工业互联网的有用资料。

ii.多种工业协互联议兼容

需要提供对多种工业协议的支持和兼容，工业软硬件系统本身具有 较强的封闭性和复杂性，不同设备或系统的数据格式、接口协议都不相 同，甚至同一设备同一型号的不同时间出厂的产品所包含的字段数量与 名称也会有所差异，数据无法相互共享。工业数据采集领域存在

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Modbus/TCP、EtherCAT等多种工业协议标准，各种协议标准不统一。 ii. 实时性需求 生产线的高速运转、精密生产和运动控制等场景对数据采集的实时 性要求不断提高，重要信息需要实时采集和上传，以满足生产过程的实 时监控需求。 工业系统不仅要求数据采集速度快，而且要求数据处理速度快，特 别是针对传感器产生的海量时间序列数据，数据写入速度达到了百万数 据点/秒一十万数据点/秒。而且数据采集模块还要将实时数据通过有线 无线网络实时传送至系统集成模块，实现企业业务决策的实时性，也就 是工业4.0所强调的基于“级纵向、横向、端到端”信息集成的快速反应。

基于前文的需求分析，工业PON数据采集网关需具备如下能力：工业级的 不境适应能力、强大的工业接口接入能力、多种工业协议处理、本地智能的网关 设备，同时还要支持传统的路由器功能，用以满足更多的应用场景，提供灵活 智能化的管理手段。 i. 工业级的环境适应能力，可在恶劣的工业环境下长期稳定工作，具 备自然散热式，宽温域、低功耗、静音设计、高防护等级等特点， 并应符合工业相关标准。 ii. 强大的工业接口接入能力。支持多种工业标准的物理接口，如 GE/FE/RS232/RS485/DI/DO/CAN等。 iii. 开放平台能力，设备支持集成开源或者客户开发的应用，以扩展设 备功能。即工业数采网关设备作为一个开放平台，支持客户开发和 部署自己的应用。 iV. 具备二次开发能力，用户可以根据场景选择对应的款型，开发部署 自已的应用，采集终端数据进行处理，并与业务平台进行交互。 V. 具备对下（自动化系统）协议解析能力（通讯协议：Modbus、PPI、MPI、 CNC等；总线协议：CAN、Profibus等；工业无线协议：WirelessHart、 433等）

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通过工业PON具备对上（工业云平台或应用系统）的协议对接能力和 网络通讯能力。

集成数据采集功能的工业PON2.0网关，其特征为，硬件层面平合化和模块 化，提供丰富的物理接口支持；软件层面采用开放式平台架构，业务功能容器化 和APP化，按照业务功能将软件划分为多个业务APP，实现快速迭代和部署 并通过容器技术，将业务软件与操作系统隔离，提升系统的安全性。 开放平台的架构如下：

软件架构抽象为双系统：PON网络OS系统、数据采集功能的容器系统。双 系统运行在同一个Linux内核上，如上图所示。 PON网络OS系统实现工业PON设备管理、维护，各种网络服务协议支持， 实现路由器网关功能；容器系统提供轻量级的虚拟化，根据客户需求运行第三方 工业应用程序。 PON网络OS系统一般基于PON设备厂商成熟稳定的PONOS系统平台， 可以实现PON层面的所有网络业务功能，并可以根据工业场景的应用需求，进 行网络功能定制和扩展。 容器技术，例如LinuxContainer（简称LXC），是一种内核轻量级的操作系

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统层虚拟化技术，主要由Namespace和Cgroup两大机制来保证实现。Namespace 提供隔离机制，保证容器独立运行；Cgroup就负责资源管理控制作用，比如进 程组使用CPU、内存的限制，进程组的优先级控制，进程组的挂起和恢复等。 工业PON2.0网关，基于容器技术的开放平台，运营商和设备厂商提供完善 的开发工具，实现第三方工业应用APP的开发以及在容器系统中的运行，具备 业务功能快速开发和选代的能力。

2.5.1.工业现场协议转换和兼容

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图2.2工业现场协议兼容性

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数据采集交换位置，通过总线协议将设备数据、生产信息和环境数据等采集，然 后通过统一协议为数据集成处理提供接口，通过协议兼容技术的应用，实现设备 和信息系统的互联互通，

