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中国信通院曹小波等：工业光网助力工业企业数字化转型发展
The following article is from 信息通信技术与政策 Author 曹小波，郭蕾
在我国，工业企业的网络部署在前期主要聚焦于生产自动化，而信息化建设起步较晚。此外，工业企业的内部网络未能有效、按需连接和管理企业的生产要素。企业的不同生产网间，企业与第三方平台之间也并未做到充分的互联互通，工业网络的部署具有很大的升级与发展空间，工业企业也需要通过新型高效的网络技术来加速其网络的升级改造过程。在工业互联网众多的组网技术中，工业光网作为有线网络的一种技术形态为用户提供了高带宽、低延时、抗干扰的网络部署方式。工业光网采用了光通信技术，通过光纤互联工业企业的生产、监控与信息管理网络，降低了网络部署的层级和复杂性，提供了高效、可靠的网络连接和数据互通能力。
1 工业光网
工业光网是采用光网络技术互联工业企业全生产要素的组网形式，以光纤作为传输媒质，属于工业互联网中的有线网络。工业光网是工业场景下的OTN技术、工业PON、工业光总线等光网络技术的总称，可以为用户提供兼具保障性和扩展性的光网组网方案。企业可以通过建设一张全光网实现工业网络的生产控制、厂区监控、办公业务的统一接入等。此外，还可以按照发展需要将工业光网与工厂内现有网络相结合，实现工业光网与工业以太网、5G、Wi-Fi等网络技术的融合组网。
1.1 工业光网的体系架构图1为工业光网的典型架构示意图[1]，企业可根据实际的建网需求选择工业光网技术进行部署。根据图1所示，应用于工业场景下的OTN设备可以部署于工业园区网络中的园区骨干网，用于连接园区云基础设施、园区公共服务网络和企业生产网络，此外还可通过部署OTN网络实现不同园区的互联互通以及园区到公有云/公共客户网络的连接。工业PON设备可以部署于企业车间级和工厂级网络，以承载企业的生产、监控和办公业务。通过在车间部署的工业PON设备实现工业协议转换，可以为不同类型的现场级设备、传感器与企业信息管理和云服务平台之间提供基于标准化统一化的协议承载。工业光总线设备可以部署于企业生产网络中的现场级，用于现场级主站PLC之间，或主站与生产网内其他从站的全光总线互联。
1.2 工业光网典型技术1.2.1 OTN光传送网（Optical Transport Network，OTN）是新一代大颗粒光网络传输技术，目前已广泛应用于广域骨干网络。OTN技术是电域和光域技术的融合，其中电域采用基于容器的业务承载方式，支持大颗粒业务的直接映射，帧结构方面具有标准化的帧格式；光域以波分复用技术为基础,引入了丰富的光层管理维护开销，可根据用户的实际应用需求选择。
应用于工业场景下的OTN技术不仅具有OTN光域和电域的技术特点，还可适用于复杂的工业环境，对工业环境的高低温范围、湿度、防尘、供电方式等进行相应的加强和改进，以便为企业提供大容量、高可靠的远距离传输。此外，在一些工业场景下还可以应用工业OTN的小颗粒技术为网络提供精细化承载和维护管理能力。
1.2.2 工业PON工业PON系统由局端光线路终端（Optical Line Terminal，OLT）、接入网关光网络单元（Optical Network Unit，ONU）及连接局端和用户端设备的光分配网络（Optical Distribution Network，ODN）组成[2]，具体参考架构见图2。
