城軌交通關(guān)鍵設(shè)備國產(chǎn)化技改探討

李 海，王 瑾，呂 玲

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

0 前言

城軌交通廣泛使用國外的產(chǎn)品和技術(shù)，這部分產(chǎn)品和技術(shù)普遍存在價(jià)格昂貴、采購周期長、設(shè)備與生產(chǎn)實(shí)際不匹配、維修保養(yǎng)昂貴、技術(shù)復(fù)雜以及存在貿(mào)易爭端風(fēng)險(xiǎn)等多種弊端[1]。隨著國內(nèi)的技術(shù)的發(fā)展更新，部分產(chǎn)品和技術(shù)經(jīng)過國內(nèi)的工程技術(shù)人員的攻關(guān)，完全可以自主生產(chǎn)，且產(chǎn)品的質(zhì)量和技術(shù)指標(biāo)可以達(dá)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(chǎn)品和技術(shù)的國產(chǎn)化技改的開展整個(gè)流程進(jìn)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(jī)（FEP，F(xiàn)ront and End Processor）為例進(jìn)行探討。

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

根據(jù)合同和設(shè)計(jì)文件，三號線主控系統(tǒng)的平均故障間隔時(shí)間（MTBF，Mean Time Between Failure）為8 000小時(shí)，六號線為10 000小時(shí)，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(shí)，廣州地鐵的各條線路的FEP隨著設(shè)備老化，設(shè)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(jì)算三號線和四號線的MTBF值為3 000小時(shí)左右，三北線和廣佛線數(shù)值更是遠(yuǎn)低于系統(tǒng)的設(shè)計(jì)值。

隨著國內(nèi)技術(shù)水平的不斷提高，采用國產(chǎn)化平臺將是今后的方向，為以后兼容性、擴(kuò)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(shè)投資和運(yùn)營成本[4-5]。

圖1 國產(chǎn)化開展的流程圖

國產(chǎn)化開展需要立項(xiàng)申請，制定項(xiàng)目年度工作計(jì)劃、項(xiàng)目上線方案、資金使用計(jì)劃。接著要對項(xiàng)目進(jìn)行評估論證，包括安全風(fēng)險(xiǎn)評估和技術(shù)論證。論證后就可著手執(zhí)行項(xiàng)目，分階段分步驟重點(diǎn)關(guān)注月度項(xiàng)目執(zhí)行情況、節(jié)點(diǎn)支付狀況，注意匯總驗(yàn)收材料。項(xiàng)目結(jié)題之前要編制驗(yàn)收申請，組織專家驗(yàn)收并編制驗(yàn)收報(bào)告，最后結(jié)題、資料歸檔和備案。國產(chǎn)化開展流程圖如圖1所示。

1 國產(chǎn)化的開展

國外產(chǎn)品和技術(shù)的消化和吸收，是獨(dú)立發(fā)展民族經(jīng)濟(jì)的重要措施，對發(fā)展中國家有特別重要的意義。國產(chǎn)化就是要逐步把原來靠從國外引進(jìn)的設(shè)備、產(chǎn)品、零部件，轉(zhuǎn)化為在本國生產(chǎn)制造的過程。FEP是綜合監(jiān)控系統(tǒng)的門戶，因此實(shí)現(xiàn)其國產(chǎn)化，自主掌握其軟件、硬件技術(shù)的需求非常迫切，這有益于我們掌握網(wǎng)絡(luò)化、海量的數(shù)據(jù)采集方法；有助于掌握自主維修、維護(hù)接口技能。同時(shí)，可以作為一個(gè)突破口，實(shí)現(xiàn)對整個(gè)綜合監(jiān)控技術(shù)的掌握。

國產(chǎn)化調(diào)研流程如圖2所示。

圖2 國產(chǎn)化調(diào)研流程

在了解了國內(nèi)外技術(shù)發(fā)展現(xiàn)狀，明確了國產(chǎn)化內(nèi)容、范圍和設(shè)備使用現(xiàn)狀后，做出了國產(chǎn)化經(jīng)濟(jì)和技術(shù)必要性分析。接下來可以就技術(shù)的可行性做了分析，設(shè)備軟硬件的可行性以及技術(shù)攻關(guān)難點(diǎn)分析。

通過市場和技術(shù)現(xiàn)場調(diào)研明確技術(shù)難點(diǎn)所在，并在現(xiàn)場進(jìn)行驗(yàn)證最終給出國產(chǎn)化規(guī)劃和方案。

