作者：机械工业仪器仪表综合技术经济研究所传感与网络中心副主任 赵艳领
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随着制造企业数字化转型的不断深入，提出了"智慧工厂"、"黑灯工厂"的概念，其本质是借助不断进步的ICT技术实现工厂的数字化、网络化、无人化、智能化。2023年5月，业界首个《智慧工厂F5G全光网应用技术白皮书》（下称白皮书）由中国勘察设计协会，联合ONA联盟等机构在F5G产业峰会暨ONA年度盛典上正式发布。本白皮书定义智慧工厂F5G全光网的应用架构、设计原则，旨在推进F5G在智慧工厂建设方面带来的巨大价值和全新体验，并加快智慧工厂F5G 全光网络生态标准的完善。
F5G全光网具有简架构，高可靠，智运维的特点。相比传统工业网络，F5G全光网采用了扁平化二层架构，减少了汇聚层。降低了网络层级，让整个工厂网络更加简便。另一方面，传统园区末端以网线布线为主，而F5G全光网则以光纤为主，在建设成本和部署效率上，都有了明显的改进。
白皮书包括智慧工厂网络建设趋势和挑战、F5G全光网的方案介绍、设计参考以及案例说明等。系统地阐述了智慧工厂F5G全光网及设计原则，包括业务规划、网络架构设计、综合布线设计、分光器/ONU安装部署设计、设备选型建议等。同时提供了智慧工厂F5G全光网的应用案例，包括光伏/半导体制造、车辆制造、重工制造、医疗制造等行业场景的应用案例。
白皮书分为六个部分：一是智能制造的发展趋势；二是智慧工厂网络建设趋势与挑战；三是智慧工厂F5G全光网定义与技术优势；四是智慧工厂F5G全光网设计；五是F5G智慧工厂F5G应用案例；六是智慧工厂F5G全光网生态建设。
智能制造的发展趋势：
我国智能制造发展已从初期的理念普及、试点示范阶段进入到试点示范引领、供需两端发力、多方协同推进的新阶段。未来智能制造将向着低碳，IT和OT融合等方向发展。一方面，中国提出了"双碳"目标，力争于2030年前达到峰值，努力争取2060年前实现碳中和。作为先进生产力代表的智能制造，与"双碳"关系密切。未来制造企业会利用大数据、人工智能和物联网技术，在智慧园区内建设基于智能制造核心驱动的能效管理系统，对设备能耗信息、环境信息及运营信息进行统计、分析，得出与能涌消耗及能滞效率相关的决策性数据和信息，帮助管理人员了解历史和当前的能涌使用状况，预测未来的能耗趋势，辅助管理人员做出正确的能滞改善策略，实现多能涌、多业态和多用户的综合管理。另一方面，随着数字化时代的发展，实现了软件化并产生了大量数据。这些数据分为两类：IT数据与OT数据。基于物理实体的基本状态，将两类数据融合，可以构建设施、设备和产品的完整数字孪生模型，涵盖从收到订单、制作生产到发货物流监控全过程，实时监测，还可以在数字世界提前预测未来可能的业务变化，做出数据驱动的决策，提高智能制造敏捷性。
智慧工厂网络建设趋势与挑战：
智慧工厂需要通过统一的智能云平台搭建数字化底座，把工厂的各个系统统一部署在云平台上，业务云化成为一个明显的趋势。传统工厂数字化水平不高，各个系统往往各自为政，各种服务器都分散在本地部署，每个子系统各自成网。
随着制造行业数字化水平的不断提升，越来越多的制造企业都在采用云业务，各种业务和应用服务器都集中部署到了数据中心机房，或部署在公有云/私有云上，工厂内的终端设备访问服务器都需要到数据中心节点，工厂网络的流量模型从原来的以东西向流量为主（水平方向的流量）演变为以南北向流量为主（垂直方向的流量）。业务的云化、架构的改变、系统的统一、应用的新增，都给智慧工厂网络提出了新的挑战，需要建一张适应网络南北流量为主、架构简单、设计统一、支持业务快速部署和持续演进的基础网络。
