［盧國(guó)偉 牟鳴］

1 引言

化工廠區(qū)屬于石化企業(yè)生產(chǎn)區(qū)域環(huán)境，包括各種金屬管線、罐塔裝置、復(fù)雜鋼結(jié)構(gòu)、化學(xué)燃料運(yùn)輸車(chē)輛，各類(lèi)在廠區(qū)內(nèi)防爆區(qū)域部署和使用的設(shè)備都要求具有國(guó)家防爆認(rèn)證，且能工作長(zhǎng)期穩(wěn)定，故障率低[1]。而傳統(tǒng)的交換機(jī)以太網(wǎng)不夠靈活，覆蓋距離受限，且對(duì)高低溫、濕度、防塵、供電的抗干擾能力難以達(dá)到化工保障要求，網(wǎng)絡(luò)調(diào)整、升級(jí)、擴(kuò)展受限。

為此，傳統(tǒng)化工廠區(qū)網(wǎng)絡(luò)亟需變革，要構(gòu)建面向工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)應(yīng)用場(chǎng)景的高品質(zhì)網(wǎng)絡(luò)，實(shí)現(xiàn)電信大數(shù)據(jù)、互聯(lián)網(wǎng)數(shù)據(jù)、視頻監(jiān)控?cái)?shù)據(jù)與石化產(chǎn)業(yè)大數(shù)據(jù)有機(jī)整合。

2 化工廠區(qū)通信網(wǎng)絡(luò)亟需解決

（1）網(wǎng)絡(luò)割裂，能力單一。五類(lèi)線易干擾、多類(lèi)型工業(yè)協(xié)議不互通。網(wǎng)絡(luò)部署復(fù)雜，網(wǎng)絡(luò)層級(jí)隨著接入設(shè)備增加而增加，網(wǎng)絡(luò)管控和維護(hù)比較困難。

（2）信號(hào)盲區(qū)多，屏蔽嚴(yán)重化。工廠區(qū)面積大，生產(chǎn)區(qū)域和辦公區(qū)域分離，室外部分區(qū)域內(nèi)罐體裝置多，室內(nèi)部分密閉空間多，導(dǎo)致無(wú)線信號(hào)覆蓋盲區(qū)多。

（3）人員體系龐大，管理追溯難。易燃易爆區(qū)域多，人員巡檢路徑、是否進(jìn)出防爆區(qū)等往往靠員工的自覺(jué)性，沒(méi)有形成對(duì)?；啡芷跀?shù)據(jù)以及各部門(mén)監(jiān)管所需數(shù)據(jù)進(jìn)行集成和存儲(chǔ)的一體化全生命周期管理手段[2]。

（4）布線復(fù)雜，缺乏云網(wǎng)規(guī)劃?；S區(qū)網(wǎng)路缺乏云網(wǎng)規(guī)劃的能力，只解決了工廠內(nèi)的網(wǎng)絡(luò)部署，但缺乏對(duì)廠區(qū)外網(wǎng)連接和石化上云業(yè)務(wù)的考慮，不滿足發(fā)展工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)的需求。

3 電信“雙千兆”在化工廠區(qū)應(yīng)用方案概述

3.1 設(shè)計(jì)思想

2016 年10 月，國(guó)家工信部出臺(tái)《石化和化學(xué)工業(yè)發(fā)展規(guī)劃（2016～2020 年）》，提出科技創(chuàng)新集成化、安全環(huán)保生態(tài)化的發(fā)展原則[3]，重點(diǎn)打造石化國(guó)家級(jí)石化綠色工廠、兩化融合示范企業(yè)。2021 年3 月，工信部印發(fā)《“雙千兆”網(wǎng)絡(luò)協(xié)同發(fā)展行動(dòng)計(jì)劃（2021-2023 年）》通知，在重點(diǎn)行業(yè)要加大千兆光網(wǎng)和5G 網(wǎng)絡(luò)建設(shè)力度，豐富應(yīng)用場(chǎng)景，進(jìn)一步發(fā)揮“雙千兆”網(wǎng)絡(luò)在拉動(dòng)有效投資、促進(jìn)信息消費(fèi)和助力制造業(yè)數(shù)字化轉(zhuǎn)型等方面的重要作用，加快推動(dòng)構(gòu)建新發(fā)展格局[4]。

中國(guó)電信以5G 定制網(wǎng)和工業(yè)PON 為代表的“雙千兆”方案，因其抗干擾、無(wú)源、可覆蓋距離遠(yuǎn)等優(yōu)勢(shì)，可以從石化廠區(qū)局部?jī)?nèi)網(wǎng)、信號(hào)盲點(diǎn)與傳統(tǒng)以太交換網(wǎng)絡(luò)形成銜接，加強(qiáng)網(wǎng)絡(luò)覆蓋，節(jié)省全網(wǎng)更換的大規(guī)模投資。

