圖1  管道行業(yè)企業(yè)信息化平臺

表1  SCADA系統(tǒng)與數(shù)字化管道需求的對比

    由以上對比，筆者謹慎地認為，當(dāng)前管道SCADA系統(tǒng)設(shè)計與e-Pipeline系統(tǒng)整體要求在根本上存在著封閉集中式現(xiàn)狀與開放分布式需求的對立。但要實現(xiàn)開放式和分布式，就首先必須解決各種接口和通信協(xié)議的標準化問題，并根據(jù)信息分布式共享要求變革并規(guī)范控制網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)，向全面工業(yè)以太網(wǎng)移植。

    2003年6月，國際IEC協(xié)會遠動專委會TC57通信專業(yè)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(wǎng)絡(luò)和系統(tǒng)標準。筆者認為，該標準的發(fā)布已經(jīng)帶來了克服傳統(tǒng)局限、更完美的實現(xiàn)e-Pipeline系統(tǒng)技術(shù)發(fā)展的契機。

    首先，該標準堅持遠動系統(tǒng)中所制定的應(yīng)用數(shù)據(jù)是開放式的，即應(yīng)用層的信息體是自我描述的，采用通用服務(wù)的數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)的方式，以適應(yīng)面對新的技術(shù)的發(fā)展，不需要修改傳輸規(guī)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(xiàn)場總線式通信協(xié)議。同時提出了新的指導(dǎo)性意見，即采用開放的高速實時的工業(yè)以太網(wǎng)通信方式。IEC61850認為，通過采用高速開放的通信協(xié)議，使全局系統(tǒng)的I/O透明，調(diào)度中心計算機和上級監(jiān)控層計算機能更好實現(xiàn)控制和管理、生產(chǎn)決策，方便系統(tǒng)建模，易實現(xiàn)如運行設(shè)備的點檢、停工期、績效分析以及被資源生產(chǎn)型企業(yè)十分重視的檢漏分析和管道診斷、專家系統(tǒng)功能等。在開發(fā)軟件方面，主張管理和控制計算機都應(yīng)具有統(tǒng)一的編程環(huán)境、同一的企業(yè)具有同一的I/O設(shè)備的數(shù)據(jù)庫字典、方便實現(xiàn)企業(yè)建模和系統(tǒng)開發(fā)擴展，真正做到系統(tǒng)集成的目的。該標準針對一般企業(yè)用計算機作為網(wǎng)關(guān)機（當(dāng)前一般采用路由器或網(wǎng)橋）或中間通信控制器，對原有現(xiàn)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(tǒng)的數(shù)據(jù)經(jīng)網(wǎng)關(guān)機和中間通信控制器才能送到主控計算機會破壞系統(tǒng)的實時性、透明性，因此IEC61850對自動化SCADA系統(tǒng)網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)提出了如下建議方案：

    SCADA系統(tǒng)的三層結(jié)構(gòu)間均采用以太網(wǎng)直接通訊，監(jiān)控站與本站過渡設(shè)備及一次儀表之間用局域網(wǎng)聯(lián)接，不設(shè)中間網(wǎng)關(guān)機。新型控制網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)圖如圖2所示。

圖2  新型控制網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)圖

    從該標準力求規(guī)范并簡化傳輸環(huán)節(jié)、最大可能的提高數(shù)據(jù)傳送的初衷來講，上述新型網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)對于具有較完備環(huán)網(wǎng)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(yè)在引入該標準時，尚不宜完全遵循該結(jié)構(gòu)。因為同比電力通信網(wǎng)絡(luò)建設(shè)的環(huán)網(wǎng)甚至網(wǎng)格網(wǎng)的建設(shè)優(yōu)勢，管道通信網(wǎng)絡(luò)一般仍為單一的線性鏈狀結(jié)構(gòu)，對于需要主備信道的SCADA網(wǎng)絡(luò)，若完全舍棄網(wǎng)關(guān)機，則主備信道的倒換將難以控制和實現(xiàn)，因此，有必要保留路由器的主備信道倒換功能，但應(yīng)考慮透明I/O的需要，進行靜態(tài)IP地址指向，SCADA系統(tǒng)的三個層次間網(wǎng)絡(luò)透明。因此，筆者認為，采用三層交換機分布式組網(wǎng)，應(yīng)是更為符合新型長輸管道SCADA系統(tǒng)需要的方式，系統(tǒng)拓撲如圖3所示。

