F5G技術在滇中引水工程通信網絡中的應用研究

0 引言

滇中引水工程是國務院確定的172項節水供水重大水利工程中的標志性工程，工程分為一期和二期，一期工程由水源工程和輸水總干渠組成，二期工程為輸水總干渠分水口以下的輸水、配水和充蓄調節工程。整個工程線路長、地質條件復雜、運行管理難度大，為了滿足一期、二期工程運行管理智能化的目的，在水利部相關數字孿生建設文件的指導下，云南省提出構建滇中引水數字孿生工程[1]。通信網絡作為數字孿生建設的基礎架構和重要組成部分，需要實時、準確傳輸各種監測數據、控制指令和業務信息，確保工程實際運行可管可控，為后期調度運行提供決策支持。

目前，國內外學者在水利工程通信網絡方面做了一系列探索和研究[2-5]，網絡核心匯聚層多采用多業務傳送平臺（multi-service transportplatform，MSTP）、傳統光傳送網（optical transportnetwork，OTN）等傳輸方式，在網絡接入層通常采用以太網交換技術進行組網。此類通信傳輸方式由于自身技術特點制約，無法提供靈活帶寬和低時延來滿足業務要求，同時其在網絡優化、故障預測和自動恢復等方面仍然依賴于人工操作，智能化水平較低[6-8]。隨著水利行業數字孿生技術的發展，大量新興業務如云計算、大數據、5G、AI、物聯網及智能裝備等在引調水工程中逐步應用，通信傳輸網絡作為支撐新興業務發展的基礎，其技術要求已具備大帶寬、低時延、高智能、廣連接、安全可靠[1°]的特性，且其延展性需要面向未來，傳統通信傳輸技術在應對新興業務需求時已顯不足，亟需技術革新以滿足數字孿生引調水工程的新需求[11]

如何系統解決引調水工程中通信網絡存在的問題，使其作為基礎支撐網絡更好服務于引調水工程，實現復雜條件下感知終端接入水利信息網的能力，是“信息水利”向“數字孿生水利”跨越中需要解決的重要問題，而第五代固定網絡（the5thgenerationfixednetworks，F5G）關鍵技術在多行業的運用經驗為解決這一問題提供了指引。如溫良等提出采用 F5G+ 5G方式構建煤礦通信網絡，為煤礦智能化提供了新思路及方法;胡興濤等[13]采用基于F5G的多源數據、圖像的傳輸和存儲技術對煤礦巷道的智能化掘進進行深入研究；多位學者對F5G的關鍵技術OSU在OTN網絡進行嵌合性研究，并提出該技術是未來傳送網絡的演進方向[14-16]；王新余等[17]針對FTTR（fiber to theroom）場景進一步研究新型家庭全光網，并進行相關技術創新和方案改進。但對于水利工程，特別是引調水工程，F5G相關技術的應用研究還處于初期探索階段。研究F5G技術在引調水通信網絡建設中的適用性，如何系統運用F5G關鍵技術實現通信網絡的智慧化建設，是未來實現引調水工程調度運行指令高效率、低時延、安全可靠智能傳輸的理論保證。為此，本文針對F5G技術在滇中引水工程通信網絡中的應用進行深入研究，以期為F5G架構的智能化引調水通信系統建設提供技術思路及方法。

1基于F5G關鍵技術構建引調水通信網絡

1.1 引調水工程對通信網絡的需求

（1）多元網絡環境。通信網絡需要集成多種通信技術，如衛星、5G、微波等，用于支持輸水沿線大量設備的接入和管理，以適應不同場景需求。

（2）高速率廣覆蓋。通信網絡需要提供高速的數據傳輸能力，確保實時控制的傳輸信號延時低，同時要廣泛覆蓋所有關鍵區域，如水源地、輸水管道、泵站和水庫等。

（3）安全及可靠性。通信網絡需具備高穩定性，確保在各種環境條件下都能正常工作，同時，控制網、視頻網、辦公網和感知網等需專網專用，防止數據泄露和非法訪問。

（4）靈活智能的網絡管理。隨著數字孿生技術在水利工程上的應用，通信網絡需要實現智能化管理，包括自動調節傳輸功率、優化網絡資源分配等，同時需要具備靈活的網絡架構，以適應引調水工程不斷變化的需求和未來技術的發展。

