“双千兆”网络协同发展行动计划(2021-2023年)「构建“双千兆”数字工厂的研究」

通信世界网消息（CWW）随着科技的迅速发展和工业生产环境的变革，工厂数字化已经成为制造业转型升级的重要趋势。数字工厂以信息技术为核心，通过将传感器、物联网、大数据分析和人工智能等先进技术与制造过程相结合，实现生产流程的智能化、高效化和灵活化。在这一背景下，构建高速、可靠的网络基础设施成为数字工厂的重要需求，以支持实时数据传输和处理，从而实现管理决策和生产优化。为满足这一需求，研究工业环境下的千兆光网和5G的组网方案、网络架构和关键技术变得至关重要。

本文旨在深入研究工业环境中千兆光网和5G的应用，探讨其在构建高速、可靠的网络基础设施方面的潜力和优势。重点关注数字工厂中大规模数据传输和实时应用的需求，通过提供支持和解决方案，推动工厂的智慧化、信息化和自动化发展。这将有助于进一步推动数字工厂的发展，促进制造业向更高效、更智能的方向迈进。

数字工厂网络需求分析

数字工厂网络是连接厂内各种设备、传感器和计算机系统的关键基础设施，能够实现数据传输、实时监测和控制等，推动生产流程的智能化和高效化。它分为工厂外网和工厂内网，前者用于企业与供应链伙伴、用户间的协作与信息交换，后者实现工厂内部各设备和系统的互联。工业网络需具备以下特点：一是网络隔离确保安全性；二是本地存储以保护数据；三是满足超低时延、高带宽、稳定时序和高可靠性需求，实现不同设备间的数据协议转化。同时，工业网络需要支持私网与公网访问，融合5G技术满足有线与无线连接需求，借助人工智能优化管控模型和提升效率，应对不断增长的工业需求。

随着工业互联网的迅速发展，工厂对于设计、生产和运营等全生命周期的精细化管理需求逐渐增加。这种趋势背后的目标在于降低人力成本、资源消耗，同时提升整体运行效率。因此，工厂对网络基础设施的要求也日益提高，具体需求如下。

一是高带宽需求。随着工厂的数字化进程，大量的设备和系统不断产生数据，这些数据通常需要实时传输和处理。例如，高清视频监控、远程操作和3D建模等都需要大量的带宽。因此，工厂网络不仅要满足当前的带宽需求，还要预留足够的空间以满足未来需求的增长。

二是低延迟需求。生产环境中的许多关键操作，如机器人协同、实时质检和远程控制等，都对延迟有严格的要求。网络的任何微小延迟都可能导致生产中断或出现品质问题。因此，工厂网络需要低延迟，确保所有任务都可以得到实时响应，并保证操作的准确性和同步性。

三是稳定性和可靠性需求。工厂生产通常是24小时不间断的，任何网络的中断都可能导致巨大的经济损失。为此，需要利用多路径冗余、自动故障转移和持续的健康检查等技术确保网络始终在线，保证工厂网络的高稳定性和高可靠性。

四是安全性需求。工厂网络需要具备足够的安全性，例如数据加密确保数据传输的机密性、访问控制确保只有经过授权的用户和设备才能接入网络，以及网络防火墙和其他安全技术，确保网络不受外部和内部的恶意攻击。

五是灵活性和可扩展性需求。工厂的需求和技术是不断变化的，网络应当能够适应这些变化。这意味着当引入新的设备、传感器或系统时，网络能够轻松地支持它们，而不需要大规模重构。此外，随着工厂规模扩张，网络应能够无缝地扩展，以满足更大的数据传输需求。

六是高密度连接需求。数字工厂的每一个角落都有可能布置网络设备、传感器和终端，它们都需要接入网络。这就要求网络设备（如交换机和路由器等）具备高密度的连接能力，以确保工厂中的每个设备都能够稳定地接入网络。

数字工厂网络部署策略

数字工厂网络架构

在工厂信息化、数字化和智慧化驱动下，远程协助、智能监控、数据采集等诸多技术应用场景不断出现，千兆网络通过稳定的光纤连接，具备出色的传输带宽和抗干扰性能，更适合室内和复杂环境。而5G网络则凭借高度灵活性和易用性等特点，呈现出显著的技术优势。在由5G、千兆光网组成的“双千兆”网络中，二者互相补充，互相促进，成为数字工厂的底座。数字工厂网络架构如图1所示。