2.5.2.开放软件平台技术

工业PON2.0提供开放的软硬件平台架构，通过容器和应用分离技术赋能多 一商协同实现工业协议转换，实现工业现场协议转换功能，完成异构通信协议到 统一协议的映射 接入网关(ONU)软件由平台软件和应用软件组成。平台软件支持容器功能和 应用软件管理功能。平台容器提供软件支撑环境，应用软件（插件）实现协议转 换及其它工业数据处理及分析功能，支持多个厂家协同实现特定协议到统一协议 的转换或多种协议互转。 开放软件平台可为第三方应用提供运行空间和所需的运行资源，并提供统 的API接口，屏蔽不同硬件的差异，保证第三方应用的跨硬件可用性。 开放软件平台的主要实现技术为容器技术，可提供一个尽可能接近标准 Linux安装环境但不需要单独内核，相比单独虚拟机开销极低，同时文能提供容 器（及容器内的应用)与主机之间的隔离、进程隔离、资源约束，约束运营于容器 中的第三方应用的资源使用情况，监控其异常资源占用情况，提升开放平台的高 可靠性。

为满足工业应用场景中的高业务可用性要求，工业PON2.0系统在ODN保 护倒换，以及流氓ONU检测隔离等方面进行了针对性功能增强和提升

PON技术具备多种等级的保护倒换方案，可以在一路ODN网络或者PON 没备端口发生故障导致网络中断时，快速进行主备链路切换和业务恢复，保证工

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业场景对于系统高可靠性的要求。 工业场景中，PON光链路保护的典型解决方案可以采用TYPED方式（OLT 双PON口，ONU双PON口，主干光纤、光分路器和配线光纤均双路亢余）。具 体实现方式包括OLT同一PON板内同一PONMAC芯片（一个PONMAC芯片 支持多个PON口的情况下）、同一PON板内不同PONMAC芯片和PON板间的 PON口保护等三种。这种方式支持不同的ONU分别工作于OLT的主用和备用 PON接口。 对于PON的局端OLT设备，主、备用的OLTPON端口均处于工作状态。 OLT应保证主用PON端口的业务信息能够同步备份到备用PON端口，使得保护 倒换过程中，备用PON端口能维持ONU的业务属性不变； 对于ODN网络中的光分路器，采用2个1:N光分路器，可以满足TYPED 保护的部署要求； 对于PON的终端ONU设备，如果需要提供对TYPED保护的支持，ONU 需要配备2个独立的PON口（分别包含PONMAC芯片和光模块等）且分别注 册到OLT的两个PON接口上。ONU的两个PON口工作于一主一备状态（热备 份）。

图3.1TYPED保护倒换示意图

在工业场景中，基于非等分分光器架构的手拉手保护倒换方式，也是一种可 选的技术方案，可以满足大部分场景的可靠性需求，

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.2典型的工业PON手拉手双穴余保护倒担

在工业应用中，一些应用场景要求更高性能的抗单点故障能力，这种情况下， 通过引入一些新技术，例如基于双波长组四纤树的技术，可以提供达到5个9 或更高的运行可靠性，多达三点故障时仍不影响业务正常运行。一种典型的双波 长组四纤树组网方案图如下所示：

，工业双波长PON手拉手保护的链型组网

3.2 流氓 ONU 检测与隔离

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流氓ONU是指光发射机发生故障的ONU，这种情况下，ONU的上行信号 不遵从PON系统中预先分配的时隙进行发送，干扰其他同一网络中的ONU设 备，导致整个PON系统的上行数据传输发生故障。 为减少流氓ONU对PON网络的影响，需要从几方面入手，首先是提升ONU 自身在恶劣环境下防护能力，增加流氓ONU自律功能，同时在故障发生时通过 亢余设计保证业务不中断，并利用大数据提供故障预判能力。 1. 增强ONU自律功能 ONU实时检测光模块发光状态，与MAC芯片发光使能信号进行对比，异 常情况下自动关闭光器件发光电源。进一步增强容错功能。 ii. ONU关键器件IP68防水等级 在部分恶劣情况下，如ONU进水，或者水汽侵蚀，导致硬件故障触发流 氓ONU，对关键器件和模块实施IP68防水等级，可以有效减少流氓ONU 故障触发概率。 iii. 多路径绑定 双波长组四纤树实现流量以4个独立路径上行到1或4个OLT，当出 现PON口流氓ONU故障时业务切换到其它的正常路径，保证业务高可用 联网广业联监 性。 i. OLT高效检测隔离

流氓ONU是指光发射机发生故障的ONU，这种情况下，ONU的上行信号 不遵从PON系统中预先分配的时隙进行发送，干扰其他同一网络中的ONU设 备，导致整个PON系统的上行数据传输发生故障。 为减少流氓ONU对PON网络的影响，需要从几方面入手，首先是提升ONU 自身在恶劣环境下防护能力，增加流氓ONU自律功能，同时在故障发生时通过 几余设计保证业务不中断，并利用大数据提供故障预判能力

