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圖1  管道行業企業信息化平臺

表1  SCADA系統與數字化管道需求的對比

    由以上對比，筆者謹慎地認為，當前管道SCADA系統設計與e-Pipeline系統整體要求在根本上存在著封閉集中式現狀與開放分布式需求的對立。但要實現開放式和分布式，就首先必須解決各種接口和通信協議的標準化問題，并根據信息分布式共享要求變革并規范控制網絡結構，向全面工業以太網移植。

    2003年6月，國際IEC協會遠動專委會TC57通信專業向全球頒布了一個重要的最新國際標準：IEC61850變電站自動化通信網絡和系統標準。筆者認為，該標準的發布已經帶來了克服傳統局限、更完美的實現e-Pipeline系統技術發展的契機。

    首先，該標準堅持遠動系統中所制定的應用數據是開放式的，即應用層的信息體是自我描述的，采用通用服務的數據結構的方式，以適應面對新的技術的發展，不需要修改傳輸規約或者修改軟件。該標準淘汰了不能透明實時、不開放的各種現場總線式通信協議。同時提出了新的指導性意見，即采用開放的高速實時的工業以太網通信方式。IEC61850認為，通過采用高速開放的通信協議，使全局系統的I/O透明，調度中心計算機和上級監控層計算機能更好實現控制和管理、生產決策，方便系統建模，易實現如運行設備的點檢、停工期、績效分析以及被資源生產型企業十分重視的檢漏分析和管道診斷、專家系統功能等。在開發軟件方面，主張管理和控制計算機都應具有統一的編程環境、同一的企業具有同一的I/O設備的數據庫字典、方便實現企業建模和系統開發擴展，真正做到系統集成的目的。該標準針對一般企業用計算機作為網關機（當前一般采用路由器或網橋）或中間通信控制器，對原有現場RTU只做周邊簡單改進而沒有根本改變的方式也提出了批評，認為SCADA系統的數據經網關機和中間通信控制器才能送到主控計算機會破壞系統的實時性、透明性，因此IEC61850對自動化SCADA系統網絡結構提出了如下建議方案：

    SCADA系統的三層結構間均采用以太網直接通訊，監控站與本站過渡設備及一次儀表之間用局域網聯接，不設中間網關機。新型控制網絡結構圖如圖2所示。

圖2  新型控制網絡結構圖

    從該標準力求規范并簡化傳輸環節、最大可能的提高數據傳送的初衷來講，上述新型網絡結構對于具有較完備環網通信保障的變電站自動化來講是適合的，但筆者認為，長輸管道自動化行業在引入該標準時，尚不宜完全遵循該結構。因為同比電力通信網絡建設的環網甚至網格網的建設優勢，管道通信網絡一般仍為單一的線性鏈狀結構，對于需要主備信道的SCADA網絡，若完全舍棄網關機，則主備信道的倒換將難以控制和實現，因此，有必要保留路由器的主備信道倒換功能，但應考慮透明I/O的需要，進行靜態IP地址指向，SCADA系統的三個層次間網絡透明。因此，筆者認為，采用三層交換機分布式組網，應是更為符合新型長輸管道SCADA系統需要的方式，系統拓撲如圖3所示。

圖3  系統拓撲圖

    綜上所述，筆者認為，當前管道SCADA系統建設應盡快向全面工業以太網結構轉型，強制性統一通信規約，數據庫趨向與整體信息平臺整合同一，開放并透明全網I/O。或許對于某一獨立的管道，現有SCADA系統建設模式也可以一定程度上為e-Pipeline提供支撐，但當面向e-Pipelines建設時，當面臨對多個不同類型、互不開放的SCADA系統數據整合時，現有的模式必然將阻礙系統的完整實現，即使部分通過中間件技術緩解，也必然造成系統無謂處理負荷增加、實時性延滯的弊端。對于模擬仿真等專家系統以及多專業信息系統的平臺統一綜合、信息共享和共同優化需求。隨著基礎數據的開放，整合和優化建設也就易于實現。在此不再延述。

3  建設基于MSTP的新一代管道通信網絡

    管道通信網絡是實現數字化管道的基礎支撐。只有建立穩定、高效的傳輸網絡，才能順利保障實施和發揮數字化管道的綜合效益。管道通信網建設應全面跨越主要面向傳統TDM（Time Division Multiplexing，時分復用）業務的PDH（準同步傳輸網）、SDH（同步傳輸網）的建設模式，轉為以IP業務為核心甚至唯一業務的基于MSTP（Multi Service Transport Protocol，多業務傳輸平臺）的新一代管道通信網絡。

    MSTP的核心內容體現在傳輸設備對以太網業務的支持上，正是SDH傳輸設備上直接接入IP業務的需求帶來了MSTP技術的發展。

    第一代MSTP：將以太網信號直接映射到SDH的虛容器（VC）中，進行點到點傳送；提供以太網透傳業務，業務粒度受限于VC，一般最小為2Mbps，不能提供不同以太網業務的QoS區分，不提供流量控制；不提供多個以太網業務流的統計復用和帶寬共享；保護完全基于SDH，不提供以太網業務層的保護。

