城轨交通关键设备国产化技改探讨

李 海，王 瑾，吕 玲

（1.广州地铁集团有限公司，广东广州 510000；2.青岛地铁集团有限公司，山东青岛 266000）

0 前言

城轨交通广泛使用国外的产品和技术，这部分产品和技术普遍存在价格昂贵、采购周期长、设备与生产实际不匹配、维修保养昂贵、技术复杂以及存在贸易争端风险等多种弊端[1]。随着国内的技术的发展更新，部分产品和技术经过国内的工程技术人员的攻关，完全可以自主生产，且产品的质量和技术指标可以达到同级水平，甚至更优[2-3]。因此非常有必要对城轨交通产品和技术的国产化技改的开展整个流程进行系统的探讨和研究，本文以综合监控系统的前端处理机（FEP，Front and End Processor）为例进行探讨。

由于FEP整机是进口设备，为保证设备的整合一体性，零件更换需要配套的进口备件。但进口的零件采购价格昂贵，采购周期长，且备件的停产与否受到国外的制约。如德国MEN公司生产的前端处理器（FEP）多串口卡04M045-00已经停产。主板虽然有供货，但是也已经上市和生产了近15年的时间。

根据合同和设计文件，三号线主控系统的平均故障间隔时间（MTBF，Mean Time Between Failure）为8 000小时，六号线为10 000小时，最新发布的地铁规范规定地铁综合监控系统的MT⁃BF为10 000小时，广州地铁的各条线路的FEP随着设备老化，设备故障率高发，在例行重启之后，仍存在FEP故障率多发的情况。计算三号线和四号线的MTBF值为3 000小时左右，三北线和广佛线数值更是远低于系统的设计值。

随着国内技术水平的不断提高，采用国产化平台将是今后的方向，为以后兼容性、扩展性、升级改造、系统功能的完善及二次开发带来极大的便利，并可极大的降低建设投资和运营成本[4-5]。

图1 国产化开展的流程图

国产化开展需要立项申请，制定项目年度工作计划、项目上线方案、资金使用计划。接着要对项目进行评估论证，包括安全风险评估和技术论证。论证后就可着手执行项目，分阶段分步骤重点关注月度项目执行情况、节点支付状况，注意汇总验收材料。项目结题之前要编制验收申请，组织专家验收并编制验收报告，最后结题、资料归档和备案。国产化开展流程图如图1所示。

1 国产化的开展

国外产品和技术的消化和吸收，是独立发展民族经济的重要措施，对发展中国家有特别重要的意义。国产化就是要逐步把原来靠从国外引进的设备、产品、零部件，转化为在本国生产制造的过程。FEP是综合监控系统的门户，因此实现其国产化，自主掌握其软件、硬件技术的需求非常迫切，这有益于我们掌握网络化、海量的数据采集方法；有助于掌握自主维修、维护接口技能。同时，可以作为一个突破口，实现对整个综合监控技术的掌握。

国产化调研流程如图2所示。

图2 国产化调研流程

在了解了国内外技术发展现状，明确了国产化内容、范围和设备使用现状后，做出了国产化经济和技术必要性分析。接下来可以就技术的可行性做了分析，设备软硬件的可行性以及技术攻关难点分析。

通过市场和技术现场调研明确技术难点所在，并在现场进行验证最终给出国产化规划和方案。

1.1 国产化范围和内容

实现国产化有如下几个思路。

（1）硬件国产化。调研基于VME总线的更高性能的板卡，如德国MEN公司的A17系列，国内、国外主流嵌入式板卡，对原有板卡硬件进行替换或者升级，匹配原有软件（VxWorks config，亦可以对软件和配置文件进行修改适应硬件的需求）实现该设备的功能。也可以调研市场上主流的嵌入式板卡，所选用的嵌入式板卡应配以通用芯片，可以在市场上方便购买，方便日后维护管理，针对主流嵌入式板卡进行软件的研发，实现软件和硬件的匹配。

（2）软件国产化。对系统软件功能进行深入了解，进行自主研发，可以选择性的使用原有平台或者国内、外其他硬件平台。另外还要根据选择的硬件平台所搭载的软件开发系统来开发所需的软件。

