作者：機械工業儀器儀表綜合技術經濟研究所傳感與網絡中心副主任 趙艷領
隨著制造企業數字化轉型的不斷深入，提出了"智慧工廠"、"黑燈工廠"的概念，其本質是借助不斷進步的ICT技術實現工廠的數字化、網絡化、無人化、智能化。2023年5月，業界首個《智慧工廠F5G全光網應用技術白皮書》（下稱白皮書）由中國勘察設計協會，聯合ONA聯盟等機構在F5G產業峰會暨ONA年度盛典上正式發布。本白皮書定義智慧工廠F5G全光網的應用架構、設計原則，旨在推進F5G在智慧工廠建設方面帶來的巨大價值和全新體驗，并加快智慧工廠F5G 全光網絡生態標準的完善。
F5G全光網具有簡架構，高可靠，智運維的特點。相比傳統工業網絡，F5G全光網采用了扁平化二層架構，減少了匯聚層。降低了網絡層級，讓整個工廠網絡更加簡便。另一方面，傳統園區末端以網線布線為主，而F5G全光網則以光纖為主，在建設成本和部署效率上，都有了明顯的改進。
白皮書包括智慧工廠網絡建設趨勢和挑戰、F5G全光網的方案介紹、設計參考以及案例說明等。系統地闡述了智慧工廠F5G全光網及設計原則，包括業務規劃、網絡架構設計、綜合布線設計、分光器/ONU安裝部署設計、設備選型建議等。同時提供了智慧工廠F5G全光網的應用案例，包括光伏/半導體制造、車輛制造、重工制造、醫療制造等行業場景的應用案例。
白皮書分為六個部分：一是智能制造的發展趨勢；二是智慧工廠網絡建設趨勢與挑戰；三是智慧工廠F5G全光網定義與技術優勢；四是智慧工廠F5G全光網設計；五是F5G智慧工廠F5G應用案例；六是智慧工廠F5G全光網生態建設。
智能制造的發展趨勢：
我國智能制造發展已從初期的理念普及、試點示范階段進入到試點示范引領、供需兩端發力、多方協同推進的新階段。未來智能制造將向著低碳，IT和OT融合等方向發展。一方面，中國提出了"雙碳"目標，力爭于2030年前達到峰值，努力爭取2060年前實現碳中和。作為先進生產力代表的智能制造，與"雙碳"關系密切。未來制造企業會利用大數據、人工智能和物聯網技術，在智慧園區內建設基于智能制造核心驅動的能效管理系統，對設備能耗信息、環境信息及運營信息進行統計、分析，得出與能涌消耗及能滯效率相關的決策性數據和信息，幫助管理人員了解歷史和當前的能涌使用狀況，預測未來的能耗趨勢，輔助管理人員做出正確的能滯改善策略，實現多能涌、多業態和多用戶的綜合管理。另一方面，隨著數字化時代的發展，實現了軟件化并產生了大量數據。這些數據分為兩類：IT數據與OT數據。基于物理實體的基本狀態，將兩類數據融合，可以構建設施、設備和產品的完整數字孿生模型，涵蓋從收到訂單、制作生產到發貨物流監控全過程，實時監測，還可以在數字世界提前預測未來可能的業務變化，做出數據驅動的決策，提高智能制造敏捷性。
智慧工廠網絡建設趨勢與挑戰：
智慧工廠需要通過統一的智能云平臺搭建數字化底座，把工廠的各個系統統一部署在云平臺上，業務云化成為一個明顯的趨勢。傳統工廠數字化水平不高，各個系統往往各自為政，各種服務器都分散在本地部署，每個子系統各自成網。
隨著制造行業數字化水平的不斷提升，越來越多的制造企業都在采用云業務，各種業務和應用服務器都集中部署到了數據中心機房，或部署在公有云/私有云上，工廠內的終端設備訪問服務器都需要到數據中心節點，工廠網絡的流量模型從原來的以東西向流量為主（水平方向的流量）演變為以南北向流量為主（垂直方向的流量）。業務的云化、架構的改變、系統的統一、應用的新增，都給智慧工廠網絡提出了新的挑戰，需要建一張適應網絡南北流量為主、架構簡單、設計統一、支持業務快速部署和持續演進的基礎網絡。
