高鐵地震預(yù)警系統(tǒng)監(jiān)控主機國產(chǎn)處理器方案研究

劉明端

摘要：本文主要介紹高速鐵路地震預(yù)警系統(tǒng)監(jiān)控主機的國產(chǎn)化處理器方案，分析各主流架構(gòu)處理器的特點，選擇基于ARM架構(gòu)的瑞芯微RK3568處理器進行樣機研制，并進行型式試驗和功能測試。經(jīng)過驗證，基于國產(chǎn)處理器的監(jiān)控主機具有較好的可靠性、兼容性和自主可控性，可以滿足高速鐵路地震預(yù)警系統(tǒng)的應(yīng)用需求，具備進一步試用驗證的條件。

關(guān)鍵詞：國產(chǎn)處理器；監(jiān)控；ARM架構(gòu)；地震預(yù)警系統(tǒng)

DOI：10.12433/zgkjtz.20233135

基金項目：中國鐵道科學(xué)研究院集團有限公司通信信號研究所基金重點課題“高鐵地震預(yù)警系統(tǒng)國產(chǎn)處理器監(jiān)控主機應(yīng)用技術(shù)研究”

項目編號：2021HT16

高速鐵路地震預(yù)警系統(tǒng)實現(xiàn)了利用高鐵沿線地震監(jiān)測臺站和地震臺網(wǎng)信息進行綜合分析處理后生成、傳輸并發(fā)布地震警報信息、緊急處置信息，通過車地聯(lián)動的方式對列車進行緊急處置措施，對提高高鐵的防震減災(zāi)能力有著重要意義。

監(jiān)控單元是高鐵地震預(yù)警系統(tǒng)中實現(xiàn)地震數(shù)據(jù)采集及上報，接收處理緊急處置信息進而觸發(fā)牽引供電系統(tǒng)、列控系統(tǒng)聯(lián)動的設(shè)備，其中，監(jiān)控主機是信息處理、邏輯控制、數(shù)據(jù)存儲的關(guān)鍵部件。目前，監(jiān)控主機使用的都是基于英特爾X86處理器的工控機，近年來出現(xiàn)過因處理器供應(yīng)鏈不穩(wěn)定導(dǎo)致整機無法按時供貨的情況，因此，需盡早研究和驗證基于國產(chǎn)處理器的定制化替代產(chǎn)品，這對保障高鐵運營及產(chǎn)業(yè)發(fā)展具有重要作用。

一、國產(chǎn)處理器發(fā)展現(xiàn)狀

我國半導(dǎo)體行業(yè)整體起步較晚，特別是在處理器領(lǐng)域，發(fā)展需要大量的人才、資金和時間的投入，有待實現(xiàn)快速追趕。目前，發(fā)展處理器有兩條路線：第一，使用主流的X86和ARM架構(gòu)，優(yōu)點是兼容性好，有極高的軟硬件生態(tài)優(yōu)勢，產(chǎn)品具有市場競爭力，但需要付出高昂的授權(quán)費用且存在授權(quán)中斷的風(fēng)險。第二，使用RISC－V、Alpha、LoongArch等開源或自研的架構(gòu)，雖然這類處理器完全自主可控，有著較高的安全性和創(chuàng)新性，但由于全球范圍內(nèi)使用較少，沒有建立良好生態(tài)，使用此類處理器需要大量的軟件開發(fā)和移植工作。

X86架構(gòu)在PC和服務(wù)器領(lǐng)域占有率達80%以上，目前，國內(nèi)獲得授權(quán)能生產(chǎn)X86架構(gòu)處理器的廠家有兆芯和海光，但由于授權(quán)基于幾年前的技術(shù)和專利，無法使用Intel新的指令集和功能，所以CPU的性能無法繼續(xù)提升。ARM架構(gòu)是物聯(lián)網(wǎng)、嵌入式等領(lǐng)域的主流架構(gòu)，國內(nèi)獲得ARM授權(quán)能設(shè)計和生產(chǎn)ARM處理器的廠家較多，包括以飛騰為代表的“國家隊”廠家和以瑞芯微為代表的民營廠家。龍芯自研的LoongArch架構(gòu)、申威使用的Alpha架構(gòu)以及寒武紀(jì)、平頭哥和中科院計算所等眾多廠商使用的RISC－V架構(gòu)，由于軟硬件生態(tài)問題，更多地用于大規(guī)模高性能計算和一些專用領(lǐng)域。

