南水北調(diào)中線控制專網(wǎng)計算機網(wǎng)絡(luò)技術(shù)探討

王 敏

（南水北調(diào)中線局河南直管建管局，河南 鄭州 450018）

南水北調(diào)中線控制專網(wǎng)計算機網(wǎng)絡(luò)技術(shù)探討

王 敏

（南水北調(diào)中線局河南直管建管局，河南 鄭州 450018）

根據(jù)南水北調(diào)中線工程遠程閘站監(jiān)控系統(tǒng)的控制專網(wǎng)計算機組網(wǎng)需求，結(jié)合現(xiàn)有主流計算機網(wǎng)絡(luò)組網(wǎng)技術(shù)，闡述控制專網(wǎng)組網(wǎng)設(shè)計原則，通過對提出的 3 個計算機組網(wǎng)技術(shù)方案進行詳細的技術(shù)比較和分析，給出控制專網(wǎng)的最優(yōu)組網(wǎng)解決方案。

南水北調(diào)；控制專網(wǎng)；計算機網(wǎng)絡(luò)

0 引言

南水北調(diào)中線干線工程是一項跨流域、跨多省市的長距離特大型調(diào)水工程。自動化調(diào)度系統(tǒng)是南水北調(diào)中線工程的神經(jīng)系統(tǒng)，以中線調(diào)水業(yè)務(wù)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(diào)度會商決策平臺，實現(xiàn)調(diào)水過程自動化和運行管理信息化，對工程的科學(xué)調(diào)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(diào)度系統(tǒng)的關(guān)鍵系統(tǒng)之一，擔(dān)負著全線所有閘站的安全生產(chǎn)運行任務(wù)，如何利用先進可靠的計算機網(wǎng)絡(luò)技術(shù)，把各現(xiàn)地閘站及各級管理機構(gòu)連接起來，建設(shè)滿足南水北調(diào)中線工程遠程閘站監(jiān)控需求的計算機網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)，保障業(yè)務(wù)數(shù)據(jù)的快速、安全、可靠傳送，具有重要意義[1-2]。

1 設(shè)計原則

遠程閘站監(jiān)控網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)由于需要傳送用于控制的各個現(xiàn)地站閘門的起閉及相關(guān)信息，要求實時性強，安全要求也高，網(wǎng)絡(luò)傳輸?shù)目煽啃院桶踩詫τ谙到y(tǒng)至關(guān)重要，所以需要獨立組建控制專網(wǎng)，與外界網(wǎng)絡(luò)物理隔離。

1）可靠性?？煽啃栽诰W(wǎng)絡(luò)建設(shè)中體現(xiàn)在 2 方面：a.在于網(wǎng)絡(luò)拓撲的設(shè)計，盡量使網(wǎng)絡(luò)上不存在單點故障。b.連接網(wǎng)絡(luò)的設(shè)備必須支持插卡、接口、電源等關(guān)鍵部件的冗余與熱插拔能力及支持相關(guān)冗余協(xié)議，如 VRRP 路由器冗余協(xié)議。

2）開放性。應(yīng)當(dāng)考慮使用開放的國際標(biāo)準(zhǔn)協(xié)議，如網(wǎng)絡(luò)協(xié)議 TCP/IP，路由協(xié)議 OSPF，網(wǎng)絡(luò)管理協(xié)議 SNMP 及 RMON 等，在使用設(shè)備廠商私有協(xié)議前必須權(quán)衡開放性與高效性間的平衡。

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

4）安全性。構(gòu)建主動、有效的系統(tǒng)安全體系，包括網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)設(shè)計、路由策略、傳送技術(shù)選擇、安全基礎(chǔ)設(shè)施、應(yīng)用系統(tǒng)安全和安全管理保障體系等方面。

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

2 組網(wǎng)技術(shù)方案

由于核心業(yè)務(wù)網(wǎng)的高安全可靠性要求，結(jié)合南水北調(diào)中線工程需求，根據(jù)現(xiàn)有主流計算機網(wǎng)絡(luò)組網(wǎng)技術(shù)，主要有 3 種組網(wǎng)技術(shù)方案。

2.1 基于傳輸系統(tǒng)的計算機網(wǎng)絡(luò)組網(wǎng)

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

根據(jù)業(yè)務(wù)需求和站點分布，方案一采用與應(yīng)用系統(tǒng)流量拓撲特性相一致的樹型結(jié)構(gòu)進行組網(wǎng)，以最大程度地降低網(wǎng)絡(luò)時延，從總體上可以分為核心層、骨干層、區(qū)域?qū)印⒔尤雽?，如圖1 所示。

核心層、骨干層、區(qū)域?qū)又g選用高性能的路由器設(shè)備。接入層采用以太網(wǎng)交換機以 FE 鏈路通過傳輸網(wǎng)絡(luò)連接到區(qū)域?qū)?。這種組網(wǎng)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(dān)的角度考慮，區(qū)域與骨干網(wǎng)節(jié)點之間應(yīng)至少有 2 條不同路由的物理連接。

2.2 基于工業(yè)以太網(wǎng)組網(wǎng)

近年來，隨著工業(yè)以太環(huán)網(wǎng)技術(shù)出現(xiàn)，目前大部分控制網(wǎng)絡(luò)基本采用以太環(huán)網(wǎng)方式組網(wǎng)，以提高網(wǎng)絡(luò)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(wǎng)技術(shù)，根據(jù)業(yè)務(wù)需求和站點分布，按主干和區(qū)段網(wǎng)絡(luò)組建，如圖2 所示。