双波长组四纤树实现流量以4个独立路径上行到1或4个OLT，当出 现PON口流氓ONU故障时业务切换到其它的正常路径，保证业务高可用 性。

针对各种流氓ONU故障模型优化流氓ONU检测功能，支持长发光检测， 随机发光检测，使出现故障快速检测和排查

AI+大数据分析预判与检测

基于AI+大数据分析预判与检测随机发光流氓ONU，采集ONU光模块关 建信息，线路误码数据，状态变化事件等实时状态信息，通过大数据或 机器学习等方法，分析终端行为模式和数据相关性，实现ONU故障预判 及流氓ONU辅助检测功能

4.1技术现状和背景介绍

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工业互联网由于应用场景的多样性，网络类型众多（如工业控制网络、办公 网络、监控网络等），业务实时性要求差异很大，网络覆盖的范围也各不相同， 司时随着企业柔性制造和个性化定制生产阶段的到来，工业互联网对灵活组网 接入带宽和时延要求更加多样化。 另一方面，随着网络规模和复杂度的持续增加，网络运维的复杂度也在不断 增加，急需通过自动化措施来降低对运维人员的技能要求，降低OPEX。 为满足企业灵活多变的网络诉求，帮组企业和行业客户快速集成行业应用 降低集成门槛、节约运维支出，需要构建一套完整的解决方案来支撑其诉求，可 以从以下几个方面来重点构建工业PON2.0智能管理平台的能力：

表4.1构建工业PON2.0智能管理平台的能力重点

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管理平台包含两部分：工业PON网络管理平台和工业数采网关管理平台。 工业PON网络管理平台支持OLT和PON网络端到端数据采集；支持海量数据 的并发计算和分析处理，支持主动的故障分析和预测，支持故障场景的KPI回放 为工业互联应用场景，提供云化网络管理、控制和分析优化的全流程功能，为企 业提供高质量、高体验的网络连接能力。 工业数采网关管理平合面向工业互联场景，构建其备平合开放、云化弹性部 署的统一管理平台，为企业提供一套围绕工业终端设备统一接入、海量数据采集 分析、行业应用快速上线的整体解决方案，

工业PON2.0智能网络管理解决方案特点：

·工业PON网络端到端的数据采集

图4.1工业PON2.0智能网络管理示意图

支持端到端网络数据采集，包括PON网络、OLT设备等，以便管理平台能 实时感知网络异常、故障事件，实时感知网络拓扑、连接关系变化： 1）支持边缘网关网络数据的采集分析，如网关配置和运行状态，流表信 息等采集； 2）支持OLT/PON网络数据采集分析，包括OLT网元运行状态，上行口流

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量和误码去包，PON端口流量和误码去包，PON口和ONU的发送接收光 功率，误码丢包等信息； 3）支持采集ONU和PON口拓扑，OLT上行链路拓扑信息采集： 故障根因分析和预测的AI算法 1）利用AI算法实时智能感知网络故障，捕获异常事件，快速准确的分 析故障原因； 2）预测未来的流量变化趋势； 3）预测PON网络的故障和趋势，如光模块故障趋势； 历史故障场景KPI回放 在进行故障分析和处理时，可以回放过去故障时刻的网络拓扑和KPI信 息，包括网关运行状态，ONU上下行流量，光模块发射接收光功率， BIP/FEC误码；PON端口上下行流量，光模块发射接收光功率，BIP/FEC 误码；OLT上行端口流量和去包等。 工业互联网开放平台，行业应用快速集成 管理平台为用户提供应用管理服务，汇聚上下游合作伙伴，形成有竞争 力的端到端解决方案，使得用户可以方便的选择满足其需要的各个组件， 形成满足其需要的最终方案

万史故障场景KPI回方

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图4.2管理平台架构图

.业PON管理平合主要包含以下功能模块： ·系统支撑：提供基本功能和公共功能，包括系统监控、日志、安装& 部署、升级、高可靠性、安全、license、Portal以及用户管理等。 ·管理单元：该模块支持网元，拓扑和服务管理。即服务发现和提供 网络拓扑发现，业务流管理等功能。 ·控制单元：提供网络控制能力，实现相关控制配置的下发，如ONU认 证等。 ·分析单元：该模块提供网络状态收集，分析，模拟和预测功能。此外， 它还可以通过360度网络视图协助网络运行，以及模拟和预测统计等 ·工业云平台设备管理服务：提供统一的设备建模，发放，认证，鉴权， 设备升级，配置等。 ·应用使能服务：提供业务规则引擎，API管理，工作流编排等服务， 提供应用管理服务，包括应用包的安装、卸载、更新管理等操作。 · 数据分析服务：平台提供的数据分析框架，支持数据存储、分析以及 生成数据报表等特性，为第三方应用提供分析服务，满足多个行业数

