王燕斌,何雨生,馬加力,王 磊,韓 雷

（兗州煤業(yè)股份有限公司興隆莊煤礦,山東 兗州 272102）

1 系統(tǒng)概述

興隆莊煤礦于2006年建成千兆級工業(yè)以太環(huán)網(wǎng)，目前已經(jīng)運行10年。網(wǎng)絡(luò)以單模光纖為主要傳輸介質(zhì),建成井下和地面兩個相對獨立而又互聯(lián)的環(huán)形網(wǎng)絡(luò)，雙環(huán)通過調(diào)度室機房核心交換機連接。礦井現(xiàn)有工業(yè)以太環(huán)網(wǎng)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)如下：

礦調(diào)度室機房部署2臺西門子1000M工業(yè)以太網(wǎng)交換機作為網(wǎng)絡(luò)核心交換機，分別連接地面及井下環(huán)網(wǎng)。

1.1 目前主要存在以下問題及網(wǎng)絡(luò)升級的必要性

1）地面及井下環(huán)網(wǎng)交換機與核心交換機為單點連接，安全性無法得到保證，一旦核心交換機發(fā)生故障，將影響整個環(huán)網(wǎng)。

2）系統(tǒng)為千兆環(huán)網(wǎng)，無法滿足大量高清工業(yè)視頻信號的傳輸要求。

3）一旦網(wǎng)絡(luò)形成環(huán)路，會引起網(wǎng)絡(luò)風(fēng)暴，造成網(wǎng)絡(luò)癱瘓。

4）無法形成多個環(huán)網(wǎng)結(jié)構(gòu)，便于故障排查和處理。

5）井下UPS電源已連續(xù)使用超過10年，電池容量大幅度下降，不能滿足安全規(guī)程要求，需要更換。

1.2 系統(tǒng)建設(shè)內(nèi)容

為實現(xiàn)“機械化換人、自動化減人”的行動目標(biāo)，需在井下重要生產(chǎn)崗點安裝大量高清工業(yè)電視攝像機。為滿足高清工業(yè)電視系統(tǒng)的數(shù)據(jù)傳輸要求，升級網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)。本次項目創(chuàng)新的設(shè)計采用核心骨干萬兆工業(yè)以太環(huán)及多個千兆以太環(huán)混合組網(wǎng)方式，在保護原有千兆工業(yè)環(huán)網(wǎng)投資的基礎(chǔ)上，對興隆莊煤礦現(xiàn)有千兆工業(yè)環(huán)網(wǎng)進行優(yōu)化改造，將骨干網(wǎng)絡(luò)節(jié)點擴容升級至萬兆工業(yè)以太環(huán)網(wǎng)。

設(shè)計核心骨干萬兆工業(yè)以太環(huán)由調(diào)度室機房部署的2臺萬兆級工業(yè)核心交換機，井下3臺萬兆級工業(yè)核心交換機組成。同時保持與集團公司連接網(wǎng)絡(luò)拓?fù)洳蛔?，將現(xiàn)有鏈路直接連接至調(diào)度室機房核心萬兆交換機。在調(diào)度室機房安裝兩臺萬兆工業(yè)以太網(wǎng)交換機XR528作為網(wǎng)絡(luò)核心，同時將井下中央變電所、270變電所、十采變電所升級為礦用隔爆兼本安型萬兆交換機，并與地面核心組成環(huán)網(wǎng)，形成井下萬兆骨干工業(yè)以太網(wǎng)。每臺萬兆交換機配置3個萬兆光口、4個千兆光口、20個千兆電口、雙路供電模塊，具備三層路由功能。

1）將原有17臺千兆交換機按地域劃分為地面、井下東翼、井下西翼、井下一采區(qū)域等數(shù)個千兆子環(huán)，以相交的方式耦合于萬兆環(huán)網(wǎng)。每臺千兆交換機配置2個千兆光口，20個百兆電口。

2）新采購6臺礦用隔爆型UPS不間斷電源，配置24V12AH電池，可在電網(wǎng)停電情況下，滿足交換機2小時以上穩(wěn)定運行。

本次設(shè)計網(wǎng)絡(luò)升級拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)圖：