在調(diào)度中心（總公司）、調(diào)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(wǎng)組成主干網(wǎng)絡(luò)，在現(xiàn)地站通信站點與管理監(jiān)測站之間采用以太網(wǎng)技術(shù)組成百兆以太環(huán)網(wǎng)結(jié)構(gòu)組建區(qū)段環(huán)網(wǎng)，每個區(qū)段環(huán)通過管理監(jiān)測站的以太網(wǎng)交換機雙上聯(lián)到主干網(wǎng)絡(luò)。

2.3 混合組網(wǎng)

方案三為混合組網(wǎng)模式，即核心層、骨干層及區(qū)域?qū)咏M網(wǎng)基于光傳輸系統(tǒng)上，考慮到現(xiàn)地站通信站點一般“無人值守，少人值班”，機房環(huán)境會出現(xiàn)問題，對傳輸設(shè)備產(chǎn)生影響，因此在現(xiàn)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(xiàn)地站通信站點因環(huán)境問題導(dǎo)致傳輸設(shè)備出現(xiàn)故障而無法傳送數(shù)據(jù)?；旌辖M網(wǎng)結(jié)果如圖3 所示。

在接入層各節(jié)點設(shè)置 2 臺十/百兆或千/百兆工業(yè)以太交換機，負責(zé)對本節(jié)點信息交換，各現(xiàn)地站通信站點設(shè)置 2 臺百兆工業(yè)交換機，負責(zé)本地監(jiān)控系統(tǒng)設(shè)備接入，工業(yè)以太環(huán)網(wǎng)同一網(wǎng)段可以連接 50 個工業(yè)交換機，網(wǎng)絡(luò)重構(gòu)時間 〈 300 ms。

3 組網(wǎng)技術(shù)方案比較分析

3.1 方案優(yōu)劣勢比較

3 種組網(wǎng)技術(shù)方案優(yōu)劣勢比較如表1 所示。

3.2 方案綜合技術(shù)分析

綜合分析，3 種方案在技術(shù)上都是可行的，方案一、方案二是常用的組網(wǎng)方式。而方案三不僅存在協(xié)議互通問題，而且管理復(fù)雜，也沒有相關(guān)應(yīng)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(shù)成熟性。長距離組網(wǎng)，方案一非常成熟，目前方案二無組網(wǎng)實例。

2）網(wǎng)絡(luò)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(shè)備，即插即用，對網(wǎng)絡(luò)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(shè)備或光纖出現(xiàn)問題，將影響所在區(qū)域環(huán)無法通信。

3）產(chǎn)品兼容性。方案一采用標(biāo)準(zhǔn)協(xié)議，今后擴容不受原廠家設(shè)備影響，可兼容其它廠家設(shè)備。方案二采用部分私有協(xié)議，產(chǎn)品兼容性差，擴容時受設(shè)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(wǎng)電路比較安全，發(fā)生故障概率低；方案二采用光纖組網(wǎng)，光纖、光接口出現(xiàn)問題，由于設(shè)備數(shù)量多，組網(wǎng)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(jié)構(gòu)，且采用雙上聯(lián)方式，在節(jié)點發(fā)生災(zāi)難性事故時，只影響單個節(jié)點。方案二采用環(huán)形總線結(jié)構(gòu)，不僅影響單個節(jié)點，還可能影響整個網(wǎng)絡(luò)的穩(wěn)定性。

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

7）環(huán)境適應(yīng)性。方案二采用工業(yè)級產(chǎn)品，可以適應(yīng)比較惡劣的環(huán)境，單系統(tǒng)不需要環(huán)境設(shè)施，維護成本低。方案一對環(huán)境要求較高，需要空調(diào)設(shè)施，因此在環(huán)境適應(yīng)性方面，方案二優(yōu)于方案一。但由于其他系統(tǒng)的設(shè)備，如：通信及其他應(yīng)用系統(tǒng)設(shè)備所需的計算機網(wǎng)絡(luò)設(shè)備，仍對環(huán)境有要求，所以空調(diào)設(shè)施是必備的，在現(xiàn)地通信站點，這些設(shè)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(xiàn)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(wǎng)計算機網(wǎng)絡(luò)[5]。

4 結(jié)語

目前，基于傳輸系統(tǒng)的計算機網(wǎng)絡(luò)控制專網(wǎng)組網(wǎng)方案已應(yīng)用于南水北調(diào)中線工程遠程閘站監(jiān)控系統(tǒng)。在南水北調(diào)中線工程的自動化調(diào)度系統(tǒng)的建設(shè)、調(diào)試與全線聯(lián)調(diào)運行中，計算機網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)設(shè)計和實現(xiàn)符合遠程閘站監(jiān)控系統(tǒng)業(yè)務(wù)需求，網(wǎng)絡(luò)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(diào)中線工程實現(xiàn)科學(xué)調(diào)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(diào)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(shè)計研究院，2004: 17-18.

[2] 鈕新強，文丹，劉子慧，等.南水北調(diào)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(shè)計研究院，2005: 25-26.

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

[4] 郁建生.南水北調(diào)計算機網(wǎng)絡(luò)體系的設(shè)計[J].水利信息化，2011 (6): 68-72.

[5] 張娟.南水北調(diào)中線工程通信系統(tǒng)中時鐘同步技術(shù)探討[J].通信管理與技術(shù)，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(wǎng)絡(luò)管理。