F5G的英文全稱是The 5th Generation Fixed Networks，意為第五代固定網(wǎng)絡(luò)。F5G由中國(guó)提出，ETSI（歐洲電信標(biāo)準(zhǔn)協(xié)會(huì)）接納，業(yè)界參與。2019年6月，在上海移動(dòng)大會(huì)上，中國(guó)信通信研究院首次提出F5G的概念。2019年12月ETSI F5G立項(xiàng)通過，定義固定網(wǎng)絡(luò)代際，并給出了F5G的愿景“光聯(lián)萬物”，為產(chǎn)業(yè)的發(fā)展指明了方向。F5G與5G有效協(xié)同，互相補(bǔ)全，以提升用戶網(wǎng)絡(luò)感知。網(wǎng)絡(luò)迭代示意如圖1所示。

圖 1 網(wǎng)絡(luò)迭代示意

F5G在煤礦中的應(yīng)用主要涉及光環(huán)網(wǎng)頭端設(shè)備（Optical Ring Head，ORH）、光環(huán)網(wǎng)終端設(shè)備（Optical Ring End，ORE）及無源光環(huán)網(wǎng)設(shè)備（Optical Ring Passive，ORP）3個(gè)產(chǎn)品。

光環(huán)網(wǎng)頭端設(shè)備

光環(huán)網(wǎng)頭端設(shè)備的主要功能有以下2點(diǎn)：

（1）匯聚井下各種業(yè)務(wù)數(shù)據(jù)流，并上傳到數(shù)據(jù)中心，同時(shí)把數(shù)據(jù)中心的控制數(shù)據(jù)傳輸?shù)骄赂髟O(shè)備。

（2）管理井下光環(huán)網(wǎng)終端設(shè)備。光環(huán)網(wǎng)頭端設(shè)備網(wǎng)絡(luò)端通過千兆、萬兆等以太網(wǎng)接口與核心交換機(jī)通信，用戶端提供工業(yè)光接口接入井下網(wǎng)絡(luò)。

光環(huán)網(wǎng)頭端設(shè)備（圖2）為井下業(yè)務(wù)提供高可靠性的網(wǎng)絡(luò)接入，光環(huán)網(wǎng)頭端設(shè)備通過雙歸屬或單歸屬冗余保護(hù)來保障業(yè)務(wù)的安全，當(dāng)工作過程中工業(yè)光接口鏈路發(fā)生故障時(shí)，可以在較短的時(shí)間內(nèi)（一般要求低于30 ms）倒換到備用端口，從而保障業(yè)務(wù)不發(fā)生中斷。

圖2 光環(huán)網(wǎng)頭端設(shè)備

光環(huán)網(wǎng)終端設(shè)備

光環(huán)網(wǎng)終端設(shè)備是工業(yè)光環(huán)網(wǎng)終端設(shè)備，安裝在井下，必須具備防爆功能；因此，可以使用本安型光環(huán)網(wǎng)終端設(shè)備使井下網(wǎng)絡(luò)更加簡(jiǎn)化。光環(huán)網(wǎng)終端設(shè)備網(wǎng)絡(luò)端通過無源光環(huán)網(wǎng)設(shè)備分光器與光環(huán)網(wǎng)頭端設(shè)備的工業(yè)光接口連接，用戶端通過以太網(wǎng)口、工業(yè)串口（RS485）連接井下各終端設(shè)備，如井下視頻攝像頭，井下溫度、濕度傳感器等。光環(huán)網(wǎng)終端設(shè)備把井下各終端的數(shù)據(jù)，通過無源光環(huán)網(wǎng)設(shè)備上傳到光環(huán)網(wǎng)頭端設(shè)備，同時(shí)把光環(huán)網(wǎng)頭端設(shè)備下載的數(shù)據(jù)傳送給各終端設(shè)備。光環(huán)網(wǎng)終端設(shè)備可以通過無源光環(huán)網(wǎng)設(shè)備來實(shí)現(xiàn)遠(yuǎn)程業(yè)務(wù)發(fā)放、遠(yuǎn)程配置、遠(yuǎn)程升級(jí)，以減少工作人員井下操作。

光環(huán)網(wǎng)終端設(shè)備（圖3）一般需要滿足工業(yè)級(jí)要求，需支持工業(yè)級(jí)工作溫度（一般為－40～＋70°C），推薦支持雙電源輸入和TypeC雙路上行配合光環(huán)網(wǎng)頭端設(shè)備做冗余保護(hù)。光環(huán)網(wǎng)終端設(shè)備上行接口至少為萬兆，以滿足煤礦智能化建設(shè)的需求。用戶端接口一般為以太網(wǎng)光口或電口，同時(shí)根據(jù)業(yè)務(wù)需求提供串口等工業(yè)接口。

圖3 光環(huán)網(wǎng)終端設(shè)備

無源光環(huán)網(wǎng)設(shè)備

無源光環(huán)網(wǎng)設(shè)備用于連接光環(huán)網(wǎng)頭端設(shè)備和光環(huán)網(wǎng)終端設(shè)備，負(fù)責(zé)把1個(gè)光環(huán)網(wǎng)頭端設(shè)備的工業(yè)光接口連接到多個(gè)光環(huán)網(wǎng)終端設(shè)備。無源光環(huán)網(wǎng)設(shè)備包含光纖光纜和分光器，礦井使用的無源光環(huán)網(wǎng)設(shè)備分光器一般為不等比分光，以支持礦井巷道和作業(yè)面鏈型的應(yīng)用場(chǎng)景。無源光環(huán)網(wǎng)設(shè)備盒子一般支持級(jí)聯(lián)，可滿足礦井網(wǎng)絡(luò)的靈活擴(kuò)展。