2 系統(tǒng)建設(shè)關(guān)鍵技術(shù)創(chuàng)新點

2.1 技術(shù)介紹

1）情況介紹。

原井下工業(yè)環(huán)網(wǎng)使用礦用隔爆型西門子交換機，井下各系統(tǒng)就近接入井下工業(yè)環(huán)網(wǎng)交換機，其他地面監(jiān)控系統(tǒng)及子系統(tǒng)就近接入地面環(huán)網(wǎng)交換機。地面信息化機房的設(shè)備有H3C云服務(wù)器及模塊化的云交換機，H3C的視頻接入交換機，H3C的監(jiān)測網(wǎng)接入交換機，華為交換機人員定位和無線通訊交換機各1臺，以及各系統(tǒng)工作站客戶端。萬兆工業(yè)環(huán)網(wǎng)交換機采用的型號是XR528，配套的3路萬兆光模塊，2路萬兆光模塊通訊使用，1路萬兆光模塊備用，千兆工業(yè)環(huán)網(wǎng)交換機采用的型號是X-400，原來千兆工業(yè)環(huán)網(wǎng)冗余協(xié)議采用的是西門子私有的環(huán)網(wǎng)協(xié)議，其他廠家的交換機協(xié)議無法兼容西門子交換機，不能通過使用trunk端口協(xié)議進行數(shù)據(jù)通訊。

2）關(guān)鍵技術(shù)。

為了讓工業(yè)環(huán)網(wǎng)交換機和地面其他廠家交換機協(xié)議互相兼容，環(huán)網(wǎng)冗余切換采用了RSTP快速生成樹協(xié)議，萬兆核心交換機設(shè)置為根橋交換機，所有的交換機通過尋找根橋進行通訊，避免了網(wǎng)絡(luò)發(fā)生環(huán)路產(chǎn)生網(wǎng)絡(luò)風(fēng)暴，影響網(wǎng)絡(luò)傳輸。冗余使得兩條鏈路互為備用，一條鏈路發(fā)生故障，直接自動切換至另一條鏈路傳輸，使用RSTP快速生成書協(xié)議傳輸使得各交換機冗余切換得到了兼容和保證，同時各交換機支持TRUNK端口匯聚協(xié)議，通過配置虛擬局域網(wǎng)，規(guī)劃各系統(tǒng)業(yè)務(wù)數(shù)據(jù)，有效降低網(wǎng)絡(luò)廣播域的大小，使得云交換機接收萬兆核心交換機各虛擬局域網(wǎng)的數(shù)據(jù)，轉(zhuǎn)發(fā)各虛擬服務(wù)器進行數(shù)據(jù)采集、應(yīng)用和存儲。

2.2 網(wǎng)絡(luò)協(xié)議擴展性

1）交換機協(xié)議通用性。生產(chǎn)監(jiān)測網(wǎng)和高清視頻網(wǎng)數(shù)據(jù)量大，單一靠一條物理鏈路傳輸，帶寬、穩(wěn)定性、可靠性都不能保證，由于使用了兼容交換機的RSTP快速生成樹協(xié)議，保證了交換機LACP端口鏈路聚合協(xié)議的兼容使用，生產(chǎn)監(jiān)測網(wǎng)和高清視頻網(wǎng)各使用兩條六類網(wǎng)線進行傳輸，增加了網(wǎng)絡(luò)帶寬、數(shù)據(jù)的負(fù)載均衡的功能，提高了網(wǎng)絡(luò)的可靠性。

