎng)絡(luò)肯定需要擴(kuò)容，要求承載網(wǎng)絡(luò)具備一定的擴(kuò)展性。

3 智慧礦山承載網(wǎng)絡(luò)建設(shè)方案

烽火網(wǎng)絡(luò)電信級(jí)以太網(wǎng)設(shè)備支持OLT EPON接口卡，把電信級(jí)以太網(wǎng)技術(shù)和EPON技術(shù)有機(jī)結(jié)合，為用戶提供基于電信級(jí)以太網(wǎng)的EPON的一體化解決方案。

電信級(jí)以太網(wǎng)，是指在傳統(tǒng)以太網(wǎng)的基礎(chǔ)上，應(yīng)用電信網(wǎng)的技術(shù)，具備網(wǎng)絡(luò)和業(yè)務(wù)的可擴(kuò)展性、運(yùn)營(yíng)級(jí)網(wǎng)管維護(hù)能力和服務(wù)質(zhì)量保障等電信級(jí)運(yùn)營(yíng)所需要的能力，從而解決IP、以太網(wǎng)、TDM等多業(yè)務(wù)的傳送問(wèn)題，并向城域網(wǎng)乃至廣域網(wǎng)延伸，推動(dòng)傳統(tǒng)電信網(wǎng)絡(luò)向分組化網(wǎng)絡(luò)轉(zhuǎn)型，并且應(yīng)用領(lǐng)域從運(yùn)營(yíng)商用戶向行業(yè)用戶擴(kuò)展。

EPON技術(shù)是將以太網(wǎng)和無(wú)源光網(wǎng)絡(luò)相結(jié)合的技術(shù)，EPON接入網(wǎng)絡(luò)具有投資成本低、操作維護(hù)簡(jiǎn)單等優(yōu)勢(shì)，為運(yùn)營(yíng)商解決“最后一公里”接入提供了非常經(jīng)濟(jì)有效的解決方案，同時(shí)在各個(gè)行業(yè)的專網(wǎng)中也取得了大量的應(yīng)用。EPON系統(tǒng)主要由光線路終端 （OLT）、光分配網(wǎng)絡(luò)（ODN）和光網(wǎng)絡(luò)單元（ONU）組成。OLT將光接入網(wǎng)連接到IP匯聚層或者骨干層，通過(guò)匯聚層或者骨干層設(shè)備將用戶接入到業(yè)務(wù)節(jié)點(diǎn)，ONU放置在光纖延伸的最末端，為多業(yè)務(wù)提供接入。在PON系統(tǒng)中，ODN是由主干光纜、分路器、配線光纜、光纖接頭、法蘭盤等各種無(wú)源光器件組成的無(wú)源網(wǎng)絡(luò)。

核心層：部署烽火網(wǎng)絡(luò)S4600/M8416E電信級(jí)以太網(wǎng)設(shè)備，組成10GE以太環(huán)網(wǎng)，保證未來(lái)幾年的帶寬需求。核心層完成業(yè)務(wù)的匯聚和收斂功能；電信級(jí)以太環(huán)網(wǎng)確保在出現(xiàn)單節(jié)點(diǎn)故障或者光纖鏈路故障時(shí)，可在50 ms以內(nèi)恢復(fù)業(yè)務(wù)節(jié)點(diǎn)之間的通信，以保證網(wǎng)絡(luò)和業(yè)務(wù)的安全可靠。

匯聚接入層：烽火網(wǎng)絡(luò)S4600/M8416E電信級(jí)以太網(wǎng)設(shè)備支持EPON接口卡，單卡可支持16個(gè)PON接口，通過(guò)在不同位置部署ODN，將ONU和ODN以鏈型或星型結(jié)構(gòu)延伸至每個(gè)信息采集點(diǎn)，非常適合礦井的坑道結(jié)構(gòu)走向。EPON接口卡單卡可覆蓋512個(gè)信息采集點(diǎn)。信息采集點(diǎn)主要包括車輛調(diào)度系統(tǒng)、視頻監(jiān)控系統(tǒng)、人員定位系統(tǒng)、門禁系統(tǒng)等，整個(gè)系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)了光纖互聯(lián)和光纖接入，相比電纜提供了更高的安全性和可靠性。網(wǎng)絡(luò)拓?fù)淙鐖D1所示。

