MCTP研发技术成果报告.docx
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MCTP研发技术成果报告
MCTP项目效应情况说明及
研究成果报告
北京阳光金力科技发展有限公司
2013年03月
目录
1．概述3
1.1项目概述3
1.2研究工作的必要性3
1.3项目的研究意义4
2．研究目标及技术关键5
2.1总体方案概述5
2.1.1产品功能模块：
6
2.1.2技术实现思路：
6
2.2项目主要研究内容7
2.2.1设备研发内容7
2.2.2千兆主模块（GM）8
2.2.3以太网模块8
2.2.4视频编解码模块10
2.2.5数据接口模块12
2.2.6电话接口模块13
2.2.7音频接口模块14
2.3设计工艺流程16
2.4生产工艺流程17
2.5项目技术实现依据17
2.5.1设计思想依据17
2.5.2关键技术实现的依据18
3.项目研究成果20
3.1应用创新点20
3.1.1工业领域的“三网合一”解决方案20
3.1.2为“一网到底”提供传输解决方案20
3.1.3为SDH网提供补充21
3.1.4灵活的组网与低成本21
3.2技术创新点22
3.2.1独创的“以太网成帧器”传输模式22
3.2.2自有专利的异步FIFO时钟同步技术22
3.2.3自主创新、自有知识产权的时钟调整技术23
3.2.4自主创新的隧道传输技术24
4.与当前国内外同类研究、同类技术的比较24
5.人才培养25
6.资金使用情况25
7.研究项目的效应情况26
7.1社会效益26
7.2.经济效益26
8.2013年项目进度总结27
1．概述
1.1项目概述
MCTP基于电信主流的SDH/MSTP结构,采用先进、成熟的光纤传输技术和优化的工业以太网数据交换技术，为煤矿井下综合自动化系统建设提供“三网合一”综合信息传输平台，实现话音、数据、以太网和视频等业务的灵活接入，MCTP真正实现了矿山的安全监测、生产自动化系统、调度电话和工业电视等业务通过一对光纤进行宽带传输。
该系统是集IP分组业务和TDM电路业务于一体的工业级光纤自愈多业务传输设备。
目前多业务传输设备主要分两种模式：
第一种是在基于TDM电路业务的SDH的基础上，提供IPoverSDH功能。
但其核心是基于电路交换，对于IP业务带宽分配不灵活，带宽开销大，节点数目受限，所以该种方案是传统的电信厂商为了保护自己已有的SDH网络所采用的一个过渡方案。
第二种是基于IP 以太网结构，适合点到点和复杂结构。
但是IP采用的尽力传送的机制，对于实时性强的业务，并不能提供良好的QoS，其路由保护和恢复时间长。
难以满足TDM业务和工业控制传输需求。
MCTP采用的是独创的固定长度以太网帧传输模式。
采用以太网帧结构，使系统具有IP网的组网灵活性和低成本；采用固定长度（也就是定时收发数据），使系统具有时分复用等电路交换特性，保证了话音业务和工业控制数据的高实时性和QoS要求。
项目还应用了独创的时钟同步、时钟调整和专有隧道等技术，具有“以太网帧中有电路交换，电路通道中有IP通路”的特性，是集上述两种模式优点于一身的极佳方案。
该项目特别适合专用调度通信网和工业环境综合控制的企业通信网；其优化的网络传输和多业务接入解决方案能在煤矿井下综合自动化系统建设发挥巨大作用。
目前，MCPT技术已经在电力、水利、石油等工业产业领域中得到应用。
MCPT还已成功地在亚运会、大运会等全国性赛事中发挥作用，实时掌握现场内外情况、设备运行情况进行了解，准确把握突发事件条件下的应急处理方式，快捷、准确地采取应急措施。
国家安全生产监督管理总局于2008年4月对该系统的关键技术及应用进行了科学技术成果鉴定。
鉴定结论为：