2）虛擬云技術(shù)交換。H3C云服務(wù)器集成了模塊化的云交換機，云服務(wù)器可以虛擬多個服務(wù)器和軟件定義虛擬網(wǎng)絡(luò)，每個虛擬的服務(wù)器對應(yīng)每一個虛擬網(wǎng)絡(luò)，就像真實的物理機一樣采集網(wǎng)絡(luò)里的數(shù)據(jù)。云服務(wù)器可以實現(xiàn)一鍵新增虛擬機，整合空閑的計算資源，利用虛擬交換機快速組件虛擬網(wǎng)絡(luò)，部署配置靈活，使工業(yè)網(wǎng)絡(luò)的數(shù)據(jù)更好的進行數(shù)據(jù)采集、整理和存儲。一臺萬兆核心交換機與云交換機通過光纖連接，云交換機通過端口匯聚TRUNK協(xié)議將接收到的各系統(tǒng)數(shù)據(jù)通過VLAN虛擬局網(wǎng)協(xié)議轉(zhuǎn)發(fā)各虛擬云服務(wù)器進行數(shù)據(jù)采集、應(yīng)用，使得生產(chǎn)監(jiān)測系統(tǒng)的組態(tài)應(yīng)用，達(dá)到系統(tǒng)監(jiān)測和控制，各系統(tǒng)客戶端通過虛擬云服務(wù)器的數(shù)據(jù)就進行監(jiān)測、控制、數(shù)據(jù)存儲等。

云交換機虛擬網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)圖：

3 改進措施

1）系統(tǒng)升級改造后兩個月測試萬兆核心交換機，發(fā)現(xiàn)萬兆核心交換機時斷時通，但是業(yè)務(wù)數(shù)據(jù)不中斷。用網(wǎng)絡(luò)測試工具，測試發(fā)現(xiàn)視頻網(wǎng)和生產(chǎn)監(jiān)測網(wǎng)網(wǎng)絡(luò)互通。根據(jù)網(wǎng)絡(luò)安全要求，視頻網(wǎng)和監(jiān)控網(wǎng)不能互通，查看各環(huán)網(wǎng)交換機端口配置和資料，未發(fā)現(xiàn)有異常。編寫技術(shù)安全措施查找網(wǎng)絡(luò)故障，斷開井下環(huán)網(wǎng)交換機與萬兆核心環(huán)網(wǎng)交換機的連接，用一臺筆記本電腦在萬兆核心交換機進行測試，仍然發(fā)現(xiàn)視頻網(wǎng)和生產(chǎn)監(jiān)測網(wǎng)絡(luò)互通，再斷開地面環(huán)網(wǎng)交換機和萬兆環(huán)網(wǎng)核心萬兆交換機的連接，仍然存在故障隱患，于是把重點放在了萬兆環(huán)網(wǎng)核心交換機上，發(fā)現(xiàn)萬兆環(huán)網(wǎng)核心交換機下掛載一臺去煤場分支的西門子環(huán)網(wǎng)交換機，把這臺西門子環(huán)網(wǎng)交換機斷開后，視頻網(wǎng)和監(jiān)測網(wǎng)不再互通，用ping命令測試萬兆核心交換機不再出現(xiàn)時通時斷的故障，到這臺西門子環(huán)網(wǎng)交換機現(xiàn)場查看，發(fā)現(xiàn)有一個視頻網(wǎng)絡(luò)設(shè)備同時接到了視頻網(wǎng)和生產(chǎn)監(jiān)測網(wǎng)的端口，導(dǎo)致兩個虛擬局域網(wǎng)的數(shù)據(jù)聯(lián)通影響萬兆核心交換機的管理。斷開那臺西門子交換機生產(chǎn)監(jiān)測網(wǎng)的端口，恢復(fù)環(huán)網(wǎng)交換機到萬兆核心交換機的通訊，此后沒再發(fā)生故障。

2）萬兆環(huán)網(wǎng)系統(tǒng)運行四個月后，突然產(chǎn)生大規(guī)模的網(wǎng)絡(luò)風(fēng)暴，用筆記本電腦ping命令測試萬兆環(huán)網(wǎng)核心交換機不通，重啟萬兆環(huán)網(wǎng)核心交換機后恢復(fù)正常，幾天后又出現(xiàn)同樣的情況，重啟萬兆環(huán)網(wǎng)核心交換機后，重新對各環(huán)網(wǎng)交換機的端口進行配置查看，查看后對各環(huán)網(wǎng)交換機進行了RJ45端口的RSTP協(xié)議關(guān)閉措施，只保留主光纖通訊端口RSTP協(xié)議的開啟。實施措施后，網(wǎng)絡(luò)風(fēng)暴間隔的時間的延長了，但仍不能避免網(wǎng)絡(luò)風(fēng)暴的產(chǎn)生。