其次，“雙千兆”網(wǎng)絡(luò)能向廠區(qū)數(shù)據(jù)采集點(diǎn)提供千兆接入能力，具有超大帶寬、超低時(shí)延、抗干擾、無(wú)源節(jié)能等特征，先進(jìn)可靠[5]。

第三，“雙千兆”+云網(wǎng)融合技術(shù)，助力打造“石化智云”工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)平臺(tái)，最大發(fā)揮云邊協(xié)同的優(yōu)勢(shì)，實(shí)現(xiàn)過(guò)程控制層、生產(chǎn)營(yíng)運(yùn)層、經(jīng)營(yíng)管理層的縱向集成，促進(jìn)智能化工廠區(qū)新一代生產(chǎn)營(yíng)運(yùn)指揮模式。

第四，提升企業(yè)的全面感知能力、優(yōu)化協(xié)同能力、預(yù)測(cè)預(yù)警能力和科學(xué)決策能力，聚焦生產(chǎn)管控、安全、環(huán)保等核心業(yè)務(wù)領(lǐng)域應(yīng)用，以攝像頭、音視頻記錄儀、無(wú)人機(jī)、AGV（Automated Guided Vehicle,自動(dòng)導(dǎo)引運(yùn)輸車(chē)）、傳感器等為智能應(yīng)用設(shè)備，打造以下應(yīng)用場(chǎng)景，如表1 所示。

表1 應(yīng)用場(chǎng)景與關(guān)鍵技術(shù)

3.2 方案架構(gòu)

通信涉及總體架構(gòu)如圖1 所示。

應(yīng)用層：分析應(yīng)用數(shù)據(jù)，利用工業(yè)大數(shù)據(jù)分析平臺(tái)，連接工業(yè)應(yīng)用系統(tǒng)，通過(guò)云網(wǎng)融合和能力開(kāi)放，打造包括工作臺(tái)、三維數(shù)字工廠模型、6 大功能模塊的工業(yè)數(shù)據(jù)指揮中心，實(shí)現(xiàn)智能生產(chǎn)指揮。

平臺(tái)層：集中收集上報(bào)數(shù)據(jù)，保存數(shù)據(jù)，為上層應(yīng)用提供數(shù)據(jù)，并提供建立數(shù)據(jù)關(guān)聯(lián)模型，解決了企業(yè)信息孤島的痛點(diǎn)，并最終實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)互通。

網(wǎng)絡(luò)層：其中，5G 定制網(wǎng)采用比鄰模式，本地處理，云邊協(xié)同，其優(yōu)勢(shì)如圖2 所示。

圖2 電信5G 比鄰模式定制專(zhuān)網(wǎng)拓?fù)渑c優(yōu)勢(shì)

而工業(yè)PON 光網(wǎng)的部署優(yōu)勢(shì)如圖3 所示[6]。

圖3 電信工業(yè)PON 優(yōu)勢(shì)

接入層：廠區(qū)終端設(shè)備統(tǒng)一接入，實(shí)現(xiàn)工業(yè)設(shè)備及管理互聯(lián)。

4 應(yīng)用案例

廣州電信采用“雙千兆”網(wǎng)絡(luò)方案，如圖4 所示，聯(lián)合中興通訊股份有限公司、石化盈科信息技術(shù)有限責(zé)任公司，共同打造高質(zhì)量網(wǎng)絡(luò)與石化算力平臺(tái)，創(chuàng)新廣州石化5G 工業(yè)應(yīng)用。

圖4 廣州石化廠區(qū)“雙千兆”網(wǎng)絡(luò)方案

4.1 現(xiàn)場(chǎng)-消防-應(yīng)急三位一體融合通訊調(diào)度平臺(tái)

統(tǒng)一接入調(diào)度平臺(tái)的數(shù)據(jù)傳輸必須確保高可靠性、高穩(wěn)定性、高安全性，因此采用工業(yè)PON 作平臺(tái)側(cè)的接入段必不可少：當(dāng)一路ONU 設(shè)備端口故障中斷時(shí)，快速進(jìn)行主備鏈路切換和業(yè)務(wù)恢復(fù)，同時(shí)PON 網(wǎng)絡(luò)設(shè)置ONU安全注冊(cè)機(jī)制，下行數(shù)據(jù)傳送天然加密，上行數(shù)據(jù)傳送時(shí)分機(jī)制隔離，實(shí)現(xiàn)高安全性保障。對(duì)于下沉至廠區(qū)的OLT 設(shè)備，主、備用的 OLT PON 端口均處于工作狀態(tài)，光分路器采用 2 個(gè)1∶N 光分路器，可以滿足 TYPE D 倒換機(jī)制保護(hù)的部署要求[6]，如圖5 所示。正是內(nèi)網(wǎng)接入的PON高可靠性，確保平臺(tái)7*24 小時(shí)高可用在線營(yíng)運(yùn)，如圖6所示。