（3）软硬件共同国产化。全面了解该设备性能，软件硬件同时开发，完全实现该设备的自主技术和国产化。通过深入的市场调研寻求目前软件平台下的升级换代产品。

通过深度解析综合监控系统的内部数据，得出FEP端对服务器端的数据协议和规律，实现软件和硬件整体移植，实现原有综合监控系统功能。改造的同时升级FEP性能，提高FEP的数据处理能力，给出FEP设备的技术要求如表1所示。经过研究和国产化改造系统的自主自由度和可拓展性得到提升，国内企业的技术能力和员工的技能也得到锻炼和提高。

1.2 设备的应用现状及功能组成

FEP也经常被称为通信控制机，主要功能是减轻主机运行的应用程序的负担，是主控系统不可或缺的重要组成部分。

表1 国产化FEP设备技术要求

从图3可以看出FEP在综合监控系统中的位置，FEP在系统中是冗余双套配置，用于管理MCS与各被集成和互联系统的接口，具有转换各种硬件接口、软件协议的能力，同时能有效地把MCS与各被集成和互联系统的数据进行隔离。

图3 MCS系统结构图

目前广州地铁FEP投入使用现状如表2所示。

表2 FEP软件硬件构成以及投入使用的年份统计表

从表2可以看出，三号线、四号线的设备已经投入使用近10年。新建成的地铁线也大量投入使用了FEP设备。

1.3 国产化可行性分析

分别从设备软硬件、存在的技术难点和需要准备的技术和产品材料三方面对FEP设备国产化可行性进行分析。

（1）硬件可行性

FEP是一种嵌入式硬件设备，在国内地铁的使用非常广泛，使用的硬件也非常多元化。

目前市场上类似于FEP的技术产品主要由南瑞、MEN、摩莎和旋思科技研发生产，对这四个厂家的产品进行调研考察。

国电南瑞的产品已经应用在了2号线上，用户反馈使用情况良好。德国MEN公司生产的A12BFEP通信控制器经过近20年在世界各地的地铁系统的使用。广州多条地铁线路中也已经使用，由泰雷兹和新科电子进行软件开发配套使用。但由于备件采购途径复杂，采购时间漫长故不能很好的提供后续的服务支持。摩莎生产的嵌入式计算机，多次被选用作为应用在地铁行业的FEP。可以考虑采用摩莎的硬件，由原来软件开发商进行开发，但是只能作为一种过渡，不能称为实际意义上的国产化，软件和硬件的技术仍然都掌握在国外的软件开发商手上。旋思科技是国内比较年轻的物联网通讯公司，生产的SymLink PM8101配置比较高。旋思科技凭借地铁实际应用经验，参与意愿比较强，实地对系统数据进行了初步分析，提供了实地考察报告和各项资质证明，有力承担软件开发等工作任务。

综上，硬件实现国产化是有产品基础和实现可能的。

（2）软件可行性

目前主流操作系统有VxWorks、RT-Linux、WindowsCE和QNX。对这几种操作系统进行研究对比如表3所示。

WindowsCE是有优先级的多任务操作系统，它允许多重功能、进程，在相同时间系统中运行Windows CE支持最大的32位同步进程。一个进程包括一个或多个线程，每个线程代表进程的一个独立部分，一个线程被指定为进程的基本线程，进程也能创造一个未定数目的额外线程，额外线程实际数目，仅由可利用的系统资源限定。

表3 主流操作系统对比

VxWorks是不公开源码的商业化操作系统，价格比较高，为追求系统的实时性而设计的，并不是以通用OS（开放系统）为设计目标。任务调度采用的是基于优先级的抢占式任务调度模式，缺少某些OS（开放系统）特性。保证时限要求是设计者自己的任务(系统的灵活性带来的弊端)，且不支持很多应用和APIs(只支持部分POSIX标准的函数集)。尽管采用了平板式内存管理，但是由于内存的动态分配，仍然存在内存段，这样仍然存在时间上的不可预测性。

RTLinux支持多任务，在多任务的情况下，在Intel Atomtm Processor 1.6 GHz上执行RTLinux操作系统，结果执行时间为7～9μs，在单任务情况下，执行RTLinux，中断响应时间为4～7μs。对任务数量没有限制，而且其任务间的切换与中断延迟都能够很好地适应实时操作系统的要求。