    第二代MSTP：在一個或多個用戶以太網接口與一個或多個獨立的基于SDH虛容器的點對點鏈路之間，實現基于以太網鏈路層的數據幀交換。可提供基于802.3x的流量控制；提供多用戶隔離和VLAN劃分；提供基于STP的以太網業務層保護；支持基于802.1p的優先級轉發。但第二代MSTP也有一些缺點：基于STP的業務層保護時間太慢；業務帶寬粒度也受限于VC；VLAN的4096地址空間使其在核心節點的擴展能力很受限制；節點處在環上不同位置時，其業務的接入不公平；MAC地址的學習/維護以及MAC地址表影響系統性能；基于802.3x的流量控制只是針對點到點鏈路；多用戶/業務的帶寬共享僅支持本地接口，還不能對整個環業務進行共享。

    第三代MSTP：主要技術特征是引入了中間的智能適配（1.5層）、采用GFP高速封裝協議、支持虛級聯和鏈路容量自動調整（LCAS）機制，因此可支持多點到多點的連接、具有可擴展性、支持用戶隔離和帶寬共享、支持QoS、SLA（Service Level Agreement，服務水平協議）增強、阻塞控制以及公平接入。在以太網和SDH間引入一個中間的智能適配層（多協議標簽交換MPLS和彈性分組環RPR）來處理以太網業務的QoS要求，MPLS很好地解決了VLAN的可擴展性問題，為以太網業務服務質量、SLA增強和網絡資源優化利用提供很好的支持；RPR環為全分布式接入，環上節點均同等對待，環路帶寬按權重公平的在各節點間進行分配，支持不同的業務類別，實現高的帶寬利用率，針對數據業務提供小于50ms的快速分組環保護，可以保護由于節點失效或鏈路失效產生的故障，支持空間重用和額外業務。

    由上可見，MSTP技術是符合現代通信發展和適應數字化管道應用需求的。以下謹給出筆者對管線業務中MSTP應用的討論總結，其中部分應用已經在儀征－長嶺原油管道工程通信系統的建設中付諸具體實踐。

3.1  SCADA業務傳輸中MSTP技術應用

    在管線通信中SCADA業務的傳送是最為重要的業務，上節所述新一代SCADA系統框架也提出了SCADA應面向全透明的、全工業以太網拓撲的網絡建設需求，同時也要求通信系統必須為其提供兩條獨立、不間斷、點對多點的傳輸通道。

    傳統的方式是采用通過E1、v.35等接口由站場傳送到調控中心。對于傳統的傳輸方式，其缺陷是顯而易見的，多次的轉換降低了系統的實時性、可靠性和誤碼指標劣化，而且接口的轉換也無謂的造成故障點的增加。通過MSTP技術，可以實現直接用以太網的接入方式將SCADA業務由站場傳送到調控中心。

    但是，為了滿足SCADA工業以太網的信道獨立要求，減少以太網絡數據碰撞機制造成的時延。具體通路組織必須注意做到站場到調控中心的點到點的直接匯聚，而不宜采用共享傳輸方式。對于共享方式，可以采用如圖4解。

圖4  具體通路1

    對于站場1，若要傳送到調控中心，其路徑是先到站場2的MSTP的FE板進行交換，再到站場3的MSTP的FE進行交換，最后到達主控中心，其風險就是若是站場3的FE盤出現問題，必然影響站場1、2的傳輸，盡管可以采用到備控的另一條路由，但會造成站場1、2也發生路由倒換，丟失了傳統E1傳輸的優勢。因此應采用點對點匯聚方式，如圖5所示。站場3的MSTP上FE盤的故障不會影響到站場1、2。這就達到傳統的SDH的優勢。

圖5  具體通路2

    從以上的說明可以看出，MSTP的以太網的匯聚功能非常重要，目前FE到GE匯聚比最高達到64:1，最低的為8:1，匯聚比越高，能夠更好的實現管線SCADA業務的高效可靠傳輸。

3.2  工業電視業務傳輸中MSTP技術應用

    站場的工業電視主要是為了了解整個站場內工作人員及設備運行的情況，站場本地應該能夠實現全部監控功能，包括監視、錄像和控制，以便及時處理突發事件。傳統的通信網絡傳輸一般采用E1方式，有時為了保障動態圖像帶寬，不得不采用多E1捆綁。而通過MSTP應用，可以直接將圖像IP化傳輸到調控中心。若不考慮視頻圖像的備份信道，各DVR和視頻主機間可直接通過MSTP設備組網互聯，既降低了系統成本，也利于實現帶寬靈活調整。

    MSTP在對工業電視圖像信號傳輸過程中主要關注的是圖像數據的大小，目前的工業電視已經過渡到第三代系統，即完全數字化處理，通過采用Motion JPEG、H.264、MPEG4 等多媒體數字壓縮技術，將視頻圖像完全數字化，存儲在計算機的硬盤、光盤等數字化存儲媒介上，可連續存儲一個月或是更長的時間，從而避免了經常更換磁帶的麻煩。數字化資料存儲可以做到保存時間長、數據更穩定且不易損壞；而且傳輸也實現數字網絡化，使得圖像抗干擾能力強，不易受傳輸線路信號衰減的影響，而且能夠加密傳輸。目前編碼技術的選擇直接影響到圖像的大小，幾種編碼技術的比較如表2所示。