“在适用性、可靠性、安全性、先进性等方面优于煤矿现有同类网络系统”，“国际先进技术，特色鲜明，具有很高的推广价值和应用前景”，“达到国内领先水平”。
2009年2月获得国家安全生产监督管理总局安全生产科技成果三等奖
1.2研究工作的必要性
随着科学技术的不断发展，建设安全高产、高效的自动化、信息化管理为一体的现代化矿井已成为煤矿发展的必然趋势，然而，多数煤矿目前使用的监控等其他系统处于封闭状态，形成了多个系统信息的孤岛，各个系统之间各自为政，相互兼容性差已成为矿井发展的瓶颈问题。
随着矿井年龄的增长，信息传输系统老化陈旧，接入复杂，系统传输压力加大，先进的监控系统相互之间不能兼容等问题极为明显。
随着安全形势及矿井发展的需要，增加的子系统越来越多，各子系统在井下巷道中重复布置线缆情况日益突出，不但增加了资金的投入、加大了系统的维护工作量，也极不利于矿井安全生产的需要。
现有监控系统的体系结构、信息传输方式、系统反应速度等方面的技术瓶颈日益突出，难以满足我矿现代化、信息化发展的需要，制约了矿井现代化管理水平的提升。
在煤矿安全体系中，行之有效的安全预警系统，是保障煤矿安全生产和矿工生命安全最重要的环节。
如果安全系统不能迅速发现井下危险，数据无法及时、快速传输，将会对矿工的健康、安全构成巨大威胁，为煤矿的安全生产埋下隐患。
目前，煤矿生产的安全系统的唯一选择是工业以太网，虽然这在一定程度上解决了部分数据的通用性，但仍有部分信息并不能通过TCP/IP协议进行转换，一部分重要信息在传输过程中缺失，成为煤矿安全生产的重大隐患。
在实践中，使用以太网传输信息，极易导致广播风暴、带宽挤占，严重阻碍了信息传输速度，缩短了安全系统预警时间，再加上煤矿功耗大，不易做到本质安全性，如果突发安全事故，矿工的生命安全危在旦夕。
工业以太网用于煤矿生产，尤其是在安全性能上，还不能完全胜任安全平台的角色。
为此，一个可以传输不同数据、反映迅速的，可以将各自为政的安全系统形成体系的技术研发迫在眉睫，为煤矿生产过程中更为可靠、快速地传递信息，预警事故发生，延长预警时间，应为当前的安全系统进行升级，保障安全生产。
1.3项目的研究意义
通过该系统的研究成果可以实现：
（1）生产的信息化促进全矿的管理信息化，大量的安全生产监测数据是管理信息化的基础，通过对监测数据进行转换、整理、挖掘，管理系统对全矿的安全生产状况进行综合性动态分析，为领导科学决策提供依据。
（2）综合自动化控制系统与管理信息系统有机结合，可加强企业内部协作与通信，提高生产和管理效率，增强企业的市场竞争力，使煤矿企业的信息化进程实质性的跨上一个新台阶。
（3）使管理人员从繁杂的手工事务性劳动中解脱出来，以便从事更高水平的管理工作。
（4）实现对网络的集中管理，对网络上的各种设备进行监控和处理，对网络的正常运行提供保障。
（5）能够有效的实现生产、安全管理和综合查询等功能，使其成为一个综合性的信息化网络。
通过以上系统，综合建立一个高速、可靠、传输信息量大的数据传输网络，采用新一代网络视频监控的核心技术，实现前端处理数字化、传输系统化、系统构造集成化、远程控制自动化。
能够实现瓦斯浓度、风速、负压、温度、一氧化碳浓度、风门开关状态、风筒开关状态、煤仓煤位、井下水仓水位等主要安全环境参数的实时监测，以及电力、通风、压风、排水、采煤、运输、提升等生产、安全系统的实时监测与集中控制。
实现企业的经营、安全、生产管理和设备控制、生产决策等信息的有机集成。
应用信息化技术，实现经营管理科学化，生产计划、生产安全调度、生产过程控制最优化。
保证煤矿生产安全，提高产量和质量，提高企业经济效益和竞争能力。
2．研究目标及技术关键
2.1总体方案概述
MCTP的组网如下图所示：
MCTP为光纤多通道传输平台，采用成熟的光纤传输技术和优化的工业以太网数据交换技术，为煤矿井下提供的“三网合一”综合信息传输平台，实现语音、数据、以太网和视频等业务的灵活接入。
