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图1  管道行业企业信息化平台

表1  SCADA系统与数字化管道需求的对比

    由以上对比，笔者谨慎地认为，当前管道SCADA系统设计与e-Pipeline系统整体要求在根本上存在着封闭集中式现状与开放分布式需求的对立。但要实现开放式和分布式，就首先必须解决各种接口和通信协议的标准化问题，并根据信息分布式共享要求变革并规范控制网络结构，向全面工业以太网移植。

    2003年6月，国际IEC协会远动专委会TC57通信专业向全球颁布了一个重要的最新国际标准：IEC61850变电站自动化通信网络和系统标准。笔者认为，该标准的发布已经带来了克服传统局限、更完美的实现e-Pipeline系统技术发展的契机。

    首先，该标准坚持远动系统中所制定的应用数据是开放式的，即应用层的信息体是自我描述的，采用通用服务的数据结构的方式，以适应面对新的技术的发展，不需要修改传输规约或者修改软件。该标准淘汰了不能透明实时、不开放的各种现场总线式通信协议。同时提出了新的指导性意见，即采用开放的高速实时的工业以太网通信方式。IEC61850认为，通过采用高速开放的通信协议，使全局系统的I/O透明，调度中心计算机和上级监控层计算机能更好实现控制和管理、生产决策，方便系统建模，易实现如运行设备的点检、停工期、绩效分析以及被资源生产型企业十分重视的检漏分析和管道诊断、专家系统功能等。在开发软件方面，主张管理和控制计算机都应具有统一的编程环境、同一的企业具有同一的I/O设备的数据库字典、方便实现企业建模和系统开发扩展，真正做到系统集成的目的。该标准针对一般企业用计算机作为网关机（当前一般采用路由器或网桥）或中间通信控制器，对原有现场RTU只做周边简单改进而没有根本改变的方式也提出了批评，认为SCADA系统的数据经网关机和中间通信控制器才能送到主控计算机会破坏系统的实时性、透明性，因此IEC61850对自动化SCADA系统网络结构提出了如下建议方案：

    SCADA系统的三层结构间均采用以太网直接通讯，监控站与本站过渡设备及一次仪表之间用局域网联接，不设中间网关机。新型控制网络结构图如图2所示。

图2  新型控制网络结构图

    从该标准力求规范并简化传输环节、最大可能的提高数据传送的初衷来讲，上述新型网络结构对于具有较完备环网通信保障的变电站自动化来讲是适合的，但笔者认为，长输管道自动化行业在引入该标准时，尚不宜完全遵循该结构。因为同比电力通信网络建设的环网甚至网格网的建设优势，管道通信网络一般仍为单一的线性链状结构，对于需要主备信道的SCADA网络，若完全舍弃网关机，则主备信道的倒换将难以控制和实现，因此，有必要保留路由器的主备信道倒换功能，但应考虑透明I/O的需要，进行静态IP地址指向，SCADA系统的三个层次间网络透明。因此，笔者认为，采用三层交换机分布式组网，应是更为符合新型长输管道SCADA系统需要的方式，系统拓扑如图3所示。

图3  系统拓扑图

    综上所述，笔者认为，当前管道SCADA系统建设应尽快向全面工业以太网结构转型，强制性统一通信规约，数据库趋向与整体信息平台整合同一，开放并透明全网I/O。或许对于某一独立的管道，现有SCADA系统建设模式也可以一定程度上为e-Pipeline提供支撑，但当面向e-Pipelines建设时，当面临对多个不同类型、互不开放的SCADA系统数据整合时，现有的模式必然将阻碍系统的完整实现，即使部分通过中间件技术缓解，也必然造成系统无谓处理负荷增加、实时性延滞的弊端。对于模拟仿真等专家系统以及多专业信息系统的平台统一综合、信息共享和共同优化需求。随着基础数据的开放，整合和优化建设也就易于实现。在此不再延述。

3  建设基于MSTP的新一代管道通信网络

    管道通信网络是实现数字化管道的基础支撑。只有建立稳定、高效的传输网络，才能顺利保障实施和发挥数字化管道的综合效益。管道通信网建设应全面跨越主要面向传统TDM（Time Division Multiplexing，时分复用）业务的PDH（准同步传输网）、SDH（同步传输网）的建设模式，转为以IP业务为核心甚至唯一业务的基于MSTP（Multi Service Transport Protocol，多业务传输平台）的新一代管道通信网络。

    MSTP的核心内容体现在传输设备对以太网业务的支持上，正是SDH传输设备上直接接入IP业务的需求带来了MSTP技术的发展。

    第一代MSTP：将以太网信号直接映射到SDH的虚容器（VC）中，进行点到点传送；提供以太网透传业务，业务粒度受限于VC，一般最小为2Mbps，不能提供不同以太网业务的QoS区分，不提供流量控制；不提供多个以太网业务流的统计复用和带宽共享；保护完全基于SDH，不提供以太网业务层的保护。