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据分析诉求。 能力开放层：包括能力开放的API网关，以及行业应用开发所需能力 包括开发套件，demo，指导文档等。 南向接口：对接设备、网关，支持SNMP/Netconf等多种南向协议

·工业PON网络端到端拓扑学习

网络拓扑是一个基础能力，网络运维都会依赖网络拓扑。PON网络是 种点到多点（P2MP）结构的无源光网络，由光线路终端OLT（OpticalLine Terminal）、光网络单元ONU（OpticalNetworkUnit）和无源分光器 POS（PassiveOpticalSplitter）组成。PON光网络的特点：一是无源， 二是覆盖范围广，所以决定了PON光网络的运维较为复杂，详细准确的 光纤布放位置和分光节点分布，拓扑连接关系对运维而言非常重要。 由于PON网络是无源网络，无法采集分光器的性能指标，因此无法直接通 过数据来获取拓扑关系，管理平台通过采集ONU光模块的收光、发光、 电压、电流、温度、误码等指标，然后通过人工智能等技术分析这些指 标特征来计算PON光路拓扑

PON光路故障主要包括OLTPON板到ONU上行口这一段的故障，比如主 干光纤故障、分布光纤故障、ONU上行PON口光衰误码弱光等问题。 光路故障占比跟ODN网络建设模式（分光级数/连接点数）、设备质量（分 光器、法兰盘、光纤等）、ODN部件环境、建设施工质量相关。因PON网 络自身的特点，加之网络场景复杂，导致有的场景故障定位时间较长， 对维护人员技能要求较高，PON光路故障诊断需从以下方面考虑，来提 升故障定位效率及降低对人员的技能要求： 1）ODN拓扑自动学习，避免过度依赖ODN资管系统，资管系统信息不 定是准确的。 2）远程故障定界、定位及根因指示，方便现场人员快速找到问题点并

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直接处理，减少定位处理时间及对运维人员的专业技能要求。 3 光器件、光路劣化预警，通过预判主动运维，减少偶发硬件故障

第五章典型部署应用场景

5.1离散制造行业应用场景

与流程制造业相比，离散制造车间管理过程更为复杂：生产计划难以预测， 产品工艺流程差异大，设备自动化水平参差不齐，现场单据多，作业繁琐，不易

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掌控等。其工业数据采集往往存在如下特点： i. 信息不能有效与上层管理系统进行集成 这种隔断造成生产过程不透明，生产进度、在制品状况、设备利用状况 等关键数据不能到达管理层，增加了过程管理和生产决策的复杂性。 ii. 制造过程信息的实时性低 作业任务随市场需求的频繁调整变化，不利于制造过程信息实时采集， 再加上制造过程信息交互速度和效率低下，造成企业对市场变化的响应 速度慢。 iii. 企业设计层和管理层到车间层信息采集困难 一方面车间设备层的重要信息难于采集和上传，无法达到对生产过程的 监控。另一方面上层系统难以深入到车间和设备层，从而影响管理信息 系统的准确运行，使动态信息成为脱离实际的无源之水难于及时下达， 从而使整个企业信息化难以实现更大效益，

这种隔断造成生产过程不透明，生产进度、在制品状况、设备利用状况 等关键数据不能到达管理层，增加了过程管理和生产决策的复杂性。

上述特点反映了离散制造道切需要对制造过程进行工业数据采集，能将车间 的各种离散数据完整实时的采集到车间数据库中，并进行初步分析处理，将车间 生产的信息实时准确的反馈到车间的管理层，加强管理人员对车间生产现场的监 控和管理，并为企业管理人员制定生产计划提供依据

某汽车电子零件制造企业，成立于1999年。公司基于在电磁元器件制造和 支术方面的优势，凭借专业的生产设备和试验设备，开发和制造汽车电子零部件 目前公司生产品种涵盖各类车载电磁线圈和电磁阀、车用传感器、电子油门踏板 等，并与国内外著名系统集成商、发动机制造商、汽车制造商建立了紧密的合作 关系。