MCTP解决方案充分考虑到网络适应未来业务发展的需求，以丰富的业务接入种类、稳定可靠的性能、灵活的扩展升级能力和优越的性能价格比成为各种综合业务通信网络的理想选择。
使用MCTP可以使矿山井下安全检测、生产自动化系统、调度电话和工业电视等业务通过一对光纤实现宽带传输。
MCTP采用了千兆以太网接口作为成帧器，采用以太网帧结构,并使千兆帧的每个bit的承载带宽与传统的TDM业务每bit的承载带宽相同，使系统具有IP网的组网灵活性和低成本，同时具有时分复用的电路的交换特性,保证了话音业务和工业控制数据的高实时性和QoS要求。
MCTP的解决方案充分考虑到网络适应未来业务发展的需求，以丰富的业务接入种类、稳定可靠的性能、灵活的扩展升级能力和优越的性能价格比成为各种综合业务通信网络的理想选择。
针对矿山信息化应用而设计的嵌入式系统，采用环形拓朴结构，可以使矿山井下的安全监测、生产自动化系统、调度电话和工业电视等业务通过一对光纤实现宽带传输，且实现语音、数据、工业以太网和视频等业务的灵活接入。
项目产品的功能是实现多种业务在光纤上安全、高效传输。
2.1.1产品功能模块：
功能如下图所示:
2.1.2技术实现思路：
1）采用光纤自愈环,满足工业级要求。
本项目设备采用双纤环网。
2）使用千兆以太网接口作为成帧器，组网灵活，成本较低。
3）采用固定时长的以太网帧，使以太网接口帧的承载bit带宽与TDM业务承载bit带宽相同，都是8K。
该方法能较方便的使两种业务融合在一个的平台上。
4）采用异步FIFO作为弹性缓存进行线路时钟同步，使环网中的每个光纤单元严格同步，既保证了TDM在系统中的同步传输，又降低了设备成本。
而基于SDH的MSTP设备网需要精确的时钟同步单元。
5）采用异部FIFO时钟调整技术，将以太网帧速率125M（125Mx8bit=1000M）平滑过渡到节点背板时钟8M上来，使整个系统的TDM帧时钟和以太网帧时钟严格同步。
而通常方法需要锁相环电路才能实现时钟同步。
6）物理隧道的建立。
开辟相互隔离的传输通道（隧道），建立节点间的固定连接，实现TDM业务和IP业务的各个通道相互独立，这样在保证业务传送高效可靠的同时，省去了复杂的传输协议和安全认证机制，隧道的建立和管理是根据业务需求进行的
7）TDM业务每个接口按需分配物理带宽，在各此隧道中传输。
保证了实时性和安全性。
8）IP以太网业务采用成熟的多路以太网交换芯片实现；VLAN功能由交换芯片和FPGA实现；每个IP业务通道按需分配物理带宽，通道内采用划分VLAN和以太网共享数据环技术按优先级排队，确证QoS质量。
9）以上核心技术采用FPGA，CPLD等大规模可编程器件，自主开发实现。
系统CPU由ARM9完成。
10）业务接口（语音，低速数据，Mpeg2图像编解码，以太网）采用成熟器件。
2.2项目主要研究内容
2.2.1设备研发内容
MCTP矿用本安型工业以太环网传输平台系统分为调度室设备、地面现场设备和井下本安设备KJJ50（B）。
MCTP光环网最多可由64个站点组成，每个站点包括：
矿用本质安全型多通道工业以太网综合接入器、本安电源箱、隔爆电源箱。
2.2.2千兆主模块（GM）
电源输入：
本安电源DC+5V
安装：
固定插入第一槽位
功能：
实现以太网信号、视频信号、音频信号、数据信号和1000Mb/s线路帧之间的复接和分复接；实现以太网数据的插入,终结,和排序功能；实现异步数据和话音电路的交叉连接，视频数据的交叉连接；实现设备的网元管理。
光口数量：
2个
2.2.3以太网模块
·1）ESWOBi井下光以太网接口模块
电源输入：
本安电源DC+5V本安型
安装：
除第一槽位外的任意槽位