    第二代MSTP：在一个或多个用户以太网接口与一个或多个独立的基于SDH虚容器的点对点链路之间，实现基于以太网链路层的数据帧交换。可提供基于802.3x的流量控制；提供多用户隔离和VLAN划分；提供基于STP的以太网业务层保护；支持基于802.1p的优先级转发。但第二代MSTP也有一些缺点：基于STP的业务层保护时间太慢；业务带宽粒度也受限于VC；VLAN的4096地址空间使其在核心节点的扩展能力很受限制；节点处在环上不同位置时，其业务的接入不公平；MAC地址的学习/维护以及MAC地址表影响系统性能；基于802.3x的流量控制只是针对点到点链路；多用户/业务的带宽共享仅支持本地接口，还不能对整个环业务进行共享。

    第三代MSTP：主要技术特征是引入了中间的智能适配（1.5层）、采用GFP高速封装协议、支持虚级联和链路容量自动调整（LCAS）机制，因此可支持多点到多点的连接、具有可扩展性、支持用户隔离和带宽共享、支持QoS、SLA（Service Level Agreement，服务水平协议）增强、阻塞控制以及公平接入。在以太网和SDH间引入一个中间的智能适配层（多协议标签交换MPLS和弹性分组环RPR）来处理以太网业务的QoS要求，MPLS很好地解决了VLAN的可扩展性问题，为以太网业务服务质量、SLA增强和网络资源优化利用提供很好的支持；RPR环为全分布式接入，环上节点均同等对待，环路带宽按权重公平的在各节点间进行分配，支持不同的业务类别，实现高的带宽利用率，针对数据业务提供小于50ms的快速分组环保护，可以保护由于节点失效或链路失效产生的故障，支持空间重用和额外业务。

    由上可见，MSTP技术是符合现代通信发展和适应数字化管道应用需求的。以下谨给出笔者对管线业务中MSTP应用的讨论总结，其中部分应用已经在仪征－长岭原油管道工程通信系统的建设中付诸具体实践。

3.1  SCADA业务传输中MSTP技术应用

    在管线通信中SCADA业务的传送是最为重要的业务，上节所述新一代SCADA系统框架也提出了SCADA应面向全透明的、全工业以太网拓扑的网络建设需求，同时也要求通信系统必须为其提供两条独立、不间断、点对多点的传输通道。

    传统的方式是采用通过E1、v.35等接口由站场传送到调控中心。对于传统的传输方式，其缺陷是显而易见的，多次的转换降低了系统的实时性、可靠性和误码指标劣化，而且接口的转换也无谓的造成故障点的增加。通过MSTP技术，可以实现直接用以太网的接入方式将SCADA业务由站场传送到调控中心。

    但是，为了满足SCADA工业以太网的信道独立要求，减少以太网络数据碰撞机制造成的时延。具体通路组织必须注意做到站场到调控中心的点到点的直接汇聚，而不宜采用共享传输方式。对于共享方式，可以采用如图4解。

图4  具体通路1

    对于站场1，若要传送到调控中心，其路径是先到站场2的MSTP的FE板进行交换，再到站场3的MSTP的FE进行交换，最后到达主控中心，其风险就是若是站场3的FE盘出现问题，必然影响站场1、2的传输，尽管可以采用到备控的另一条路由，但会造成站场1、2也发生路由倒换，丢失了传统E1传输的优势。因此应采用点对点汇聚方式，如图5所示。站场3的MSTP上FE盘的故障不会影响到站场1、2。这就达到传统的SDH的优势。

图5  具体通路2

    从以上的说明可以看出，MSTP的以太网的汇聚功能非常重要，目前FE到GE汇聚比最高达到64:1，最低的为8:1，汇聚比越高，能够更好的实现管线SCADA业务的高效可靠传输。

3.2  工业电视业务传输中MSTP技术应用

    站场的工业电视主要是为了了解整个站场内工作人员及设备运行的情况，站场本地应该能够实现全部监控功能，包括监视、录像和控制，以便及时处理突发事件。传统的通信网络传输一般采用E1方式，有时为了保障动态图像带宽，不得不采用多E1捆绑。而通过MSTP应用，可以直接将图像IP化传输到调控中心。若不考虑视频图像的备份信道，各DVR和视频主机间可直接通过MSTP设备组网互联，既降低了系统成本，也利于实现带宽灵活调整。

    MSTP在对工业电视图像信号传输过程中主要关注的是图像数据的大小，目前的工业电视已经过渡到第三代系统，即完全数字化处理，通过采用Motion JPEG、H.264、MPEG4 等多媒体数字压缩技术，将视频图像完全数字化，存储在计算机的硬盘、光盘等数字化存储媒介上，可连续存储一个月或是更长的时间，从而避免了经常更换磁带的麻烦。数字化资料存储可以做到保存时间长、数据更稳定且不易损坏；而且传输也实现数字网络化，使得图像抗干扰能力强，不易受传输线路信号衰减的影响，而且能够加密传输。目前编码技术的选择直接影响到图像的大小，几种编码技术的比较如表2所示。