表2  編碼技術的參數比較

    因此現在一般采用基于H.264或MPEG-4編碼技術的數字工業電視監視系統。這種系統每路圖像一般在1M左右，一般站場需同時將4～16路圖像傳遞到調控中心，其接口也是以太網FE接口，因此可以采用應用MSTP的虛級連技術，如將3個VC12的通道進行虛級連構成VC12-3v，同樣采用點對點透傳到調控中心實現工業電視圖像的傳輸。

3.3  管線語音業務中MSTP技術應用

    采用NGN（下一代網絡）軟交換的VoIP技術進行語音通信已經逐漸成為未來的發展趨勢。

    在VoIP關鍵技術中重點強調的是解決語音質量方面的技術，因為語音質量是實現VoIP的基礎，關系到VoIP網絡的建設成敗，一次斷斷續續的語音通話是任何人都無法忍受的。影響VoIP語音質量的主要因素有：語音編碼技術、包丟失率、時延與時延抖動等。

    語音編碼技術在有效地利用帶寬的同時，能提供高質量的語音。不同的編碼技術將帶來不同的語音質量，G.729是一種高效的語音壓縮國際標準，速率為8Kbps，加上包頭等的開銷單向語音的速率僅為11.2Kbps。IP電話為雙工通信，但考慮到通信時每個方向至少有60%時間處于靜音狀態，可以采用VAD技術進行靜音壓縮，這樣每路語音統計只需12Kbps左右的帶寬。但從管線作為專用通信網的情況來看，采用G.711壓縮算法可以實現最好語音效果，其每路帶寬也就64K。一般站場的語音的數量在20～30部，因此每個站場的帶寬為1～1.5M，使用以太網FE接口，占用一個VC12通道就可實現高質量的語音傳輸。

3.4  管線視頻會議業務中MSTP技術應用

    傳統的視頻會議是采用H.320標準，是基于電路交換方式，主要采用DDN，E1或ISDN來構建視頻會議網絡，但隨著IP技術發展，現在的視頻會議標準已經主要建立在IP傳輸通道上，標準采用H.323。

    在編解碼方式上同樣采用H.264，每個站場一般就一路會議圖像到調控中心，速率為768Kbps，其接口也是以太網FE接口，占用一個VC12通道采用點對點透傳到調控中心實現會議圖像的傳輸。

3.5  管線MIS業務中MSTP技術應用

    MIS（Management Information Systems，管理信息系統）是一個由人、計算機、通信設備等組成，能夠收集、傳遞、儲存、加工和輸出管理所需信息的系統。油氣管線管理部門利用該系統來幫助進行管理和決策，其主要傳輸的數據文件，主要采用路由器或三層交換機來實現。通過MSTP的以太網接口以星型方式連接到調控中心。因此實現也采用點對點的匯聚方式，也可采用共享形總線網絡拓撲結構。

    從以上分析可以清晰的了解采用MSTP技術可以快速，可靠，經濟的并全IP化的實現傳輸長輸管線各類通信業務。也符合當前管道信息化的基本需求。但隨著管線的不斷發展，網絡越來越復雜，對光傳輸系統的智能化要求就會越來越高，目前承載在MSTP光傳輸系統的業務可以通過SNCP保護環、復用段環來完成保護倒換的，但隨著網絡結構的復雜化，通過傳統的設計方法來實現路由計算和倒換，將越來越困難并誘發數據碰撞及傳輸時延，盡管也已經出現支持IP層提供第三層的保護的MSTP光傳輸，但從長遠看，尤其是數字化管道的發展，某些IP業務由于其高QoS要求快速的物理層保護，而且所有的業務都在3層保護，這就要在每個節點都盡可能地進行路由處理，因此有必要在傳送網層引入保護能力強的ASON網絡，以滿足IP業務為主體的需要。

    傳統的光網絡的業務配置一般都是依賴人工的方式進行，不但耗時費力，而且極容易出錯，不能滿足管線業務發展的需要。另外，隨著數據業務的急劇增長，數據業務對于光網絡傳送帶寬提出了動態分配的要求，以便充分地利用傳送帶寬。因此，一種新型的具有智能性的光網絡模型―自動交換光網絡（ASON）應運而生。不同于傳統光網絡，ASON的組成增加了一個新的層面―控制平面，并相應地在控制平面中引入了路由、信令和鏈路管理等機制，以實現連接自動管理。在光網絡中，引入ASON有很多好處，主要體現在可實現業務快速提供和擴展、網絡資源的動態優化、業務光層的快速恢復和提供新型的業務類型。

    除資源自動發現和快速業務指配管理之外，引入ASON的另一個重要原因之一是ASON可以通過格狀網的組網方式，無需1:1的專用保護通道提供業務保護功能。根據網絡的連接度、業務流量模式以及所使用的算法，可使整網的組網成本降低30%～40%。

    因此油氣管線通信網絡未來的發展方向將是MSTP上加入ASON。