0.   引言

随着我国矿井开采规模和深度的逐步增加，井下作业的难度越来越大，矿井通信网络在煤矿生产、安全的重要性也愈加凸显^[1]。矿井通信网络承载着矿井内电话、远距离监控信号等各种信息的传输，在安全生产、调度等方面发挥着重要作用^[2]。

受井下空间、环境等条件的限制，矿井通信设备必须满足防爆、防潮、防尘的要求^[3]；由于矿井作业场地需要经常移动、工作人员较为分散，矿井通信网络需同时满足易扩展、稳定性强的要求，因此矿井通信网络采用有线和无线相结合的方式^[4]。我国煤矿传统有线通信网络主要以单系统自组网及千兆、万兆环网为主，但传统的交换机网络带宽固定、有效利用率低、扩容困难、时延较高、终端设备接口单一、系统配置不灵活，无法满足矿井智能化业务发展需求。无线通信矿用5G及WiFi6虽然移动便捷、传输速率高，但仍存在巷道衰减大、可靠性不及有线通信的问题。第5代固定网络技术（the Fifth Generation Fixed Networks，F5G）工业光环网具有安全可靠、极简部署、可视运维、灵活扩展、边缘智能等特点，为矿井有线通信网络提供了一种新的解决路径。

1.   F5G工业光环网关键技术及优势

1.1   F5G工业光环网关键技术

F5G是一个混合概称，涵盖了10 Gibit/s 无源光网络(Passive Optical Network，PON)、200 Gibit/s/400 Gibit/s、下一代光传输网络(Next Generation Optical Transport Network，NG OTN)、光交叉连接（Optical Cross-connect，OXC）等技术类型，具有大带宽、低时延、高可靠的技术特点^[5]。F5G工业光环网是以10 Gibit/s PON技术为基础的新一代工业网络，拥有10 Gibit/s PON、数智光分配网（Digital Quick Optical Distribution Network，DQ ODN）等关键技术。

1） 10 Gibit/s PON技术。10 Gibit/s PON是指上下行带宽超过10 Gibit/s的光接入设备，包含XG−PON和XGS−PON。XG−PON是不对称PON，PON口的上下行速率分别为2.5, 10 Gibit/s^[6]； XGS−PON是对称PON，PON口的上下行速率均为10 Gibit/s。XG−PON和XGS−PON下行采用广播方式，上行采用时分多址（Time Division Multiple Access，TDMA）方式。

2） DQ ODN技术。F5G的 DQ ODN解决方案融合了全程免熔接建网（Quick ODN）和精准可视化管理（Digital ODN）2项技术创新。

Quick ODN采用单芯、双芯和多芯的低插损预连接技术，组网灵活，适配多种网络方案，不仅支持全程预连接光纤到户（Fiber to the Home，FTTH）建网，还支持P2P综合业务接入^[7]。Quick ODN大幅降低ODN施工难度和建网技术要求，可提升70%的施工效率，减少30%的施工时间，同时节省15%的施工成本。

Digital ODN采用业界首创光虹膜技术，全场景智能自动识别光信号在通过ODN链路后发生的关键特征变化，在网络管理平台进行大数据建模、分析，从而实现ODN链路拓扑和损耗可视化管理，资源长期准确率可达100%，大幅减少企业因ODN资源不准导致的投资浪费，减少30%的资源浪费，降低20%的运营成本^[8]。

光虹膜技术作为DQ ODN技术的重要组成部分，具有独特的功能和价值。光虹膜在光波导里印刷二维码，通过超高精度的加工技术，在比头发丝还细的光波导上雕刻出特殊的微结构，给经过不同支路的光打上不同标签。在光纤中叠加一个测试波长，在遇到光纤故障时，会产生异常的菲涅尔反射^[9]。通过光虹膜技术可实现井下网络故障的精准定位，当智能分析器捕获到反射信号后加以分析，准确判断出故障位置，定位精度达0.5 m，通过与可视化智能网管深度融合，将精确定位信息推送给维护人员，使井下维护人员工作更加高效^[10]。

