李 海，王 瑾，呂 玲

（1.廣州地鐵集團有限公司，廣東廣州 510000；2.青島地鐵集團有限公司，山東青島 266000）

0 前言

城軌交通廣泛使用國外的產品和技術，這部分產品和技術普遍存在價格昂貴、采購周期長、設備與生產實際不匹配、維修保養(yǎng)昂貴、技術復雜以及存在貿易爭端風險等多種弊端[1]。隨著國內的技術的發(fā)展更新，部分產品和技術經過國內的工程技術人員的攻關，完全可以自主生產，且產品的質量和技術指標可以達到同級水平，甚至更優(yōu)[2-3]。因此非常有必要對城軌交通產品和技術的國產化技改的開展整個流程進行系統(tǒng)的探討和研究，本文以綜合監(jiān)控系統(tǒng)的前端處理機（FEP，Front and End Processor）為例進行探討。

由于FEP整機是進口設備，為保證設備的整合一體性，零件更換需要配套的進口備件。但進口的零件采購價格昂貴，采購周期長，且備件的停產與否受到國外的制約。如德國MEN公司生產的前端處理器（FEP）多串口卡04M045-00已經停產。主板雖然有供貨，但是也已經上市和生產了近15年的時間。

根據合同和設計文件，三號線主控系統(tǒng)的平均故障間隔時間（MTBF，Mean Time Between Failure）為8 000小時，六號線為10 000小時，最新發(fā)布的地鐵規(guī)范規(guī)定地鐵綜合監(jiān)控系統(tǒng)的MT?BF為10 000小時，廣州地鐵的各條線路的FEP隨著設備老化，設備故障率高發(fā)，在例行重啟之后，仍存在FEP故障率多發(fā)的情況。計算三號線和四號線的MTBF值為3 000小時左右，三北線和廣佛線數值更是遠低于系統(tǒng)的設計值。

隨著國內技術水平的不斷提高，采用國產化平臺將是今后的方向，為以后兼容性、擴展性、升級改造、系統(tǒng)功能的完善及二次開發(fā)帶來極大的便利，并可極大的降低建設投資和運營成本[4-5]。

圖1 國產化開展的流程圖

國產化開展需要立項申請，制定項目年度工作計劃、項目上線方案、資金使用計劃。接著要對項目進行評估論證，包括安全風險評估和技術論證。論證后就可著手執(zhí)行項目，分階段分步驟重點關注月度項目執(zhí)行情況、節(jié)點支付狀況，注意匯總驗收材料。項目結題之前要編制驗收申請，組織專家驗收并編制驗收報告，最后結題、資料歸檔和備案。國產化開展流程圖如圖1所示。

1 國產化的開展

國外產品和技術的消化和吸收，是獨立發(fā)展民族經濟的重要措施，對發(fā)展中國家有特別重要的意義。國產化就是要逐步把原來靠從國外引進的設備、產品、零部件，轉化為在本國生產制造的過程。FEP是綜合監(jiān)控系統(tǒng)的門戶，因此實現其國產化，自主掌握其軟件、硬件技術的需求非常迫切，這有益于我們掌握網絡化、海量的數據采集方法；有助于掌握自主維修、維護接口技能。同時，可以作為一個突破口，實現對整個綜合監(jiān)控技術的掌握。

國產化調研流程如圖2所示。

圖2 國產化調研流程

在了解了國內外技術發(fā)展現狀，明確了國產化內容、范圍和設備使用現狀后，做出了國產化經濟和技術必要性分析。接下來可以就技術的可行性做了分析，設備軟硬件的可行性以及技術攻關難點分析。

通過市場和技術現場調研明確技術難點所在，并在現場進行驗證最終給出國產化規(guī)劃和方案。

1.1 國產化范圍和內容

實現國產化有如下幾個思路。

（1）硬件國產化。調研基于VME總線的更高性能的板卡，如德國MEN公司的A17系列，國內、國外主流嵌入式板卡，對原有板卡硬件進行替換或者升級，匹配原有軟件（VxWorks config，亦可以對軟件和配置文件進行修改適應硬件的需求）實現該設備的功能。也可以調研市場上主流的嵌入式板卡，所選用的嵌入式板卡應配以通用芯片，可以在市場上方便購買，方便日后維護管理，針對主流嵌入式板卡進行軟件的研發(fā)，實現軟件和硬件的匹配。

（2）軟件國產化。對系統(tǒng)軟件功能進行深入了解，進行自主研發(fā)，可以選擇性的使用原有平臺或者國內、外其他硬件平臺。另外還要根據選擇的硬件平臺所搭載的軟件開發(fā)系統(tǒng)來開發(fā)所需的軟件。