1.1 國產(chǎn)化范圍和內(nèi)容

實(shí)現(xiàn)國產(chǎn)化有如下幾個(gè)思路。

（1）硬件國產(chǎn)化。調(diào)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(nèi)、國外主流嵌入式板卡，對原有板卡硬件進(jìn)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(jìn)行修改適應(yīng)硬件的需求）實(shí)現(xiàn)該設(shè)備的功能。也可以調(diào)研市場上主流的嵌入式板卡，所選用的嵌入式板卡應(yīng)配以通用芯片，可以在市場上方便購買，方便日后維護(hù)管理，針對主流嵌入式板卡進(jìn)行軟件的研發(fā)，實(shí)現(xiàn)軟件和硬件的匹配。

（2）軟件國產(chǎn)化。對系統(tǒng)軟件功能進(jìn)行深入了解，進(jìn)行自主研發(fā)，可以選擇性的使用原有平臺或者國內(nèi)、外其他硬件平臺。另外還要根據(jù)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(chǎn)化。全面了解該設(shè)備性能，軟件硬件同時(shí)開發(fā)，完全實(shí)現(xiàn)該設(shè)備的自主技術(shù)和國產(chǎn)化。通過深入的市場調(diào)研尋求目前軟件平臺下的升級換代產(chǎn)品。

通過深度解析綜合監(jiān)控系統(tǒng)的內(nèi)部數(shù)據(jù)，得出FEP端對服務(wù)器端的數(shù)據(jù)協(xié)議和規(guī)律，實(shí)現(xiàn)軟件和硬件整體移植，實(shí)現(xiàn)原有綜合監(jiān)控系統(tǒng)功能。改造的同時(shí)升級FEP性能，提高FEP的數(shù)據(jù)處理能力，給出FEP設(shè)備的技術(shù)要求如表1所示。經(jīng)過研究和國產(chǎn)化改造系統(tǒng)的自主自由度和可拓展性得到提升，國內(nèi)企業(yè)的技術(shù)能力和員工的技能也得到鍛煉和提高。

1.2 設(shè)備的應(yīng)用現(xiàn)狀及功能組成

FEP也經(jīng)常被稱為通信控制機(jī)，主要功能是減輕主機(jī)運(yùn)行的應(yīng)用程序的負(fù)擔(dān)，是主控系統(tǒng)不可或缺的重要組成部分。

表1 國產(chǎn)化FEP設(shè)備技術(shù)要求

從圖3可以看出FEP在綜合監(jiān)控系統(tǒng)中的位置，F(xiàn)EP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(lián)系統(tǒng)的接口，具有轉(zhuǎn)換各種硬件接口、軟件協(xié)議的能力，同時(shí)能有效地把MCS與各被集成和互聯(lián)系統(tǒng)的數(shù)據(jù)進(jìn)行隔離。

圖3 MCS系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖

目前廣州地鐵FEP投入使用現(xiàn)狀如表2所示。

表2 FEP軟件硬件構(gòu)成以及投入使用的年份統(tǒng)計(jì)表

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

1.3 國產(chǎn)化可行性分析

分別從設(shè)備軟硬件、存在的技術(shù)難點(diǎn)和需要準(zhǔn)備的技術(shù)和產(chǎn)品材料三方面對FEP設(shè)備國產(chǎn)化可行性進(jìn)行分析。

（1）硬件可行性

FEP是一種嵌入式硬件設(shè)備，在國內(nèi)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(shù)產(chǎn)品主要由南瑞、MEN、摩莎和旋思科技研發(fā)生產(chǎn)，對這四個(gè)廠家的產(chǎn)品進(jìn)行調(diào)研考察。