图1 数字工厂网络架构

工业千兆光网部署策略

基于PON技术构建的工业级千兆光网络，可实现对于企业多个子网的OLT融合承载，从而确保工厂网络的全方位覆盖。PON网络具有强大的连接能力，单台OLT能够接入超过1万个终端，保证工厂所有业务设备的无缝连接。通过XGS-PON技术，支持高达10Gbit/s的双向数据传输速率，完美适应固定、移动办公以及高清安防监控的大数据流量需求。为了满足多种类型的工业设备接入需求，在接近用户设备的地方部署ONU，确保其多端口和多接口连接需求得到满足。在接近生产线或楼层的地方，设置无源分光器以连接ONU。在车间的核心机房或总工厂机房中，部署OLT，从而集中管理整个工厂的光纤网络以及相关的PON设备。工业千兆光网网络架构如图2所示。

图2 工业千兆光网网络架构

在工业领域中，常常需要融合满足诸如生产网络、办公网络、安防监控和传感器等多个子网络的需求。针对工业应用场景，工业千兆光网可为多种业务提供综合性的差异化承载，确保工业企业网络的高带宽、低延迟、高稳定性和安全性。基于PON网络的网络切片技术，不仅能够为企业的多个子网提供集成的OLT融合承载，从而减少网络建设的总成本、提高设备使用效率；还可以利用网络资源分区和分级管理，确保各个子网之间的数据安全与隔离。

工业千兆光网还可以提供智能、易用、可升级的系统，将智能网络与工业生产紧密连接，促进工厂自动化管理。OLT设备作为智能中枢，可以对所有ONU设备进行管理和配置。这种集中管理机制大幅减少了网络管理节点，简化了数据配置、部署和管理流程；兼容开局“即插即用”和维护“即换即通”的特性，提升了网络的效率和灵活性。OLT的集中管理机制支持实时收集、处理整个网络数据，使网络部署、告警、健康状况等能够快速得到监控、报告和处理，从而实现网络的高效管理和故障的及时感知。无源光纤网络的器件无需独立管理，简化了运维工作。整个网络的管理节点数量显著减少，与传统以太工业网络相比，管理更加便捷。无需独立配置ONU，整个工厂网络的管理节点仅包括少数OLT设备和核心交换机，大大降低了管理的复杂性。

新型PON OLT设备端提供边缘计算能力，促进工业数据的高效整合与分析。在OLT设备端引入通用的边缘计算能力，可降低硬件投入。同时，将数据预处理、存储和智能分析置于设备附近的网络边缘，不仅可以减少延迟处理和解决网络阻塞，还能与云端数据分析协同。工业PON ONU拥有多重嵌入式数据采集功能（如OPC数据采集和处理），可与PLC、生产管理系统及生产设备通信，实现工业云平台互联。此外，工业PON ONU支持集成开源或定制工业应用，实现个性化的数据采集和转换。通过这种方式，传统工业设备的信息化改造变得灵活、低成本，实现工业数据的高效整合与分析。

工业5G网络部署策略

将5G核心网用户面网元UPF下沉到工厂内，以便于用户面数据的传输和管理，满足业务多样性需求。5G边缘计算可以满足工业对低时延业务的迫切需求。利用5G切片技术，在工厂内实现多业务逻辑隔离，以满足不同的网络性能需求。此外，工业5G网络还支持多种接入方式，使得不同类型的终端设备都能够灵活接入网络。网络功能的微服务化设计使得各项网络功能模块更加灵活，能够根据实际需求进行定制和部署。智能运营编排的能力进一步提升了网络的自适应性和智能化，使得网络资源能够更加高效地分配和调度，以满足不同业务场景的要求。工业5G网络架构如图3所示。