（3）軟硬件共同國產化。全面了解該設備性能，軟件硬件同時開發(fā)，完全實現該設備的自主技術和國產化。通過深入的市場調研尋求目前軟件平臺下的升級換代產品。

通過深度解析綜合監(jiān)控系統(tǒng)的內部數據，得出FEP端對服務器端的數據協(xié)議和規(guī)律，實現軟件和硬件整體移植，實現原有綜合監(jiān)控系統(tǒng)功能。改造的同時升級FEP性能，提高FEP的數據處理能力，給出FEP設備的技術要求如表1所示。經過研究和國產化改造系統(tǒng)的自主自由度和可拓展性得到提升，國內企業(yè)的技術能力和員工的技能也得到鍛煉和提高。

1.2 設備的應用現狀及功能組成

FEP也經常被稱為通信控制機，主要功能是減輕主機運行的應用程序的負擔，是主控系統(tǒng)不可或缺的重要組成部分。

表1 國產化FEP設備技術要求

從圖3可以看出FEP在綜合監(jiān)控系統(tǒng)中的位置，FEP在系統(tǒng)中是冗余雙套配置，用于管理MCS與各被集成和互聯系統(tǒng)的接口，具有轉換各種硬件接口、軟件協(xié)議的能力，同時能有效地把MCS與各被集成和互聯系統(tǒng)的數據進行隔離。

圖3 MCS系統(tǒng)結構圖

目前廣州地鐵FEP投入使用現狀如表2所示。

表2 FEP軟件硬件構成以及投入使用的年份統(tǒng)計表

從表2可以看出，三號線、四號線的設備已經投入使用近10年。新建成的地鐵線也大量投入使用了FEP設備。

1.3 國產化可行性分析

分別從設備軟硬件、存在的技術難點和需要準備的技術和產品材料三方面對FEP設備國產化可行性進行分析。

（1）硬件可行性

FEP是一種嵌入式硬件設備，在國內地鐵的使用非常廣泛，使用的硬件也非常多元化。

目前市場上類似于FEP的技術產品主要由南瑞、MEN、摩莎和旋思科技研發(fā)生產，對這四個廠家的產品進行調研考察。

國電南瑞的產品已經應用在了2號線上，用戶反饋使用情況良好。德國MEN公司生產的A12BFEP通信控制器經過近20年在世界各地的地鐵系統(tǒng)的使用。廣州多條地鐵線路中也已經使用，由泰雷茲和新科電子進行軟件開發(fā)配套使用。但由于備件采購途徑復雜，采購時間漫長故不能很好的提供后續(xù)的服務支持。摩莎生產的嵌入式計算機，多次被選用作為應用在地鐵行業(yè)的FEP?？梢钥紤]采用摩莎的硬件，由原來軟件開發(fā)商進行開發(fā)，但是只能作為一種過渡，不能稱為實際意義上的國產化，軟件和硬件的技術仍然都掌握在國外的軟件開發(fā)商手上。旋思科技是國內比較年輕的物聯網通訊公司，生產的SymLink PM8101配置比較高。旋思科技憑借地鐵實際應用經驗，參與意愿比較強，實地對系統(tǒng)數據進行了初步分析，提供了實地考察報告和各項資質證明，有力承擔軟件開發(fā)等工作任務。

綜上，硬件實現國產化是有產品基礎和實現可能的。

（2）軟件可行性

目前主流操作系統(tǒng)有VxWorks、RT-Linux、WindowsCE和QNX。對這幾種操作系統(tǒng)進行研究對比如表3所示。

WindowsCE是有優(yōu)先級的多任務操作系統(tǒng)，它允許多重功能、進程，在相同時間系統(tǒng)中運行Windows CE支持最大的32位同步進程。一個進程包括一個或多個線程，每個線程代表進程的一個獨立部分，一個線程被指定為進程的基本線程，進程也能創(chuàng)造一個未定數目的額外線程，額外線程實際數目，僅由可利用的系統(tǒng)資源限定。

表3 主流操作系統(tǒng)對比

VxWorks是不公開源碼的商業(yè)化操作系統(tǒng)，價格比較高，為追求系統(tǒng)的實時性而設計的，并不是以通用OS（開放系統(tǒng)）為設計目標。任務調度采用的是基于優(yōu)先級的搶占式任務調度模式，缺少某些OS（開放系統(tǒng)）特性。保證時限要求是設計者自己的任務(系統(tǒng)的靈活性帶來的弊端)，且不支持很多應用和APIs(只支持部分POSIX標準的函數集)。盡管采用了平板式內存管理，但是由于內存的動態(tài)分配，仍然存在內存段，這樣仍然存在時間上的不可預測性。