工业PON采用传统PON网络的单纤双向、点到多点的网络结构。下行方向（OLT到ONU）为广播选收，上 行 方 向（ONU到OLT）采用时分多址接入（TDMA）方式对各ONU的数据发送进行调度。ODN网络由光纤和一个或者多个无源光分路器组成，在OLT和ONU之间提供光传送通道。工业PON系统不易受电磁干扰和雷击的影响，且最大覆盖范围可达到20 km。接入网关具有多种形态，除具有传统PON的ONU功能外，工业PON的ONU还可具有多种工业接口，如RS232/485、CAN等，直接连接工业终端设备，实现工业协议透传。此外，ONU设备还可以作为开放平台，集成开源或者定制化的工业应用，如配置工业协议解析功能，实现工业协议转换、个性化工业数据采集和数据预处理功能等。OLT和ONU设备可以通过工业PON管理平台进行统一管理，并支持与工业云平台进行业务数据交互，为工业云平台的大数据服务提供有力支撑。
1.2.3 工业光总线在工业网络中，工业现场网络的生产控制网络对时延/抖动的要求最高。其中，部分运动控制业务要求小于100 μs级的低时延、小于100 ns级的低抖动以及99.9999%极高的可靠性，而随着工业企业数字化发展，机器视觉、AI等新兴技术的应用，工业现场网络的连接数和带宽需求增长迅猛。工业光总线参考现场总线技术发展特点，并与光网络技术相结合，提供了大带宽、低时延的网络传输通道。
工业光总线技术采用在主站PLC侧内置光模组，在从站伺服、IO、工业相机等设备中内置光终端模组的方式，通过光分配网络进行组网，实现主站PLC到从站的全光传输。在传输协议方面，可以选择透传各类传统的工业协议，也可选择优化的工业协议以实现更高效的数据传输。工业光总线技术是新涌现的工业现场总线网络技术，需要适配复杂的工业现场环境和工业现场的管理模式，目前仍在发展中。
2 工业光网的应用范围和部署场景
2.1 工业光网的应用范围2.1.1 园区内骨干网连接园区骨干网主要指园区公共服务网，由于园区内企业众多，业务应用丰富，对网络带宽需求大（链路采用万兆及更高的互联通道，接入的各企业则需要采用千兆或者万兆互联），同时极为看重网络安全和传输可靠性。在部署网络时，需要在设备性能、带宽能力、接入用户能力、安全防护等多个方面进行综合考虑。工业光网可以作为园区骨干网络的部署解决方案。
2.1.2 跨园区协同随着智能化生产和柔性制造方式的推广，企业需要面向订单对多个园区或园区内外的生产资源统筹调配，在生产过程各环节与供应链并行组织生产方案，并对生产运行状态进行监控。园区内外协同应支持企业调配、组织不同生产网的资源、满足多个生产网的协同生产、支持多厂区的实时数据采集等。工业光网的硬管道、良好的业务隔离度和安全性是跨园区协同应用下很好的解决方案。
2.1.3 企业管理网络（1）企业信息网络互联传统企业的信息网络分散部署着各类IT管理系统，如MES、PLM、ERP、SCM、CRM等。为了打破信息孤岛、提高运营效率，企业会将分散部署在各服务器的IT管理系统集中部署到工厂内数据中心/云平台，进行数据的联合分析，快速决策。不同的部署方式会引起网络架构的变化。无论采用哪种部署方式，均可以通过工业光网连接各类IT管理系统模块，作为可靠的信息数据承载通道。
（2）IT与OT网络融合工业互联网业务发展使工厂内网络呈现出融合、开放、灵活的发展趋势，其中融合趋势带来了网络结构的扁平化。传统的“两层三级”网络架构严重制约着信息互通的效率，随着大数据分析和边缘计算业务对现场级实时数据的采集需求，OT网络中的车间级和现场级将逐步融合（尤其在流程行业），同时MES等信息系统向车间和现场延伸的需求，推动了IT网络与OT网络的融合趋势。工业光网可以实现工业数据可靠有效地在IT与OT间传输。
