利用SDH光传输系统进行数字远程监控管理的可行性研究.docx
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利用SDH光传输系统进行数字远程监控管理的可行性研究
2010年度技术发展项目
利用SDH光传输系统进行数字远程监控管理的可行性研究
研究报告
2010年11月
目录
1.1远程监控技术及应用3
1.2远程监控技术的现状及发展4
1.3课题的研究内容5
2.远程监控技术6
2.1远程监控的一般结构及关键技术6
2.2光纤传输通信系统8
2.2.1常见的通信网络8
2.2.2光纤通信技术9
2.2.2.1基本光纤通信系统9
2.2.2.2数字光纤通信系统10
2.2.2.3光纤通信系统基本构成10
2.2.2.4备用系统与辅助设备11
2.3光端机11
2.3.1光端机简介11
2.3.2光端机的种类11
2.3.3光端机的传输距离13
2.3.4光端机接口类型13
2.4时分多路复用技术14
2.5时分复用中的同步技术15
2.5.1时分复用的帧结构16
2.6数字复接技术18
2.6.1PCM复用与数字复接18
2.7光纤通道网络与储存技术25
2.7.1SAN的概念26
2.7.1.1目前主要存储技术的对比26
2.7.1.2光纤通道SAN的结构27
2.7.1.3设计SAN的要素27
2.7.1.4光纤通道SAN的缺陷28
2.7.2SAN技术的新发展28
2.7.2.1VSAN的应用28
2.7.2.2进一步提升运行速度29
2.8对于现有海上平台实现数字远程监控的构想与分析30
2.8.1通讯方案构想与描述31
2.8.1.1升级改造方案（初步构想，仅限参考）31
2.8.1.2光传输设备配置方案31
2.8.1.2.1各平台间的通信方案31
3.结论34
摘要
远程监控可以实现对多个远距离的生产区域及工作区域进行监控，随着海底光缆在海上平台间的架设与连接，使得光纤传输（SDH）技术已经成为目前海上石油平台应用日益广泛的一种通信联系方式，这就为实现海上平台间及平台与陆地间的远程监测带来了可能性。
本篇文章分析了远程监控系统的一般结构、组成及原理，同时也对光纤传输系统的数据传输原理加以介绍和分析，并针对现在海上平台的光端传输系统使用现状及条件做以论述和研究，力图通过以上分析和研究对于利用SDH光传输系统进行海上平台数字远程监控管理的可行性加以论证，并得出相应结论，以便为后续进一步工作的开展带来良好契机。
研究中采用光端机（SDH）及光端复用器作为现场视频数据采集设备和监测计算机的连接硬件设备，实现数字信号和模拟信号间的转换及数字信号的分离，管理与显示功能，同时在利用两个对应的光端机（SDH）实现两个距离较远的海上平台间及海上平台与陆地终端间的视频数据传输功能。
研究表明，利用SDH光端传输系统实现海上平台间及陆地终端和海上平台间的远程监控具有易于实现、使用起来方便灵活的优点。
对于提高海上平台生产管理自动化水平具有很高的实用性。
关键词：
远程监控SDH陆地终端海上平台用户
1.引言
1.1远程监控技术及应用
在自动化领域，人们总是希望用机器来代替人做某些事情，尤其是大量简单的重复性的操作，或是危险的工作。
但是机器无论多先进，能帮人们多大的忙，它还是有可能会失控的，因此还是需要有相应的设备来监视这些机器的工作情况，这就是所谓的监控。
在监测的范围较大，或监控点较多的情况下，就需要把监控工作分散进行，然后再进行集中管理，这就是所谓的分布式监控。
[1]当要监测的站点较多，且分布不集中时，可以采用远程监控技术，即：
将总控制中心设在其他地方，各监测站还是采用分布式监测技术，再采用一定的通信方式将总控制中心计算机和各监测站计算机联系起来。
监控技术现在已经广泛应用于海上石油平台的生产和工作中。