二、需求分析及方案選擇

國產(chǎn)化處理器的選擇應(yīng)確保監(jiān)控主機滿足《高速鐵路地震預(yù)警監(jiān)測系統(tǒng)技術(shù)條件》的要求和應(yīng)用需求。由于既有方案的監(jiān)控主機已上線運行600余套，為提高系統(tǒng)的一致性和可維護性，要盡量避免底層硬件變化引起軟件和應(yīng)用層變化。因此，國產(chǎn)化處理器應(yīng)滿足以下需求：第一，為滿足設(shè)備調(diào)試和網(wǎng)絡(luò)接入的需要，需支持至少4個100M/1000M網(wǎng)口、2個USB口、1個顯示輸出；第二，支持PCIE3.0接口，用于數(shù)字IO的設(shè)計接入；第三，具有良好的兼容性，可移植使用主流Linux系統(tǒng)及國產(chǎn)Linux系統(tǒng)；第四，為確?？煽啃院涂捎眯?，需有大量應(yīng)用案例，且有較長的生命周期；第五，工作溫度為－20～55℃。

以上述需求為目標(biāo)，分析各架構(gòu)處理器的特點，選擇ARM架構(gòu)作為國產(chǎn)化處理器的解決方案，主要原因包括：第一，有較完善的生態(tài)系統(tǒng)和兼容性，在操作系統(tǒng)、IO驅(qū)動、應(yīng)用軟件的移植方面有較大優(yōu)勢；第二，具有低功耗、高集成度的特點，適合監(jiān)控主機的應(yīng)用場景；第三，接口豐富，有較好的擴展性和配置空間；第四，出貨量大，應(yīng)用廣泛，生產(chǎn)周期和生命周期穩(wěn)定。

結(jié)合性能要求、品牌口碑、生產(chǎn)情況、價格等因素，使用瑞芯微RK3568作為樣機研制的處理器。RK3568是一款高性能、低功耗的四核處理器，集成G52 GPU，有豐富的顯示及外設(shè)接口，支持主流國產(chǎn)操作系統(tǒng)。與既有方案的英特爾J1900相比，兩款處理器在核心數(shù)量、主頻、制程、線程等基本一致，通過CPU－Z、Geekbench和PassMark等CPU測試工具查看性能測試分?jǐn)?shù)可以看出，RK3568在單核和多核性能方面具有明顯優(yōu)勢，因此該款處理器可滿足監(jiān)控主機對性能的需求，詳細對比情況如表1所示。

三、基于RK3568處理器的監(jiān)控主機方案設(shè)計

根據(jù)需求分析和監(jiān)控主機的應(yīng)用要求分別對監(jiān)控主機的接口、結(jié)構(gòu)、軟件及外觀進行設(shè)計。

（一）接口設(shè)計

RK3568處理器可靈活配置各種接口，實現(xiàn)各項功能。為提高系統(tǒng)穩(wěn)定性，僅設(shè)計必要功能和接口，本方案的主要接口包括2個千兆以太網(wǎng)接口、4個USB3.0接口、2個用于固態(tài)硬盤的SATA3.0接口、4個DDR4內(nèi)存接口、1個HDMI顯示接口、2個寬壓輸入的電源接口，并通過處理器的PCI－E接口設(shè)計實現(xiàn)了數(shù)字IO功能和接口。模塊示意圖如圖1所示。

圖1 ? 監(jiān)控主機模塊

（二）結(jié)構(gòu)設(shè)計

監(jiān)控主機作為高鐵地震預(yù)警系統(tǒng)監(jiān)控單元的核心控制設(shè)備，要具備較高的可靠性和抗震性。為提高抗震性，需要對主板采用非拼接的整板設(shè)計，將數(shù)字IO板卡直接設(shè)計在主板上；為提高可靠性，進行無風(fēng)扇設(shè)計，在器件選型時選擇低功耗器件，且根據(jù)發(fā)熱器件功耗均勻布置于主板之上，對于功率1W以上的器件設(shè)計相應(yīng)的被動散熱措施，整機工作溫度可達－40℃～70℃。主板布置如圖2所示。