2.1.4 工业生产网络（1）生产信息采集生产环境的信息采集是数字化、智能化生产的重要前置条件，在工业互联网的智能工厂中，企业级IT管理运营系统对现场实时生产过程数据和设备运行状态数据有着强烈的需求。工业光网可以作为工业企业生产设备与企业IT管理运营系统间的数据承载通道，连接现场级设备与上层管理实体（如服务器、SCADA系统等），实现工业生产设备运行状态、运行环境、传感器数据等生产相关信息的采集，还可用于生产指令下达、厂区视频监控等重要业务数据的承载。
（2）边缘计算未来超过70%的数据和应用将在边缘进行处理。在工业场景应用中，边缘计算在生产过程的预测性维护、产品的质量保证以及流程优化方面对企业的生产经营有很大帮助。此外，企业还可以基于边缘计算平台提高生产工艺与流程的柔性，支撑个性化生产。工业光网可以提供边缘计算所需要的数据承载通道，还可在数据汇聚节点设备中集成计算算力，按需实现边缘计算功能。
2.2 工业光网的部署案例2.2.1 工业光网在离散制造业的场景应用在离散制造业中，制造的产品往往由多个零件经过一系列并不连续的工序加工装配而成，因此涉及的生产终端类型较多，数字化生产背景下企业非常关注产品各个生产环节的数据信息采集，这些数据可作为大数据分析的依据。以某企业的智能电子元器件组装测试生产线为例，其生产流程包括SMT贴片加工、焊接、测试、整机等环节。企业很快发现现有的工业网络性能无法支持智能化的生产模式，主要表现在信息采集，包括AOI的高清图片、影像文件等数量众多，带宽占用大，且现场生产终端信息在实时上传时会存在数据丢失等情况。
企业通过部署工业光网络组建支撑其智慧制造车间高速业务承载和数据采集的网络，组网技术采用工业PON技术。通过将工业PON的小型化ONU设备安装在线槽立柱内，节省了ONU设备的空间占用，提供了足够的带宽承载能力；工业PON的光纤配线网络ODN网络为无源网络，无需额外供电，采用两级分光以连接不同区域的生产设备，其中一级分光器安装在桥架线槽内，二级分光器安装在本槽立柱内，业务通过光纤承载和基于时分复用的通道化传输方式，降低了传输时延。
2.2.2 工业光网在油气行业的应用油气行业在进行数字化转型过程中，需要将油气生产现场的资产和设备连接到工业网络中来实现生产的自动监控和诊断，之后需要连通不同的站场/作业区以及产业链相关方，实现生产、运输、物流、仓储的统一化管理。数字化转型带来了接入节点数量的增多，对网络的带宽容量有了更高的需求。此外，油气行业传统网络接入点位置分散、部分接入点位距离可达十几公里，不同的作业区之间更可达几十公里，因此需要在接入网支持业务远距离接入的能力、在骨干网支持大跨段传输。且油气行业对网络部署环境比较敏感，要求网络设备具有抗电磁干扰、防爆、防腐蚀的能力，也需要提供网络保护策略。
以某油气田网络建设为例，油气田采用多级管理，包含分公司、气矿、作业区、中心站、分站等。企业通过部署工业光网搭建了油气田的数据传输网络。在组网架构方面，分站与中心站间采用工业PON技术的树形组网结构部署，非常匹配油气行业作业区内的主站到分站的网络架构。其大部分距离小于20 km，以星型网络为主。其中，将分站的每个接入点（PLC数据输出点、环境监控数据采集点等）接入到工业ONU，每个ONU可接入多个接入点数据，并根据网络规模在每个分站设置多个接入点位。在中心站放置OLT设备，数据通过分站的工业ONU接入到中心站的OLT设备，并通过OLT设备汇聚上送至数据管理平台。为保证接入网络安全，接入点采用工业PON的TypeC手拉手保护方式，提供端到端的双链路备份。此外，由于作业区之间跨段可达几十公里，因此在网络部署时，不同的站场/作业区间采用OTN技术组建大带宽环网，满足公司对多气矿的统一管理；并配置OTN网络采用SNCP保护，实现骨干环网50 ms的保护倒换。
3 工业光网面临的挑战与发展建议
