作者：機械工業(yè)儀器儀表綜合技術經(jīng)濟研究所傳感與網(wǎng)絡中心副主任 趙艷領
隨著制造企業(yè)數(shù)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(xiàn)工廠的數(shù)字化、網(wǎng)絡化、無人化、智能化。2023年5月，業(yè)界首個《智慧工廠F5G全光網(wǎng)應用技術白皮書》（下稱白皮書）由中國勘察設計協(xié)會，聯(lián)合ONA聯(lián)盟等機構在F5G產業(yè)峰會暨ONA年度盛典上正式發(fā)布。本白皮書定義智慧工廠F5G全光網(wǎng)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(wǎng)絡生態(tài)標準的完善。
F5G全光網(wǎng)具有簡架構，高可靠，智運維的特點。相比傳統(tǒng)工業(yè)網(wǎng)絡，F(xiàn)5G全光網(wǎng)采用了扁平化二層架構，減少了匯聚層。降低了網(wǎng)絡層級，讓整個工廠網(wǎng)絡更加簡便。另一方面，傳統(tǒng)園區(qū)末端以網(wǎng)線布線為主，而F5G全光網(wǎng)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(wǎng)絡建設趨勢和挑戰(zhàn)、F5G全光網(wǎng)的方案介紹、設計參考以及案例說明等。系統(tǒng)地闡述了智慧工廠F5G全光網(wǎng)及設計原則，包括業(yè)務規(guī)劃、網(wǎng)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(wǎng)的應用案例，包括光伏/半導體制造、車輛制造、重工制造、醫(yī)療制造等行業(yè)場景的應用案例。
白皮書分為六個部分：一是智能制造的發(fā)展趨勢；二是智慧工廠網(wǎng)絡建設趨勢與挑戰(zhàn)；三是智慧工廠F5G全光網(wǎng)定義與技術優(yōu)勢；四是智慧工廠F5G全光網(wǎng)設計；五是F5G智慧工廠F5G應用案例；六是智慧工廠F5G全光網(wǎng)生態(tài)建設。
智能制造的發(fā)展趨勢：
我國智能制造發(fā)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(fā)力、多方協(xié)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(fā)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(xiàn)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(yè)會利用大數(shù)據(jù)、人工智能和物聯(lián)網(wǎng)技術，在智慧園區(qū)內建設基于智能制造核心驅動的能效管理系統(tǒng)，對設備能耗信息、環(huán)境信息及運營信息進行統(tǒng)計、分析，得出與能涌消耗及能滯效率相關的決策性數(shù)據(jù)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(xiàn)多能涌、多業(yè)態(tài)和多用戶的綜合管理。另一方面，隨著數(shù)字化時代的發(fā)展，實現(xiàn)了軟件化并產生了大量數(shù)據(jù)。這些數(shù)據(jù)分為兩類：IT數(shù)據(jù)與OT數(shù)據(jù)。基于物理實體的基本狀態(tài)，將兩類數(shù)據(jù)融合，可以構建設施、設備和產品的完整數(shù)字孿生模型，涵蓋從收到訂單、制作生產到發(fā)貨物流監(jiān)控全過程，實時監(jiān)測，還可以在數(shù)字世界提前預測未來可能的業(yè)務變化，做出數(shù)據(jù)驅動的決策，提高智能制造敏捷性。
智慧工廠網(wǎng)絡建設趨勢與挑戰(zhàn)：
智慧工廠需要通過統(tǒng)一的智能云平臺搭建數(shù)字化底座，把工廠的各個系統(tǒng)統(tǒng)一部署在云平臺上，業(yè)務云化成為一個明顯的趨勢。傳統(tǒng)工廠數(shù)字化水平不高，各個系統(tǒng)往往各自為政，各種服務器都分散在本地部署，每個子系統(tǒng)各自成網(wǎng)。
隨著制造行業(yè)數(shù)字化水平的不斷提升，越來越多的制造企業(yè)都在采用云業(yè)務，各種業(yè)務和應用服務器都集中部署到了數(shù)據(jù)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(shù)據(jù)中心節(jié)點，工廠網(wǎng)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?yōu)橐阅媳毕蛄髁繛橹鳎ù怪狈较虻牧髁浚�。業(yè)務的云化、架構的改變、系統(tǒng)的統(tǒng)一、應用的新增，都給智慧工廠網(wǎng)絡提出了新的挑戰(zhàn)，需要建一張適應網(wǎng)絡南北流量為主、架構簡單、設計統(tǒng)一、支持業(yè)務快速部署和持續(xù)演進的基礎網(wǎng)絡。