圖5 PON 的TYPE D 保護(hù)倒換機(jī)制

圖6 廣州石化“現(xiàn)場(chǎng)-消防-應(yīng)急指揮中心”融合通信平臺(tái)

4.2 智能生產(chǎn)異常實(shí)時(shí)監(jiān)管

智能生產(chǎn)異常監(jiān)管在傳輸網(wǎng)絡(luò)主要依賴5G 專(zhuān)網(wǎng)的安全性和應(yīng)用匹配能力：廠區(qū)用戶共享內(nèi)部同一個(gè)DNN（Data Network Name，數(shù)據(jù)網(wǎng)絡(luò)名稱(chēng)），UPF 下沉專(zhuān)屬?gòu)V州石化通道，并與其他用戶5G 外網(wǎng)隔離通道對(duì)接，保證客戶業(yè)務(wù)端到端安全隔離。其空口側(cè)GBR（Guranteed Bit Rate，保證比特速率）保障基站側(cè)配置切片與TAC（Tracking Area Code，跟蹤區(qū)碼）映射，達(dá)到不同應(yīng)用不同QOS 保障[7]。

基于生產(chǎn)數(shù)據(jù)識(shí)別模型及規(guī)則，通過(guò)5G 防爆智能移動(dòng)巡檢終端，在可視化場(chǎng)景中實(shí)現(xiàn)現(xiàn)場(chǎng)巡檢人員的巡檢內(nèi)容和巡檢軌跡的實(shí)時(shí)回傳；基于5G 音視頻記錄儀的實(shí)時(shí)記錄內(nèi)容，通過(guò)AI 智能分析，實(shí)現(xiàn)現(xiàn)場(chǎng)表數(shù)據(jù)識(shí)別。識(shí)別現(xiàn)場(chǎng)異常，自動(dòng)生成異常記錄。如圖7 試驗(yàn)可燃性氣體泄露后調(diào)度避險(xiǎn)的示例場(chǎng)景。

圖7 生產(chǎn)數(shù)據(jù)實(shí)時(shí)監(jiān)督示例

4.3 現(xiàn)場(chǎng)作業(yè)安全智能監(jiān)管

國(guó)家出臺(tái)的智能裝備標(biāo)準(zhǔn)協(xié)議如圖8 所示，主要用于規(guī)定智能傳感器、智能儀表等智能裝備的數(shù)據(jù)字典、通信協(xié)議、接口、集成和互聯(lián)互通、優(yōu)化等技術(shù)要求，解決生產(chǎn)過(guò)程智能裝備之間，智能裝備與物流系統(tǒng)、檢測(cè)系統(tǒng)、工業(yè)軟件、工業(yè)云平臺(tái)之間數(shù)據(jù)共享和互聯(lián)互通問(wèn)題[8]。

圖8 智能裝備標(biāo)準(zhǔn)子協(xié)議

圖9 現(xiàn)場(chǎng)作業(yè)安全監(jiān)控大屏

圖10 5G 無(wú)人機(jī)+AI 管線巡檢

而石化因其生產(chǎn)流程復(fù)雜性、生態(tài)多樣性，使得廠區(qū)現(xiàn)場(chǎng)設(shè)備種類(lèi)繁多，接口和總線協(xié)議不統(tǒng)一，多數(shù)生產(chǎn)設(shè)備并非符合上述智能是非標(biāo)總線接口和非標(biāo)總線協(xié)議。為了實(shí)現(xiàn)設(shè)備的互聯(lián)互通和監(jiān)管，實(shí)現(xiàn)設(shè)備數(shù)據(jù)采集，PON數(shù)據(jù)采集網(wǎng)關(guān)終端，支持內(nèi)置 OPC-UA 服務(wù)器，MQTT client/server,支持 HTTP 通信及 web server，解析現(xiàn)場(chǎng)總線及實(shí)時(shí)以太網(wǎng)協(xié)議實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)采集；最終實(shí)現(xiàn)通過(guò)協(xié)議轉(zhuǎn)換實(shí)現(xiàn)異構(gòu)通信協(xié)議到統(tǒng)一協(xié)議的映射，實(shí)現(xiàn)現(xiàn)場(chǎng)通信協(xié)議的統(tǒng)一，降低設(shè)備組網(wǎng)的難度，實(shí)現(xiàn)訪問(wèn)統(tǒng)一性通過(guò)協(xié)議兼容將不同的網(wǎng)絡(luò)和通信協(xié)議統(tǒng)一映射成統(tǒng)一協(xié)議[6]。混合定位、人工智能、射頻識(shí)別技術(shù)，實(shí)現(xiàn)人機(jī)具數(shù)字化管理和現(xiàn)場(chǎng)直接作業(yè)不安全行為自動(dòng)識(shí)別，變革現(xiàn)場(chǎng)作業(yè)票管理模式和流程，實(shí)現(xiàn)現(xiàn)場(chǎng)作業(yè)智能管控，提升企業(yè)本質(zhì)安全能力。