綜上所述，引調水工程對通信網絡的需求集中于支持水資源的高效調度與利用、實現廣泛地理覆蓋、適應復雜地形與環境、處理海量數據以及簡便運營維護。為滿足這些需求，所采用的通信網絡技術必須具備高速率、低延時、廣泛連接性、高安全性與可靠性等特征，以及智能化管理的能力。

1.2 F5G網絡關鍵技術特點

F5G網絡采用光業務單元（opticalserviceunit，OSU）和無源光纖網絡（passiveopticalnetwork，PON）等技術，具備增強型固定寬帶（enhancedfixedbroad-band，eFBB），全光聯接（full-fiberconnection，FFC）和極致體驗（guaranteedreliableexperience，GRE）三大關鍵特征[18-19] 。

（1）OSU技術。OSU技術采用基于凈荷塊（payloadblock，PB）的幀結構劃分方式，可根據業務實際大小靈活調整容器容量。相較傳統技術，采用OSU技術的OTN網絡在業務承載方面可提供更細的時隙顆粒度、更簡潔的帶寬無損調整和更靈活智能的承載能力，傳統OTN和OSU-OTN的對比如表1所列。

（2）PON技術。基于F5G的全光PON接人技術使用光線路終端（opticallineterminal，OLT）光網絡單元（opticalnetworkunit，ONU）及分光設備，相較于傳統全光以太網交換技術，全光PON技術扁平化的網絡結構減少了業務轉發節點，大大降低了時延，提高了傳輸質量，使網絡結構轉變為面向云業務的轉發結構，同時在傳統邏輯隔離基礎上，基于硬切片技術，將一張物理網絡按照業務需求進行切分，提供類似物理隔離的網絡，另外采用無源設備接入，不僅綠色節能，還簡化了運維的復雜性。傳統以太網、全光以太網及全光PON網在業務承載方面的區別如表2所列。

綜上所述，F5G網絡采用的OSU技術和全光PON技術作為通信領域的兩大創新技術，分別從核心匯聚層和接入層為傳輸網絡提供強大的技術支撐。科學合理運用F5G技術，能為通信傳輸網絡在業務承載、用戶體驗、節能減排和成本控制等方面帶來跨代際的提升，隨著運用場景的逐步豐富和技術的不斷成熟，勢必成為未來通信行業的主流技術手段。

1.3 F5G技術運用于引調水工程的優勢

將F5G光網絡關鍵技術運用于引調水工程通信網絡中，相較于其他傳統通信技術具備以下優勢：

（1）多接人網絡架構。F5G網絡采用了“萬物互聯”的網絡架構，可以實現5G、物聯網、云計算和人工智能等新技術的有效接入，能夠適應引調水工程復雜的地形和環境條件，保障信息交互更加高效、靈活和可靠，實現數字孿生時代引調水工程信息全過程、全要素的全面互聯。

（2）高速率低時延。OSU－OTN的業務管道帶寬能精確匹配承載的業務信號速率，實現2Mbit/s＼～100Gbit/s多顆粒業務靈活傳輸，同時通過減少映射層級、優化封裝結構等手段降低端到端時延；全光PON網絡扁平化結構使得網絡響應更為迅速，數據傳輸更加高效，滿足引調水多點位、多業務的高速承載要求。

（3）高安全性、高可靠性。通過全光PON和一跳入云技術可以減少網絡層次，大幅降低網絡非法入侵風險，能夠保障引調水工程最為重要的控制專網傳輸安全。同時其具備多重冗余和備份機制，當沿線通信網絡設備或傳輸鏈路出現故障時，信息能夠通過自動倒換選擇其他路徑，提升引調水工程通信的可靠性。