3）通過對各交換機反復(fù)查看，發(fā)現(xiàn)各交換機之間硬件固件的版本差別很大，懷疑老版本的硬件固件對快速生成樹RSTP協(xié)議支持不好，從西門子官網(wǎng)下載新的硬件固件對老的西門子環(huán)網(wǎng)交換機進行固件升級，升級后兩個月沒有再發(fā)生網(wǎng)絡(luò)風(fēng)暴。

4）萬兆環(huán)網(wǎng)運行近一年時，對環(huán)網(wǎng)交換機進行運行測試，對各環(huán)網(wǎng)交換機進行遠(yuǎn)程重啟，在測試過程中，發(fā)現(xiàn)有井下三臺、地面一臺交換機重啟時會沖擊萬兆環(huán)網(wǎng)核心交換機，造成萬兆核心交換機被沖擊，在地面的測試過程中，發(fā)現(xiàn)萬兆環(huán)網(wǎng)核心交換機雖然無法通訊，但各地面環(huán)網(wǎng)交換機之間是通訊的，根據(jù)以往的網(wǎng)絡(luò)經(jīng)驗判斷重啟沖擊萬兆環(huán)網(wǎng)核心交換機的原因是老的千兆環(huán)網(wǎng)交換機雖然硬件固件升級了，但是對快速生成樹RSTP協(xié)議支持不好，無法尋找到萬兆核心根交換機，造成了網(wǎng)絡(luò)沖擊，通過更換千兆交換機后的一年時間沒有再發(fā)生網(wǎng)絡(luò)風(fēng)暴和網(wǎng)絡(luò)沖擊時間。

4 網(wǎng)絡(luò)升級總結(jié)

萬兆環(huán)網(wǎng)使用快速生成樹協(xié)議混合組網(wǎng)在國內(nèi)的礦井實施項目是第一家，無經(jīng)驗可以利用，該網(wǎng)絡(luò)組網(wǎng)方式避免了任何一臺地面萬兆環(huán)網(wǎng)核心交換機產(chǎn)生故障，造成系統(tǒng)癱瘓的隱患，任何一臺環(huán)網(wǎng)交換機故障都不會造成各系統(tǒng)大量數(shù)據(jù)的中斷，處理環(huán)網(wǎng)交換機故障影響小，恢復(fù)環(huán)網(wǎng)交換機時間短、速度快，將網(wǎng)絡(luò)故障的影響降低最低。在我礦發(fā)生的網(wǎng)絡(luò)故障原因一是現(xiàn)場施工人員對網(wǎng)絡(luò)不了解，造成了網(wǎng)絡(luò)的環(huán)路，對根交換機有一定的影響，如果不使用RSTP生成樹協(xié)議很容易產(chǎn)生網(wǎng)絡(luò)風(fēng)暴，沖擊網(wǎng)絡(luò)。二是西門子千兆環(huán)網(wǎng)交換機，硬件老化和對快速生成樹RSTP支持不好，更換三臺西門子交換機予以解決。三是西門子私有的冗余協(xié)議無法使用LACP端口鏈路協(xié)議進行通訊，無法增加帶寬和負(fù)載均衡。使用RSTP快速生成樹協(xié)議通訊，才能配置機房萬兆環(huán)網(wǎng)交換機和地面H3C視頻交換機LACP端口鏈路協(xié)議，增加了網(wǎng)絡(luò)帶寬和流量負(fù)載均衡。通過進行以上各方面的技術(shù)措施后，該網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)運行兩年，各網(wǎng)絡(luò)協(xié)議兼容性能良好。

