文章来源：《智能矿山》2024年第8期 “神东煤炭集团智能化建设成果”专栏

作者简介：张海峰，高级工程师，硕士，主要从事矿山机电、煤矿智能化建设业务管理工作

作者单位：国能神东煤炭保德煤矿

引用格式：张海峰，赵春光，阮进林，等.保德煤矿F5G全光工业网方案设计与应用[J].智能矿山，2024，5（8）：36-41.

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智能化快速发展对煤矿通信网络系统提出了新需求，传统的煤矿有线交换机环网带宽受限、结构单一、时延高、可靠性底，难以满足矿井智能化业务的发展需求。第5代固定网络技术作为一种全光工业网，基于10GGPON技术，带宽容量更大，网络结构简化，扩展性强，组网采用TypeC双归属保护，可靠性更高，成为煤矿智能化网络建设的创新解决方案。

保德煤矿原有网络采用骨干层万兆环网，接入层千兆树型组网，骨干环网交换机下行1个千兆口最多级联16台千兆综合分站，网络应用存在以下痛点。

（1）可靠性保护不够

接入层树型组网，长链路无保护，1台设备故障，影响一片区域业务。

（2）业务拥塞

综合分站多级千兆串联，共享骨干环网1个千兆接口，抗突发能力弱，业务拥塞严重。

（3）运维管理效率低

无井下网络管理系统，维护依赖人工现场排查，网络管理与运维效率低。

（4）传输质量难保证

众多业务集中汇聚在综合分站，视频业务挤占带宽，数据业务传输质量难保证。

（5）熔纤安全隐患

作为高瓦斯矿井，井下光纤熔接操作存在安全隐患，同时施工和运维效率低。

针对保德煤矿原有网络痛点问题，利用F5G全光工业网技术特点，开展网络设计和实施方案制定，确定了井上井下组网架构、系统拓扑、设备要求和网管平台方案，将井下原有网络演进到F5G全光工业网络。

采用F5G全光工业网络2层架构设计，井上全光工业网头端设备（ORH）提供多个万兆网络接口，井下全光工业网终端设备（ORE）支持上行万兆/下行千兆。全光工业网头端和终端间通过全光工业网分光接线盒（ORP）连接，实现井下接入业务一跳到井上。同时扩充业务接入点带宽，下沉万兆业务点，减少业务网络跳数，解决井下业务拥塞，总体设计网络架构如图1所示。

图1 F5G全光工业网2层网络架构

主、备全光工业网头端设备和主、备全光工业网分光接线盒组成光环网。每台全光工业网终端设备的2个上行口分别接入主、备全光工业网分光接线盒，实现光网络1∶1双归属保护，若1台光网络设备故障，自动切换到备用光路，同时采用链型方式组网，匹配现有井下综合分站组网。1芯光纤1条万兆硬管道，1条万兆硬管道支持8级级联的全光工业网终端设备级联。

为满足保德煤矿网络数据业务传输需求，共建设3条F5G无源全光工业网万兆专线，每条万兆专线接入8台综合分站设备。利用保德煤矿井下现有光缆中的两芯冗余光纤，针对综采工作面、带式输送机等多摄像头区域需求，建设1条F5G无源全光工业网万兆视频专线，部署5台全光工业网终端设备，用于视频业务接入，部署实施方案如图2所示。

图2 F5G无源全光网部署实施方案

（1）井上全光工业网头端设备（ORH）

ORH采用标准19英寸插卡式设计，部署于办公楼机房机架。设备采用双电源输入、双控制器等软硬件冗余备份设计，部署主、备ORH设备组成TypeC保护，有效提升网络可靠性。全光工业网头端设备（ORH）部署如图3所示。

图3　全光工业网头端设备（ORH）部署

（2）井下综合分站创新改造（ORE）

选取24台井下现有综合分站，进行F5G无源全光工业网终端改造。改造综合分站内部，在交换机模组和4G模组中间增加全光工业网终端模组，并将综合分站中视频等要求大带宽、高可靠的业务切到全光工业网终端模组上，接入F5G无源全光工业网络。综合分站改造如图4所示。

图4　综合分站改造

（3）井下全光工业网分光接线盒（ORP）

ORP为无源设备，质量<1kg，井下采用挂墙、挂网灵活安装，利用原主干光缆选择，将ORP安装在原有环网交换机的位置。矿用光纤接线盒设计采用4个无源1∶2分光器，将1路4芯光缆输入分为8路光信号输出。ORP间串联安装形成多级分光，为井下安装和施工便利，选择矿用预连接ORP和预连接光缆。预连接ORP需熔纤、即插即用，提高了井下施工安全和安装效率。

（4）网络智能运维平台

引入轻量级智能网管系统，提供集中化管理、可视化监控和智能化分析功能，如图5所示。采用服务化平台架构设计（图6），实现了全光工业网络的拓扑还原、告警监控、智能数据分析，提高运维效率、降低运维成本，保障系统稳定运行。

图5　轻量级的智能网管系统

图6　网管平台化服务架构

多设备类型集中化管理实现了对服务器、存储、网络、WLAN、PON、摄像头等多种设备类型统一管理，避免了不同类型设备独立管理难以协同的问题，如图7所示。通过可视化和场景化监控实现了告警面板、性能分析、全网拓扑视图多维度监控，实时感知设备故障，快速定位故障点，如图8所示。

图7　多设备类型管理界面

图8　可视化监控界面

此外，基于智能化数据分析，采用拖曳式报表自定义工具，固化运维经验，预置资源、告警、性能等日常常用报表，提升运维效率，如图9所示。

图9　智能化分析界面

经过试运行验证，F5G无源全光工业网在保德煤矿实现了多路视频流量上传，系统运行稳定，达到了网络有保护、故障“0”业务中断、业务不拥塞、支持远程运维、独立视频专线、光纤免熔纤的预期效果。

