【5G应用产业方阵】面向石化行业的5G虚拟专网技术要求（2024）291mb

5G 5GAIA015-2024面向石化行业的5G虚拟专网技术要求5GPrivateNetworkTechnicalRequirementsforPetrochemicalIndustry2024-05-10发布 2024-05-10实施5G应用产业方阵发布5G应用产业方阵联盟标准5GAIA015-20245G应用产业方阵联盟标准5GAIA015-2024版权声明5G（邮箱：5gaia@5电话：010-623004645G应用产业方阵联盟标准5GAIA015-20245G应用产业方阵联盟标准5GAIA015-2024PAGE\*ROMANPAGE\*ROMANII目 次前 言 3引 言 4范围 1规范性引用文件 1术语、定义和缩略语 1术语和定义 1缩略语 2石化5G业务场景网络需求 3安全生产 3受限空间作业 3人员定位 4预测报警 5泄露动态监测 5应急响应 6应急演练VR桌面推演 6消防应急处理 7AR/VR培训 8无人机应急救援 9设备运行 10初期火情识别 10关键设备状态监测 11阀门状态监测 12安全巡检 13智能巡检 13机器人巡检 13长输管线泄漏监测与巡检 15环保检测 16LDAR智能检测 16智能物流及仓储 17智能仓储 17石化5G虚拟专网组网架构及切片技术要求 18总体组网架构 18网络切片规划 19石化5G虚拟专网网络能力要求 18业务隔离及资源保护 21覆盖质量 21端到端网络能力 22时延能力 22可靠性能力 22带宽能力 22石化5G虚拟专网网络安全技术要求 22安全技术要求 22终端接入安全 22管道安全 22安全管理 235G应用产业方阵联盟标准5GAIA015-20245G应用产业方阵联盟标准5GAIA015-2024前 言本文件按照GB/T1.1—2020《标准化工作导则第1部分：标准化文件的结构和起草规则》的规定起草。本文件主要制定了面向石化行业的5G5G5G虚拟专网的网络规划设计、运行管理和产业发展。本文件主要起草人：赵学良、刘茂、王琦、孙拓、贺春光、冯岩、杜加懂、杜斌、夏仕达、何骄阳、肖羽、孟晓斌、庞伶俐、李宁、徐海涛、邬知衡5G应用产业方阵联盟标准5GAIA015-20245G应用产业方阵联盟标准5GAIA015-2024引 言5G5G5G5G应用产业方阵联盟标准5GAIA015-20245G应用产业方阵联盟标准5GAIA015-2024PAGEPAGE1面向石化行业的5G虚拟专网技术要求范围本文件要求面向石化5G业务需求，对石化5G虚拟专网网络架构、切片技术、网络能力、网络安全等相关技术要求进行了规定。本文件适用于承载石化业务的5G网络设计，供石化行业企业和电信运营企业共同使用。规范性引用文件（包括所有的修改单）适用于本文件。GJB451-90可靠性维修性术语YD/T3826-2021切片分组网络（SPN）总体技术要求YD/T-xxxx面向智慧石化工业园区的无线系统总体技术要求YD/T-xxxx 面向石油化工领域的5G+工业互联网应用场景及技术要求IA#OIF-FLEXE-02.2 FlexE2.2ImplementationAgreementIEC61907 CommunicationnetworkdependabilityengineeringG.8310 ArchitectureofthemetrotransportnetworkG.8312 InterfacesforthemetrotransportnetworkTS22.104 Servicerequirementsforcyber-physicalcontrolapplicationsinverticaldomainsTS22.261Servicerequirementsforthe5GsystemTS23.501Systemarchitectureforthe5GSystem(5GS)TS23.502Proceduresforthe5GSystemTS38.213PhysicallayerproceduresforcontrolTS38.300NR;NRandNG-RANOverallDescriptionTS38.321MediumAccessControl(MAC)protocolspecificationTS38.331RadioResourceControl(RRC)protocolspecification术语、定义和缩略语术语和定义本章节将结合各分区内最具代表性的石化5G业务场景进行业务场景描述和网络需求分析。