王 敏

（南水北調中線局河南直管建管局，河南 鄭州 450018）

南水北調中線控制專網計算機網絡技術探討

王 敏

（南水北調中線局河南直管建管局，河南 鄭州 450018）

根據南水北調中線工程遠程閘站監(jiān)控系統(tǒng)的控制專網計算機組網需求，結合現有主流計算機網絡組網技術，闡述控制專網組網設計原則，通過對提出的 3 個計算機組網技術方案進行詳細的技術比較和分析，給出控制專網的最優(yōu)組網解決方案。

南水北調；控制專網；計算機網絡

0 引言

南水北調中線干線工程是一項跨流域、跨多省市的長距離特大型調水工程。自動化調度系統(tǒng)是南水北調中線工程的神經系統(tǒng)，以中線調水業(yè)務為核心，以全線閉環(huán)自動控制為重點，通過提供信息化作業(yè)和調度會商決策平臺，實現調水過程自動化和運行管理信息化，對工程的科學調度、可靠監(jiān)控、高效運行和安全管理具有十分重要的作用。遠程閘站監(jiān)控系統(tǒng)是自動化調度系統(tǒng)的關鍵系統(tǒng)之一，擔負著全線所有閘站的安全生產運行任務，如何利用先進可靠的計算機網絡技術，把各現地閘站及各級管理機構連接起來，建設滿足南水北調中線工程遠程閘站監(jiān)控需求的計算機網絡系統(tǒng)，保障業(yè)務數據的快速、安全、可靠傳送，具有重要意義[1-2]。

1 設計原則

遠程閘站監(jiān)控網絡系統(tǒng)由于需要傳送用于控制的各個現地站閘門的起閉及相關信息，要求實時性強，安全要求也高，網絡傳輸的可靠性和安全性對于系統(tǒng)至關重要，所以需要獨立組建控制專網，與外界網絡物理隔離。

1）可靠性。可靠性在網絡建設中體現在 2 方面：a.在于網絡拓撲的設計，盡量使網絡上不存在單點故障。b.連接網絡的設備必須支持插卡、接口、電源等關鍵部件的冗余與熱插拔能力及支持相關冗余協議，如 VRRP 路由器冗余協議。

2）開放性。應當考慮使用開放的國際標準協議，如網絡協議 TCP/IP，路由協議 OSPF，網絡管理協議 SNMP 及 RMON 等，在使用設備廠商私有協議前必須權衡開放性與高效性間的平衡。

3）先進性。在選擇網絡技術和設備時，必須在滿足需求條件下，選擇先進性的主流技術，要求設備支持 IPv6 技術，以便將來網絡在擴展升級時可以取得更大主動。

4）安全性。構建主動、有效的系統(tǒng)安全體系，包括網絡結構設計、路由策略、傳送技術選擇、安全基礎設施、應用系統(tǒng)安全和安全管理保障體系等方面。

5）可管理性。網絡中的任何設備均可以通過網絡管理平臺進行控制，網絡的設備狀態(tài)、故障報警等都可以通過網管平臺進行監(jiān)控，通過網絡管理平臺簡化管理工作，提高網絡管理的效率。

2 組網技術方案

由于核心業(yè)務網的高安全可靠性要求，結合南水北調中線工程需求，根據現有主流計算機網絡組網技術，主要有 3 種組網技術方案。

2.1 基于傳輸系統(tǒng)的計算機網絡組網

目前光傳輸技術有 SDH 技術、基于 SDH 的MSTP 技術、基于 RPR 多業(yè)務傳送平臺技術、基于專有協議的綜合業(yè)務傳送平臺，上述光傳輸技術都能實現環(huán)形組網，實現自愈功能，在出現斷纖、光纜或某節(jié)點設備被損壞時，能夠在 50 ms 內自愈，基本不影響業(yè)務傳送。此種組網方式也是目前采用最多的計算機廣域組網方式，技術非常成熟穩(wěn)定，國內外幾乎所有大型的計算機廣域網都基于光傳輸系統(tǒng)建設[3]。

根據業(yè)務需求和站點分布，方案一采用與應用系統(tǒng)流量拓撲特性相一致的樹型結構進行組網，以最大程度地降低網絡時延，從總體上可以分為核心層、骨干層、區(qū)域層、接入層，如圖1 所示。

核心層、骨干層、區(qū)域層之間選用高性能的路由器設備。接入層采用以太網交換機以 FE 鏈路通過傳輸網絡連接到區(qū)域層。這種組網方式的中繼鏈路主要有 POS ＋ GE/FE 或 RPR/DPT ＋ GE/FE 等方式，從安全可靠性和負載分擔的角度考慮，區(qū)域與骨干網節(jié)點之間應至少有 2 條不同路由的物理連接。

2.2 基于工業(yè)以太網組網

近年來，隨著工業(yè)以太環(huán)網技術出現，目前大部分控制網絡基本采用以太環(huán)網方式組網，以提高網絡的安全可靠性。節(jié)點間采用光纖連接。方案二針對本工程，采用工業(yè)以太環(huán)網技術，根據業(yè)務需求和站點分布，按主干和區(qū)段網絡組建，如圖2 所示。

在調度中心（總公司）、調度分中心（各分公司）、管理監(jiān)測站之間組建千兆以太環(huán)網組成主干網絡，在現地站通信站點與管理監(jiān)測站之間采用以太網技術組成百兆以太環(huán)網結構組建區(qū)段環(huán)網，每個區(qū)段環(huán)通過管理監(jiān)測站的以太網交換機雙上聯到主干網絡。