总体来看，保德煤矿在F5G全光工业网络的应用实践，解决了传统有线交换机网络架构环网痛点问题，在以下5个方面效果明显。

（1）提升可靠性保护提升

网络架构简化，大幅降低单设备故障影响的业务区域范围；双归属保护自愈能力，实现了网络故障“0”业务中断，避免网络中断对生产工作可能造成的损失。

（2）优化网络带宽性能

井下ORE一跳直达井上ORH，相较于传统工业交换机环网减少一个汇聚层节点，万兆下沉综合分站，业务面接入点带宽提升10倍。

（3）提升井下安全

免熔纤的秒级光纤快接，降低井下网络电火花安全风险。

（4）降低建网成本

提供16条万兆硬管道扩展能力，分业务片区快速部署万兆网络，利旧井下已有光缆空闲光纤，快速提供万兆视频专线，多级级联支持网络灵活演进，降低建网成本。

（5）提升运维效率

智能化的网管系统远程运维，减少人员对网络设备的现场巡检和排查，提升运维效率，降低运维成本。

双归属保护性能分别验证了主侧链路断开、主侧链路恢复、备侧链路断开条件下的网络可靠性，网络全程未发生丢包，延时最大波动小于30ms，实现了F5G全光工业网的“0”丢包和故障30ms自愈的可靠性，具体测试结果如下。

（1）主侧链路断开

断开SP-2号变电所ORE的主侧端口，网络管理平台显示主ORH0/3/1端口关闭，业务切换至备侧链路，全程未发生丢包情况，延时最大波动到22ms。

（2）主测链路恢复

插回SP-2号变电所ORE的主侧端口，网络管理平台显示主ORH0/3/1端口正常，业务仍保持在备侧链路，延时无异常波动。

（3）备侧链路断开

断开掉SP-2号变电所ORE的备侧端口，网络管理平台显示备ORH0/3/1端口关闭，业务切换至主侧链路，全程未发生丢包情况，延时最大波动到16ms。

在保德煤矿8#煤联通辅运大巷，进行8级级联部署。主侧ORH通过预链接光缆8个ORP，并连接本地ORE设备，备侧与主侧ORH类似连接顺序相反，通过主侧及备侧ORH连接ORP和ORE设备，实现8级级联，同时提供双链路保护。多级级联能力为矿井后续业务进一步演进提供有力支撑，可快速根据业务需求增加网络节点，避免网络重复投资。

系统提供16条万兆硬管道扩展能力，分业务片区快速部署万兆网络，ORH设备扩展网管显示，1芯光纤可实现1条万兆视频专线，业务面接入点带宽比传统网络提升10倍。

利用F5G网络独立视频专线，针对综采工作面、带式输送机等多摄像头区域，实现了多路视频同时上传，视频传输质量稳定不卡顿，如图10所示。

图10　多路视频上传验证

（1）可靠性保护

实现了井下接入层树形组网，网络架构大幅降低单设备故障影响的业务区域范围，利用光网络通路1+1备份，实现了从全程全网双归属保护，网络故障自愈时间小于30ms，以及网络故障“0”业务中断，提升了井下网络可靠性。

（2）业务拥塞控制

采用全新万兆全光工业网终端改造原有综合分站，扩充业务接入点带宽。全光工业网采用2层网络架构，部署多条万兆网络，单条万兆硬管道支持8级级联的多个全光工业网终端设备，接入业务一跳到井上，减少网络节点跳数，解决了业务拥塞问题。

（3）网络智能运维

原有故障排障主要依赖Web页面，运维效率低，无法进行有效管理。基于F5G方案引入轻量级网络管理系统，采用服务化架构平台设计，提供了集中式管理、可视化监测、智能数据分析等功能，实现了网络管理系统的远程操作，减少人工在现场对网络设备的检查和排除，提高了网络管理和运行的效率，降低了运行的成本。

（4）井下视频专线快速构建

利用煤矿井下现有空闲光缆，在综采工作面、带式输送机等多摄像头区域，用接线盒从光缆中引出选用的2芯光纤，按8级级联方式组建1条F5G无源全光工业网视频专线，实现快速构建万兆视频专线，降低井下建网成本。

（5）井下光纤免熔接连

采用高强度、阻燃等材料技术，形成矿用工业全光网络分光器。通过光纤快连接技术，提供完备的预连接方案，实现了井下光纤即插即用，避免熔纤连接操作带来的安全隐患，同时提升施工效率。

F5G全光工业网络在保德煤矿的应用实践，解决了原有井下通信网络可靠性保护不足、业务拥塞、运维管理效率低下、数据传输质量难保证、熔纤安全隐患等痛点问题，提供了具备多路万兆传输通道、灵活可扩展、智能管理运维、井下光纤快连接等特性的高品质井下通信网络，实现了网络高可靠、故障快速自愈、业务不中断、网络不拥塞、运维智能化、独立视频专线、光纤快连接的目标，保障了煤矿智能化建设中以视频监控传输为代表的业务可靠有效运行，大幅降低了建网成本，提升了运维效率，为进一步提升煤矿智能化水平。

F5G全光工业网具备承载井下各类感知控制层网络能力，包括智能挖掘、运输、供电、通风、自动化操作机器人等。同时具有连接环境、位置、调度、通信、灾难预警等多个感应设备功能，构建煤矿井底基本设施的核心网络。未来，通过与AI、大数据和智能设备等技术结合，实现井下视觉识别、远程管理网络、监控传输网络及矿用5G+融合通信系统的承载网等场景发挥重要作用。