本章节中的网络需求指标定义如下。表1 石化业务网络需求指标定义石化业务网络需求指标指标定义（通信领域）通信领域指标定义补充说明端到端时延处测量的，给定信息从源点处传输到目的地是成功接收所需花费的时间（3GPPTS22.261）通信服务接口（CSIF）信设备中OSI3层与4层之间（如通信传输发生在层），或OSI2层与3层之间（如通信传输发出在层）。可以理解为：5G端侧，5G模组与石化业务应用/设备之间的接口，或5G网络核心网侧，用户面与数据网络之间的接口带宽（用户体验数据速率）获得足够质量体验的最小数据速率，广播类业务的情况除外（其给定的值应是所需的最大值（3GPPTS22.104，3GPPTS22.261）-网络可用度产品在规定的条件下和规定的时间（来源：GJB451-90、IEC61907）-（包）可靠性在网络层数据包传输上下文中，在目标业务所需的时间约束内成功传送到给定系统实体的网络层数据包的数量除以已发送的网络层数据包总数的百分比值（3GPPTS22.261）即误包率（考虑丢包和超期到达的包）缩略语下列缩略语适用于本文件。表2 缩略语缩略语英文中文5QI5GQoSIdentifier5GQoS特性标识AAAAuthentication、Authorization、Accounting验证、授权和记账ACLAccessControlLists访问控制列表AMFAccessandMobilityManagementFunction接入和移动性管理功能ARAugmentedReality增强现实DMZDemilitarizedZone隔离区DNNDataNetworkName数据网络名称FlexEFlexibleEthernet灵活以太网GBRGuaranteedBitRate保证比特速率HARQHybridAutomaticRepeatreQuest混合自动重复请求IPRANIPRadioAccessNetwork基于IP的无线接入网IPSecInternetProtocolSecurity互联网安全协议LDARLeakDetectionandRepair泄漏检测与修复MCSModulationandCodingScheme调制与编码策略MECMulti-accessEdgeComputing多接入边缘计算MTNMetroTransportNetwork城域传送网络PDUPacketDataUnit分组数据单元QoSQualityofService服务质量RLCRadioLinkControl无线链路层控制RSRPReferenceSignalReceivingPower参考信号接收功率SINRSignaltoInterferenceplusNoiseRatio信号与干扰加噪声比SLAServiceLevelAgreement服务等级协议SMFSessionManagementFunction会话管理功能SPNSlicingPacketNetwork切片分组网络STNSmartTransportNetwork智能传送网络SULSupplementaryUplink补充上行TCPTransmissionControlProtocol传输控制协议UDMUserDataManagement用户数据管理UEUserEquipment用户设备UPFUserPlaneFunction用户面功能URLLCUltra-ReliableLowLatencyCommunication超可靠低时延通信VOCsVolatileOrganicCompounds挥发性有机化合物VPNVirtualPrivateNetwork虚拟专用网络VRVirtualReality虚拟现实5G表3 典型石化5G应用场景石化行业业务场景石化行业5G+智能化改造典型应用场景安全生产受限空间作业监控、人员定位预测预警泄露动态监测应急响应VR桌面推演、消防机器人应用、AR/VR培训、无人机应急救援设备运行初期火情识别、关键设备状态监测、阀门状态监测安全巡检智能巡检、机器人巡检、长输管线泄漏监测与巡检环保监测LDAR智能检测仓储物流智能仓储（AGV、叉车）安全生产受限空间作业5G应用产业方阵联盟标准5GAIA015-20245G应用产业方阵联盟标准5GAIA015-2024PAGEPAGE4场景介绍该场景是利用5G+智能机器人替代人员，在受限空间内进行污油池、污水池的清罐、内防腐和检测等操作。