RTLinux支持多任務，在多任務的情況下，在Intel Atomtm Processor 1.6 GHz上執(zhí)行RTLinux操作系統(tǒng)，結果執(zhí)行時間為7～9μs，在單任務情況下，執(zhí)行RTLinux，中斷響應時間為4～7μs。對任務數量沒有限制，而且其任務間的切換與中斷延遲都能夠很好地適應實時操作系統(tǒng)的要求。

QNX在體系結構上非常先進高效，具備微內核和許多可選服務器進程。微內核只實現實時操作系統(tǒng)應該具備的基本功能。其他的功能都以協(xié)作進程（Cooperative Processes）的方式實現。QNX的優(yōu)先級保護機制使得整個系統(tǒng)的穩(wěn)定性比VxWorks有提高。由于QNX的微內核結構中集成了消息機制和網絡功能，因此，QNX的分布計算能力很強，適合于分布式應用。

通過以上的比較看出主要的實時操作系統(tǒng)如VxWorks、WindowsCE、QNX等，它們存在共同的問題是價格昂貴，內部機制不開放，其封閉的源代碼增加了用戶對其依賴。相對而言，RTLinux開放源代碼，因此將其用于通訊前置機的開發(fā)可以有效的提高系統(tǒng)穩(wěn)定性。

（3）技術難點

整套系統(tǒng)根據分工的不同分為兩個層次，上層是以對采集到的數據進行處理為目的的應用軟件部分，下層系統(tǒng)軟件的設計主要以實時的采集數據為目的，完成對各種板卡驅動程序和系統(tǒng)內核的設計，以滿足系統(tǒng)實時性的要求?？梢灶A見的開發(fā)技術難點有以下三點。

1）FEP與子系統(tǒng)對接調試。不但需要解決系統(tǒng)服務和規(guī)約掃描程序之間的互通信、互操作的機制，還需要獲取系統(tǒng)原有子系統(tǒng)點位資料，FEP廠商技術和運營方技術需要實際測試一遍，難度在于資料是否和現場一致。另外FEP廠家有一定的開發(fā)工作，由于子系統(tǒng)較多，該環(huán)節(jié)所費的周期會最長。

2）FEP與綜合監(jiān)控系統(tǒng)對接調試。需要獲取系統(tǒng)原有點位的信息和排列情況，FEP廠商技術和運營方技術需要根據資料進行配置，以保證組合好的點位符合原有系統(tǒng)的要求。

3）FEP替換測試工作量較大。現場站點FEP整體替換測試，現場測試，站點、數據點位較多，需要測試的工作也會比較多。

（4）市場和技術調研

選取的原則是主要選取有參與此項目強烈意愿，前期愿意投入人力和物力進行合作研究的廠家，熟悉地鐵行業(yè)各系統(tǒng)的通訊協(xié)議，具備嵌入式RTLinux操作系統(tǒng)研發(fā)能力，熟悉嵌入式系統(tǒng)，可以通過對現行的系統(tǒng)進行研究尋找替代產品。

調研專注于公司的技術力量構成、專利、著作論文的持有量、工程經驗和地鐵技改經驗等核心內容，其中技術力量構成主要是看該公司的軟件和硬件研發(fā)人員的構成，以考察其是否具備人才實力。專利、著作、論文的情況可以考察該公司的主要研究和研發(fā)的方向以及具體掌握的技術水平。由于地鐵工程的特殊性，熟悉這個領域的公司開展項目，一些安全防范和注意事項的經驗會相對豐富很多，這樣不但可以提高開展項目的效率，也可以提高安全水平。地鐵技改經驗是一般企業(yè)非常缺乏的，國內的地鐵經過長時間的運營，面臨設備老化的問題，這就急切需要進行技改，以后有這方面經驗的企業(yè)將獲得更多的市場。

2 結語

本文針對地鐵中關鍵設備FEP的設備老化，設備故障率高發(fā)，備件不足的情況，在分析了城軌交通關鍵設備FEP的現狀及特點的基礎上，提出了技改國產化的必要性。

文中給出了FEP國產化的流程與思路，論證了其可行性和國產化過程中可能遇到的技術難點，提出國產化有利于自主掌握核心技術；國產化利于控制運營風險；國產化利于降低制造和運營成本；國產化可以支持國家產業(yè)轉型。隨著國內人力成本的增加，企業(yè)技術轉型作為經濟持續(xù)增長重要基礎，國家也為此推行了相關的政策。推進FEP國產化無疑是對國產化率很好的支持，是順應市場經濟發(fā)展趨勢，促進我國產業(yè)轉型步伐的有力支持。

通過推進對軌道交通關鍵設備FEP的國產化為例，為城市軌道交通關鍵設備國產化調研、國產化規(guī)劃及國產化的開展提供有效的思路和參考。

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