工业F5G全光网络是智能制造关键技术之一，以其构建的高可靠、大带宽、低延时工厂信息基础网络能够统一承载工厂内的生产、安全和办公等各类活动，保证工厂内各类数据的快速准确流动，从而实现工厂内生产的自动化，数据流动的自动化和知识工作的自动化。工业F5G具有简架构，易管理，绿色节能等特点，正在成为连接未来工业的关键，为国家新型工业化建设和打造工业领域新质生产力发挥基础保障支撑作用。

一、综述

当今世界处于百年未有之大变局，国际环境日趋复杂，全球产业和科技竞争更趋激烈，大国之间战略博弈进一步聚焦在制造业，美欧日等发达国家均制定了相应的政策以重振本国的制造业，这些政策均以智能制造为抓手，力图抢占全球制造业新一轮竞争制高点。而我国目前已发布智能制造方面的国家标准408项，涉及43个典型应用场景和135项标准应用试点项目。

在智能制造及工厂数字化转型过程中，网络是需优先考虑的信息高速公路，是工厂数字化、信息化的底座和基础，智能工厂建设需要选择合适的ICT网络技术，而工业F5G全光网络技术成熟先进，改进了许多传统网络中的不足，已在国内外各类工业项目中得到了广泛的应用，截至目前，绿色全光网络技术委员会（简称ONA）已发布了智慧工厂F5G全光网应用技术白皮书、智慧工厂F5G全光网设计指南和电子工业全光网络工程技术规范等多个F5G全光网络工业方面应用的技术文件和标准。

二、工业F5G全光网络应时而生

工业F5G全光网络是由中国最先提出的第五代固定网络，F5G具有大带宽、多连接和好体验三个关键特征，其代表性的技术包括10GPON（无源光网络）技术、Wi-Fi6技术、每波长200G/400G光传输技术、下一代OTN（光传送网）技术等。

工业F5G全光网络和传统以太网相比，实现了网络的扁平化管理，在工业F5G全光网络中，OLT（光线路终端）设备和核心交换机一起部署于工厂核心机房；ONU（光网络单元）尽可能靠近生产线或最终的设备接入端，中间采用光纤和无源分光器来进行连接。

目前，以机器视觉为代表的AI技术在工业领域被广泛应用到产品在线质量检测、生产环境安全监控及AGV自动导航等，由于AI技术基于图像数据采集，因而对网络带宽及时延要求比较高，传统的网络难以满足，工业F5G全光网络应时而生。

图1 工业F5G全光网络总体框架图

三、关键技术与应用分析

1.简架构

工业F5G全光网架构中，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，变更为扁平化的二层网络架构，实现了架构上的优化。

工业F5G全光网采用的无源分光器无需供电，且可部署于工厂任意位置，可取消或者减少弱电间的空间，提高工厂建筑空间的利用率。

工业F5G全光网的简架构很好地契合了生产业务云化的趋势，工厂内各业务可从接入侧直达网络核心，减少中间的有源汇聚环节，具有低时延、好体验、少拥塞的特点。

2.高可靠

工业F5G全光网可提供TypeB或者TypeC的保护方式，支持从ONU上端口到OLT上行端口之间的设备和光纤保护。可根据不同的应用场景选择不同的组网方式，提供不同程度的保护。如果光纤或者设备出现问题，TypeB或者TypeC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。

表1 工业F5G全光网络组网方式选择表

3.PON技术

工业F5G全光网络PON主要有GPON、XGS-PON、XGS-PON和GPONComboPON技术。其中，GPON技术OLT单个PON口下行带宽2.5Gbps、上行带宽1.25Gbps。XGS-PON技术OLT单个PON口上行、下行带宽均为10Gbps。XGS-PON和GPONCombo技术是GPON和XGS-PON技术融合接入技术，同时支持GPON业务通道和XGS-PON业务通道进行业务数据传输，GPON/XGS-PON业务通道采用不同的光波长独立传输。支持XGS-PON和GPONCombo技术的业务单板的PON口支持同时接入GPON和XGS-PON类型的ONU。

4.网络设计

工业F5G全光网络为工厂内的生产网络、安全视频监控网络、办公网络提供了全新的解决方案。

图2 典型工业F5G全光网络架构图

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。

表2 工厂常见业务类型与网络性能要求

工业F5G全光网络中，OLT至单个ONU之间全程光信道衰减指标的设计应根据光纤信道的实际配置、结合项目中选定的各种无源器件的技术性能指标，计算并满足应满足表3要求。

表3 工业F5G全光网络信道损耗要求

工业F5G全光网络信道衰减计算公式如下：

四、总结

随着F5G全光网络在工业各领域工厂中的广泛应用，证明了其具有下述特点，一是二层极简架构，产线生产数据由ONU直达OLT；二是光纤到产线或进机器，工业级ONU产线机台内安装，车间实现机柜安装，提高了车间的综合利用效率；三是全光纤布线，实现产线生产信息点灵活接入，数据高可靠回传；四是智能管理全网设备、业务流量远程实时可视，ONU免配置即插即用。

工业F5G全光网络正以其网络无源，长距覆盖，如厂房长超过100m，能够轻松覆盖，汇聚层无需机房机柜，节省空间；安全可靠，保障生产，如抗电磁干扰、抗腐蚀、抗老化，双链路保护、生产业务无中断服务；灵活调整，柔性制造，如分光器预留端口，未来易扩展，新增点位无需再部署信息箱等无与伦比的优越性能给用户带来前所未有的价值体验。（作者系中国机械工业建设集团有限公司刚轶金、夏巍，中国水利水电科学研究院尚毅梓）

参考文献：1、张军、张锐利、刚轶金等，[智慧工厂F5G全光网设计指南]（2024.5）；2、张军、张锐利、刚轶金等，[智慧工厂F5G全光网应用技术白皮书]（2023.4）；3、鞠进、李峰、吕晓威等，[F5G全光工业网络在智慧港口中的应用][J]，（港口科技2024.03）；4、林艳，粟卫权，[F5G全光网在工业园区中的应用][J]（智能建筑，2021.08）；5、韩忠利：保德煤矿F5G全光工业网设计及应用[J],（中国矿业，2023.06）