随着海上油田的集群式开发，对于监控系统的功能日益凸显，当一个监控系统包括若干个子监控系统，且各子监控系统分布不集中时，采用远程监控技术则成为发展重点。
若象原有的每个监测点都派有专人看守，或是配人到处查看，肯定要消耗大量的人力物力，倘若发生意外情况却又无法及时报告给主管人员，耽误了决策的最佳时间，那将会带来严重的后果，轻者影响海上石油平台生产的正常进行，重者可能造成人员伤亡。
可见，对于这种监测站点分布广泛的情况，有必要用监测器来代替人的工作，监视平台机器设备的工作情况及整个生产区域的时时状况，并将这些时时资料传送到控制中心的计算机上，人们只要坐在监控中心里就可以查看到各个平台所设置监测点的工作情况，此外，再借助一定的通信手段，人们完全可以把这个监控总站搬到远离海上石油平台的陆地终端，并且可以随时查看当前，甚至以前的关于某个具体平台工作情况的各种数据资料。
从上面对远程监控技术的简单介绍我们可以看出来，采用远程监控技术可以大大降低人们的工作量，节约了成本，还可以实现自动化的管理，使得我们可以把更多的精力放在需要的地方，不必为了监视平台某个机器的工作而浪费大量的人力物力。
这对于海上石油平台生产的自动化、生产效率的提高以及安全作业起到很大的作用。
1.2远程监控技术的现状及发展
远程监控技术目前已经应用于石油、化工、水处理、工业锅炉等众多的工业场所。
远程监控技术主要包括两部分：
一是主控制中心计算机与各个监测分站计算机的通信过程；二是各监测分站和其监测点的通信。
现在海上石油平台内部监控系统则属于各监测分站和其监测点的通信，监测站和其监测点的通信是把用传感器（摄像头、红外线成像探头）及对应的转换器等芯片器件监测到的视频数据传到监测站。
一般来说，是采用专用的通信线路或是总线将视频数据传送到监测站计算机的。
当它们之间的距离较近时，通信线路可以选择比较便宜的，当它们之间的距离较远时，就要考虑选择价格稍微贵点，但是通信质量较好的通信线路。
在具体的实现过程中，我们还需要编写通信程序，进行软硬件设计，解决采取什么样的方法通信、发送数据的方式、接收数据的方式、如何管理这些数据等问题。
监测站和主控制中心计算机的通信方式可以分为命令式和轮询式。
轮询式是指监测站1～监测站n按一定的算法轮流不停的向总控制中心计算机发送数据，总控制中心计算机负责接收和管理这些数据，但是它无法主动和各监测站联系，只能被动的接收。
命令式可以实现总控制中心计算机和监测站计算机的相互通信，两者可以通过问答方式来实现通信，总控制中心计算机是发问方，可以任何时刻提出和任何一个监测站的通信，可以要求监测站提供其需要的数据，具有很强的灵活性。
无论是命令式还是轮询式的通信，在其具体的实现过程中，都要涉及到用软件编程来实现通信功能。
目前的远程通信技术还存在着一些不足之处，比如，在通信方式上，无论是命令式还是轮询式都不能很好的实现总控制中心计算机和监测站的通信，如果能使它们实现互通式的通信，即：
任何时刻两者都可以相互通信，不在存在必须有一方主动提出通信才可以进行通信，这样可以大大增强系统工作的灵活性，及时性。
虽然说如果一直让主控制中心计算机和监测站计算机之间保持通信关系就可以使双方随时通信，但是这就会大量增加通信费用。
所以如何实现双方智能化的通信，是今后的一个重要研究方向。
在通信网络方面，目前的几种选择都存在着不足之处，有的传输距离有限，有的传输质量不好，有的通信费用太高等等。
人们都在努力寻找更好的技术来使远程通信技术更加完善，最终可以实现低成本、高性能的远程监控系统。
1.3课题的研究内容
由前面的介绍我们可以看出来，整个远程监控系统是很复杂的。
因此，这里仅介绍一个监测站和主控制中心计算机间的点到点的连接通
信问题，通过这个最简单的监控系统，来说明远程监控系统的工作情况。