國電南瑞的產(chǎn)品已經(jīng)應(yīng)用在了2號線上，用戶反饋使用情況良好。德國MEN公司生產(chǎn)的A12BFEP通信控制器經(jīng)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(jīng)使用，由泰雷茲和新科電子進(jìn)行軟件開發(fā)配套使用。但由于備件采購?fù)緩綇?fù)雜，采購時(shí)間漫長故不能很好的提供后續(xù)的服務(wù)支持。摩莎生產(chǎn)的嵌入式計(jì)算機(jī)，多次被選用作為應(yīng)用在地鐵行業(yè)的FEP。可以考慮采用摩莎的硬件，由原來軟件開發(fā)商進(jìn)行開發(fā)，但是只能作為一種過渡，不能稱為實(shí)際意義上的國產(chǎn)化，軟件和硬件的技術(shù)仍然都掌握在國外的軟件開發(fā)商手上。旋思科技是國內(nèi)比較年輕的物聯(lián)網(wǎng)通訊公司，生產(chǎn)的SymLink PM8101配置比較高。旋思科技憑借地鐵實(shí)際應(yīng)用經(jīng)驗(yàn)，參與意愿比較強(qiáng)，實(shí)地對系統(tǒng)數(shù)據(jù)進(jìn)行了初步分析，提供了實(shí)地考察報(bào)告和各項(xiàng)資質(zhì)證明，有力承擔(dān)軟件開發(fā)等工作任務(wù)。

綜上，硬件實(shí)現(xiàn)國產(chǎn)化是有產(chǎn)品基礎(chǔ)和實(shí)現(xiàn)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(jìn)行研究對比如表3所示。

WindowsCE是有優(yōu)先級的多任務(wù)操作系統(tǒng)，它允許多重功能、進(jìn)程，在相同時(shí)間系統(tǒng)中運(yùn)行Windows CE支持最大的32位同步進(jìn)程。一個(gè)進(jìn)程包括一個(gè)或多個(gè)線程，每個(gè)線程代表進(jìn)程的一個(gè)獨(dú)立部分，一個(gè)線程被指定為進(jìn)程的基本線程，進(jìn)程也能創(chuàng)造一個(gè)未定數(shù)目的額外線程，額外線程實(shí)際數(shù)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(jià)格比較高，為追求系統(tǒng)的實(shí)時(shí)性而設(shè)計(jì)的，并不是以通用OS（開放系統(tǒng)）為設(shè)計(jì)目標(biāo)。任務(wù)調(diào)度采用的是基于優(yōu)先級的搶占式任務(wù)調(diào)度模式，缺少某些OS（開放系統(tǒng)）特性。保證時(shí)限要求是設(shè)計(jì)者自己的任務(wù)(系統(tǒng)的靈活性帶來的弊端)，且不支持很多應(yīng)用和APIs(只支持部分POSIX標(biāo)準(zhǔn)的函數(shù)集)。盡管采用了平板式內(nèi)存管理，但是由于內(nèi)存的動態(tài)分配，仍然存在內(nèi)存段，這樣仍然存在時(shí)間上的不可預(yù)測性。

RTLinux支持多任務(wù)，在多任務(wù)的情況下，在Intel Atomtm Processor 1.6 GHz上執(zhí)行RTLinux操作系統(tǒng)，結(jié)果執(zhí)行時(shí)間為7～9μs，在單任務(wù)情況下，執(zhí)行RTLinux，中斷響應(yīng)時(shí)間為4～7μs。對任務(wù)數(shù)量沒有限制，而且其任務(wù)間的切換與中斷延遲都能夠很好地適應(yīng)實(shí)時(shí)操作系統(tǒng)的要求。

QNX在體系結(jié)構(gòu)上非常先進(jìn)高效，具備微內(nèi)核和許多可選服務(wù)器進(jìn)程。微內(nèi)核只實(shí)現(xiàn)實(shí)時(shí)操作系統(tǒng)應(yīng)該具備的基本功能。其他的功能都以協(xié)作進(jìn)程（Cooperative Processes）的方式實(shí)現(xiàn)。QNX的優(yōu)先級保護(hù)機(jī)制使得整個(gè)系統(tǒng)的穩(wěn)定性比VxWorks有提高。由于QNX的微內(nèi)核結(jié)構(gòu)中集成了消息機(jī)制和網(wǎng)絡(luò)功能，因此，QNX的分布計(jì)算能力很強(qiáng)，適合于分布式應(yīng)用。

通過以上的比較看出主要的實(shí)時(shí)操作系統(tǒng)如VxWorks、WindowsCE、QNX等，它們存在共同的問題是價(jià)格昂貴，內(nèi)部機(jī)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(jī)的開發(fā)可以有效的提高系統(tǒng)穩(wěn)定性。

（3）技術(shù)難點(diǎn)

整套系統(tǒng)根據(jù)分工的不同分為兩個(gè)層次，上層是以對采集到的數(shù)據(jù)進(jìn)行處理為目的的應(yīng)用軟件部分，下層系統(tǒng)軟件的設(shè)計(jì)主要以實(shí)時(shí)的采集數(shù)據(jù)為目的，完成對各種板卡驅(qū)動程序和系統(tǒng)內(nèi)核的設(shè)計(jì)，以滿足系統(tǒng)實(shí)時(shí)性的要求?？梢灶A(yù)見的開發(fā)技術(shù)難點(diǎn)有以下三點(diǎn)。