除了業(yè)務的云化，WLAN應用以及對網(wǎng)絡運維簡化的訴求，也對傳統(tǒng)工業(yè)網(wǎng)絡提出了新的挑戰(zhàn)。傳統(tǒng)園區(qū)工廠部署的Cat5和Cat6銅纜（網(wǎng)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(wǎng)線。若后續(xù)升級到Wi-Fi 7，電纜還要更換一次，整體WLAN升級AP傳輸網(wǎng)絡綜合布線改動工作量非常大。傳統(tǒng)制造工廠各個子系統(tǒng)獨立，各自成網(wǎng)導致整個制造工廠通常有多張煙囪式網(wǎng)絡組網(wǎng)，網(wǎng)絡規(guī)劃沒有統(tǒng)一的架構，多級網(wǎng)絡設備的串接導致網(wǎng)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(wǎng)定義與技術優(yōu)勢：
F5G就是第五代固定網(wǎng)絡，是以全光網(wǎng)絡技術作為支撐，帶寬、連接數(shù)、網(wǎng)絡體驗方面有飛躍性發(fā)展。F5G全光網(wǎng)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(qū)網(wǎng)絡，主要包括光線路終端OLT、無源光配線網(wǎng)絡ODN、光網(wǎng)絡單元ONU等，能夠統(tǒng)一承載工業(yè)生產控制數(shù)據(jù)、生產現(xiàn)場感知數(shù)據(jù)、視頻監(jiān)控數(shù)據(jù)、辦公數(shù)據(jù)、語音通話數(shù)據(jù)等多業(yè)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(wǎng)絡扁平化的優(yōu)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(wǎng)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(xiàn)問題，Type B或者Type C會自動觸發(fā)網(wǎng)絡的保護，無需人工干預，實現(xiàn)鏈路業(yè)務的自動切換。同時，設備本身的抗電磁干擾，寬溫，數(shù)據(jù)加密等能力，也為工廠網(wǎng)絡提供了更強的保護。
最后，由于OLT設備實現(xiàn)了對ONU設備的集中管理，在OLT設備或者網(wǎng)絡管理設備上都可支持整個網(wǎng)絡數(shù)據(jù)的快速收集和處理，可在網(wǎng)絡管理設備上對整個網(wǎng)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(xiàn)整個園區(qū)網(wǎng)絡的故障實時感知、高效管理，保障業(yè)務實時在線。
智慧工廠F5G全光網(wǎng)設計：
F5G為智慧工廠園區(qū)的生產網(wǎng)絡、視頻監(jiān)控網(wǎng)絡、辦公網(wǎng)絡提供了全新的解決方案。
通常，生產網(wǎng)絡獨立建網(wǎng)，其接入層至核心層的網(wǎng)絡設備和光纖鏈路與辦公網(wǎng)和視頻監(jiān)控網(wǎng)的網(wǎng)絡設備物理隔離，最大程度上保證生產網(wǎng)絡的獨立性、可靠性、安全性。生產網(wǎng)絡和辦公網(wǎng)、視頻監(jiān)控網(wǎng)之間通過防火墻通信。
白皮書針對不同場景，在網(wǎng)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(yè)界廣泛應用，受到了廣泛的好評。當前已經(jīng)覆蓋諸如半導體電子、車輛裝備、輕工業(yè)等諸多行業(yè)。白皮書列舉了10個典型的案例，為F5G在行業(yè)內進一步應用夯實了基礎。
智慧工廠F5G全光網(wǎng)生態(tài)建設：
從產業(yè)鏈來看，全光網(wǎng)絡的端到端的產業(yè)鏈（包含光模塊、光器件，光的芯片、光纖等），中國的企業(yè)都具備了自主研發(fā)的能力，競爭力非常強。
最后，《白皮書》還對當前F5G全光網(wǎng)主要廠商做了相關介紹。目前，在F5G全光網(wǎng)產業(yè)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(yè)下游應用方面，以制造、醫(yī)療、教育、交通等行業(yè)為代表的智慧園區(qū)網(wǎng)建設將是F5G全光網(wǎng)的重點應用領域。
隨著萬物互聯(lián)的發(fā)展趨勢，數(shù)據(jù)中心、專線、家庭、生產制造、辦公園區(qū)等場景聯(lián)接將會以指數(shù)級增長。隨著全球聯(lián)接數(shù)的進一步增加，F(xiàn)5G網(wǎng)絡將推動光纖網(wǎng)絡覆蓋部署進一步延伸，延伸到企業(yè)的每一個場景，到企業(yè)桌面，到工廠的機器設備，還將覆蓋每個數(shù)據(jù)中心，最終邁向光聯(lián)萬物。
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