2.3 混合組網

方案三為混合組網模式，即核心層、骨干層及區(qū)域層組網基于光傳輸系統(tǒng)上，考慮到現地站通信站點一般“無人值守，少人值班”，機房環(huán)境會出現問題，對傳輸設備產生影響，因此在現地站，采用工業(yè)交換機，通過裸光纖組成區(qū)域以太環(huán)。采用此種方案，可以降低現地站通信站點因環(huán)境問題導致傳輸設備出現故障而無法傳送數據?；旌辖M網結果如圖3 所示。

在接入層各節(jié)點設置 2 臺十/百兆或千/百兆工業(yè)以太交換機，負責對本節(jié)點信息交換，各現地站通信站點設置 2 臺百兆工業(yè)交換機，負責本地監(jiān)控系統(tǒng)設備接入，工業(yè)以太環(huán)網同一網段可以連接 50 個工業(yè)交換機，網絡重構時間 〈 300 ms。

3 組網技術方案比較分析

3.1 方案優(yōu)劣勢比較

3 種組網技術方案優(yōu)劣勢比較如表1 所示。

3.2 方案綜合技術分析

綜合分析，3 種方案在技術上都是可行的，方案一、方案二是常用的組網方式。而方案三不僅存在協議互通問題，而且管理復雜，也沒有相關應用案例，因此本項目不建議采用[4]。下面對方案一、方案二 2 種可選方案作進一步分析比較：

1）技術成熟性。長距離組網，方案一非常成熟，目前方案二無組網實例。

2）網絡擴容性。如果增加節(jié)點，采用方案一只需要在節(jié)點處增加設備，即插即用，對網絡影響不大，方案二需要開環(huán)增加節(jié)點，在實施過程中，如果其他節(jié)點設備或光纖出現問題，將影響所在區(qū)域環(huán)無法通信。

3）產品兼容性。方案一采用標準協議，今后擴容不受原廠家設備影響，可兼容其它廠家設備。方案二采用部分私有協議，產品兼容性差，擴容時受設備廠家影響較大。

4）故障發(fā)生率。方案一，由于傳輸系統(tǒng)有多種保護方式，所提供的組網電路比較安全，發(fā)生故障概率低；方案二采用光纖組網，光纖、光接口出現問題，由于設備數量多，組網距離長，易發(fā)生雙節(jié)點實效，故障發(fā)生概率大。

5）故障影響面。方案一采用星形＋樹形結構，且采用雙上聯方式，在節(jié)點發(fā)生災難性事故時，只影響單個節(jié)點。方案二采用環(huán)形總線結構，不僅影響單個節(jié)點，還可能影響整個網絡的穩(wěn)定性。

6）維護管理。方案一不涉及中繼節(jié)點問題，設備數量少，維護成本低。方案二涉及多個中繼節(jié)點，設備數量多，發(fā)生故障概率高，維護成本高。

7）環(huán)境適應性。方案二采用工業(yè)級產品，可以適應比較惡劣的環(huán)境，單系統(tǒng)不需要環(huán)境設施，維護成本低。方案一對環(huán)境要求較高，需要空調設施，因此在環(huán)境適應性方面，方案二優(yōu)于方案一。但由于其他系統(tǒng)的設備，如：通信及其他應用系統(tǒng)設備所需的計算機網絡設備，仍對環(huán)境有要求，所以空調設施是必備的，在現地通信站點，這些設備都集中安裝在 1 個機房，因此方案一比方案二不會增加額外維護費用。若機房環(huán)境出現問題，影響到通信傳輸系統(tǒng)，則方案一單節(jié)點失效，方案二可正常工作。

從以上分析可以看出，方案一優(yōu)于方案二，更適合在傳輸系統(tǒng)上組建遠程閘站監(jiān)控系統(tǒng)控制專網計算機網絡[5]。

4 結語

目前，基于傳輸系統(tǒng)的計算機網絡控制專網組網方案已應用于南水北調中線工程遠程閘站監(jiān)控系統(tǒng)。在南水北調中線工程的自動化調度系統(tǒng)的建設、調試與全線聯調運行中，計算機網絡系統(tǒng)設計和實現符合遠程閘站監(jiān)控系統(tǒng)業(yè)務需求，網絡系統(tǒng)的可靠性、開放性、先進性、安全性與可管理性得到了充分的驗證，為南水北調中線工程實現科學調度、可靠監(jiān)控、高效運行、安全管理提供了有力保障。

[1] 鈕新強，文丹，劉子慧，等.南水北調中線一期工程項目建議書（修訂本）[M].武漢：長江勘測規(guī)劃設計研究院，2004: 17-18.

[2] 鈕新強，文丹，劉子慧，等.南水北調中線一期工程可行性研究總報告[M].武漢：長江勘測規(guī)劃設計研究院，2005: 25-26.

[3] 侯召成.南水北調中線干線工程自動化調度與運行管理決策系統(tǒng)關鍵技術問題研究[R].北京：中國水利水電科學研究院博士后出站報告，2006: 23-25.

[4] 郁建生.南水北調計算機網絡體系的設計[J].水利信息化，2011 (6): 68-72.

[5] 張娟.南水北調中線工程通信系統(tǒng)中時鐘同步技術探討[J].通信管理與技術，2011 (8): 48-51.

Discuss on Computer Network Technology of Control Private Network in Middle Route Project for South-to-North Water

WANG Min
(Construction and Management Bureau of Middle Route Project for South-to-North Water, Zhengzhou 450008, China)

Based on the demand of control private network of remote sluice-station monitoring system of Middle Route Project for South-to-North Water, this paper explains the principles of constructing control private network in view of the current network construction technology of computer network.The optimal solution for constructing control private network is proposed through comparing and analyzing three solutions of computer networking technology in detail.

South-to-North Water; control private network; computer network

TV67

A

1674-9405(2014)06-0064-05

2014-10-21

王 敏（1977－），女，河南安陽人，工程師，主要研究方向：信息化、網絡管理。