图3 工业5G网络架构

首先，UPF下沉到工厂，实现实时精准定位和管理，提高生产效率、优化资源分配和确保安全性。作为核心网络的关键组件，U P F不仅保障网络运行质量，也承担着关键的网络安全责任。在工业场景中，特别是对时延敏感、对用户体验有严格要求的业务，以及需要在企业内部进行本地处理的情况下，将用户面协议处理单元下沉至企业园区或工厂机房，通过N4接口与会话管理功能SMF紧密协作，增强核心网络的整体安全性。为确保数据的保密性与完整性，防火墙被智能地部署在UPF的出口位置以及SMF的入口位置，为企业的网络和业务提供坚实的保护。这种架构的实施，将在工业生产环境中促进数据管理、资源利用和安全防护的协调发展。

其次，利用5G切片技术，企业可以在工厂内实现多业务逻辑隔离，以满足不同的网络性能需求。在工业领域，运用切片技术将物理网络划分为多个虚拟逻辑网络，以满足各种不同业务的多样化需求。每个虚拟网络对应不同的应用场景，通过规划和定制不同的切片，实现资源隔离和功能定制。在工业环境中，不同业务对网络的需求差异显著，如实时控制需要低延迟，大数据传输则需高带宽。切片技术能够确保各切片间资源隔离，满足上述差异化需求。每个切片代表完整的端到端网络，包括无线接入、传输和核心网络等。应用切片技术的关键是实现资源隔离、数据安全隔离和高效运维管理，这需要在不同网络域采用不同技术，例如核心网络可利用虚拟化技术实现切片的管理和隔离。

最后，5G边缘计算实现本地分流卸载，近端处理工业数据，满足安全隐私需求，降低时延，提升远程控制、协作等业务体验。在工业领域，及时获取和处理数据对于提高生产效率和优化资源利用至关重要。5G核心网用户面UPF下沉与边缘计算可组成边缘节点，设置于工业数据源附近，使数据能够在本地实现存储和处理，从而降低网络时延，实现快速数据处理和决策。相较于传统的集中部署云计算，5G边缘计算克服了传输延迟和抖动等挑战，解决了长延迟和高传输占用等问题，满足了工业领域对高带宽和实时性的双重要求。

工业云网融合部署策略

确保数据安全是工业企业的重要任务，因此，大部分工业数据存储在企业内部机房，并由企业自行管理，以防止数据外泄。然而，这可能导致数据隔离问题，即形成数据“孤岛”。为应对未来发展，工业互联网应运而生。在工业企业大力推动信息化、数字化和智能化的背景下，工业数据不仅价值倍增，还催生了丰富的工业应用能力。云计算和网络密切结合，相辅相成。工业企业逐渐向云端过渡，并与网络资源融为一体，这将是未来的发展趋势。云计算业务的增长一方面需要强大的网络能力来支持云之间的连接，另一方面，网络的加强也需要为云计算的发展提供支持，从而实现云与网络的紧密结合，相互协作。

边缘计算是满足工业互联网需求、促进工业数据上云和实现云边协同的关键。工业互联网广泛采用边缘计算，满足低时延、高带宽和高可靠性要求。边缘计算通过就近处理和传输数据，降低延迟、减轻传输压力、提高工业互联网服务吞吐量。同时，由于计算资源、处理能力、设备成本和应用灵活性等因素，企业逐渐将应用迁移到云端。然而，随着云与边缘之间的数据交换挑战逐渐凸显，云边协同管理体系显得尤为关键。

工业云网融合是实现工厂与云端高效连接的重要策略。在工厂与云端的网络建设中，通常有两种选择：一是通过互联网接入，连接工厂与公有云，这种方式虽然灵活，但需考虑互联网的安全性和稳定性；二是采用专线接入，通过专线连接工厂与公有云或私有云，这种方式可以确保连接的稳定和安全，特别适合对网络品质有更高要求的工业应用。无论选择何种方式，工业云网融合的目标都是建立高效、稳定、安全的工厂与云端互联，为工厂的数字化转型和智能化升级提供坚实支撑。

“双千兆”数字工厂的应用场景

通过对现有工厂通信网络进行全面升级和改造，构建绿色、安全、稳定的“双千兆”网络，实现工业园区的全连接、广覆盖、低时延、大带宽、高QoS保障以及高可靠性组网。这一优化举措将为企业提供卓越品质和卓越体验的服务，有效支持和促进工厂的数字化转型，具体应用场景有以下7个方面。