1.2   F5G工业光环网技术优势

F5G网络与传统网络时延对比见表1。可看出相较于传统环网，F5G工业光环网技术时延更低。

表  1  F5G网络与传统网络时延对比

Table  1.  F5G network and traditional network delay comparison

类型	配置帧/bit	最小时延/μs	最大时延/μs	平均时延/μs
F5G网络	262	29.66	405.21	76.734
	1 280	42.49	411.63	88.602
	1 518	45.36	418.47	94.704
传统网络	262	28.30	8 762.81	5 320.05
	1 280	42.97	8 762.87	2 713.12
	1 518	47.14	8 788.44	3 969.04

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与传统环网相比，F5G工业光环网在电气安全、业务安全、施工安全和维护安全等方面具有一定的优势。

1） 电气安全。不同于传统交换机的3层网络架构，F5G工业光环网只在光环网头端节点和末端节点部署有源设备，汇聚层则采用无源分光器替代有源交换机和防爆箱^[11]。头端节点部署在地面核心机房内，井下只有靠近业务源的光环网末端设备是有源的。从头端节点到末端节点之间40 km的矿井坑道内，都是由无源分光器组成的无源光环网，从而减少40%的防爆箱使用，提升井下电气安全性。

2） 业务安全。传统工业以太网采用环形组网，当多个接入节点或链路发生故障时，会造成相邻2个节点或链路之间的所有业务中断。F5G工业光环网采用菊花链型拓扑组网。每个光环网末端的2根光纤分别接入2台不同的汇聚层分光器，末端与末端之间相互独立。当1个或多个光环网末端发生故障时，不会对网络的其他部分造成影响。传统的以太环网在增加节点时需要破环加点，增加节点过程中工业环网上业务需要进行多次倒换，操作难度大，风险高。而F5G工业光环网使用Type−C组网保护方式，其设备、链路都是1+1保护，故障倒换时间小于30 ms，确保业务安全可靠。

3） 施工安全。传统的光纤施工需要使用专门的光纤熔接机，由专业人员操作^[12]，在熔纤过程中会产生1 800 ℃的高温，因此在井下作业时需要全程密切监控瓦斯浓度。而F5G工业光环网通过采用预连接方案，预连接光器件全部在工厂预制，现场施工时光纤与光器件的连接像网线一样即插即用，避免了井下熔纤操作，提高了工作效率。

4） 维护安全。传统的光纤维护方式是在光纤发生故障后，由维护人员带着测试仪到井下逐段排查故障位置。而F5G工业光环网在发生光纤故障时，会产生异常的菲涅尔反射，智能分析器捕获反射信号后加以分析^[13]，可以准确判断故障位置，定位精度达0.5 m^[14]。智能分析器自动向客户端或手机APP发送告警，通知维护人员现场更换光纤。相比传统的巡检方式，智能光纤诊断可以减少90%的井下维护时间。

2.   F5G工业光环网系统架构

F5G工业光环网系统由光环网头端设备 (Optical Ring Head，ORH)、无源光环网设备 (Optical Ring Passive，ORP)和光环网终端设备 (Optical Ring End，ORE)3个部分组成，如图1所示。ORH是地面核心设备，主要功能为汇聚井下的业务数据并上传到地面数据中心，同时把数据中心的控制数据下发到井下各类设备中，并管理井下ORE ^[15]。ORP包含预制缆和分光器，所有部件均为无源设备，无需供电，可将1个ORH的工业光接口连接到多个ORE上。ORE是井下接口设备，ORE网络侧通过ORP和ORH的工业光接口连接，用户侧通过以太网口、工业串口（RS485）连接井下各终端设备（如井下摄像头、无线基站、机械设备、传感器等）。ORE将井下各终端数据上传至 ORH，同时把ORH下发的数据传送至各终端 ^[16]。