（4）智能運維管理。F5G全光網絡支持故障點位的自動發現和定位功能，能夠利用大數據、人工智能等技術對網絡運行數據進行實時分析，提前發現和解決潛在網絡問題、減少人工干預，在提高網絡運行穩定性和可靠性的同時降低運維成本，實現引調水工程基礎網絡的自愈和自運維管理

結合上述F5G光網絡傳輸特點，將其和傳統通信網絡在引調水業務承載方面進行總結對比，如表3所列。可知，采用F5G全光網絡可以更好地滿足引調水工程監測、控制和調度等方面的需求，解決傳統通信技術存在的業務和網絡不匹配、智能性不足等問題，在保障引調水工程正常運行的同時提升工程智能化水平。

2 滇中引水工程F5G全光網絡應用研究

本文以滇中引水工程為例，進一步研究F5G網絡在引調水工程中運用的適用性。

2.1 網絡架構

采用F5G關鍵技術構建新一代數字孿生滇中引水工程F5G全光網絡，如圖1所示。傳輸層通過F5G技術實現網絡大容量、長距離、高可靠的傳輸，以硬管道切片技術保障多套網絡（控制專網、視頻網、業務內網和業務外網等）的安全，可以有效支撐滇中引水長距離傳輸需求，通過OSU技術實現帶寬的靈活無損調整，并能減少對中間維護站和運維人員的投人。通過全光PON技術實現多業務接人，同時結合4G/5G、WiFi和物聯網等新一代技術的運用，為沿線大量監控、傳感設備提供一體化接入。采用不等比分光技術減少網絡層次，大幅降低網絡非法入侵的風險，提升網絡的可靠性和傳輸性能。通過全光無源技術，實現通信信號綠色回傳，滿足工程節能減排的要求，同時響應國家碳達峰碳中和的目標。此外，這個網絡可通過面向軟件定義網絡（softwaredefinednetwork，SDN）的全光管控及AI技術實現網絡智能化，以及水利基礎網絡的自愈和自運維管理，同時采用光纖傳感技術進行實時監控，及時感知識別各種突發情況，確保輸水沿線處于安全、穩定的環境中。在整個網絡架構中，數據從感知層的物理設備可靠有效傳輸到應用層的各項智能系統，實現閘閥控制、水量監控、數據傳輸、語音通信和視頻監控等各種業務的順利運行。

2.2 網絡節點

根據調水工程數字孿生化運行的發展趨勢，滇中引水工程按照“無人值班、少人值守”的原則，同時支持統一調度模式和分級調度模式。在統一調度模式下總調中心統一發布調度指令到現地站執行，現地站在應急情況下可手動控制，即總調中心一現地站。在分級調度模式下，分調中心在總調中心授權下可以控制本轄區的站點，現地站在應急情況下可手動控制，即總調中心一分調中心一現地站。結合滇中引水工程調度模式和未來網絡架構“扁平化”趨勢，通信網絡建設統籌考慮一期工程和二期工程，按照一張傳輸網絡的方式來部署：

（1）總調中心（備調中心）。滇中引水工程輸水沿線位于地震災害多發地區，設立總調中心和備調中心，從確保工程調度運行控制可靠性的角度出發，按照主備雙核心設計方式，均部署為F5G全光網絡的核心節點，當總調中心網絡系統出現異常時，備調中心接替輸水全線調度、控制等主要業務，確保整體系統的安全、可靠運行。

（2）分調中心。滇中引水工程根據受水區地理位置，設置了5個分調中心，實現對各自轄區內所有設備的調度控制與信息匯聚。將各分調中心部署為匯聚節點，以雙路由的方式就近接人核心節點，在分級調度模式下，實現對本區域泵站和閘閥站的遠程集中控制。

（3）現地站。滇中引水一期工程和二期工程全線設置了多座控制性閘閥站。綜合考慮站點重要程度和光纜線路距離，選取一期工程的11個重要閘站作為核心節點，和總調（備調）中心分別組成2個核心環網，選取二期工程的20個閘閥站作為匯聚節點，和5個分調中心分別組成5個匯聚環網，其余泵站、閘閥站部署為F5G全光網絡的接入節點就近接入網絡。各現地站設置工業級ONU，上行業務通過OLT進行收斂后傳輸到OSU－OTN環網上進行承載，整體網絡采用“一光到底”的部署方式，為數據傳輸提供高速、穩定的網絡連接。