表2  编码技术的参数比较

    因此现在一般采用基于H.264或MPEG-4编码技术的数字工业电视监视系统。这种系统每路图像一般在1M左右，一般站场需同时将4～16路图像传递到调控中心，其接口也是以太网FE接口，因此可以采用应用MSTP的虚级连技术，如将3个VC12的通道进行虚级连构成VC12-3v，同样采用点对点透传到调控中心实现工业电视图像的传输。

3.3  管线语音业务中MSTP技术应用

    采用NGN（下一代网络）软交换的VoIP技术进行语音通信已经逐渐成为未来的发展趋势。

    在VoIP关键技术中重点强调的是解决语音质量方面的技术，因为语音质量是实现VoIP的基础，关系到VoIP网络的建设成败，一次断断续续的语音通话是任何人都无法忍受的。影响VoIP语音质量的主要因素有：语音编码技术、包丢失率、时延与时延抖动等。

    语音编码技术在有效地利用带宽的同时，能提供高质量的语音。不同的编码技术将带来不同的语音质量，G.729是一种高效的语音压缩国际标准，速率为8Kbps，加上包头等的开销单向语音的速率仅为11.2Kbps。IP电话为双工通信，但考虑到通信时每个方向至少有60%时间处于静音状态，可以采用VAD技术进行静音压缩，这样每路语音统计只需12Kbps左右的带宽。但从管线作为专用通信网的情况来看，采用G.711压缩算法可以实现最好语音效果，其每路带宽也就64K。一般站场的语音的数量在20～30部，因此每个站场的带宽为1～1.5M，使用以太网FE接口，占用一个VC12通道就可实现高质量的语音传输。

3.4  管线视频会议业务中MSTP技术应用

    传统的视频会议是采用H.320标准，是基于电路交换方式，主要采用DDN，E1或ISDN来构建视频会议网络，但随着IP技术发展，现在的视频会议标准已经主要建立在IP传输通道上，标准采用H.323。

    在编解码方式上同样采用H.264，每个站场一般就一路会议图像到调控中心，速率为768Kbps，其接口也是以太网FE接口，占用一个VC12通道采用点对点透传到调控中心实现会议图像的传输。

3.5  管线MIS业务中MSTP技术应用

    MIS（Management Information Systems，管理信息系统）是一个由人、计算机、通信设备等组成，能够收集、传递、储存、加工和输出管理所需信息的系统。油气管线管理部门利用该系统来帮助进行管理和决策，其主要传输的数据文件，主要采用路由器或三层交换机来实现。通过MSTP的以太网接口以星型方式连接到调控中心。因此实现也采用点对点的汇聚方式，也可采用共享形总线网络拓扑结构。

    从以上分析可以清晰的了解采用MSTP技术可以快速，可靠，经济的并全IP化的实现传输长输管线各类通信业务。也符合当前管道信息化的基本需求。但随着管线的不断发展，网络越来越复杂，对光传输系统的智能化要求就会越来越高，目前承载在MSTP光传输系统的业务可以通过SNCP保护环、复用段环来完成保护倒换的，但随着网络结构的复杂化，通过传统的设计方法来实现路由计算和倒换，将越来越困难并诱发数据碰撞及传输时延，尽管也已经出现支持IP层提供第三层的保护的MSTP光传输，但从长远看，尤其是数字化管道的发展，某些IP业务由于其高QoS要求快速的物理层保护，而且所有的业务都在3层保护，这就要在每个节点都尽可能地进行路由处理，因此有必要在传送网层引入保护能力强的ASON网络，以满足IP业务为主体的需要。

    传统的光网络的业务配置一般都是依赖人工的方式进行，不但耗时费力，而且极容易出错，不能满足管线业务发展的需要。另外，随着数据业务的急剧增长，数据业务对于光网络传送带宽提出了动态分配的要求，以便充分地利用传送带宽。因此，一种新型的具有智能性的光网络模型―自动交换光网络（ASON）应运而生。不同于传统光网络，ASON的组成增加了一个新的层面―控制平面，并相应地在控制平面中引入了路由、信令和链路管理等机制，以实现连接自动管理。在光网络中，引入ASON有很多好处，主要体现在可实现业务快速提供和扩展、网络资源的动态优化、业务光层的快速恢复和提供新型的业务类型。

    除资源自动发现和快速业务指配管理之外，引入ASON的另一个重要原因之一是ASON可以通过格状网的组网方式，无需1:1的专用保护通道提供业务保护功能。根据网络的连接度、业务流量模式以及所使用的算法，可使整网的组网成本降低30%～40%。

    因此油气管线通信网络未来的发展方向将是MSTP上加入ASON。