图  1  F5G工业光环网系统组成

Figure  1.  F5G industrial halo network system composition

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3.   F5G工业光环网在矿井的应用

3.1   井下工业远程控制

工业远程控制系统对网络的传输质量要求十分严苛，尤其是网络时延方面。网络数据传输时延过高会影响地面操作人员对井下现场监测数据与音视频数据的接收，可能对作业现场的设备状态与动态环境做出误判，或影响地面至现场控制数据的发送及接收，从而导致远程控制的精准度降低，甚至造成安全事故。F5G工业光环网具有小于500 μs的极低时延，远低于原有的交换机网络，更适于承载工业远程控制系统。

随着智能化矿山建设进程推进，矿井多系统协同融合、海量大数据分析等新技术的加入，使矿井工业远程控制系统的网络结构更加复杂 ^[17]。F5G工业光环网通过Type C型组网保护架构与断纤检测功能保障数据传输高稳定、10 Gibit/s PON技术的高速率、10 Gibit/s×16的大带宽，这些优势能够更好地满足工业控制系统的网络要求。F5G工业光环网的切片硬隔离技术可为工业远程控制系统的数据传输划分出绝对独享的网络通道，不受其他系统和设备带宽影响，防止干扰导致误动作造成的安全隐患。

综采综掘工作面智能化改造已成为当前矿山智能化的重要体现，无论是智能综采还是智能综掘系统，都是多个子系统的协同融合，多工业远程控制系统间的通信对时延、带宽有更高要求。传统的交换机网络带宽固定、有效利用率低、扩容困难、时延较高，且终端设备接口单一、系统配置不灵活，无法承载智能综采综掘系统。F5G工业光环网带宽资源丰富、网络时延低、最前端设备ORE接口配置多样、场景模板配置灵活，更加适合成为未来智能化综采综掘系统的基础网络。

3.2   高清视频回传

随着矿山智能化建设逐步推进，视频监控在安全生产中发挥的作用越来越大。传统工业交换机环型网络带宽利用率仅为50%，其余为冗余带宽。回传视频占用带宽过大时，会导致整体网络不稳定，表现为视频卡顿、丢帧及网络传输中断。随着大量视频监控点增加，网络总带宽会越来越不足^[18]，将导致回传视频分辨率降低，视频监控质量下降，影响矿井安全生产^[19]。以400万像素摄像头为例，1台摄像头占用带宽为10 Mibit/s，千兆工业交换机环网可承载摄像头仅为50台，万兆为500台。而F5G工业光环网拥有最少16万兆带宽，可承载更多视频监控设备，F5G工业光环网连接视频终端如图2所示。由于其独特的组网方式，使得扩容简单，带宽上限高，时延低，能够更好地满足智能化矿山对视频监控的网络需求。

图  2  F5G工业光环网连接视频终端

Figure  2.  Connection mode between F5G industrial optical ring network and video terminal

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3.3   工业网络迁移

因煤矿行业特殊性，井下环网设备节点并非一成不变^[20]。对于传统工业环网来说，当井下作业面发生变化时，原有的工业交换机设备需要发生位置改动，要断开线路，业务随之中断，等线路重新调整之后，再把工业交换机接入网络，恢复业务。F5G工业光环网的预连接技术通过预制缆即插即用，高效安全，只需拉1根免熔接光缆在新的地点进行配置，拆除该地点不用的设备即可，无需打破原有网络结构。配合eSight智能网管业务免配置部署，可在施工前对ORE进行应用场景业务的预部署， ORE搬迁通电即通网，便捷高效。F5G工业光环网采用无源分光器代替传统以太环网的汇聚层，减少了40%的防爆箱，设备安装更加方便快捷^[21]。河南能源集团永煤公司陈四楼煤矿使用F5G工业光环网简化工序后，安设单个地点可减少75%的人力投入，极大地减少了劳动强度，提高了工作效率。

3.4   远程网络故障诊断

传统工业环网日常运维报表(如光功率、丢包率、带宽占有率等)需人为观察后手动记录，需要人员有较强的专业能力。井下光缆维护需技术人员多次下井并使用专业工具来维护，日常运维量大。