圖2 ? 監(jiān)控主機主板布線

（三）軟件設(shè)計

由于既有監(jiān)控主機使用的Centos系統(tǒng)，發(fā)行版本和支持策略由相對穩(wěn)定的按版本發(fā)行變成了滾動更新，而在監(jiān)控主機所應(yīng)用的內(nèi)網(wǎng)環(huán)境下，此種變化相當(dāng)于停止了更新和服務(wù)，且由于監(jiān)控主機的應(yīng)用軟件為Java開發(fā)，具備良好的兼容性和可移植性，更換操作系統(tǒng)不會影響應(yīng)用層，因此，本文基于RK3568的監(jiān)控主機方案出于對兼容性和穩(wěn)定性的考慮，選擇瑞芯微的基于linux－4.19內(nèi)核和Debian 10根文件系統(tǒng)的Rockchip Linux替代原有Centos系統(tǒng)。

（四）外觀設(shè)計

監(jiān)控單元是在無人值守的環(huán)境下使用，內(nèi)部沒有顯示器，為提高可維護性，便于巡檢時檢查監(jiān)控主機的狀態(tài)，本文監(jiān)控主機的前面板設(shè)計為可直接顯示數(shù)字輸入和輸出的端口狀態(tài)以及常規(guī)的雙路電源狀態(tài)、系統(tǒng)運行狀態(tài)和網(wǎng)口狀態(tài)，如圖3所示。監(jiān)控主機背面則放置了接口設(shè)計中的雙路電源、以太網(wǎng)口、USB、HDMI、16路DI和16路DO等接口，電源及IO接口為提高穩(wěn)定性，使用了鳳凰端子。

圖3 ? 監(jiān)控主機主板布線

四、測試驗證

依據(jù)《高速鐵路地震預(yù)警監(jiān)測系統(tǒng)技術(shù)條件》相關(guān)要求，對基于RK3568處理器的監(jiān)控主機樣機進行型式試驗，以驗證該方案能否滿足監(jiān)控單元應(yīng)用的基本要求，型式試驗的具體項目和要求如表2所示。結(jié)果表明，各項試驗指標(biāo)均滿足技術(shù)條件的要求，特別是在高低溫、振動等項目中，性能優(yōu)于原監(jiān)控主機方案。

針對《高速鐵路地震預(yù)警監(jiān)測系統(tǒng)試驗方法》中相關(guān)要求，對監(jiān)控主機樣機進行測試，包括信息收發(fā)、緊急處置、狀態(tài)自檢、日志記錄、上電啟動等功能測試和接口動作時間的性能測試。測試進行了7天，各項功能均進行100次以上測試，其間監(jiān)控主機運行穩(wěn)定，功能正常，接口動作時間平均0.126s，滿足技術(shù)條件中0.3s的需求。

五、結(jié)語

本文選擇ARM架構(gòu)的RK3568作為國產(chǎn)化處理器監(jiān)控主機的方案，該方案在自主性、安全性、兼容性、成本、量產(chǎn)能力等多方面具有較好的表現(xiàn)，與高速鐵路地震預(yù)警系統(tǒng)監(jiān)控主機的實際應(yīng)用需求有著很高的契合度。相比于既有的X86方案，新方案的監(jiān)控主機在硬件性能、接口質(zhì)量、供應(yīng)鏈穩(wěn)定性等方面有較大改善，也通過了相關(guān)的型式試驗和功能測試驗證。綜上所述，基于RK3568處理器的監(jiān)控主機可滿足高速鐵路地震預(yù)警系統(tǒng)監(jiān)控單元的各項應(yīng)用需求，可作為自主可控的國產(chǎn)化方案進行后續(xù)的試用驗證。

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作者簡介：劉明端（1987），男，山東省泰安市人，中國鐵道科學(xué)研究院集團有限公司副研究員，工學(xué)碩士，主要研究方向為鐵路防災(zāi)。