4 基于電信級(jí)以太網(wǎng)的EPON解決方案的特點(diǎn)

（1）組網(wǎng)能力強(qiáng)

滿足礦區(qū)的各種組網(wǎng)拓?fù)湟螅娦偶?jí)以太網(wǎng)支持環(huán)型（單環(huán)、相切環(huán)）、鏈型、星型等多種拓?fù)洌С侄帱c(diǎn)雙歸屬上聯(lián)。提供基于以太環(huán)網(wǎng)的小于50 ms自動(dòng)保護(hù)倒換能力，增強(qiáng)了視頻監(jiān)控、瓦斯監(jiān)控等關(guān)鍵應(yīng)用的可靠性。對(duì)于ODN規(guī)劃，建議以樹形為主，結(jié)合礦區(qū)光纖部署情況，采用一級(jí)或二級(jí)分光方式。從提高光纜資源利用率和PON口使用效率的角度出發(fā)，二級(jí)分光方式適合礦區(qū)接入點(diǎn)分散的場(chǎng)合。在EPON發(fā)展初期，ONU數(shù)量較少相對(duì)分散的情況下，可將光分路器設(shè)置在靠近OLT的地方，隨著業(yè)務(wù)部署的增加，再將光分路器逐步下移到靠近ONU的地方。基于電信級(jí)以太網(wǎng)的EPON的組網(wǎng)方案充分適應(yīng)礦區(qū)現(xiàn)有資源的情況，彈性業(yè)務(wù)/彈性組網(wǎng)，采取靈活的拓?fù)溥M(jìn)行網(wǎng)絡(luò)部署。

（2）基于以太網(wǎng)的多業(yè)務(wù)承載

滿足話音、視頻、數(shù)據(jù)多業(yè)務(wù)承載需求，除了提供百兆以太網(wǎng)光/電口、吉比特以太網(wǎng)光/電口、萬(wàn)兆以太網(wǎng)光口用于以太網(wǎng)業(yè)務(wù)的接入外，還可以提供對(duì)TDM業(yè)務(wù)的支持，滿足礦區(qū)話音業(yè)務(wù)的需求。話音業(yè)務(wù)正在由傳統(tǒng)的PSTN向下一代網(wǎng)絡(luò)和IMS過(guò)渡。因此對(duì)于EPON系統(tǒng)，在ONU和OLT之間，話音都承載在IP報(bào)文中傳輸。對(duì)于2G和未IP化的3G基站的接入使用E1（TDM 2M）接入。基于電信級(jí)以太網(wǎng)的EPON系統(tǒng)由于采用以太網(wǎng)作為傳輸技術(shù)，因此使用電路仿真（CESoP）方式來(lái)支持TDM業(yè)務(wù)。以太網(wǎng)的高帶寬和QoS技術(shù)可以很好地保證視頻業(yè)務(wù)的開展。

（3）端到端的 QoS

端到端的QoS保證，可以高效地利用網(wǎng)絡(luò)資源，優(yōu)化多業(yè)務(wù)承載。支持多種調(diào)度方式，為用戶提供最小帶寬的預(yù)留以及高性能和低時(shí)延傳送，保證智慧礦山不同業(yè)務(wù)的QoS需求。

圖1 智慧礦山承載網(wǎng)絡(luò)組網(wǎng)拓?fù)?/p>

通過(guò)深度分析轉(zhuǎn)發(fā)報(bào)文，可以動(dòng)態(tài)智能地標(biāo)識(shí)不用的業(yè)務(wù)流，為后續(xù)的業(yè)務(wù)控制和QoS調(diào)度打下基礎(chǔ)。在承載網(wǎng)絡(luò)中根據(jù)業(yè)務(wù)報(bào)文中的QoS標(biāo)記進(jìn)行有差別的調(diào)度處理。通過(guò)多種QoS算法和調(diào)度策略，如RED和WRED丟棄算法、WFQ和PQ等隊(duì)列調(diào)度策略，為不同業(yè)務(wù)提供不同的帶寬保證。對(duì)網(wǎng)絡(luò)敏感的話音業(yè)務(wù)在EPON內(nèi)可以設(shè)置最高優(yōu)先級(jí)，分配一定的保證帶寬。表1所示為各種業(yè)務(wù)的QoS要求。