储罐清洗机器人搭载摄像头、气体检测仪等设备，通过5G网络将气体检测数据、环境监测数据和视频数据回传至应用服务器上，实现受限空间内的远程检测和作业。业务流分类远程无人作业（办公网）5G罐内环境实时监控（视频网）5G图1 受限空间作业场景图5G序号应用场景场景数据类别上行带宽需求下行带宽需求时延需求可靠性需求防爆需求1受限空间作业（无人清罐）控制指令数据--≥100kbps≤50ms≥99.99%ExdIICT6Gb2视频回传数据≥30Mbps--≤100ms≥99.9%3气体环境监测回传数据≥2Mbps--≤50ms≥99.99%人员定位场景介绍基于地图对人员进行实时定位，在总部端提供区域人员数量地图可视化实时展示功能，5G5G业务流分类（办公网5G图2 人员定位图5G序号应用场景场景数据类别上行带宽需求下行带宽需求时延需求可靠性需求防爆需求1人员定位物联数据、人员定位数据≥10Mbps/定位基站--≤50ms≥99.99%ExdIICT6Gb预测报警泄露动态监测场景介绍5G业务流分类泄漏动态监测（办公网）：在激光甲烷检测仪、移动式红外泄漏检测仪上安装5G/NB-Iot5G图3 泄漏动态监测场景图5G序号应用场景场景数据类别上行带宽需求下行带宽需求时延需求可靠性需求防爆需求1泄漏动态监测阀门状态数据≥2Mbps--≤50ms≥99.99%ExdIICT6Gb应急响应VR场景介绍VR5G网络将虚拟场景下载至本地，并在虚拟环境中模拟操作，操作数据通过5G网络与服务端进行交互反馈。VR设备模拟进行应急业务流分类（办公网VR5G（办公网5GVR语音交互（办公网）5G图4 VR桌面推演场景图5G序号应用场景场景数据类别上行带宽需求下行带宽需求时延需求可靠性需求防爆需求1虚拟场景下载数据--30~80Mbps≤500ms≥99.9%ExdIICT6Gb/ExdⅡC2VR桌面推VR显示回传数据≥30Mbps--≤150ms≥99.9%T6Gb/ExtD演A21IP683语音与操作交互数据≥12.2kbps≥12.2kbps50ms~300ms≥99.9%T80℃消防应急处理场景介绍消防人员在救援中将面对高硫化氢、高温、浓烟、强热辐射、中毒以及爆炸等风险，严重威胁抢险人员人身安全。该场景通过5G网络将现场监控视频及环境气体检测参数实时回传至服务器端进行分析业务流分类视频回传（视频网）5G环境气体参数检测（办公网）5G5G5G应用产业方阵联盟标准5GAIA015-20245G应用产业方阵联盟标准5GAIA015-2024PAGEPAGE8图5 消防应急处理场景图5G序号应用场景场景数据类别上行带宽需求下行带宽需求时延需求可靠性需求防爆需求1消防应急处理现场视频回传数据≥30Mbps--≤100ms99.9%Exd（ib）IIBT4Gb2环境监测回传数据≥2Mbps--≤50ms99.99%AR/VR场景介绍目前培训主要利用现场教学、网络培训系统和仿真系统，没有沉浸式教育培训，培训效果较差。该场景依托5G网络使服务端和VR/AR终端实时交互数据，结合加热炉、泵实际操作，科学构建仿真模拟培训应用。利用VR（视觉和听觉）叠加的方式，实现虚拟世界与真实世界的同AR终端，远程专家通过5G业务流分类VRVRVR5GVR5GVRVR5GAR（视觉和听觉5GARARAR5G图6 VR培训场景图图7 AR培训场景图5G序号应用场景场景数据类别上行带宽需求下行带宽需求时延需求可靠性需求防爆需求1VR培训虚拟场景下载数据--30~80Mbps≤500ms≥99.9%ExdIICT6Gb/ExdⅡCGb/ExtDA21IP68T80℃2VR显示回传数据≥30Mbps--≤150ms≥99.9%3语音与操作交互数据≥12.2kbps≥12.2kbps50ms~300ms≥99.9%4VR培训AR信息数据--10~30Mbps≤500ms≥99.9%ExdIICT4Gb5AR视频回传数据≥30Mbps--≤150ms≥99.9%无人机应急救援场景介绍5G应用产业方阵联盟标准5GAIA015-20245G应用产业方阵联盟标准5GAIA015-2024PAGEPAGE10能力及效率大大降低。抢险人员在救援行动中面临硫化氢、高温、浓烟、强热辐射、中毒、爆炸等危险，威胁生命安全。