如何将两个相距较远的计算机连接起来是实现远程通信的核心。
通过借助一定的通信网络可以实现其连接，比如：
光纤传输系统，它可以实现远距离的通信，随着光纤技术的发展，光缆的价格逐渐被人们所接受，现在许多海上平台已经通过光缆连接在一起，这样为光传输系统在数字远程监控管理系统中的运用提供了一个良好的平台。
本课题将在以下几方面进行专题研究：
（1）远程监控的一般结构
（2）光纤传输通信系统介绍
（3）光端机介绍
（4）时分多路复用技术
（5）时分复用的同步技术
（6）数字复接技术
（7）光纤通道网络与储存技术
（8）对于现有海上平台实现数字远程监控管理的构想与分析
2.远程监控技术
2.1远程监控的一般结构及关键技术
远程监控系统一般是由总控制中心计算机、监测站计算机、光端机（SDH）及数字复用设备（PCM）、光纤传输网络以及设备间的连接线路等组成的。
图2.1就是一个简单的远程监控系统的结构图。
图2.1远程监控系统结构图
从上图可以看到，要实现远程通信，我们应该考虑的问题有，主控制中心计算机和光端机（SDH）及数字复用设备（PCM）之间的连接（监测站计算机和局部光端机（SDH）的连接也是一样的方式）；PCM（复用设备）和光纤传输网络的连接；SDH（光端机）和数字复用设备（PCM）是怎样工作的；监测站计算机和主控制中心计算机如何实现通信（通信协议问题）；以及数据的管理问题，监测得到的数据应该采取相对的处理措施，作好保存工作，方便随时查看。
远程监控技术涉及到的几个关键技术在前面对远程监控的介绍中已经有了初步的介绍，下面将具体的分析远程监控的过程，看看远程通信是怎样实现的。
下面以单个海上平台监测站为例来介绍它和总控制中心的通信过程：
首先，各个海上平台监测点要把监测的视频数据送到平台监测站计算机上，平台监测站计算机应该先把数据进行保存，然后进行分析，若测得的数据超过了限度，要能够报警，由于监测的数据量较多，还有为了方便随时查看调用，应该把数据保存在数据库中，这样可以较好的管理数据。
平台监测站的计算机可以查看数据、打印数据、进行报警处理、实现工作记录等常见的一些功能。
平台监测站这里可以独立的工作，工作人员可以通过监测站的计算机监视和管理各监测点的工作情况。
主控制中心的作用主要作用在于，它可以在平台监测站以外的任何地方，随时和平台监测站的计算机取得联系，获得想要的数据资料，比如在陆地终端也可以实现与各个海上平台监测站的连接。
当主控制中心计算机想和某个海上平台监测站取得联系时，它可以通过主控制中心计算机、光端机（SDH）及复用器（PCM）对想要联系的平台监测站进行联系，通过光纤传输系统网络连接到平台监测站，通过海上平台上的光端机（SDH）连接到平台监测站计算机上，复用器（PCM）可以实现数字信号的复接和传输功能，光纤传输网络中传输的是数字信号，主控制中心的计算机及海上平台监控站的计算机中运行的也都是数字信号，这个数字信号复接的过程是很重要的，因为我们要根据数字复接技术才能传输、接收且找到相对应各个监测站的数据。
PCM（复用器）还负责具体的查询、接收、调制、解调工作。
然后，当主控制中心计算机和某平台监测站计算机建立起必要的联系后，比如主控制中心计算机要求传送当天的视频监测数据，平台监测站要能够正确的接收到这个命令，并把当天的数据传回去，接收数据的主控制中心计算机也能正确的接收这部分视频监测数据，并做出相应的数据处理。
或者当平台监测站计算机主动发送监测数据给主控制中心计算机时，主控制中心计算机要能知道发送的是哪些参数的视频监测数据以及是什么时候的视频监测值，并且要能及时的存储数据。
这里面就是一个通信协议的制定问题，要定义一个双方都能遵守和应用的通信协议，在通信过程中，双方都按照这个协议进行通信，这样才能实现有效的控制。
最后，主控制中心计算机中也要有数据管理功能、分析数据、打印报表等功能。