1）FEP與子系統(tǒng)對接調(diào)試。不但需要解決系統(tǒng)服務(wù)和規(guī)約掃描程序之間的互通信、互操作的機(jī)制，還需要獲取系統(tǒng)原有子系統(tǒng)點(diǎn)位資料，F(xiàn)EP廠商技術(shù)和運(yùn)營方技術(shù)需要實(shí)際測試一遍，難度在于資料是否和現(xiàn)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(fèi)的周期會最長。

2）FEP與綜合監(jiān)控系統(tǒng)對接調(diào)試。需要獲取系統(tǒng)原有點(diǎn)位的信息和排列情況，F(xiàn)EP廠商技術(shù)和運(yùn)營方技術(shù)需要根據(jù)資料進(jìn)行配置，以保證組合好的點(diǎn)位符合原有系統(tǒng)的要求。

3）FEP替換測試工作量較大。現(xiàn)場站點(diǎn)FEP整體替換測試，現(xiàn)場測試，站點(diǎn)、數(shù)據(jù)點(diǎn)位較多，需要測試的工作也會比較多。

（4）市場和技術(shù)調(diào)研

選取的原則是主要選取有參與此項(xiàng)目強(qiáng)烈意愿，前期愿意投入人力和物力進(jìn)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(xiàn)行的系統(tǒng)進(jìn)行研究尋找替代產(chǎn)品。

調(diào)研專注于公司的技術(shù)力量構(gòu)成、專利、著作論文的持有量、工程經(jīng)驗(yàn)和地鐵技改經(jīng)驗(yàn)等核心內(nèi)容，其中技術(shù)力量構(gòu)成主要是看該公司的軟件和硬件研發(fā)人員的構(gòu)成，以考察其是否具備人才實(shí)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(shù)水平。由于地鐵工程的特殊性，熟悉這個(gè)領(lǐng)域的公司開展項(xiàng)目，一些安全防范和注意事項(xiàng)的經(jīng)驗(yàn)會相對豐富很多，這樣不但可以提高開展項(xiàng)目的效率，也可以提高安全水平。地鐵技改經(jīng)驗(yàn)是一般企業(yè)非常缺乏的，國內(nèi)的地鐵經(jīng)過長時(shí)間的運(yùn)營，面臨設(shè)備老化的問題，這就急切需要進(jìn)行技改，以后有這方面經(jīng)驗(yàn)的企業(yè)將獲得更多的市場。

2 結(jié)語

本文針對地鐵中關(guān)鍵設(shè)備FEP的設(shè)備老化，設(shè)備故障率高發(fā)，備件不足的情況，在分析了城軌交通關(guān)鍵設(shè)備FEP的現(xiàn)狀及特點(diǎn)的基礎(chǔ)上，提出了技改國產(chǎn)化的必要性。

文中給出了FEP國產(chǎn)化的流程與思路，論證了其可行性和國產(chǎn)化過程中可能遇到的技術(shù)難點(diǎn)，提出國產(chǎn)化有利于自主掌握核心技術(shù)；國產(chǎn)化利于控制運(yùn)營風(fēng)險(xiǎn)；國產(chǎn)化利于降低制造和運(yùn)營成本；國產(chǎn)化可以支持國家產(chǎn)業(yè)轉(zhuǎn)型。隨著國內(nèi)人力成本的增加，企業(yè)技術(shù)轉(zhuǎn)型作為經(jīng)濟(jì)持續(xù)增長重要基礎(chǔ)，國家也為此推行了相關(guān)的政策。推進(jìn)FEP國產(chǎn)化無疑是對國產(chǎn)化率很好的支持，是順應(yīng)市場經(jīng)濟(jì)發(fā)展趨勢，促進(jìn)我國產(chǎn)業(yè)轉(zhuǎn)型步伐的有力支持。

通過推進(jìn)對軌道交通關(guān)鍵設(shè)備FEP的國產(chǎn)化為例，為城市軌道交通關(guān)鍵設(shè)備國產(chǎn)化調(diào)研、國產(chǎn)化規(guī)劃及國產(chǎn)化的開展提供有效的思路和參考。

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