F5G工业光环网搭配eSight智能网管，设备一站式管理，通过大屏管理、性能管理可快速了解网络KPI，通过报表一键导出，专业门槛低。通过数字化ODN、DQ ODN技术管理传统无源光缆，断纤诊断精准可靠，可在5～10 min内判断出主干线路故障点，诊断精度达m级，减少维护人员90％的下井排障时间，相较于传统工业环网6~8 h的排障时间，运维效率大幅提升。通过内置的ORE管理模块对ORE下属业务数据流进行实时监测，维护人员可通过分析数据流量，研判网络传输质量进行网络优化，从而减少网络故障。

3.5   无线网络信号回传

通过有线网络与无线网络相结合，使矿井通信接入方式更加灵活。F5G为WiFi6提供超强运力、超低时延、确定性的连接，河南能源集团贵州公司新田煤矿已经依托F5G实现了WiFi基站承载，如图3所示。井上下可无障碍通话，无线摄像头、无线终端可便捷接入。

图  3  F5G工业光环网承载WiFi基站

Figure  3.  F5G industrial optical ring network carring WiFi base station

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4.   F5G工业光环网在矿井的应用展望

4.1   F5G工业光环网的不足

F5G相关技术最早应用于商业网，已经比较成熟，2020年开始向工业网络发展。在煤矿场景的应用中，由于下井设备必须经过安标认证，所以至今，F5G工业光环网的设备种类还较少。

此外，F5G技术对于矿井不同场景的适应性、不同业务种类的适配性还有一定提升空间。以掘进工作面为例，当机械设备前进时，如何保持有线网络设备的动态跟随，目前尚无完善的解决方案；因F5G工业光环网ORE的后备电源不能放置在采掘工作面，如出现意外大面积停电或检修停电时，F5G承接的业务会同时中断，目前尚没有完善的解决方案。所以现阶段F5G工业光环网尚难以实现对既有有线网络的全面替代。

4.2   F5G工业光环网技术在煤矿的应用前景

目前国内大多数煤矿工业以太环网运行年限较久，随着矿山智能化发展，新增AI视频分析、无线回传等场景，网络资源需求日益增长。F5G工业光环网采用XGS PON技术，可做到单纤上下行万兆传输。ORH支持至少16个XGS−PON 10 Gibit/s工业光口。1套ORH即可实现最少16个单独的万兆工业网络集成且互不干扰，支持对现有网络无影响的扩容。F5G工业光环网在井下可独享16万兆资源，带宽较之前的千兆/万兆环网大幅提升，完全可满足目前AI视频分析、无线回传等场景，其独特的网络结构，支持平滑升级50，100 Gibit/s网络，且不影响原有业务网络传输。

F5G工业光环网可使井下网络按需分步建设，后期部署即插即通，特别是在掘进工作面，光插座可使设备接入更便捷，光纤维护更简单。F5G工业光环网通过随流检测(In-situ Flow Information Telemetry，IFIT) 技术对业务报文进行测量，得到IP网络的真实丢包率、时延等指标，从而实现对网络中业务数据的侦测，有效提高网络传输率。华为实验室依托F5G工业光环网技术研发出全光生命感知保障系统，可将光缆变成传感器和麦克风，在井下无电环境下，人为敲击光缆即可实现精确定位；井下人对光缆讲话，地面即可通过光纤内的光波信号接收到讲话内容，在紧急情况下可成为生命安全的最后通道。F5G工业光环网技术作为一种新型网络技术，发展远景广阔。

5.   结语

F5G工业光环网通信技术具备优异的性能，且其在系统接口与协议方面与传统以太环网通信接口相同，终端设备无需更改适配即可接入使用，是矿井有线通信发展的趋势。由于F5G工业光环网出现的时间较晚，且技术对于煤矿场景的适配还存在较大进步空间，所以，煤矿应结合自身实际情况建设F5G试点，以实际场景支撑F5G工业光环网技术的应用与研究，使国产自主的F5G工业光环网尽早成为煤矿场景成熟的工业网络解决方案。