王 敏

（南水北调中线局河南直管建管局，河南 郑州 450018）

南水北调中线控制专网计算机网络技术探讨

王 敏

（南水北调中线局河南直管建管局，河南 郑州 450018）

根据南水北调中线工程远程闸站监控系统的控制专网计算机组网需求，结合现有主流计算机网络组网技术，阐述控制专网组网设计原则，通过对提出的 3 个计算机组网技术方案进行详细的技术比较和分析，给出控制专网的最优组网解决方案。

南水北调；控制专网；计算机网络

0 引言

南水北调中线干线工程是一项跨流域、跨多省市的长距离特大型调水工程。自动化调度系统是南水北调中线工程的神经系统，以中线调水业务为核心，以全线闭环自动控制为重点，通过提供信息化作业和调度会商决策平台，实现调水过程自动化和运行管理信息化，对工程的科学调度、可靠监控、高效运行和安全管理具有十分重要的作用。远程闸站监控系统是自动化调度系统的关键系统之一，担负着全线所有闸站的安全生产运行任务，如何利用先进可靠的计算机网络技术，把各现地闸站及各级管理机构连接起来，建设满足南水北调中线工程远程闸站监控需求的计算机网络系统，保障业务数据的快速、安全、可靠传送，具有重要意义[1-2]。

1 设计原则

远程闸站监控网络系统由于需要传送用于控制的各个现地站闸门的起闭及相关信息，要求实时性强，安全要求也高，网络传输的可靠性和安全性对于系统至关重要，所以需要独立组建控制专网，与外界网络物理隔离。

1）可靠性。可靠性在网络建设中体现在 2 方面：a.在于网络拓扑的设计，尽量使网络上不存在单点故障。b.连接网络的设备必须支持插卡、接口、电源等关键部件的冗余与热插拔能力及支持相关冗余协议，如 VRRP 路由器冗余协议。

2）开放性。应当考虑使用开放的国际标准协议，如网络协议 TCP/IP，路由协议 OSPF，网络管理协议 SNMP 及 RMON 等，在使用设备厂商私有协议前必须权衡开放性与高效性间的平衡。

3）先进性。在选择网络技术和设备时，必须在满足需求条件下，选择先进性的主流技术，要求设备支持 IPv6 技术，以便将来网络在扩展升级时可以取得更大主动。

4）安全性。构建主动、有效的系统安全体系，包括网络结构设计、路由策略、传送技术选择、安全基础设施、应用系统安全和安全管理保障体系等方面。

5）可管理性。网络中的任何设备均可以通过网络管理平台进行控制，网络的设备状态、故障报警等都可以通过网管平台进行监控，通过网络管理平台简化管理工作，提高网络管理的效率。

2 组网技术方案

由于核心业务网的高安全可靠性要求，结合南水北调中线工程需求，根据现有主流计算机网络组网技术，主要有 3 种组网技术方案。

2.1 基于传输系统的计算机网络组网

目前光传输技术有 SDH 技术、基于 SDH 的MSTP 技术、基于 RPR 多业务传送平台技术、基于专有协议的综合业务传送平台，上述光传输技术都能实现环形组网，实现自愈功能，在出现断纤、光缆或某节点设备被损坏时，能够在 50 ms 内自愈，基本不影响业务传送。此种组网方式也是目前采用最多的计算机广域组网方式，技术非常成熟稳定，国内外几乎所有大型的计算机广域网都基于光传输系统建设[3]。

根据业务需求和站点分布，方案一采用与应用系统流量拓扑特性相一致的树型结构进行组网，以最大程度地降低网络时延，从总体上可以分为核心层、骨干层、区域层、接入层，如图1 所示。

核心层、骨干层、区域层之间选用高性能的路由器设备。接入层采用以太网交换机以 FE 链路通过传输网络连接到区域层。这种组网方式的中继链路主要有 POS ＋ GE/FE 或 RPR/DPT ＋ GE/FE 等方式，从安全可靠性和负载分担的角度考虑，区域与骨干网节点之间应至少有 2 条不同路由的物理连接。

2.2 基于工业以太网组网

近年来，随着工业以太环网技术出现，目前大部分控制网络基本采用以太环网方式组网，以提高网络的安全可靠性。节点间采用光纤连接。方案二针对本工程，采用工业以太环网技术，根据业务需求和站点分布，按主干和区段网络组建，如图2 所示。