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核心目标为建立车间信息高速；实现车间中各类加工设备和数据采集、MES 等信息系统有机连接和数据采集；实现加工车间、装配车间无线设备、物联设备 统一采用全光网络承载；从而保障车间提高设备利用率，减少故障和停机时间， 通过数据采集和分析，对生产过程进行监控，提升良品率，节省统计生产数据的 时间，提高处理问题的效率。为管理者提供更加方便快捷地监管系统，及时了解 掌握车间生产的执行情况及设备的运行情况

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言息采集等。本项目通过工业物联网 实现设备的信息采集，为MES系统 提供设备的实时信息，同时为MES系统提供设备管理和工艺下发的链路：

图5.1工业PON解决方案组网架构

实现了网络扁平化和大带宽、多业务承载

图5.2工业PON解决方案系统架构

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全光纤组网，采用二层扁平架构，实现弹性扩容。支持多业务接口，满 足工业互联网生产控制、数据采集、无线专网承载、行政办公各种应用 场景。实现低时延、大流量，满足承载工业控制、数据采集、无线承载 等各种业务工厂实际应用需求。 实现了现场设备的数据采集和分析 通过在工业智能网关中内置数据采集模块，能够低成本实现异构网络的 联通和车间生产全基础数据的采集，客户通过监控和分析生产数据，实 现了产线良品率的大幅提升，显著提高利润； ·提高了网络稳定性和安全性 抗电磁干扰能力强，采用无源设备，组网简单，提高了网络稳定性。通 过双路光纤保护、双机热备、工业级ONU满足了厂区安全性要求

·全光纤云架构 工业PON系统采用全光纤网络，基于先进成熟的PON技术，一根光纤实现全 爱盖，相比交换机减少数据交换转发数，抗十扰、易维护，更适合生产现场的要 求。工业PON系统可实现低时延下行<1ms上行<1.5ms、长时间运行无丢包，满 联网业广业联盟 足制造行业应用需求。 ·提供工业互联网全业务支撑 工业PON系统采用一根光纤就可以融合数据、串口、语音、视频所有业务 对于工业现场设备，采用工业PON2.0专用于工业数据采集应用的多业务智能网 关实现多种工业现场协议的转换，实现了工业数据的采集和分析； ·为复杂制造环境量身定制 工业PON系统ODN为无源系统、具有抗强电磁、强振动、寿命长、安装方便、 占用空间少，运维方便的特点

5.2不同网络规模的部署应用场景及案例展示

ON解决方案按网络规模（而非物理尺寸）

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小型组网，主要为同一建筑物内的同一套园区网络，例如同一楼宇内的同 功能组网； 中型组网，主要为多个建筑内的同一套园区网络；例如同一园区内多个楼宇 的同一功能组网； 大型组网，主要为多个建筑内的多套园区网络；例如同一园区内多个楼宇的 多个不同功能的组网。 以下按三类组网分别展示企业案例

小型组网案例：某综合管廊PON组网项目

A.项目方案： 在此综合管廊项目中，由于环境限制和健壮性&可靠性要求，需要采用 工业PON实现光纤统一回传，如下：

图5.3组网项且整体情况

由于环境较差，文要保证单点或多点掉电/故障时其它节点仍能止常工作， 传统工业交换机方案无法满足全部要求，只能采用深度优化后的工业PON方案 来实施。同时，出于对可靠性的要求，工业PON本身也提供了高可靠性的配置 即ONU采用双上行双归的方案，实现了路径与根设备的1+1备份。如下：

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二建标准规范范本图5.4项目组网方案

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图5.5项且整体情况

实施时以中心机房为局点，在生产车间采用全光网络，用于车间物联网关 数控/工控设备、智能化机械手、视频监控及其他安全电子锁等业务。 C.方案价值： 采用工业PON进行全光网的承载和建造，整体的施工效率提升50%，布线的 空间下降80%，IT机房节省3/4，无源0DN减少能量消耗60%，将所有的终端进 行IP化，可兼容多协议、多设备的标准化的数据采集方式，实现所有的生产制 告设备都接入网络。并且可实时进行数据监测和告警处理，对于产能，设备本身 损耗，以及设备零部件的使用状态进行实时监测和健康程度预警，做到故障预处 理，助力增产提效。

组网案例：某国企某园区全光网综合承载

A项目方案： 某大型光纤光缆行业国企新建园区为了适应生产与办公等多样化需求，采用 基于工业PON的全光网络方案做统一承载GBT标准规范范本，如下图