5G网络自动5G业务流分类视频回传（办公网）5G（办公网5G图8 无人机应急救援场景图5G序号应用场景场景数据类别上行带宽需求下行带宽需求时延需求可靠性需求防爆需求1无人机应急救援控制指令数据--≥100kbps≤50ms≥99.99%Exd（ib）IIBT4Gb2现场视频回传数据≥30Mbps--≤100ms≥99.9%3环境监测回传数据≥2Mbps--≤50ms≥99.99%设备运行初期火情识别场景介绍该场景利用5G网络将高危机泵的监控视频回传至服务器端，实现高危机泵的实时监控；5G业务流分类现场视频实时监控（视频网）5G（办公网5G图9 火情识别场景图5G序号应用场景场景数据类别上行带宽需求下行带宽需求时延需求可靠性需求防爆需求1初期火情识别环境检测回传数据≥15Mbps--≤100ms≥99.99%--2现场视频回传数据≥30Mbps--≤100ms≥99.9%关键设备状态监测场景介绍企业当前对关键设备的监测范围不够广泛，日常巡检工作量大，故障发现不及时，诊断能力有限。5G网络实时回传至服务器端，实现对关键设备的实时监测，当设备出现异常状态时第一时间报警。业务流分类5G5G5G应用产业方阵联盟标准5GAIA015-20245G应用产业方阵联盟标准5GAIA015-2024PAGEPAGE12图10 设备状态监测场景图5G序号应用场景场景数据类别上行带宽需求下行带宽需求时延需求可靠性需求防爆需求1设备状态监测状态监测回传数据≥2Mbps--≤20ms≥99.99%ExibIICT4Gb阀门状态监测场景介绍现场主工艺阀门开关靠挂牌进行管理，存在风吹或脱落等现象，采气厂集气站缓蚀剂批处理期间，对收发球筒区阀门操作比较频繁，阀门容易造成误操作。该场景通过在现场阀门部署5G（注：当前部分企业该场景应用NB-IOT实现，未来随着5GRedcap标准演进及产业成熟，可考虑利用5G网络开展相关信息采集。）业务流分类5G5G图11 阀门状态监测场景图5G序号应用场景场景数据类别上行带宽需求下行带宽需求时延需求可靠性需求防爆需求1阀门状态监测阀门状态数据≥2Mbps--≤20ms≥99.99%ExdIICT6Gb安全巡检智能巡检场景介绍炼化厂目前的巡检模式为利用终端APP5G5G业务流分类便捷终端巡检数据回传（办公网）5G安全帽巡检视频回传（视频网）5G图12 智能巡检场景图5G序号应用场景场景数据类别上行带宽需求下行带宽需求时延需求可靠性需求防爆需求1智能巡检便捷终端巡检数据回传≥10Mbps--≤100ms≥99.9%ExibIICT4Gb2安全帽巡检视频回传10Mbps-30Mbps--≤100ms≥99.9%机器人巡检5G应用产业方阵联盟标准5GAIA015-20245G应用产业方阵联盟标准5GAIA015-2024PAGEPAGE14场景介绍5G5G5G5G5G5G业务流分类机器人远程控制（办公网）5G5G（办公网5G（视频网5G图13 智能巡检类场景图5G序号应用场景场景数据类别上行带宽需求下行带宽需求时延需求可靠性需求防爆需求1机器人巡检（罐区）控制指令数据--≥100kbps≤50ms≥99.99%ExdⅡCT6Gb/ExtDA212视频回传数20Mbps~1Gbps--≤100ms≥99.9%据IP68T80℃3巡检回传数据1~16Mbps--≤50ms≥99.99%序号应用场景场景数据类别上行带宽需求下行带宽需求时延需求可靠性需求防爆需求1机器人巡（坝区视频回传数据20Mbps~1Gbps--≤100ms≥99.9%ExdⅡCT6Gb/ExtDA21IP68T80℃2巡检回传数据1~16Mbps--≤50ms≥99.99%序号应用场景场景数据类别上行带宽需求下行带宽需求时延需求可靠性需求防爆需求1机器人巡检（配电间）控制指令数据--≥100kbps≤50ms≥99.99%ExdⅡCT6Gb/ExtDA21IP68T80℃2视频回传数据20Mbps~1Gbps--≤100ms≥99.9%3巡检回传数据1~16Mbps--≤50ms≥99.99%长输管线泄漏监测与巡检场景介绍5G高清摄像头进行视5G超声波泄漏检测仪，5G网络广连接、低时延特性有效发挥，用于长输管线漏点监测，避免造成油品损失，保证长输管线安全稳定运行。业务流分类（视频网5G7*24对违法事件智能监测预警（办公网）：通过图像识别技术，实现第三方违规施工、5G图14 长输管线监控场景图5G序号应用场景场景数据类别上行带宽需求下行带宽需求时延需求可靠性需求防爆需求1长输管线监控预警信息数据≥2Mbps--≤50ms≥99.99%2视频回传数据2~30Mbps--≤100ms≥99.9%环保检测LDAR场景介绍目前，LDAR智能检测业务主要通过4G网络承载，通过使用支持4G信号的便携终端，实现LDAR4G网络带宽限制，导致数据无法及时上传。