在调度中心（总公司）、调度分中心（各分公司）、管理监测站之间组建千兆以太环网组成主干网络，在现地站通信站点与管理监测站之间采用以太网技术组成百兆以太环网结构组建区段环网，每个区段环通过管理监测站的以太网交换机双上联到主干网络。

2.3 混合组网

方案三为混合组网模式，即核心层、骨干层及区域层组网基于光传输系统上，考虑到现地站通信站点一般“无人值守，少人值班”，机房环境会出现问题，对传输设备产生影响，因此在现地站，采用工业交换机，通过裸光纤组成区域以太环。采用此种方案，可以降低现地站通信站点因环境问题导致传输设备出现故障而无法传送数据。混合组网结果如图3 所示。

在接入层各节点设置 2 台十/百兆或千/百兆工业以太交换机，负责对本节点信息交换，各现地站通信站点设置 2 台百兆工业交换机，负责本地监控系统设备接入，工业以太环网同一网段可以连接 50 个工业交换机，网络重构时间 〈 300 ms。

3 组网技术方案比较分析

3.1 方案优劣势比较

3 种组网技术方案优劣势比较如表1 所示。

3.2 方案综合技术分析

综合分析，3 种方案在技术上都是可行的，方案一、方案二是常用的组网方式。而方案三不仅存在协议互通问题，而且管理复杂，也没有相关应用案例，因此本项目不建议采用[4]。下面对方案一、方案二 2 种可选方案作进一步分析比较：

1）技术成熟性。长距离组网，方案一非常成熟，目前方案二无组网实例。

2）网络扩容性。如果增加节点，采用方案一只需要在节点处增加设备，即插即用，对网络影响不大，方案二需要开环增加节点，在实施过程中，如果其他节点设备或光纤出现问题，将影响所在区域环无法通信。

3）产品兼容性。方案一采用标准协议，今后扩容不受原厂家设备影响，可兼容其它厂家设备。方案二采用部分私有协议，产品兼容性差，扩容时受设备厂家影响较大。

4）故障发生率。方案一，由于传输系统有多种保护方式，所提供的组网电路比较安全，发生故障概率低；方案二采用光纤组网，光纤、光接口出现问题，由于设备数量多，组网距离长，易发生双节点实效，故障发生概率大。

5）故障影响面。方案一采用星形＋树形结构，且采用双上联方式，在节点发生灾难性事故时，只影响单个节点。方案二采用环形总线结构，不仅影响单个节点，还可能影响整个网络的稳定性。

6）维护管理。方案一不涉及中继节点问题，设备数量少，维护成本低。方案二涉及多个中继节点，设备数量多，发生故障概率高，维护成本高。

7）环境适应性。方案二采用工业级产品，可以适应比较恶劣的环境，单系统不需要环境设施，维护成本低。方案一对环境要求较高，需要空调设施，因此在环境适应性方面，方案二优于方案一。但由于其他系统的设备，如：通信及其他应用系统设备所需的计算机网络设备，仍对环境有要求，所以空调设施是必备的，在现地通信站点，这些设备都集中安装在 1 个机房，因此方案一比方案二不会增加额外维护费用。若机房环境出现问题，影响到通信传输系统，则方案一单节点失效，方案二可正常工作。

从以上分析可以看出，方案一优于方案二，更适合在传输系统上组建远程闸站监控系统控制专网计算机网络[5]。

4 结语

目前，基于传输系统的计算机网络控制专网组网方案已应用于南水北调中线工程远程闸站监控系统。在南水北调中线工程的自动化调度系统的建设、调试与全线联调运行中，计算机网络系统设计和实现符合远程闸站监控系统业务需求，网络系统的可靠性、开放性、先进性、安全性与可管理性得到了充分的验证，为南水北调中线工程实现科学调度、可靠监控、高效运行、安全管理提供了有力保障。

[1] 钮新强，文丹，刘子慧，等.南水北调中线一期工程项目建议书（修订本）[M].武汉：长江勘测规划设计研究院，2004: 17-18.

[2] 钮新强，文丹，刘子慧，等.南水北调中线一期工程可行性研究总报告[M].武汉：长江勘测规划设计研究院，2005: 25-26.

[3] 侯召成.南水北调中线干线工程自动化调度与运行管理决策系统关键技术问题研究[R].北京：中国水利水电科学研究院博士后出站报告，2006: 23-25.

[4] 郁建生.南水北调计算机网络体系的设计[J].水利信息化，2011 (6): 68-72.

[5] 张娟.南水北调中线工程通信系统中时钟同步技术探讨[J].通信管理与技术，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，河南安阳人，工程师，主要研究方向：信息化、网络管理。