这个和平台监测站计算机的功能基本相似。
下面我们可以根据上面的简单介绍，来具体的分析一下远程监控的各关键技术。
2.2光纤传输通信系统
2.2.1常见的通信网络
通信网络的选择实际上就是在现有的通信媒介中选择一种适合远程监控需求的媒介。
目前常见的通信媒介主要有：
无线方式和有线方式。
无线传输主要是指：
卫星通信、移动通信等。
有线传输又包括：
电力线的载波传输、专线传输、光纤通信等。
卫星通信可以在地球上任意两点之间实现通信，既快捷又准确，不受通信两点地面自然条件恶劣程度的影响，且费用与通信距离无关，是现在进行远程通信的一个良好的传输媒介。
除了低仰角地区外，卫星通信受地形、地物阻挡屏蔽作用的影响较小，适用于国内或国际大范围的海上、空中、及陆地综合通信网。
尤其是对人烟稀少地区、受天灾待援助地区、远洋船只及对远航飞机等更能显示它的优越性。
但是移动卫星通信也有不利的方面，首先，它不能随拥护密度的增加不断分裂窝蜂小区，即不能随用户密度的增加L频段的重复利用率；信道租用费较昂贵；接续路由有局限性。
移动通信即移动体与固定点、移动体之间的通信。
这类通信受空间限制较少，时时性好，其主要代表为GSM技术。
但GSM主要用语声音服务，其视频数据服务落后于声音服务，主要原因是视频数据服务的投资大，GSM网络若要处理视频数据和声音，就必须重新进行调整，这项工作的难度大。
还有就是陆地蜂窝移动通信系统的基地站受天线高度限制，增设基地站需要较大投资，故迄今一些发达国家的陆地蜂窝移动通信系统的覆盖范围仅限于城市及主要公路沿线。
电力线的载波传输技术可取性高、投资少、建设维护方便，是目前唯一不需要线路投资的有线通信方式。
我国已经建成电力系统通信专用网，电力线载波（PLC）通信是电力通信网的基础之一，是传送电力系统继电保护和运动信息，组织电力调度指挥的重要手段之一。
但目前就我国情况而言还需要花大力气开发相关产品并致力于提高可靠性和稳定性，且电力线载波通信在和其他通信方式结合中接口问题还存在很大问题，随着通信距离的增加通信质量会随之下降。
专线（LeasedLine）在我国称为DDN，是一种点到点的连接方式，速度一般选择64kbps～2.048Mbps。
专线的好处是数据传递有较好的保障，带宽恒定；专线传输意味着时时连接，长期可用，带宽固定，在应用速率低于1kit/s的范围内有广泛的市场，如银行的POS机、GPS系统、烟草销售、彩票销售、企业办公等等，但是这种通信方式成本很高，距离愈长价格也就愈贵，而且点到点的结构不够灵活。
光纤通信的研究工作在我国的起步较早，在70年代初就已经开始了研究工作。
光纤通信是利用光导纤维传送信息的光波通信技术。
其载波位于电磁波谱的近红外区，频率非常高且范围宽，因而通信容量极大。
一条光纤可以同时传送100亿对电话或1000万套电视，实际上已能作到的光纤系统通信容量是高频同轴电缆的1千倍。
此外，光纤通信还具有不导电、耐高温、重量轻、纤细、低损耗等特点。
综上所述，光纤传输方式成为数字远程监控管理系统较为合理的通信联系方式，下面将以光纤传输系统作为主要通信联系方式来具体分析数字远程监控系统在海上平台间及与陆地终端间的应用。
2.2.2光纤通信技术
光纤通信技术和计算机技术是信息化的两大核心支柱，计算机负责把信息数字化，输入网络中去；光纤则是担负着信息传输的重任。
当代社会和经济发展中，信息容量日益剧增，为提高信息的传输速度和容量，光纤通信被广泛的应用于信息化的发展，成为继微电子技术之后信息领域中的重要技术。
2.2.2.1基本光纤通信系统
最基本的光纤通信系统由数据源、光发送端、光学信道和光接收机组成。
其中数据源包括所有的信号源，它们是话音、图象、数据等业务经过信源编码所得到的信号；光发送机和调制器则负责将信号转变成适合于在光纤上传输的光信号，先后用过的光波窗口有0.85、1.31和1.55。