圖3  系統(tǒng)拓撲圖

    綜上所述，筆者認為，當(dāng)前管道SCADA系統(tǒng)建設(shè)應(yīng)盡快向全面工業(yè)以太網(wǎng)結(jié)構(gòu)轉(zhuǎn)型，強制性統(tǒng)一通信規(guī)約，數(shù)據(jù)庫趨向與整體信息平臺整合同一，開放并透明全網(wǎng)I/O。或許對于某一獨立的管道，現(xiàn)有SCADA系統(tǒng)建設(shè)模式也可以一定程度上為e-Pipeline提供支撐，但當(dāng)面向e-Pipelines建設(shè)時，當(dāng)面臨對多個不同類型、互不開放的SCADA系統(tǒng)數(shù)據(jù)整合時，現(xiàn)有的模式必然將阻礙系統(tǒng)的完整實現(xiàn)，即使部分通過中間件技術(shù)緩解，也必然造成系統(tǒng)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(tǒng)以及多專業(yè)信息系統(tǒng)的平臺統(tǒng)一綜合、信息共享和共同優(yōu)化需求。隨著基礎(chǔ)數(shù)據(jù)的開放，整合和優(yōu)化建設(shè)也就易于實現(xiàn)。在此不再延述。

3  建設(shè)基于MSTP的新一代管道通信網(wǎng)絡(luò)

    管道通信網(wǎng)絡(luò)是實現(xiàn)數(shù)字化管道的基礎(chǔ)支撐。只有建立穩(wěn)定、高效的傳輸網(wǎng)絡(luò)，才能順利保障實施和發(fā)揮數(shù)字化管道的綜合效益。管道通信網(wǎng)建設(shè)應(yīng)全面跨越主要面向傳統(tǒng)TDM（Time Division Multiplexing，時分復(fù)用）業(yè)務(wù)的PDH（準同步傳輸網(wǎng)）、SDH（同步傳輸網(wǎng)）的建設(shè)模式，轉(zhuǎn)為以IP業(yè)務(wù)為核心甚至唯一業(yè)務(wù)的基于MSTP（Multi Service Transport Protocol，多業(yè)務(wù)傳輸平臺）的新一代管道通信網(wǎng)絡(luò)。

    MSTP的核心內(nèi)容體現(xiàn)在傳輸設(shè)備對以太網(wǎng)業(yè)務(wù)的支持上，正是SDH傳輸設(shè)備上直接接入IP業(yè)務(wù)的需求帶來了MSTP技術(shù)的發(fā)展。

    第一代MSTP：將以太網(wǎng)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(wǎng)透傳業(yè)務(wù)，業(yè)務(wù)粒度受限于VC，一般最小為2Mbps，不能提供不同以太網(wǎng)業(yè)務(wù)的QoS區(qū)分，不提供流量控制；不提供多個以太網(wǎng)業(yè)務(wù)流的統(tǒng)計復(fù)用和帶寬共享；保護完全基于SDH，不提供以太網(wǎng)業(yè)務(wù)層的保護。

    第二代MSTP：在一個或多個用戶以太網(wǎng)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(xiàn)基于以太網(wǎng)鏈路層的數(shù)據(jù)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(wǎng)業(yè)務(wù)層保護；支持基于802.1p的優(yōu)先級轉(zhuǎn)發(fā)。但第二代MSTP也有一些缺點：基于STP的業(yè)務(wù)層保護時間太慢；業(yè)務(wù)帶寬粒度也受限于VC；VLAN的4096地址空間使其在核心節(jié)點的擴展能力很受限制；節(jié)點處在環(huán)上不同位置時，其業(yè)務(wù)的接入不公平；MAC地址的學(xué)習(xí)/維護以及MAC地址表影響系統(tǒng)性能；基于802.3x的流量控制只是針對點到點鏈路；多用戶/業(yè)務(wù)的帶寬共享僅支持本地接口，還不能對整個環(huán)業(yè)務(wù)進行共享。

    第三代MSTP：主要技術(shù)特征是引入了中間的智能適配（1.5層）、采用GFP高速封裝協(xié)議、支持虛級聯(lián)和鏈路容量自動調(diào)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(wù)水平協(xié)議）增強、阻塞控制以及公平接入。在以太網(wǎng)和SDH間引入一個中間的智能適配層（多協(xié)議標簽交換MPLS和彈性分組環(huán)RPR）來處理以太網(wǎng)業(yè)務(wù)的QoS要求，MPLS很好地解決了VLAN的可擴展性問題，為以太網(wǎng)業(yè)務(wù)服務(wù)質(zhì)量、SLA增強和網(wǎng)絡(luò)資源優(yōu)化利用提供很好的支持；RPR環(huán)為全分布式接入，環(huán)上節(jié)點均同等對待，環(huán)路帶寬按權(quán)重公平的在各節(jié)點間進行分配，支持不同的業(yè)務(wù)類別，實現(xiàn)高的帶寬利用率，針對數(shù)據(jù)業(yè)務(wù)提供小于50ms的快速分組環(huán)保護，可以保護由于節(jié)點失效或鏈路失效產(chǎn)生的故障，支持空間重用和額外業(yè)務(wù)。