除了业务的云化，WLAN应用以及对网络运维简化的诉求，也对传统工业网络提出了新的挑战。传统园区工厂部署的Cat5和Cat6铜缆（网线）面临着带宽瓶颈，无法支持万兆带宽100米远的传输，需要全部更换为支持万兆的Cat6A及以上网线。若后续升级到Wi-Fi 7，电缆还要更换一次，整体WLAN升级AP传输网络综合布线改动工作量非常大。传统制造工厂各个子系统独立，各自成网导致整个制造工厂通常有多张烟囱式网络组网，网络规划没有统一的架构，多级网络设备的串接导致网络冗余，建设/维护工作量将会成倍增加，对维护人力也提出了很大的需求
智慧工厂F5G全光网定义与技术优势：
F5G就是第五代固定网络，是以全光网络技术作为支撑，带宽、连接数、网络体验方面有飞跃性发展。F5G全光网在智慧工厂场景，以单模光纤为介质，采用10G GPON（兼容GPON）、Wi-Fi 6为主的第五代固定接入技术构建的园区网络，主要包括光线路终端OLT、无源光配线网络ODN、光网络单元ONU等，能够统一承载工业生产控制数据、生产现场感知数据、视频监控数据、办公数据、语音通话数据等多业务，具备简架构、易演进、智运维和高可靠等特性。
所谓简架构是指F5G智慧工厂具有网络扁平化的优势，在整个架构中采用无源的分光器替代了原来的有源汇聚交换机设备，减少了汇聚层。而无源分光器无需供电，且可部署于任意位置，可考虑取消或者减少弱电间的空间，提高建筑空间的利用率。
高可靠主要来源于F5G全光网可可提供Type B或者Type C的保护方式，即如果光纤或者设备出现问题，Type B或者Type C会自动触发网络的保护，无需人工干预，实现链路业务的自动切换。同时，设备本身的抗电磁干扰，宽温，数据加密等能力，也为工厂网络提供了更强的保护。
最后，由于OLT设备实现了对ONU设备的集中管理，在OLT设备或者网络管理设备上都可支持整个网络数据的快速收集和处理，可在网络管理设备上对整个网络的部署情况、告警情况、健康度等各种报表进行收集、显示和快速处理，实现整个园区网络的故障实时感知、高效管理，保障业务实时在线。
智慧工厂F5G全光网设计：
F5G为智慧工厂园区的生产网络、视频监控网络、办公网络提供了全新的解决方案。
通常，生产网络独立建网，其接入层至核心层的网络设备和光纤链路与办公网和视频监控网的网络设备物理隔离，最大程度上保证生产网络的独立性、可靠性、安全性。生产网络和办公网、视频监控网之间通过防火墙通信。
白皮书针对不同场景，在网络架构，布线设计，设备选型等方面给出了详细的描述。
F5G智慧工厂F5G应用案例：
F5G智慧工厂在业界广泛应用，受到了广泛的好评。当前已经覆盖诸如半导体电子、车辆装备、轻工业等诸多行业。白皮书列举了10个典型的案例，为F5G在行业内进一步应用夯实了基础。
智慧工厂F5G全光网生态建设：
从产业链来看，全光网络的端到端的产业链（包含光模块、光器件，光的芯片、光纤等），中国的企业都具备了自主研发的能力，竞争力非常强。
最后，《白皮书》还对当前F5G全光网主要厂商做了相关介绍。目前，在F5G全光网产业中，以华为技术、诺基亚贝尔，长飞等为代表的设备供应商正积极布局和推广其F5G全光产品。产业下游应用方面，以制造、医疗、教育、交通等行业为代表的智慧园区网建设将是F5G全光网的重点应用领域。
随着万物互联的发展趋势，数据中心、专线、家庭、生产制造、办公园区等场景联接将会以指数级增长。随着全球联接数的进一步增加，F5G网络将推动光纤网络覆盖部署进一步延伸，延伸到企业的每一个场景，到企业桌面，到工厂的机器设备，还将覆盖每个数据中心，最终迈向光联万物。
点击下载白皮书：《智慧工厂F5G全光网应用技术白皮书》
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