功能：
提供４路快速以太网接口（100/10BASE-T）。
用途:
井下KJJ50（B）矿用本安型工业以太网综合接入器
·2）ESWOBg地面现场光以太网接口模块
电源输入：
MCTP-D电源提供DC+5V
安装：
除第一槽位外的任意槽位
功能：
提供４路快速以太网接口（100/10BASE-T）。
用途:
地面现场工业以太网综合接入器
3）ESWEBi电以太网接口模块
电源输入：
本安电源DC+5V
安装：
除第一槽位外的任意槽位
功能：
提供４路快速以太网接口（100/10BASE-T）
用途:
井下KJJ50（B）矿用工业以太网综合接入器
·4）ESWEBg电以太网接口模块
电源输入：
地面现场电源DC+5V
安装：
除第一槽位外的任意槽位
功能：
提供４路快速以太网接口（100/10BASE-T）
用途:
地面现场MCTP-D矿用工业以太网综合接入器
·5）ESWEB电以太网接口模块
电源输入：
集控中心电源DC+5V
安装：
除第一槽位外的任意槽位
功能：
提供４路快速以太网接口（100/10BASE-T）
用途:
集控中心MCTP-m矿用工业以太网综合接入器
2.2.4视频编解码模块
·1）VENCi+VPi电口视频编码模块
电源输入：
本安电源DC+5V
安装：
除第一槽位外的任意槽位。
功能：
每块板提供1路视频编码，MPEG4编码，速率2-8Mb/s。
用途:
配接本安型出线端子板VPi，井下KJJ50（B）矿用工业以太网综合接入器
·2）VENCg+VPg电口视频编码模块
电源输入：
DC+5V
安装：
除第一槽位外的任意槽位。
功能：
每块板提供1路视频编码，MPEG4编码，速率2-8Mb/s。
用途:
配接本安型出线端子板VPi，地面现场MCTP-D矿用工业以太网综合接入器
·3）VENOi光口视频编码模块
电源输入：
本安型电源DC+5V
安装：
除第一槽位外的任意槽位。
功能：
每块板提供1路光视频编码，速率2-8Mb/s。
用途:
用于井下KJJ50（B）连接光端机设备
·4）VENOg光口视频编码模块
电源输入：
DC+5V
安装：
除第一槽位外的任意槽位。
功能：
每块板提供1路光视频编码，速率2-8Mb/s。
用途:
用于地面现场MCTP-D连接光端机设备
·5）VDEC视频解码接口模块
电源输入：
DC+5V
安装：
除第一槽位外的任意槽位。
功能：
每块板提供1路视频解码，速率2-8Mb/s。
用途:
集控机房矿用工业以太网综合接入器
2.2.5数据接口模块
·1）DATAi+RS232i/RS485i/CANi数据隔离本安接口模块
电源输入：
DC+5V
安装：
除第一槽位外的任意槽位
功能：
每块板提供4路带隔离的RS232/RS485、CAN总线数据接口，接口速率为19.2Kb/s以下自适应。
用途：
配接本安型出线端子板RS232i、RS485i、CANi用于井下KJJ50（B）矿用工业以太网综合接入器。
·2）DATAg+RS232g/RS485g/CANg数据隔离本安接口模块
电源输入：
DC+5V
安装：
除第一槽位外的任意槽位
功能：
每块板提供4路带隔离的RS232/RS485、CAN总线数据接口，接口速率为19.2Kb/s以下自适应。
用途：
配接本安型出线端子板RS232g、RS485g、CANg用于地面现场MCTP-D矿用工业以太网综合接入器。
·3）DSMB数据接口模块
电源输入：
DC+5V
安装：
除第一槽位外的任意槽位
功能：
每块板提供4路RS232/RS485总线数据接口，接口速率为19.2Kb/s以下自适应。
用途：
用于集控机房MCTP-m矿用工业以太网综合接入器。
·4）CAN数据接口模块
电源输入：
DC+5V
安装：
除第一槽位外的任意槽位
功能：