（4）可靠性高、環(huán)境適應(yīng)性強(qiáng)

基于電信級(jí)以太網(wǎng)的EPON系統(tǒng)采用高可靠性設(shè)計(jì)方法，選取高質(zhì)量的元件，提供完善的保護(hù)功能。系統(tǒng)采用多個(gè)風(fēng)扇冗余，根據(jù)機(jī)箱內(nèi)部的溫度動(dòng)態(tài)調(diào)節(jié)風(fēng)扇的性能，保證系統(tǒng)的散熱系統(tǒng)長(zhǎng)期可靠運(yùn)行。設(shè)備經(jīng)過(guò)高、低溫環(huán)境測(cè)試，能夠適應(yīng)各種工作環(huán)境，滿足礦井下復(fù)雜的工作環(huán)境。

表1 業(yè)務(wù)的QoS要求

網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)采用環(huán)形拓?fù)涞母呖煽拷Y(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)，生存性高、運(yùn)行靈活、高效，可使智慧礦山承載網(wǎng)絡(luò)更加優(yōu)質(zhì)健壯。環(huán)網(wǎng)自愈技術(shù)無(wú)需人為干預(yù)，遇到網(wǎng)絡(luò)故障能在極短時(shí)間內(nèi)恢復(fù)所承載業(yè)務(wù)。烽火網(wǎng)絡(luò)電信級(jí)以太網(wǎng)多業(yè)務(wù)平臺(tái)基于ITU-T X.87標(biāo)準(zhǔn)，提供環(huán)網(wǎng)拓?fù)湎碌碾娦偶?jí)50 ms業(yè)務(wù)保護(hù)。它在環(huán)形拓?fù)渚W(wǎng)絡(luò)中采用分布式環(huán)保護(hù)算法，對(duì)于故障通告和恢復(fù)均采用分布式處理，具有較低的時(shí)間和空間復(fù)雜度，對(duì)系統(tǒng)的要求低，同時(shí)支持環(huán)內(nèi)自愈、環(huán)間互通，為建設(shè)高可靠性的、強(qiáng)大的智能礦山生產(chǎn)管理通信網(wǎng)絡(luò)提供了支撐。

PON系統(tǒng)組網(wǎng)都為樹型結(jié)構(gòu)，這符合礦區(qū)的實(shí)際環(huán)境。OLT到分路器之間為主干光纖，分路器到ONU為支路光纖。PON的保護(hù)分為兩類：主干光纖保護(hù)和全保護(hù)。主干光纖保護(hù)倒換配置對(duì)OLT、OLT和光分路器之間的光纖進(jìn)行備份，光分路器的OLT側(cè)有兩個(gè)輸入輸出端口，這種組網(wǎng)方式只能恢復(fù)OLT側(cè)故障。全光纖保護(hù)倒換對(duì)OLT、ONU、光分路器和全部光纖進(jìn)行備份。在這種配置方式下，通過(guò)倒換到備用設(shè)備可以在任意點(diǎn)恢復(fù)故障，具有高可靠性。在智慧礦山的建設(shè)中可以根據(jù)對(duì)可靠性的要求，選擇不同的保護(hù)方式。

圖2 甘肅某鎳礦智能礦山組網(wǎng)