光学信道包括最基本的光纤，还有中继放大器EDFA等；而光学接收机则接收光信号，并从中提取信息，然后转变成电信号，最后得到对应的话音、图象、数据等信息。
2.2.2.2数字光纤通信系统
光纤传输系统是数字通信的理想通道。
与模拟通信相比较，数字通信有很多的优点，灵敏度高、传输质量好。
因此，大容量长距离的光纤通信系统大多采用数字传输方式。
在光纤通信系统中，光纤中传输的是二进制光脉冲"0"码和"1"码，它由二进制数字信号对光源进行通断调制而产生。
而数字信号是对连续变化的模拟信号进行抽样、量化和编码产生的，称为PCM（pulsecodemodulation），即脉冲编码调制。
这种电的数字信号称为数字基带信号，由PCM电端机产生。
2.2.2.3光纤通信系统基本构成
（1）光发信机
光发信机是实现电/光转换的光端机。
它由光源、驱动器和调制器组成。
其功能是将来自于电端机的电信号对光源发出的光波进行调制，成为已调光波，然后再将已调的光信号耦合到光纤或光缆去传输。
电端机就是常规的电子通信设备。
（2）光收信机
光收信机是实现光/电转换的光端机。
它由光检测器和光放大器组成。
其功能是将光纤或光缆传输来的光信号，经光检测器转变为电信号，然后，再将这微弱的电信号经放大电路放大到足够的电平，送到接收端的电端汲去。
（3）光纤或光缆
光纤或光缆构成光的传输通路。
其功能是将发信端发出的已调光信号，经过光纤或光缆的远距离传输后，耦合到收信端的光检测器上去，完成传送信息任务。
（4）中继器
中继器由光检测器、光源和判决再生电路组成。
它的作用有两个：
一个是补偿光信号在光纤中传输时受到的衰减；另一个是对波形失真的脉冲进行修正。
（5）光纤连接器、耦合器等无源器件
由于光纤或光缆的长度受光纤拉制工艺和光缆施工条件的限制，且光纤的拉制长度也是有限度的（如1Km）。
因此一条光纤线路可能存在多根光纤相连接的问题。
于是，光纤间的连接、光纤与光端机的连接及耦合，对光纤连接器、耦合器等无源器件的使用是必不可少的。
2.2.2.4备用系统与辅助设备
了确保系统的畅通，通常设置都有备用系统，就好比对磁盘的备份。
正常情况下只有主系统工作，一旦主要系统出现故障，就可以立即切换到备用系统，这样就可以保障通信的畅通和正确无误。
辅助设备是对系统的完善，它包括监控管理系统、公务通信系统、自动倒换系统、告警处理系统、电源供给系统等。
2.3光端机
2.3.1光端机简介
光端机是光通信系统中的主要传输设备，主要是进行光电转换及传输功用。
一般用于电信、电力、监控、工业控制、视频传输等功能，在各个行业有着广泛的应用。
常说的光端机指的是用于监控系统用来传输视频、数据、以太网、音频等综合信息的光端机。
2.3.2光端机的种类
光端机从接口分类应为视频光端机,音频光端机,数据光端机,以太网光端机，光端机分3类：
PDH，SPDH，SDH。
PDH（PlesiochronousDigitalHierarchy，准同步数字系列）光端机是小容量光端机，一般是成对应用，也叫点到点应用，容量一般为4E1，8E1，16E1。
SDH（SynchronousDigitalHierarchy，同步数字系列）光端机容量较大，一般是16E1到4032E1。
SPDH（SynchronousPlesiochronousDigitalHierarchy）光端机，介于PDH和SDH之间。
SPDH是带有SDH（同步数字系列）特点的PDH传输体制（基于PDH的码速调整原理，同时又尽可能采用SDH中一部分组网技术）。
以此分类用于电信上传输信号（也有压缩的视频）的压缩光端机与用于监控和广播电视行业的非压缩的视频光端机.
通常所说的光端机是传输视频的非压缩光端机.