2.3 組網方式

滇中引水工程光纜沿輸水線路進行布放，綜合考慮目前主流的光纜組網方式，優選“環型 + 鏈型”網絡作為滇中引水F5G全光網絡的組網方案，將網絡結構搭建為“核心匯聚層 + 接入層”模式。

（1）核心匯聚層。將核心匯聚層光纜沿輸水線路兩側進行建設，依據業務流動方向，總調中心、備調中心和6個上游側核心節點組成 40×100 Gbps的OTN核心西環，總調中心和5個下游側核心節點組成 40× 100Gbps的OTN核心東環，根據OTN設備性能指標要求設置4個OLA中繼站點；5個分調中心和各受水區的匯聚節點分別組成5個 40×10 Gbps的OTN匯聚環，以雙路由的方式由分調中心就近接入核心傳輸網絡，如圖2所示。

（2）接入層。基于總調/分調中心和現地站兩種不同的接入場景，在總調（備調）中心和分調中心，充分利用PON技術綠色環保、廣覆蓋、多業務接入等特點，采用等比分光方式進行部署，將監控信號和辦公業務傳回至云平臺。對于現地站場景，在引水渠周界采用鏈型不等比分光方式部署ONU，視頻、數據采集設備就近接人，將周界安防、監測等信號傳回至云平臺，利用信息手段減少人工巡檢次數，針對現地站的輸水自動化監控系統等業務，以F5G硬隔離的方式保障業務安全性，并采取TypeC手拉手保護提升可靠性。具體如圖3所示。

2.4 應用場景

通過上述網絡架構的搭建，綜合考慮滇中引水工程業務承載需求，梳理出 F5G+ 多網融合、 F5G+ 遠程控制 .F5G+ 融合通信和 F5G+ 通感一體化4種應用場景及相應業務承載模式。

（1） F5G+ 多網融合。滇中引水工程業務控制及調度包括多套網絡系統，如控制專網、視頻網、業務內網及業務外網等。控制專網主要承載輸水自動化監控系統及實時水量調度應用信息；視頻網主要承載視頻監控系統中的海量高清數據；業務內網中主要部署了各項調水的業務系統，如智能水量調度系統、工程安全監測系統和三維GIS－BIM可視化仿真系統等；業務外網主要為對外用戶提供Web服務，如相關政務信息的發布等。多張網絡對帶寬、安全性等有不同等級的要求，采用F5G全光網絡技術可解決不同業務網絡適配性要求，如圖4所示。骨干匯聚層采用OSU-OTN網絡的波長切片技術，實現了OSU/光分布單元（opticaldistributionunit，ODU）/波長端到端硬切片傳輸，與傳統OTN網絡僅提供ODUk相比，OSU技術不僅提供了更為精細化的帶寬顆粒度，而且具備帶寬無損調整機制。這種技術能夠實時、智能、動態地根據所承載的業務類型進行帶寬的無損調整，從而在確保控制專網、視頻網、業務內網和業務外網等多套網絡實現硬隔離、互不干擾的基礎上，有效增強了業務承載的靈活性；接人層運用F5G硬管道切片技術，在傳統虛擬局域網（virtuallocalareanetwork，VLAN）和媒體接人控制（mediaaccesscontrol，MAC）等邏輯隔離的基礎上，進一步引入芯片切片和光纖切片兩種硬隔離技術。該技術通過將上行以太端口、PON端口、ONU以及ONU端口進行精確的切片業務劃分，實現了多套切片專網之間的安全隔離，確保各網絡間互不干擾。這一方案徹底解決了以往采用以太網等技術建設網絡系統時存在的多網絡重復建設、運維復雜等問題，顯著提升了網絡建設的效率和可維護性。因此在多網融合場景中，采用F5G網絡技術可實現基礎網絡的共纖承載，滿足多張網絡端到端的安全隔離需求，而且網絡本身具備長期演進所需的可擴展性，契合業務分組化演進趨勢，為實現集約化建設和資源共享提供了理想解決方案。