由于煤礦井下含有瓦斯等可燃性氣體，而熔纖機(jī)在熔纖過程中溫度超過1 000℃，為確保安全，對(duì)現(xiàn)場(chǎng)熔纖的條件要求極為苛刻，因此建議無源光環(huán)網(wǎng)設(shè)備使用工廠預(yù)制的連接頭，以保障設(shè)備的安全。此外，對(duì)于礦井作業(yè)面移動(dòng)場(chǎng)景，無源光環(huán)網(wǎng)設(shè)備應(yīng)支持即插即用，以便網(wǎng)絡(luò)在井下的快速擴(kuò)展和移動(dòng)。

無源光環(huán)網(wǎng)設(shè)備（圖4）所有部件均為無源設(shè)備，無需供電，無源光環(huán)網(wǎng)設(shè)備按照煤礦的安全規(guī)范進(jìn)行阻燃、防靜電設(shè)計(jì)，滿足本安認(rèn)證的要求。同時(shí)，無源光環(huán)網(wǎng)設(shè)備需要滿足IP68防護(hù)等級(jí)，以適應(yīng)井下粉塵和潮濕環(huán)境。

圖4 無源光環(huán)網(wǎng)設(shè)備

礦井F5G網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)

礦井F5G采用環(huán)形結(jié)構(gòu)提升網(wǎng)絡(luò)可靠性，礦井F5G網(wǎng)絡(luò)技術(shù)稱為工業(yè)光環(huán)網(wǎng)（Industry Optical Ring，IOR)。F5G工業(yè)光環(huán)網(wǎng)由光環(huán)網(wǎng)頭端設(shè)備、光環(huán)網(wǎng)終端設(shè)備、無源光環(huán)網(wǎng)設(shè)備3部分組成。

整個(gè)礦井F5G網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)如圖5所示，光環(huán)網(wǎng)頭端設(shè)備一般在井上，光環(huán)網(wǎng)終端設(shè)備在井下，通過無源光環(huán)網(wǎng)設(shè)備（光纜和分光器）連接。光環(huán)網(wǎng)終端設(shè)備對(duì)外出標(biāo)準(zhǔn)的以太網(wǎng)光口和電口，井下的設(shè)備如攝像頭、傳感器分站可直接接到光環(huán)網(wǎng)終端設(shè)備上。

圖5 礦井F5G網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)

F5G＋5G融合組網(wǎng)架構(gòu)

F5G作為煤礦井下主干網(wǎng)絡(luò)，將井下安全監(jiān)控網(wǎng)、視頻監(jiān)控網(wǎng)、人員定位、5G網(wǎng)絡(luò)統(tǒng)一接入。按照《煤礦安全規(guī)程》要求，安全監(jiān)控網(wǎng)需要和其他網(wǎng)絡(luò)接入到不同光纖芯上，實(shí)現(xiàn)分芯傳輸。F5G作為5G的承載網(wǎng)，其本身可實(shí)現(xiàn)微秒級(jí)低時(shí)延，并為5G承載專門提供高精度時(shí)鐘同步、業(yè)務(wù)隔離功能，5G的BBU可直接接入到光環(huán)網(wǎng)終端設(shè)備（5G承載光環(huán)網(wǎng)終端設(shè)備一般為10 GE個(gè)光口），實(shí)現(xiàn)井下F5G＋5G一張網(wǎng)傳輸（圖6）。井下F5G＋5G一張網(wǎng)具備以下2點(diǎn)優(yōu)勢(shì)：

圖6 F5G+5G網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)

（1）可使整個(gè)井下網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)化，井下多網(wǎng)統(tǒng)一部署。解決井下原來多張環(huán)網(wǎng)、網(wǎng)絡(luò)重復(fù)建設(shè)、難以運(yùn)維的問題。

（2）F5G網(wǎng)絡(luò)井下有源設(shè)備只有光環(huán)網(wǎng)終端設(shè)備，井下設(shè)備更加安全、簡(jiǎn)單。

整體來看，F(xiàn)5G＋5G井下一張網(wǎng)解決了原來井下網(wǎng)絡(luò)分散的問題，讓多條“小路”融合成一條網(wǎng)絡(luò)“高速公路”，使井下網(wǎng)絡(luò)最終實(shí)現(xiàn)統(tǒng)一、融合，為煤礦智能化建設(shè)提供保障。

煤礦F5G的深入推廣應(yīng)用，需要全行業(yè)包括煤礦生產(chǎn)企業(yè)、集成商、網(wǎng)絡(luò)設(shè)備供應(yīng)商等協(xié)力合作，構(gòu)建創(chuàng)新、協(xié)同、開放、合作的煤礦F5G應(yīng)用生態(tài)，其中煤礦生產(chǎn)企業(yè)需要循序漸進(jìn)，逐步推進(jìn)F5G在礦井應(yīng)用；集成商需完成F5G防爆認(rèn)證，整合優(yōu)化F5G煤礦井下的解決方案，提升礦用F5G系統(tǒng)可用性及適用性；網(wǎng)絡(luò)設(shè)備供應(yīng)商針對(duì)煤礦特點(diǎn)，研發(fā)適合礦用的F5G通信產(chǎn)品，如本安型光環(huán)網(wǎng)終端設(shè)備，以實(shí)現(xiàn)井下網(wǎng)絡(luò)融合、統(tǒng)一的目標(biāo)，為煤礦智能化建設(shè)助力。

文章來源：《智能礦山》2022年第9期“智能監(jiān)控”專欄

第一作者：吳文臻，高級(jí)工程師，碩士，現(xiàn)任煤炭科學(xué)技術(shù)研究院有限公司裝備分院副院長(zhǎng)

引用格式：吳文臻，溫良.F5G技術(shù)在煤礦井下的應(yīng)用[J].智能礦山，2022，3（9）68-71.