千兆光网+超高清视频

随着技术进步，超高清视频不再局限于传统功能，而是向智能化方向发展，如字符识别、人脸识别、行为分析等，这对视频清晰度和流畅度提出更高要求。千兆光网成为满足这一需求的有效手段。在工业中，高清视频应用于安防、人员管理等，通过千兆光网，实时传输监测视频，双向传输图像、语音、数据，实现对违规行为的监控和环境风险的分析，提升安全规范性。通过“双千兆”实现工业超高清视频的全流程智能化，支持字符识别、人脸识别、行为分析等功能，提升安全和人员管理效率。

千兆光网+实时控制

在工业环境中，实时控制应用场景是指通过实时数据收集、处理和反馈，监测和控制生产过程。此类场景遍布于各个工业领域，如制造业、能源生产、物流等。运用千兆光网，可以实现机器与机器、设备与设备之间的紧密协作，从而提升协调操作水平，加强设备的运行可靠性和安全性。这一措施将有助于实现生产流程的高效运转，减少潜在风险，为工业领域带来更稳定和可持续的发展。

千兆光网+数字孪生

在工业环境中，数字孪生应用是一种将物理系统的实时数据和行为与其数字化模型相结合的技术。它可以用于多种应用场景，例如设备监测和维护、工艺优化、生产仿真等。通过对生产线进行详细的信息建模，创造生产线的数字孪生，结合千兆光网的高带宽，可实现物理世界与信息空间之间的双向流动，从而显著提升生产管理水平。这一技术手段将有效促进生产流程的优化，实现更高效、更智能的生产管理方式。

5G+远程控制

在特殊的工业环境下，如高温、高空、恶劣指标等，人工操作难以甚至不可能实现。在这种情况下，需要采用远程控制机械的方式。然而，实现远程控制需要高清视频和稳定网络来保障。5G网络的高速率可满足高清视频回传，同时保障稳定性和低时延，远程精确操控设备可确保操作安全，提升生产效率，为工业企业创造更安全高效的操作环境。

5G+机器视觉

机器视觉作为人工智能的重要领域，在工业应用中起到了关键作用，提升了生产的自动化水平和灵活性，特别适用于危险环境和有高标准要求的场景。这种技术广泛应用于图像识别、检测、定位、测量和物品分拣等方面。利用5G网络，机器视觉系统迈向了无线化，摆脱了传统有线连接的限制，实现了视觉系统单元的移动配置，将图像采集分散到多个工位并共享图像处理单元，以低成本高效地自动化检测生产线。同时，通过“5G+边缘计算”构建的“5G虚拟专网”，可以保障数据的安全性，确保网络和生产的安全。

5G+无人机

无人机作为高科技的产物，已在各个领域广泛应用，尤其是在智慧物流、园区管理和设备巡检等领域，工业级无人机发挥着关键作用。利用5G无人机平台，可以实现厂区内的规范化空中安保巡视和设备点检。通过高速、可靠、低延迟的5G网络，无人机上搭载的摄像头（包括可见光高清和红外图像）能够实时摄像并传输到厂区的综合控制中心。运用基于人工智能的物体识别和模式分析，判断巡检地点是否存在异常情况，如安全隐患、火警等，并智能提示相关人员，有效减轻安保人员的工作负担。

“双千兆”+智慧园区

在双千兆网络与智慧园区的融合中，实现可感知、可监测、可视化、可远程控制的运营管理目标，从而全面提升园区服务管理水平和科学决策水平。这一联合创新将为园区运营带来更高效、智能化的管理模式，有效增强园区的可持续发展能力和竞争力。

在推进工业互联网的进程中，我们面临着传统工业网络技术的滞后和自主核心技术的不足。因此，迫切需要实现新型网络和关键技术的突破，以推动工业互联网的发展。新型网络构建不仅包括工业PON网络和工业5G网络，还应深入研究其他新技术，尤其注重网络与工业需求的融合。产业链的联合创新和推动市场成熟同样至关重要。