    由上可見，MSTP技術(shù)是符合現(xiàn)代通信發(fā)展和適應(yīng)數(shù)字化管道應(yīng)用需求的。以下謹給出筆者對管線業(yè)務(wù)中MSTP應(yīng)用的討論總結(jié)，其中部分應(yīng)用已經(jīng)在儀征－長嶺原油管道工程通信系統(tǒng)的建設(shè)中付諸具體實踐。

3.1  SCADA業(yè)務(wù)傳輸中MSTP技術(shù)應(yīng)用

    在管線通信中SCADA業(yè)務(wù)的傳送是最為重要的業(yè)務(wù)，上節(jié)所述新一代SCADA系統(tǒng)框架也提出了SCADA應(yīng)面向全透明的、全工業(yè)以太網(wǎng)拓撲的網(wǎng)絡(luò)建設(shè)需求，同時也要求通信系統(tǒng)必須為其提供兩條獨立、不間斷、點對多點的傳輸通道。

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

    但是，為了滿足SCADA工業(yè)以太網(wǎng)的信道獨立要求，減少以太網(wǎng)絡(luò)數(shù)據(jù)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(diào)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(diào)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(fēng)險就是若是站場3的FE盤出現(xiàn)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(fā)生路由倒換，丟失了傳統(tǒng)E1傳輸?shù)膬?yōu)勢。因此應(yīng)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(tǒng)的SDH的優(yōu)勢。

圖5  具體通路2

    從以上的說明可以看出，MSTP的以太網(wǎng)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(xiàn)管線SCADA業(yè)務(wù)的高效可靠傳輸。

3.2  工業(yè)電視業(yè)務(wù)傳輸中MSTP技術(shù)應(yīng)用

    站場的工業(yè)電視主要是為了了解整個站場內(nèi)工作人員及設(shè)備運行的情況，站場本地應(yīng)該能夠?qū)崿F(xiàn)全部監(jiān)控功能，包括監(jiān)視、錄像和控制，以便及時處理突發(fā)事件。傳統(tǒng)的通信網(wǎng)絡(luò)傳輸一般采用E1方式，有時為了保障動態(tài)圖像帶寬，不得不采用多E1捆綁。而通過MSTP應(yīng)用，可以直接將圖像IP化傳輸?shù)秸{(diào)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(shè)備組網(wǎng)互聯(lián)，既降低了系統(tǒng)成本，也利于實現(xiàn)帶寬靈活調(diào)整。

    MSTP在對工業(yè)電視圖像信號傳輸過程中主要關(guān)注的是圖像數(shù)據(jù)的大小，目前的工業(yè)電視已經(jīng)過渡到第三代系統(tǒng)，即完全數(shù)字化處理，通過采用Motion JPEG、H.264、MPEG4 等多媒體數(shù)字壓縮技術(shù)，將視頻圖像完全數(shù)字化，存儲在計算機的硬盤、光盤等數(shù)字化存儲媒介上，可連續(xù)存儲一個月或是更長的時間，從而避免了經(jīng)常更換磁帶的麻煩。數(shù)字化資料存儲可以做到保存時間長、數(shù)據(jù)更穩(wěn)定且不易損壞；而且傳輸也實現(xiàn)數(shù)字網(wǎng)絡(luò)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(shù)的選擇直接影響到圖像的大小，幾種編碼技術(shù)的比較如表2所示。

表2  編碼技術(shù)的參數(shù)比較

    因此現(xiàn)在一般采用基于H.264或MPEG-4編碼技術(shù)的數(shù)字工業(yè)電視監(jiān)視系統(tǒng)。這種系統(tǒng)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(diào)控中心，其接口也是以太網(wǎng)FE接口，因此可以采用應(yīng)用MSTP的虛級連技術(shù)，如將3個VC12的通道進行虛級連構(gòu)成VC12-3v，同樣采用點對點透傳到調(diào)控中心實現(xiàn)工業(yè)電視圖像的傳輸。

3.3  管線語音業(yè)務(wù)中MSTP技術(shù)應(yīng)用

    采用NGN（下一代網(wǎng)絡(luò)）軟交換的VoIP技術(shù)進行語音通信已經(jīng)逐漸成為未來的發(fā)展趨勢。

    在VoIP關(guān)鍵技術(shù)中重點強調(diào)的是解決語音質(zhì)量方面的技術(shù)，因為語音質(zhì)量是實現(xiàn)VoIP的基礎(chǔ)，關(guān)系到VoIP網(wǎng)絡(luò)的建設(shè)成敗，一次斷斷續(xù)續(xù)的語音通話是任何人都無法忍受的。影響VoIP語音質(zhì)量的主要因素有：語音編碼技術(shù)、包丟失率、時延與時延抖動等。