每块板提供4路CAN总线数据接口。
用途：
用于集控机房MCTP-m矿用工业以太网综合接入器。
2.2.6电话接口模块
·1）SLRi+LCi电话用户接口模块
电源输入：
DC-48V，DC+5V
安装：
除第一槽位外的任意槽位。
功能：
每块板提供二路电话用户电路接口。
用途：
用于井下KJJ50（B）矿用工业以太网综合接入器。
·2）SLRg+LCg电话用户接口模块
电源输入：
DC-48V，DC+5V
安装：
除第一槽位外的任意槽位。
功能：
每块板提供四路电话用户电路接口。
用途：
用于地面现场MCTP-D矿用工业以太网综合接入器。
·2）SLCB电话环路中继接口模块
电源输入：
+5V
安装：
除第一槽位外的任意槽位
功能：
每块板提供4路环路中继接口
用途：
连接电话交换机设备，用于集控机房MCTP-m矿用工业以太网综合接入器
2.2.7音频接口模块
·1）AUDi+AU2i/AU4i二/四线音频隔离接口模块
电源输入：
DC+5V
安装：
除第一槽位外的任意槽位。
功能：
每块板提供4路两/四线音频接口。
用途：
用于井下KJJ50（B）矿用工业以太网综合接入器。
·2）AUDg+AU2g/AU4g二/四线音频接口模块
电源输入：
DC+5V
安装：
除第一槽位外的任意槽位。
功能：
每块板提供4路两/四线音频接口。
用途：
用于地面现场MCTP-D矿用工业以太网综合接入器。
·3）SK2二线音频接口模块
电源输入：
+5V
安装：
除第一槽位外的任意槽位
功能：
每块板提供4路两线音频接口
用途：
用于集控机房矿用工业以太网综合接入器。
·4）SK4四线音频接口模块
电源输入：
+5V
安装：
除第一槽位外的任意槽位
功能：
每块板提供4路四线音频接口
用途：
用于集控机房矿用工业以太网综合接入器。
2.3设计工艺流程
MCTP设计工艺流程如图所示：
2.4生产工艺流程
MCTP生产工艺流程如图所示：
2.5项目技术实现依据
2.5.1设计思想依据
“分组数据和TDM数据如何在网络中高效安全传输”是全球通信行业关注的热点，也伴随着新技术、新标准的出现和新产品的不断完善。
项目产品的成功研制和应用为通信行业多业务传输设备提供了新的思路，尤其为我国矿山专用通信网提供一种高性价比的应用方案。
本项目方案有多项技术创新，目前国内外市场没有完全相同的技术思路。
但在整个设计过程中主要参照或引用的标准有：
《ITU-X.87城域网多业务环（MSR）标准》，《基于SDH的多业务传送节点技术要求》[1]；《基于SDH的多业务传送节点测试方法》[2]；《基于SDH的多业务传送节点（MSTP）技术要求——内嵌RPR功能部分》[3]；《基于SDH的多业务传送节点（MSTP）测试方法——内嵌RPR功能部分》[4]；和ITU-TG.703、G.704、G.823、G.824、ITU-TG.707、IEEE802.x、YDN065－1997、YDN099-1998、YD/T877-1996YD/T1022-1999、YD/T1238-2002GB/T2423.1-2001电工电子产品环境试验第2部分：
试验方法试验A：
低温，GB/T2423.2-2001电工电子产品环境试验第2部分：
试验方法试验B：
高温，GB/T2423.4-1993电工电子产品基本环境试验规程试验Db：
交变湿热试验方法，GB/T2423.5-1995电工电子产品环境试验第2部分：
试验方法试验Ea和导则：
冲击，GB/T2423.10-1995电工电子产品环境试验第2部分：
试验方法试验Fc和导则：
振动（正弦，GB3836.1-2000爆炸性气体环境用电气设备第1部分：
通用要求，GB3836.4-2000爆炸性气体环境用电气设备第4部分：