该场景利用5G5G无线传输模块，实现VOCsLDAR5G便携业务流分类LDAR（办公网）5GLDAR图15 LDAR监测场景图5G序号应用场景场景数据类别上行带宽需求下行带宽需求时延需求可靠性需求防爆需求1LDAR监测监测数据≥10Mbps--≤100ms≥99.99%ExibIICT4Gb智能物流及仓储智能仓储场景介绍传统仓储运行包括入库、出库、倒库、抽检等内容，全部依靠人工，劳动强度高，效率该场景通过建设智能物资立体仓库，采用5G技术和AGV叉车自动控制技术，与现有智能推荐结果发送至现场。同时，服务端通过5G网络下达指令，AGV叉车机器人到达取放货点，实现路径规划、自动定位、自动识别库位（货位），物资自动上下架作业。AGV叉车机器人5G5G网络回传至服务端，服务端根据识别数据下发AGV调度指令实现产品出库、装车作业。业务流分类5G（办公网5G终端状态监控（办公网）5G仓库视频回传（视频网）5G手持终端数据回传（办公网）：现场人员通过手持终端将发货单信息（物资参数）5G图16 智能物资仓库场景图5G序号应用场景场景数据类别上行带宽需求下行带宽需求时延需求可靠性需求防爆需求1智能物资仓库控制指令数据--≥100kbps≤50ms≥99.99%xIIBT4Gb2视频回传数据20Mbps~1Gbps--≤100ms≥99.9%3终端状态回传数据≥2Mbps--≤50ms≥99.99%4物资参数数据≥2Mbps--≤50ms≥99.99%5G总体组网架构图17 石化5G虚拟专网总体架构石化5G虚拟专网通过基站共享或专建、无线RB资源预留、5QI优先级调度、网络切片和UPF/MEC专用部署等手段实现石化业务与公网业务及其他toB业务的隔离网络资源的专享专用。传输组网使用SPN/STN/IPRAN技术体制，通过FlexE或MTN切片技术满足石化生产业务与其他业务的硬隔离需求。通过VPN技术满足不同分区业务在共享传输资源下的逻辑隔离需求。核心网控制面网元采用大区/UPF/MEC根据石化业务不出园区toB业务及公网业务的物理隔离和业务的就近转发；非生产石化业务使用部署在园区中心机房的石化专用UPF/MEC，并通过切片ID和DNN实现与其他toB业务及公网业务的逻辑隔离。同时，在炼化生产区机房和中心机房部署的专用核心网可选配部署控制面（AMF，SMF，UDM网元），满足石化业务“数据不出操作分区/园区”的高安全隔离性需要。石化5G虚拟专网与现有石化园区网络融合组网架构如下图所示。图18 石化5G虚拟专网与石化园区网络融合组网架构5G网络承载的办公网和视频网业务由园区专用UPF（可选专用5GC）就近转发至园区网络核心交换机。通过5G网络承载的生产业务（关键设备状态监测，阀门状态监测）由部署于生产区的专用UPF/MEC（可选专用轻量化5GC）网络切片规划由于石化业务在网络需求方面存在显著差异，根据业务的特点，结合相应设备和关键技术选型，形成以下石化5G虚拟专网切片规划方案。图19 石化5G虚拟专网切片规划5G虚拟专网网络表4 网络切片承载业务规划切片分类切片分类说明切片承载业务生产专网切片关键生产设备和阀门状态信息采集，独立硬切片，最高优先级保障关键设备状态监测，阀门状态监测视频专网切片石化视频类业务，按照业务优先级按需进行保障初期火情识别、智能巡检、机器人巡检和智能仓储中的视频类业务、应急演练VR桌面推演，长输管线泄露监测与巡检办公专网切片石化数据监测类，办公类业务，按照业务优先级按需进行保障无人机应急救援、初期火情识别、智能巡检和机器人巡检中的数据监测与回传业务，LADR智能检测RB资源预留技术、承载侧使用FlexE或MTN切片技术、核心网使用生产专用UPF/MEC（或专用其轻量化5GC），实现与石化视频/办公专网业务、其他toB业务以及及公网业务之间的硬隔离。石化视频/办公专网业务通过无线侧切片+5QIVPN专用UPF/MEC（或专用5GC），实现与其他toB业务及公网业务的逻辑隔离。具体网络切片设计方案如下。表5 网络切片设计方案业务类型方案终端无线传输核心网切片及DNN终端侧根据业务类型接部署于生产区为生产专网切生产专网业务入1个或多过切片实现RB资源预留，切片+5QI优先级调度FlexE或切片隔离+VPN隔离机房的生产专用专用轻量化片分配专属的S-NSSAI需为业务分配业务之间的5GC）专属的DNN隔离终端侧根据视频专网业务入1个或多业务之间的切片+5QI优先级调度FlexE或切片隔离+VPN隔离部署于园区中心机房的园区专用UPF/MEC（或专用