工业光网是企业在数字化转型过程中涌现的一种新型的工业互联网组网形式。但在目前的工业领域中，工业光网只是面向特殊应用场景和部分垂直行业应用，用以解决远距离跨段传输和连接可靠性的问题[3-5]。大多数工业企业对工业光网和其网络技术知之甚少，一方面由于部分应用在传统工业网络下对大连接、高带宽、时延敏感的诉求尚不迫切，而传统工业现场总线和高速以太网交换机的组合长期以来已形成了成熟稳定的部署方案，工业企业改变的意愿度不高；另一方面随着5G技术的推动和发展，业界的关注点纷纷转向如何通过5G技术赋能工业企业，相比之下，工业光网缺乏广泛的关注度。实际上，我国在拥有世界领先的5G技术的同时，也拥有领先的光网络技术，在工业网络面向大带宽、低时延的网络转型升级过程中，工业光网是重要的网络部署方案之一。工业光网的体系架构在参考传统的工业网络基础上，进一步满足了MES等信息系统向车间和现场级网络延伸的需求，逐步推动IT网络与OT网络的融合。同时，工业光网使企业具有独立的管理运维能力，做到生产数据不出厂区。在部分工业网络应用层面，如工业现场网络，工业光网基于硬管道传输的方式又可以为现场终端设备提供稳定可靠的周期信号承载。总体来说，工业光网一方面需要依托技术优势逐步适配以满足各类复杂工业场景的应用部署，另一方面仍要逐步提高工业领域、各企业对工业光网的认知和理解，从而形成良性的循环发展。
4 结束语
工业光网作为工业互联网中有线网络的一种新型组网技术，将光通信技术与工业场景、工业网络相结合，为工业企业提供高带宽、低时延、抗干扰的网络解决方案。在应用范围上，工业光网可以覆盖工业园区网络、企业管理网络和工业生产网络。随着工业企业数字化转型的加快，工业光网会逐步走进大家的视野，成为工业互联网解决方案中重要的组成部分。
参考文献
[1] 工业互联网产业联盟. 工业光网白皮书[R], 2021.[2] 工业互联网产业联盟. 工业PON2.0白皮书[R], 2021.[3] 李海花. 工业互联网加速创新发展分析与展望[J]. 信息通信技术与政策, 2020,46(10):6-9.[4] 孙利民, 潘志文, 吕世超, 等. 智能制造场景下工业互联网安全风险与对策[J]. 信息通信技术与政策, 2021,47(8):24-29.[5] 孙慧, 金嘉亮, 甘雨莹. 面向工业互联网的新型工厂网络研究[J]. 通信技术, 2021,54(4):898-903.
作者简介
曹小波
中国信息通信研究院技术与标准研究所工程师，主要从事接入网技术及应用方面的研究工作。郭 蕾
中国信息通信研究院技术与标准研究所工程师，主要从事接入网技术及应用方面的研究工作。论文引用格式：
曹小波, 郭蕾. 工业光网助力工业企业数字化转型发展[J]. 信息通信技术与政策, 2021,47(11):84-88.
本文刊于《信息通信技术与政策》2021年 第11期
主办：中国信息通信研究院
《信息通信技术与政策》是工业和信息化部主管、中国信息通信研究院主办的专业学术期刊。本刊定位于“信息通信技术前沿的风向标，信息社会政策探究的思想库”，聚焦信息通信领域技术趋势、公共政策、国家/产业/企业战略，发布前沿研究成果、焦点问题分析、热点政策解读等，推动5G、工业互联网、数字经济、人工智能、区块链、大数据、云计算等技术产业的创新与发展，引导国家技术战略选择与产业政策制定，搭建产、学、研、用的高端学术交流平台。
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校 审 | 陈 力、珊 珊
编 辑 | 凌 霄
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