（5）良好的可擴(kuò)展性

電信級(jí)以太網(wǎng)基于以太網(wǎng)的分組化平臺(tái)，支持百兆、吉比特、萬(wàn)兆以太網(wǎng)，環(huán)路帶寬可從10/100 Mbit/s平滑升級(jí)至N×10GE；設(shè)備采用模塊化設(shè)計(jì)，配置方便、擴(kuò)展靈活；支持鏈型、星型、單環(huán)、多環(huán)等網(wǎng)狀拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)，環(huán)網(wǎng)的節(jié)點(diǎn)數(shù)量、多環(huán)拓?fù)淇筛鶕?jù)業(yè)務(wù)需要及時(shí)調(diào)整。在滿足當(dāng)前帶寬需求的情況下為將來(lái)可預(yù)見(jiàn)階段內(nèi)的流量增長(zhǎng)和新業(yè)務(wù)開展提供網(wǎng)絡(luò)保障，而且保護(hù)了用戶的已有投資，非常適合礦區(qū)業(yè)務(wù)點(diǎn)分散的架構(gòu)特點(diǎn)，適用于進(jìn)行共網(wǎng)絡(luò)建設(shè)。

5 案例分析

烽火網(wǎng)絡(luò)承載解決方案在甘肅某鎳礦項(xiàng)目中取得應(yīng)用，主要實(shí)現(xiàn)礦下GSM網(wǎng)無(wú)線覆蓋，實(shí)現(xiàn)與上層有效溝通、人員定位、車輛定位等功能，實(shí)現(xiàn)對(duì)礦下人員、車輛的數(shù)量、動(dòng)向進(jìn)行全面掌握，實(shí)現(xiàn)礦區(qū)考勤系統(tǒng)的承載。電信級(jí)以太網(wǎng)設(shè)備主要實(shí)現(xiàn)這些業(yè)務(wù)數(shù)據(jù)上傳到地面中心機(jī)房，實(shí)現(xiàn)與中心機(jī)房的人員定位系統(tǒng)和基站的2 Mbit/s接口對(duì)接。EPON系統(tǒng)主要實(shí)現(xiàn)人員定位系統(tǒng)、車輛定位系統(tǒng)等各個(gè)業(yè)務(wù)系統(tǒng)的接入。

烽火網(wǎng)絡(luò)的解決方案是在地下每個(gè)層面機(jī)房放置一臺(tái)M8228E設(shè)備，在地面機(jī)房放置2臺(tái)M8228E設(shè)備，在中心機(jī)房放置2臺(tái)M8416E設(shè)備。6臺(tái)電信級(jí)以太網(wǎng)設(shè)備組成2GE環(huán)網(wǎng)，實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)的上傳，數(shù)據(jù)通過(guò)中心機(jī)房接入internet。井下兩臺(tái)設(shè)備通過(guò)兩個(gè)礦井口，實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)上傳到地面。人員定位系統(tǒng)、車輛定位系統(tǒng)分別通過(guò)ONU接入到承載網(wǎng)絡(luò)。組網(wǎng)拓?fù)湟?jiàn)圖2。

6 結(jié)束語(yǔ)

隨著政府大力推動(dòng)物聯(lián)網(wǎng)應(yīng)用，物聯(lián)網(wǎng)在各個(gè)行業(yè)取得了飛速發(fā)展。智慧礦山是物聯(lián)網(wǎng)在礦山領(lǐng)域的應(yīng)用，承載網(wǎng)絡(luò)的建設(shè)決定了智慧礦山業(yè)務(wù)的發(fā)展。長(zhǎng)遠(yuǎn)來(lái)看視頻監(jiān)控、RFID、傳感器網(wǎng)絡(luò)等感知和識(shí)別技術(shù)與通信網(wǎng)絡(luò)的深度融合，將推動(dòng)智能礦山的發(fā)展。智慧礦山的承載網(wǎng)絡(luò)解決方案必須結(jié)合智慧礦山的業(yè)務(wù)情況進(jìn)行深入分析，在技術(shù)先進(jìn)性和成本之間進(jìn)行平衡，尋求最合適的解決方案。

1 張傲.三網(wǎng)融合下的FTTx網(wǎng)絡(luò).北京：人民郵電出版社，2011

2 解海東,李松林,王春雷等.基于物聯(lián)網(wǎng)的智能礦山體系研究.工礦自動(dòng)化，2011（3）