QNX在体系结构上非常先进高效，具备微内核和许多可选服务器进程。微内核只实现实时操作系统应该具备的基本功能。其他的功能都以协作进程（Cooperative Processes）的方式实现。QNX的优先级保护机制使得整个系统的稳定性比VxWorks有提高。由于QNX的微内核结构中集成了消息机制和网络功能，因此，QNX的分布计算能力很强，适合于分布式应用。

通过以上的比较看出主要的实时操作系统如VxWorks、WindowsCE、QNX等，它们存在共同的问题是价格昂贵，内部机制不开放，其封闭的源代码增加了用户对其依赖。相对而言，RTLinux开放源代码，因此将其用于通讯前置机的开发可以有效的提高系统稳定性。

（3）技术难点

整套系统根据分工的不同分为两个层次，上层是以对采集到的数据进行处理为目的的应用软件部分，下层系统软件的设计主要以实时的采集数据为目的，完成对各种板卡驱动程序和系统内核的设计，以满足系统实时性的要求。可以预见的开发技术难点有以下三点。

1）FEP与子系统对接调试。不但需要解决系统服务和规约扫描程序之间的互通信、互操作的机制，还需要获取系统原有子系统点位资料，FEP厂商技术和运营方技术需要实际测试一遍，难度在于资料是否和现场一致。另外FEP厂家有一定的开发工作，由于子系统较多，该环节所费的周期会最长。

2）FEP与综合监控系统对接调试。需要获取系统原有点位的信息和排列情况，FEP厂商技术和运营方技术需要根据资料进行配置，以保证组合好的点位符合原有系统的要求。

3）FEP替换测试工作量较大。现场站点FEP整体替换测试，现场测试，站点、数据点位较多，需要测试的工作也会比较多。

（4）市场和技术调研

选取的原则是主要选取有参与此项目强烈意愿，前期愿意投入人力和物力进行合作研究的厂家，熟悉地铁行业各系统的通讯协议，具备嵌入式RTLinux操作系统研发能力，熟悉嵌入式系统，可以通过对现行的系统进行研究寻找替代产品。

调研专注于公司的技术力量构成、专利、著作论文的持有量、工程经验和地铁技改经验等核心内容，其中技术力量构成主要是看该公司的软件和硬件研发人员的构成，以考察其是否具备人才实力。专利、著作、论文的情况可以考察该公司的主要研究和研发的方向以及具体掌握的技术水平。由于地铁工程的特殊性，熟悉这个领域的公司开展项目，一些安全防范和注意事项的经验会相对丰富很多，这样不但可以提高开展项目的效率，也可以提高安全水平。地铁技改经验是一般企业非常缺乏的，国内的地铁经过长时间的运营，面临设备老化的问题，这就急切需要进行技改，以后有这方面经验的企业将获得更多的市场。

2 结语

本文针对地铁中关键设备FEP的设备老化，设备故障率高发，备件不足的情况，在分析了城轨交通关键设备FEP的现状及特点的基础上，提出了技改国产化的必要性。

文中给出了FEP国产化的流程与思路，论证了其可行性和国产化过程中可能遇到的技术难点，提出国产化有利于自主掌握核心技术；国产化利于控制运营风险；国产化利于降低制造和运营成本；国产化可以支持国家产业转型。随着国内人力成本的增加，企业技术转型作为经济持续增长重要基础，国家也为此推行了相关的政策。推进FEP国产化无疑是对国产化率很好的支持，是顺应市场经济发展趋势，促进我国产业转型步伐的有力支持。

通过推进对轨道交通关键设备FEP的国产化为例，为城市轨道交通关键设备国产化调研、国产化规划及国产化的开展提供有效的思路和参考。

［1］刘转华.浅议城市轨道交通技术装备国产化［J］.铁道建筑技术，2003（06）：46-47.

［2］王开满，张慎明，江平.轨道交通自动化监控系统的特点及其发展趋势［J］.城市轨道交通研究，2006（02）：1-4.

［3］顾丽雅.我国城市地铁与隧道设备国产化发展政策的分析［J］.世界隧道，1999（06）：33-34.

［4］张国碧，李家稳，郭建波.我国地铁的发展现状及展望［J］.山西建筑，2010（33）：13-14.

［5］宁韶安，邓景山.广州地铁1号线列车辅助系统低压电源控制系统国产化［J］.现代城市轨道交通，2009（01）：4-6.