RSTP快速生成樹和私有環(huán)網(wǎng)協(xié)議功能對比：

5 網(wǎng)絡(luò)升級后信息化應(yīng)用

各系統(tǒng)監(jiān)控信息通過工業(yè)環(huán)網(wǎng)傳輸，實現(xiàn)了信息的跨系統(tǒng)利用，在安全、生產(chǎn)、經(jīng)營、管理等各個方面發(fā)揮了積極的作用。目前已建成集監(jiān)測監(jiān)控管理平臺、生產(chǎn)技術(shù)管理智能分析軟件、礦山安全智能化預(yù)警系統(tǒng)的煤礦安全生產(chǎn)動態(tài)信息系統(tǒng)，實現(xiàn)了各子系統(tǒng)的接入融合。初步實現(xiàn)了以下效果：

5.1 信息采集數(shù)字化

礦井先后建設(shè)了安全監(jiān)測、光纖綜合監(jiān)測、人員定位、高清工業(yè)視頻、微震監(jiān)測、水文監(jiān)測、機電設(shè)備管理等系統(tǒng)，特別是激光甲烷傳感器和采空區(qū)測溫光纜等新技術(shù)、新裝備的應(yīng)用，能夠全方位監(jiān)控井下環(huán)境信息和主要機電設(shè)備運行參數(shù)，并通過礦井萬兆骨干工業(yè)環(huán)網(wǎng)傳輸?shù)降孛嬲{(diào)度指揮中心，實現(xiàn)了現(xiàn)場環(huán)境和設(shè)備信息的數(shù)字化采集。

5.2 遠(yuǎn)程集控自動化

建立了地面集控中心，將高清工業(yè)視頻與遠(yuǎn)程集控自動化系統(tǒng)有效結(jié)合，完成了膠帶運輸、供電、排水、壓風(fēng)等系統(tǒng)的遠(yuǎn)程集控改造，實現(xiàn)了井下皮帶、變電所、泵房的無人值守，減少了現(xiàn)場操作、巡檢人員，降低了安全管控難度。

工業(yè)網(wǎng)絡(luò)升級為萬兆工業(yè)環(huán)網(wǎng)后，在井下安裝了近100多個數(shù)字高清攝像頭，主要安裝在皮帶溜煤眼，有保護裝置的皮帶機頭、機尾，主煤流皮帶，共減少皮帶崗位工6名。通過地面工業(yè)環(huán)網(wǎng)建設(shè)煤場計量衡過磅系統(tǒng)，設(shè)置了計量衡虛擬局域網(wǎng)。與傳統(tǒng)的辦公網(wǎng)絡(luò)建設(shè)煤場計量衡相比，工業(yè)環(huán)網(wǎng)專用虛擬局域網(wǎng)更加快速、穩(wěn)定，方便查找故障。煤場計量衡系統(tǒng)減少了過磅人員4名，通過電子標(biāo)簽進行車輛管理，提高了過磅效率，減少人為干預(yù)，發(fā)運數(shù)據(jù)與集團公司云計算數(shù)據(jù)中心實時交互，實現(xiàn)了集團公司對發(fā)運業(yè)務(wù)數(shù)據(jù)的統(tǒng)管。

5.3 生產(chǎn)設(shè)計可視化

建成了礦井三維地理信息系統(tǒng)，實現(xiàn)了井下巷道環(huán)境、人員位置和設(shè)備運行狀態(tài)的三維實時可視化，配套開發(fā)了采掘設(shè)計、輸配電、通風(fēng)、供排水等三維仿真系統(tǒng)，實現(xiàn)了井下智能調(diào)風(fēng)、事故模擬演練等功能，為礦井生產(chǎn)設(shè)計和應(yīng)急救援提供了可視化支持。

5.4 決策處理智能化

建成了礦井生產(chǎn)云平臺和數(shù)據(jù)中心，以礦井綜合自動化系統(tǒng)為基礎(chǔ)，以工業(yè)大數(shù)據(jù)分析為手段，建立了設(shè)備運維在線監(jiān)測、圖像智能識別、安全隱患分析等系統(tǒng)，通過多源業(yè)務(wù)門戶集中展示，全面提升了礦井生產(chǎn)管理與決策的科學(xué)性。