本质安全型“i”，GB4208-1993外壳防护等级（IP代码），GB6388-86运输包装收发货标志，GB10111-88利用随机数骰子进行随机抽样的方法，GB/T14048.1-2000低压开关设备和控制设备总则，MT209-90煤矿通信、检测、控制用电工电子产品通用技术要求，MT210-90煤矿通信、检测、控制用电工电子产品基本试验方法，MT211-90煤矿通信、检测、控制用电工电子产品质量检验规则，MT289-92煤矿本质安全型供电、自动电话机通用技术条件，MT290-92煤矿本质安全型供电、自动电话机主要性能测试方法，MT406-1995煤矿通信井下汇接装置通用技术条件，MT/T899-2000煤矿用信息传输装置
2.5.2关键技术实现的依据
本系统的关键技术分两方面：
硬件和软件。
●软件核心技术有以太网共享数据环技术，实现依据有虚拟隧道标记交换（VTTS：
VirtualTunnellingTagSwitch）的原理和RPR（弹性分组环）技术原理。
●硬件核心技术采用定时以太网帧、线路时钟同步，TDM和IP的时钟调整，隧道控制，VLAN控制等。
采用大规模集成电路芯片（FPGA,EPLD）和嵌入式CPU（ARM9）完成。
具体原理如下：
（1）.光接口板的实现依据：
图MCTP光接口实现框图
该电路板实现以太网信号、视频信号、音频信号、数据信号和1000Mb/s线路帧之间的复接和分复接；实现以太网数据的插入,终结,和排序功能；实现异步数据和话音电路的交叉连接，视频数据的交叉连接；实现设备的网元管理。
如上图所示通过大规模逻辑期间FPGA实现复分接，与系统配置CPU配合完成物理带宽的控制、环网的检测、切换和其他逻辑控制。
该电路板上实现多项关键技术或创新技术，如：
●线路保护，保护时间在50ms之内。
●实现定时的千兆网的帧结构，使得传统的TDM业务和以太网数据在统一平台上可靠传输。
●时钟同步，使用弹性缓存调整时钟的原理，创造性的使用异步fifo，测算本地时钟和光环网时钟的偏差，来调整本地发送时钟。
●时钟调整：
使用异步FIFO将125M线路时钟，平滑过渡到本地的8M时钟。
●以太网的共享数据环：
通过FPGA实现虚拟隧道标记交换和RPR部分特性。
（2）其它业务板的实现依据
1）.以太网接口模块:
分四路以太网光接口和四路以太网电接口两种模块。
以太网交换采用Reltek公司的交换芯片。
2）.数据接口模块:
每块板提供4路可选的RS232/RS485/CAN数据接口，接口速率为19.2Kb/s以下自适应。
根据过采样原理，速率自适应，数据接口类型包括RS232，RS485和CAN总线接口。
3）.电话用户模块:
每块板提供4路电话用户电路接口。
使用AMD公司的套片。
4）.电话环路模块功能：
每块板提供4路环路用户接口，使用香港亚讯电信的套片。
5）.视频编码模块功能：
每块板提供3路H.264视频编码，速率2-4Mb/s。
6）.视频解码模块功能：
每块板提供3路H.264视频解码，速率2-4Mb/s。
7）视频技术：
使用飞利浦公司的视频A/D编解码芯片，
8）视频压缩和解压缩采用海思的Hi3510视频压缩/解压套片。
信号制式PAL/NTSC，速度：
每秒1-30幅（可编程），带宽1-4Mb/s，分辨率：
576x720。
3.项目研究成果
3.1应用创新点
3.1.1工业领域的“三网合一”解决方案
针对煤炭信息自动化专网设计,提供话音和工业级的数据、视频业务接口,提供实时性高、真正的“三网合一”解决方案。
由于专用调度网以调度监控和管理信息为主要业务,对数据业务的实时性和安全可靠性要求比公网用户有更高的要求。
而基于SDH的多业务传送
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