（2） F5G+ 遠程控制。按照滇中引水工程的調度運行模式，總調中心或分調中心通過控制專網直接對全線遠程閘閥站進行實時控制管理，因此對網絡時延和可靠性要求很高。網絡時延過長可能導致控制指令的滯后，進而影響閘閥站的及時響應，甚至引發安全問題；而網絡可靠性不足則可能導致控制指令的丟失或錯誤，對工程的運行造成嚴重的影響。采用F5G光網絡的OSU-OTN-OLT-無源分光器－工業ONU實現各控制調度設備接入和智能化管理。OSU－OTN通過簡化映射層次，減少了封裝與解封裝的工作，大幅降低業務封裝時延，端到端電路時延比采用傳統OTN技術降低約 70% [20]，保障了引調水系統控制及調度的及時性；全光PON技術采用TypeC的保護方式，支持從ONU上行端口之間的設備和光纖保護，保護方式如圖5所示。當ONU1檢測到鏈路故障，ONU1會將業務自動倒換到保護側，然后通過保護側鏈路上報給OLT2進行倒換，整個切換過程在 50ms 內完成，當ONU1檢測到鏈路恢復會自動回切到工作側鏈路。在傳統以太環網中，交換機失效會導致整個網絡進行環網協議驅動的重新學習和流量路徑重新分配，這一恢復過程不僅耗時，而且會對整個網絡產生不良影響。在PON技術環網中，ONU電設備與光環網的分離設計確保了任何一個ONU失效時，僅影響其個體而不會影響整個網絡，從而顯著提升了網絡的魯棒性。另外PON網絡通過采用無源分光器替換傳統有源匯聚交換機設備，大幅減少了弱電機房、空調、消防等配套設施建設，綠色節能的同時也降低了整體網絡故障率。F5G網絡作為新一代光網絡技術，實現了從調度中心到調度點的小顆粒管道直達，滿足了調水業務對低時延、高可靠性的遠程控制需求。

（3） F56+ 融合通信。滇中引水工程要建設成全過程全要素的數字孿生工程，需要借助 4G/5G 、WiFi6、大數據、邊緣計算和物聯網等多種新一代信息技術，形成全面感知、實時互聯、分析決策、自主學習、動態預測、協同控制的智能網絡。利用F5G全光網絡可萬物互聯的特性，將 F5G+4G/5G-WiFi6- 物聯網等多種技術融合，形成一張具備大帶寬、高速率、低時延特性的智能網絡，相較傳統通信傳輸網絡，該網絡同時具備FE/GE/10G接口，同時能支持 50G/100G 大容量接口，能滿足數字孿生時代新一代信息技術的承載需求，如圖6所示。通過將WiFi6和5G兩種通信手段深度融合實現優勢互補，為各類采集設備、傳感器等裝置提供了多種可行的接入方式[21]，同時嵌入邊緣分析、AI算法和神經網絡芯片等技術。因此工程通信網絡具備實時采集、實時傳輸、實時計算和實時分析信息數據的能力，滿足高清視頻回傳、大數據采集、AR遠程輔助、無人機巡檢和智能機器人等數字孿生滇中引水工程運行場景對智慧網絡的需求，實現工程運營、維護等過程的精細化、智能化和孿生化。

（4） F5G+ 通感一體化。滇中引水工程光通信網絡采取自建的模式，對于光纜網等無源基礎設施的健康度和運行狀態難以實施有效的實時監控管理，F5G+ 通感一體化技術為工程全線實現光纜數字化管理提供了解決思路。通過采用數字化信息采集和處理工具，以及具備光纖質量監控和光纜態勢感知能力的智能化設備板卡，結合先進高效的計算視覺和機器視覺算法，實現工程沿線無源設施點、光纖、光纜等海量資源的數字化錄入、稽核和同步功能，提高“端到端”網絡光路資源的可視、可管能力。