在兩化融合及三化建設(shè)方面，我礦還承擔(dān)了國家“機械化換人、自動化減人”試點示范和省安全監(jiān)控系統(tǒng)升級改造示范項目，全部按要求完成，并達(dá)到示范效果。

5.5 礦井云數(shù)據(jù)中心

根據(jù)集團公司已經(jīng)建設(shè)的私有云架構(gòu)思路，將興隆莊礦云數(shù)據(jù)中心納入集團公司整體云計算管理架構(gòu)下進行統(tǒng)一管理，在集團對礦井云做異地數(shù)據(jù)災(zāi)備，做到了可擴展、可復(fù)用。建成了礦井工業(yè)云平臺，將礦井綜合自動化平臺服務(wù)器及其他安全生產(chǎn)系統(tǒng)服務(wù)器搭建在云平臺上，極大提升了系統(tǒng)的穩(wěn)定性、可靠性、可用性，同時有效節(jié)省了機房空間，提高了服務(wù)器的利用率。

5.6 大數(shù)據(jù)系統(tǒng)建設(shè)

建立了光纖綜合監(jiān)測系統(tǒng)，與安全監(jiān)測系統(tǒng)互為補充，形成了多參數(shù)、大容量的環(huán)境監(jiān)測系統(tǒng)；建立了大型機電設(shè)備在線監(jiān)測系統(tǒng)，通過設(shè)備實時跟蹤及歷史數(shù)據(jù)分析，實現(xiàn)故障診斷和預(yù)測預(yù)警；建立了皮帶視頻智能分析系統(tǒng)（10306工作面皮帶），通過視頻智能監(jiān)測和識別，實現(xiàn)了大煤塊、矸石、錨桿等異物智能報警和聯(lián)動，防止堵倉、堆煤、皮帶撕裂等事故的發(fā)生；建立了安全隱患分析預(yù)警及聯(lián)動系統(tǒng)，充分利用煤礦監(jiān)測技術(shù)對危險源進行監(jiān)控，提取有價值的數(shù)據(jù)，對風(fēng)險狀態(tài)信息進行分析判斷，為風(fēng)險預(yù)控和安全生產(chǎn)提供了可靠保障。系統(tǒng)主要實現(xiàn)了瓦斯?jié)舛犬惓７治鲱A(yù)警、安全管理分析評價、水文監(jiān)測分析預(yù)警、頂板及沖擊地壓分析、采空區(qū)發(fā)火分析預(yù)警、人員定位分析、氣象監(jiān)測分析預(yù)警、產(chǎn)量監(jiān)測分析、主要生產(chǎn)系統(tǒng)能耗分析等功能。

5.7 多源業(yè)務(wù)門戶

建立了多源業(yè)務(wù)門戶系統(tǒng)，從礦井云數(shù)據(jù)中心采集抽取各種數(shù)據(jù)，通過WEB、移動客戶端等多元化的數(shù)據(jù)展現(xiàn)方式集中展示，并把各種應(yīng)用系統(tǒng)集成到企業(yè)信息門戶下，根據(jù)用戶的使用特點和角色不同，形成個性化的應(yīng)用界面，幫助各級管理人員獲得綜合性的信息并進行集中分析，協(xié)助他們做出更有利的決策。

6 結(jié) 論

興隆莊煤礦基于萬兆工業(yè)環(huán)網(wǎng)RSTP協(xié)議的煤礦信息化應(yīng)用，達(dá)到了減人提效的要求，生產(chǎn)系統(tǒng)可視化和大數(shù)據(jù)分析系統(tǒng)為安全生產(chǎn)提供了數(shù)據(jù)依據(jù)，生產(chǎn)云的建設(shè)提高了設(shè)備使用率，整合系統(tǒng)資源，為信息化建設(shè)提供了良好的基礎(chǔ)，實現(xiàn)了興隆莊煤礦的安全、高效生產(chǎn)和國家新舊動能轉(zhuǎn)換、兩化融合建設(shè)的先期目標(biāo)。