4.4 空地一體化無(wú)人機(jī)管線巡檢

石化廠區(qū)的管線覆蓋面積廣，縱深距離遠(yuǎn)，而且環(huán)境敏感，傳統(tǒng)的有線網(wǎng)絡(luò)無(wú)法覆蓋風(fēng)險(xiǎn)盲點(diǎn)。無(wú)人機(jī)5G 在線攝像頭實(shí)時(shí)回傳的影像及圖像，識(shí)別現(xiàn)場(chǎng)異常，自動(dòng)生成異常記錄。整合激光雷達(dá)、云臺(tái)視覺(jué)、紅外等對(duì)障礙物的識(shí)別以及地形定位偵測(cè)技術(shù)，利用AI 技術(shù)，建立典型移動(dòng)作業(yè)監(jiān)護(hù)場(chǎng)景，對(duì)利用5G 傳輸?shù)牡蜁r(shí)延的現(xiàn)場(chǎng)監(jiān)控視頻流進(jìn)行計(jì)算分析，及時(shí)發(fā)現(xiàn)偏離作業(yè)管理規(guī)范的不安全行為，形成現(xiàn)場(chǎng)異常信息（包括管線泄漏、溫度異常、施工作業(yè)等）的自動(dòng)采集、識(shí)別、分析、在線監(jiān)測(cè)預(yù)警、統(tǒng)一管控治理等功能的一體巡檢機(jī)制。

4.5 大數(shù)據(jù)輔助智能VOCs 溯源

在雙千兆網(wǎng)+石化智云平臺(tái)基礎(chǔ)上，廣州石化開(kāi)發(fā)“點(diǎn)、面、域”多源融合VOCs 立體監(jiān)測(cè)預(yù)警溯源應(yīng)用軟件，用5G 機(jī)器人、AGV 等工具，對(duì)揮發(fā)性有機(jī)物（VOCs）進(jìn)行全方位、全天候、全時(shí)段的監(jiān)測(cè)管控與精準(zhǔn)治理，如圖11 所示，極大地提升廠區(qū)環(huán)境保護(hù)能力和績(jī)效。

圖11 VOCs 監(jiān)測(cè)溯源示例

4.6 泵群智能化診斷

泵群通過(guò)傳感器采集設(shè)備的振動(dòng)、溫度、電流數(shù)據(jù)，以雙千兆網(wǎng)絡(luò)全面覆蓋廠區(qū)的能力，將數(shù)據(jù)傳輸至網(wǎng)關(guān)，利用WAN 接口將數(shù)據(jù)傳輸至石化智云平臺(tái)服務(wù)器，平臺(tái)應(yīng)用AI 分析能力建立的比照標(biāo)準(zhǔn)閾值或模型進(jìn)行匹配，以此進(jìn)行潛在風(fēng)險(xiǎn)分析、預(yù)判。該架構(gòu)能實(shí)現(xiàn)本地化或遠(yuǎn)程對(duì)數(shù)據(jù)的監(jiān)測(cè)和診斷，推進(jìn)設(shè)備運(yùn)行維護(hù)智能化、機(jī)泵房值守?zé)o人化、設(shè)備全生命周期數(shù)字化，實(shí)現(xiàn)設(shè)備運(yùn)行本質(zhì)安全[10]。