滇中引水工程全線 90% 以上線路為地下隧洞，地質條件不穩定、地下水豐富等因素都可能對隧洞、管道的穩定性和安全性構成威脅，日常巡檢和維護工作比較困難。針對此問題，將光纜沿隧洞頂部淹沒線以上的無水空間進行敷設，利用F5G的光纖傳感技術在沿線創建數千個連續的傳感器點，通過光在經過光纖時的物理性質來檢測振動、溫度、應變和其他參數的變化，同時疊加多載波、脈沖編碼、特種感應光纖和人工智能等新技術，實現自動檢測威脅事件和屏蔽非威脅事件的能力。相比傳統的監測方法，F5G的光纖傳感技術采用更高精度的監測和智能化分析，確保了數據的準確性和可靠性，提高了光纜網絡的運行效率，大幅提升了工程智能化運行維護水平，為工程的長期穩定運行提供了有力保障，

3結論

當前引調水通信網絡在業務適配度和智能化方面存在諸多問題，難以滿足數字孿生建設對通信網絡智慧化承載的要求。本研究基于F5G技術從，4個維度全面系統地構建出滇中引水F5G全光網絡，并提出4種應用場景及相應業務承載模式。研究結果表明：采用F5G技術構建的滇中引水工程通信網絡具備多業務網絡架構、高速率、低時延、高安全、高可靠和智能運維管理等特點，滿足了數字孿生時代引調水工程業務智慧化承載需求。研究成果為面向未來的引調水工程通信網絡建設提供了可行策略，也為實現“數字孿生水利”提供了基礎性支撐條件。但是引調水工程F5G架構的應用場景尚處于研究階段，下一步考慮在滇中引水工程建立F5G試點，以實際場景進一步驗證分析F5G引調水全光網絡架構的可行性及實用性。

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（編輯：郭甜甜）

Research on application of F5G technology in communication network of Central Yunnan Water Diversion Project

FAN Lulu'，PAN Jinhe2，MAI Shanshan3，WANG Linghang4，WU Fan’，LI Yibai' （1.Yunnan Danzhong Water DiversionEngineringCo.，Ltd.，Kunming65O51，China；2.Changjiang SchintaSoftwareTech nology Co.，Ltd.，Wuhan430，China；3.PowerChina Kunming EngineeingCoporationLimited，Kunming50，hina; 4.Rongtong Real Estate（Yunnan） Co.，Ltd.，Kunming 650032，China）

Abstract：Asafundamentalsupporting network，thecommunicationsystemplaysacrucialroleintheintellgentoperationand managementof waterdiversionandtransferprojects.Tosolveproblemsfacedbythecommunication networkofwaterdiversionand diversionprojects inthedigitaltwineraandmeettheirtransmissionrequirements，weproposedtoutilizeF5Gtechnologytoenhancethecarryingcapacityof theengineeringcommunicationnetwork，andtoconstructacommunicationnetworkofwaterdiversionanddiversionprojectsthroughtwokeyechnologies，OSUandall-opticalPON.TakingthewaterdiversionprojectinCentral Yunnanas theresearchobject，theengineering communicationnetwork wascomprehensivelyandsystematicalldeployed from threeaspects：network architecture，network nodesand networking mode.Acording totheactual businesscaryingrequirements， four application scenarios，namely F56+ multi -network convergence， F56+ remote control， F56+ converged communication and F56+ integrated communication and sensing，were proposed.The research resultsshow thatF5G technology can efectively solvethe problemssuchasmismatchbetweenservicesandnetworksand insuficientintellgenceexistingintraditionalcommunicationnetworkswhensupportingnewservices，andrealizetheintellientcarryingofdigitaltwinservicesfortheCentralYunan WaterDiversionProject.Theresearchrsultscanprovidetehnicalideasandmethodsforuildingaigh-speed，fleibleteligentand securecommunicationnetworkforwaterdiversionandtransfer，andoferreferenesfortheconstructionof waterdiversion and transfer projects in the digital twin era.

Key Words：F5G；optical service unit（OSU）；pasive optical network（PON）；alloptical network；Central Yunnan Water Diversion Project