视频光端机在中国的发展是伴随着监控发展开始的，视频光端机就是把1到多路的模拟视频信号通过各种编码转换成光信号通过光纤介质来传输的设备，又分为模拟光端机和数字光端机。
1、模拟光端机模拟光端机采用了PFM调制技术实时传输图象信号。
发射端将模拟视频信号先进行PFM调制后，再进行电-光转换，光信号传到接收端后，进行光-电转换，然后进行PFM解调，恢复出视频信号。
由于采用了PFM调制技术，其传输距离能达到50Km或者更远。
通过使用波分复用技术，还可以在一根光纤上实现图象和数据信号的双向传输，满足监控工程的实际需求。
这种模拟光端机也存在一些缺点：
a）生产调试较困难；
b）单根光纤实现多路图象传输较困难，性能会下降，目前这种模拟光端机一般只能做到单根光纤上传输4路图象；
c）抗干扰能力差，受环境因素影响较大，有温漂；
d）由于采用的是模拟调制解调技术，其稳定性不够高，随着使用时间的增加或环境特性的变化，光端机的性能也会发生变化，给工程使用带来一些不便。
2、数字光端机
由于数字技术与传统的模拟技术相比在很多方面都具有明显的优势，所以正如数字技术在许多领域取代了模拟技术一样，光端机的数字化也是一种必然趋势。
目前，数字视频光端机主要有两种技术方式：
一种是MPEGII图象压缩数字光端机，另一种是全数字非压缩视频光端机。
图象压缩数字光端机一般采用MPEGII图象压缩技术，它能将活动图象压缩成N×2Mbps的数据流通过标准电信通信接口传输或者直接通过光纤传输。
由于采用了图象压缩技术，它能大大降低信号传输带宽。
全数字非压缩视频光端机采用全数字无压缩技术，因此能支持任何高分辨率运动、静止图像无失真传输；克服了常规的模拟调频、调相、调幅光端机多路信号同时传输时交调干扰严重、容易受环境干扰影响、传输质量低劣、长期工作稳定性不高等缺点。
并且支持音频双向、数据双向、开关量双向、以太网、电话等信号的并行传输，现场接线方便，即插即用。
与传统的模拟光端机相比，数字光端机具有明显的优势：
1）传输距离较长：
可达80Km，甚至更远（120Km）；
2）支持视频无损再生中继，因此可以采用多级传输模式；
3）受环境干扰较小，传输质量高；
4）支持的信号容量可达16路，甚至更多（32路、64路）。
2.3.3光端机的传输距离
传输距离是指光端机实际可传输光信号的最大距离。
这是个标称数值，它取决于设备和实际环境等多种因素,双纤的光端机一般可传输1到120KM,单纤的一般可传输1到80KM。
2.3.4光端机接口类型
光端机的典型物理接口如下：
BNC接口
BNC接口是指同轴电缆接口，BNC接口用于75欧同轴电缆连接用，提供收（RX）、发（TX）两个通道，它用于非平衡信号的连接。
光纤接口
光纤接口是用来连接光纤线缆的物理接口。
通常有SC、ST、FC等几种类型，它们由日本NTT公司开发。
FC是FerruleConnector的缩写，其外部加强方式是采用金属套，紧固方式为螺丝扣。
ST接口通常用于10Base-F，SC接口通常用于100Base-FX。
RJ-45接口
RJ-45接口是以太网最为常用的接口，RJ-45是一个常用名称，指的是由IEC（60）603-7标准化，使用由国际性的接插件标准定义的8个位置（8针）的模块化插孔或者插头。
RS-232接口
RS-232-C接口（又称EIARS-232-C）是目前最常用的一种串行通讯接口。
它是在1970年由美国电子工业协会（EIA）联合贝尔系统、调制解调器厂家及计算机终端生产厂家共同制定的用于串行通讯的标准。
它的全名是“数据终端设备（DTE）和数据通讯设备（DCE）之间串行二进制数据交换接口技术标准”。
该标准规定采用一个25个脚的DB25连接器，对连接器的每个引脚的信号内容加以规定，还对各种信号的电平加以规定。
（目前多用DB9）
RJ-11接口
RJ-11接口就是我们平时所说的电话线接口。
RJ-11是用于西部电子公司（WesternElectric）开发的接插件的通用名称。
其外形定义为6针的连接器件。
原名为WExW，这里的x表示“活性”，触点或者打线针。
例如，WE6W有全部6个触点，编号1到6,WE4W界面只使用4针，最外面的两个触点（1和6）不用，WE2W只使用中间两针（即电话线接口用）
2.4时分多路复用技术
为了提高信道利用率，使
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