圖12 泵群智能化診斷

5 創(chuàng)新效果與經(jīng)濟(jì)效益

創(chuàng)新點(diǎn)一：統(tǒng)一數(shù)據(jù)采集接口標(biāo)準(zhǔn)，提升網(wǎng)絡(luò)覆蓋和傳輸能力。

本項(xiàng)目滿足化工設(shè)備具備的RS232/485、以太口、光口等多類(lèi)型接口連接要求，提供可靠、穩(wěn)定的網(wǎng)絡(luò)傳輸能力，使得海量化工設(shè)備能夠?qū)崿F(xiàn)快速聯(lián)網(wǎng)的需求。項(xiàng)目實(shí)施后，數(shù)據(jù)采集和監(jiān)測(cè)點(diǎn)的數(shù)據(jù)傳輸效率提升30%，靠近基站區(qū)域上行速率提升20～60%，偏遠(yuǎn)弱覆蓋區(qū)域可提升最高300%[11]。

創(chuàng)新點(diǎn)二：網(wǎng)絡(luò)運(yùn)維便捷高效，釋放人力風(fēng)險(xiǎn)和降低風(fēng)險(xiǎn)損失

本項(xiàng)目用于企業(yè)內(nèi)網(wǎng)建設(shè)和改造，實(shí)現(xiàn)對(duì)工廠內(nèi)各種設(shè)備運(yùn)行數(shù)據(jù)、生產(chǎn)數(shù)據(jù)的采集與傳輸：無(wú)人機(jī)巡檢，釋放人力5 人/班次，巡檢質(zhì)量得到提升，減少損失500 萬(wàn)元/年；智能生產(chǎn)異常實(shí)時(shí)監(jiān)管，減少全年加工損失196.9 萬(wàn)元/年。此外按每年避免兩次非計(jì)劃停車(chē)，減少損失500 萬(wàn)元/年[11]。

創(chuàng)新點(diǎn)三：打造實(shí)現(xiàn)AI 算力的石化智云工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)平臺(tái)

結(jié)合石化集團(tuán)總部的集約化建設(shè)的目標(biāo)，與廣州石化工廠企業(yè)個(gè)性化建設(shè)的訴求，搭建石化集團(tuán)-企業(yè)工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)平臺(tái)分級(jí)部署架構(gòu)，實(shí)現(xiàn)各領(lǐng)域單位共享協(xié)同分配資源。充分發(fā)揮工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)平臺(tái)AI 使能能力，構(gòu)建基于機(jī)理+人工智能的煉化模型，支撐煉化業(yè)務(wù)應(yīng)用的智慧化[12]。

創(chuàng)新點(diǎn)四：全面貫徹安全、綠色、智慧的原則，造福于民

廠區(qū)生產(chǎn)設(shè)備可視化、信息系統(tǒng)互通化產(chǎn)品質(zhì)量可溯化，有效提高產(chǎn)品質(zhì)量、提高生產(chǎn)效率、延長(zhǎng)設(shè)備使用壽命。在環(huán)境保護(hù)方面，通過(guò)“點(diǎn)、面、域”多源融合立體監(jiān)測(cè)預(yù)警溯源體系，實(shí)現(xiàn)環(huán)保預(yù)警次數(shù)同比2020 年下降10%，污染物排放總量同比2020下降10%[11]。

6 結(jié)束語(yǔ)

根據(jù)《關(guān)于“十四五”推動(dòng)石化化工行業(yè)高質(zhì)量發(fā)展的指導(dǎo)意見(jiàn)》（簡(jiǎn)稱(chēng)“指導(dǎo)意見(jiàn)”），推動(dòng)數(shù)字化轉(zhuǎn)型，石化、煤化工等重點(diǎn)領(lǐng)域企業(yè)須建成30 個(gè)左右智能制造示范工廠、50家左右智慧化工示范園區(qū)[13]。

截止到2022 年11 月底，全國(guó)各地共認(rèn)定化工園區(qū)近700 家。中國(guó)電信“雙千兆”綠色安全高質(zhì)量發(fā)展的石化行業(yè)網(wǎng)絡(luò)解決方案，“網(wǎng)定制、邊智能、云協(xié)同、應(yīng)用隨選”融合協(xié)同，已在廣州石化、茂名石化、山東匯豐石化等項(xiàng)目得到現(xiàn)場(chǎng)實(shí)施驗(yàn)證，實(shí)施流程和應(yīng)用場(chǎng)景均可快速?gòu)?fù)制落地，具備規(guī)?；l(fā)展前景。本論文的探索與實(shí)踐，將有助于推動(dòng)如傳統(tǒng)石化廠區(qū)最后一公里通信如何實(shí)現(xiàn)更低成本光網(wǎng)遷轉(zhuǎn)、如何讓PON 具備交換機(jī)更高智能功能等課題的深入研究，為加速石化行業(yè)數(shù)智質(zhì)量變革、效率變革、動(dòng)力變革，拋磚引玉。