    語音編碼技術(shù)在有效地利用帶寬的同時，能提供高質(zhì)量的語音。不同的編碼技術(shù)將帶來不同的語音質(zhì)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(tài)，可以采用VAD技術(shù)進行靜音壓縮，這樣每路語音統(tǒng)計只需12Kbps左右的帶寬。但從管線作為專用通信網(wǎng)的情況來看，采用G.711壓縮算法可以實現(xiàn)最好語音效果，其每路帶寬也就64K。一般站場的語音的數(shù)量在20～30部，因此每個站場的帶寬為1～1.5M，使用以太網(wǎng)FE接口，占用一個VC12通道就可實現(xiàn)高質(zhì)量的語音傳輸。

3.4  管線視頻會議業(yè)務(wù)中MSTP技術(shù)應(yīng)用

    傳統(tǒng)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(gòu)建視頻會議網(wǎng)絡(luò)，但隨著IP技術(shù)發(fā)展，現(xiàn)在的視頻會議標準已經(jīng)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(diào)控中心，速率為768Kbps，其接口也是以太網(wǎng)FE接口，占用一個VC12通道采用點對點透傳到調(diào)控中心實現(xiàn)會議圖像的傳輸。

3.5  管線MIS業(yè)務(wù)中MSTP技術(shù)應(yīng)用

    MIS（Management Information Systems，管理信息系統(tǒng)）是一個由人、計算機、通信設(shè)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(tǒng)。油氣管線管理部門利用該系統(tǒng)來幫助進行管理和決策，其主要傳輸?shù)臄?shù)據(jù)文件，主要采用路由器或三層交換機來實現(xiàn)。通過MSTP的以太網(wǎng)接口以星型方式連接到調(diào)控中心。因此實現(xiàn)也采用點對點的匯聚方式，也可采用共享形總線網(wǎng)絡(luò)拓撲結(jié)構(gòu)。

    從以上分析可以清晰的了解采用MSTP技術(shù)可以快速，可靠，經(jīng)濟的并全IP化的實現(xiàn)傳輸長輸管線各類通信業(yè)務(wù)。也符合當(dāng)前管道信息化的基本需求。但隨著管線的不斷發(fā)展，網(wǎng)絡(luò)越來越復(fù)雜，對光傳輸系統(tǒng)的智能化要求就會越來越高，目前承載在MSTP光傳輸系統(tǒng)的業(yè)務(wù)可以通過SNCP保護環(huán)、復(fù)用段環(huán)來完成保護倒換的，但隨著網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)的復(fù)雜化，通過傳統(tǒng)的設(shè)計方法來實現(xiàn)路由計算和倒換，將越來越困難并誘發(fā)數(shù)據(jù)碰撞及傳輸時延，盡管也已經(jīng)出現(xiàn)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(shù)字化管道的發(fā)展，某些IP業(yè)務(wù)由于其高QoS要求快速的物理層保護，而且所有的業(yè)務(wù)都在3層保護，這就要在每個節(jié)點都盡可能地進行路由處理，因此有必要在傳送網(wǎng)層引入保護能力強的ASON網(wǎng)絡(luò)，以滿足IP業(yè)務(wù)為主體的需要。

    傳統(tǒng)的光網(wǎng)絡(luò)的業(yè)務(wù)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(yè)務(wù)發(fā)展的需要。另外，隨著數(shù)據(jù)業(yè)務(wù)的急劇增長，數(shù)據(jù)業(yè)務(wù)對于光網(wǎng)絡(luò)傳送帶寬提出了動態(tài)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(wǎng)絡(luò)模型―自動交換光網(wǎng)絡(luò)（ASON）應(yīng)運而生。不同于傳統(tǒng)光網(wǎng)絡(luò)，ASON的組成增加了一個新的層面―控制平面，并相應(yīng)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(xiàn)連接自動管理。在光網(wǎng)絡(luò)中，引入ASON有很多好處，主要體現(xiàn)在可實現(xiàn)業(yè)務(wù)快速提供和擴展、網(wǎng)絡(luò)資源的動態(tài)優(yōu)化、業(yè)務(wù)光層的快速恢復(fù)和提供新型的業(yè)務(wù)類型。

    除資源自動發(fā)現(xiàn)和快速業(yè)務(wù)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(wǎng)的組網(wǎng)方式，無需1:1的專用保護通道提供業(yè)務(wù)保護功能。根據(jù)網(wǎng)絡(luò)的連接度、業(yè)務(wù)流量模式以及所使用的算法，可使整網(wǎng)的組網(wǎng)成本降低30%～40%。

    因此油氣管線通信網(wǎng)絡(luò)未來的發(fā)展方向?qū)⑹荕STP上加入ASON。