除了業務的云化，WLAN應用以及對網絡運維簡化的訴求，也對傳統工業網絡提出了新的挑戰。傳統園區工廠部署的Cat5和Cat6銅纜（網線）面臨著帶寬瓶頸，無法支持萬兆帶寬100米遠的傳輸，需要全部更換為支持萬兆的Cat6A及以上網線。若后續升級到Wi-Fi 7，電纜還要更換一次，整體WLAN升級AP傳輸網絡綜合布線改動工作量非常大。傳統制造工廠各個子系統獨立，各自成網導致整個制造工廠通常有多張煙囪式網絡組網，網絡規劃沒有統一的架構，多級網絡設備的串接導致網絡冗余，建設/維護工作量將會成倍增加，對維護人力也提出了很大的需求
智慧工廠F5G全光網定義與技術優勢：
F5G就是第五代固定網絡，是以全光網絡技術作為支撐，帶寬、連接數、網絡體驗方面有飛躍性發展。F5G全光網在智慧工廠場景，以單模光纖為介質，采用10G GPON（兼容GPON）、Wi-Fi 6為主的第五代固定接入技術構建的園區網絡，主要包括光線路終端OLT、無源光配線網絡ODN、光網絡單元ONU等，能夠統一承載工業生產控制數據、生產現場感知數據、視頻監控數據、辦公數據、語音通話數據等多業務，具備簡架構、易演進、智運維和高可靠等特性。
所謂簡架構是指F5G智慧工廠具有網絡扁平化的優勢，在整個架構中采用無源的分光器替代了原來的有源匯聚交換機設備，減少了匯聚層。而無源分光器無需供電，且可部署于任意位置，可考慮取消或者減少弱電間的空間，提高建筑空間的利用率。
高可靠主要來源于F5G全光網可可提供Type B或者Type C的保護方式，即如果光纖或者設備出現問題，Type B或者Type C會自動觸發網絡的保護，無需人工干預，實現鏈路業務的自動切換。同時，設備本身的抗電磁干擾，寬溫，數據加密等能力，也為工廠網絡提供了更強的保護。
最后，由于OLT設備實現了對ONU設備的集中管理，在OLT設備或者網絡管理設備上都可支持整個網絡數據的快速收集和處理，可在網絡管理設備上對整個網絡的部署情況、告警情況、健康度等各種報表進行收集、顯示和快速處理，實現整個園區網絡的故障實時感知、高效管理，保障業務實時在線。
智慧工廠F5G全光網設計：
F5G為智慧工廠園區的生產網絡、視頻監控網絡、辦公網絡提供了全新的解決方案。
通常，生產網絡獨立建網，其接入層至核心層的網絡設備和光纖鏈路與辦公網和視頻監控網的網絡設備物理隔離，最大程度上保證生產網絡的獨立性、可靠性、安全性。生產網絡和辦公網、視頻監控網之間通過防火墻通信。
白皮書針對不同場景，在網絡架構，布線設計，設備選型等方面給出了詳細的描述。
F5G智慧工廠F5G應用案例：
F5G智慧工廠在業界廣泛應用，受到了廣泛的好評。當前已經覆蓋諸如半導體電子、車輛裝備、輕工業等諸多行業。白皮書列舉了10個典型的案例，為F5G在行業內進一步應用夯實了基礎。
智慧工廠F5G全光網生態建設：
從產業鏈來看，全光網絡的端到端的產業鏈（包含光模塊、光器件，光的芯片、光纖等），中國的企業都具備了自主研發的能力，競爭力非常強。
最后，《白皮書》還對當前F5G全光網主要廠商做了相關介紹。目前，在F5G全光網產業中，以華為技術、諾基亞貝爾，長飛等為代表的設備供應商正積極布局和推廣其F5G全光產品。產業下游應用方面，以制造、醫療、教育、交通等行業為代表的智慧園區網建設將是F5G全光網的重點應用領域。
隨著萬物互聯的發展趨勢，數據中心、專線、家庭、生產制造、辦公園區等場景聯接將會以指數級增長。隨著全球聯接數的進一步增加，F5G網絡將推動光纖網絡覆蓋部署進一步延伸，延伸到企業的每一個場景，到企業桌面，到工廠的機器設備，還將覆蓋每個數據中心，最終邁向光聯萬物。
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