高铁地震预警系统监控主机国产处理器方案研究

刘明端

摘要：本文主要介紹高速铁路地震预警系统监控主机的国产化处理器方案，分析各主流架构处理器的特点，选择基于ARM架构的瑞芯微RK3568处理器进行样机研制，并进行型式试验和功能测试。经过验证，基于国产处理器的监控主机具有较好的可靠性、兼容性和自主可控性，可以满足高速铁路地震预警系统的应用需求，具备进一步试用验证的条件。

关键词：国产处理器；监控；ARM架构；地震预警系统

DOI：10.12433/zgkjtz.20233135

基金项目：中国铁道科学研究院集团有限公司通信信号研究所基金重点课题“高铁地震预警系统国产处理器监控主机应用技术研究”

项目编号：2021HT16

高速铁路地震预警系统实现了利用高铁沿线地震监测台站和地震台网信息进行综合分析处理后生成、传输并发布地震警报信息、紧急处置信息，通过车地联动的方式对列车进行紧急处置措施，对提高高铁的防震减灾能力有着重要意义。

监控单元是高铁地震预警系统中实现地震数据采集及上报，接收处理紧急处置信息进而触发牵引供电系统、列控系统联动的设备，其中，监控主机是信息处理、逻辑控制、数据存储的关键部件。目前，监控主机使用的都是基于英特尔X86处理器的工控机，近年来出现过因处理器供应链不稳定导致整机无法按时供货的情况，因此，需尽早研究和验证基于国产处理器的定制化替代产品，这对保障高铁运营及产业发展具有重要作用。

一、国产处理器发展现状

我国半导体行业整体起步较晚，特别是在处理器领域，发展需要大量的人才、资金和时间的投入，有待实现快速追赶。目前，发展处理器有两条路线：第一，使用主流的X86和ARM架构，优点是兼容性好，有极高的软硬件生态优势，产品具有市场竞争力，但需要付出高昂的授权费用且存在授权中断的风险。第二，使用RISC－V、Alpha、LoongArch等开源或自研的架构，虽然这类处理器完全自主可控，有着较高的安全性和创新性，但由于全球范围内使用较少，没有建立良好生态，使用此类处理器需要大量的软件开发和移植工作。

X86架构在PC和服务器领域占有率达80%以上，目前，国内获得授权能生产X86架构处理器的厂家有兆芯和海光，但由于授权基于几年前的技术和专利，无法使用Intel新的指令集和功能，所以CPU的性能无法继续提升。ARM架构是物联网、嵌入式等领域的主流架构，国内获得ARM授权能设计和生产ARM处理器的厂家较多，包括以飞腾为代表的“国家队”厂家和以瑞芯微为代表的民营厂家。龙芯自研的LoongArch架构、申威使用的Alpha架构以及寒武纪、平头哥和中科院计算所等众多厂商使用的RISC－V架构，由于软硬件生态问题，更多地用于大规模高性能计算和一些专用领域。

二、需求分析及方案选择

国产化处理器的选择应确保监控主机满足《高速铁路地震预警监测系统技术条件》的要求和应用需求。由于既有方案的监控主机已上线运行600余套，为提高系统的一致性和可维护性，要尽量避免底层硬件变化引起软件和应用层变化。因此，国产化处理器应满足以下需求：第一，为满足设备调试和网络接入的需要，需支持至少4个100M/1000M网口、2个USB口、1个显示输出；第二，支持PCIE3.0接口，用于数字IO的设计接入；第三，具有良好的兼容性，可移植使用主流Linux系统及国产Linux系统；第四，为确保可靠性和可用性，需有大量应用案例，且有较长的生命周期；第五，工作温度为－20～55℃。

以上述需求为目标，分析各架构处理器的特点，选择ARM架构作为国产化处理器的解决方案，主要原因包括：第一，有较完善的生态系统和兼容性，在操作系统、IO驱动、应用软件的移植方面有较大优势；第二，具有低功耗、高集成度的特点，适合监控主机的应用场景；第三，接口丰富，有较好的扩展性和配置空间；第四，出货量大，应用广泛，生产周期和生命周期稳定。

结合性能要求、品牌口碑、生产情况、价格等因素，使用瑞芯微RK3568作为样机研制的处理器。RK3568是一款高性能、低功耗的四核处理器，集成G52 GPU，有丰富的显示及外设接口，支持主流国产操作系统。与既有方案的英特尔J1900相比，两款处理器在核心数量、主频、制程、线程等基本一致，通过CPU－Z、Geekbench和PassMark等CPU测试工具查看性能测试分数可以看出，RK3568在单核和多核性能方面具有明显优势，因此该款处理器可满足监控主机对性能的需求，详细对比情况如表1所示。

三、基于RK3568处理器的监控主机方案设计

根据需求分析和监控主机的应用要求分别对监控主机的接口、结构、软件及外观进行设计。

（一）接口设计

RK3568处理器可灵活配置各种接口，实现各项功能。为提高系统稳定性，仅设计必要功能和接口，本方案的主要接口包括2个千兆以太网接口、4个USB3.0接口、2个用于固态硬盘的SATA3.0接口、4个DDR4内存接口、1个HDMI显示接口、2个宽压输入的电源接口，并通过处理器的PCI－E接口设计实现了数字IO功能和接口。模块示意图如图1所示。

图1   监控主机模块

（二）结构设计

监控主机作为高铁地震预警系统监控单元的核心控制设备，要具备较高的可靠性和抗震性。为提高抗震性，需要对主板采用非拼接的整板设计，将数字IO板卡直接设计在主板上；为提高可靠性，进行无风扇设计，在器件选型时选择低功耗器件，且根据发热器件功耗均匀布置于主板之上，对于功率1W以上的器件设计相应的被动散热措施，整机工作温度可达－40℃～70℃。主板布置如图2所示。

图2   监控主机主板布线

（三）软件设计

由于既有监控主机使用的Centos系统，发行版本和支持策略由相对稳定的按版本发行变成了滚动更新，而在监控主机所应用的内网环境下，此种变化相当于停止了更新和服务，且由于监控主机的应用软件为Java开发，具备良好的兼容性和可移植性，更换操作系统不会影响应用层，因此，本文基于RK3568的监控主机方案出于对兼容性和稳定性的考虑，选择瑞芯微的基于linux－4.19内核和Debian 10根文件系统的Rockchip Linux替代原有Centos系统。

（四）外观设计

监控单元是在无人值守的环境下使用，内部没有显示器，为提高可维护性，便于巡检时检查监控主机的状态，本文监控主机的前面板设计为可直接显示数字输入和输出的端口状态以及常规的双路电源状态、系统运行状态和网口状态，如图3所示。监控主机背面则放置了接口设计中的双路电源、以太网口、USB、HDMI、16路DI和16路DO等接口，电源及IO接口为提高稳定性，使用了凤凰端子。

图3   监控主机主板布线

四、测试验证

依据《高速铁路地震预警监测系统技术条件》相关要求，对基于RK3568处理器的监控主机样机进行型式试验，以验证该方案能否满足监控单元应用的基本要求，型式试验的具体项目和要求如表2所示。结果表明，各项试验指标均满足技术条件的要求，特别是在高低温、振动等项目中，性能优于原监控主机方案。

针对《高速铁路地震预警监测系统试验方法》中相关要求，对监控主机样机进行测试，包括信息收发、緊急处置、状态自检、日志记录、上电启动等功能测试和接口动作时间的性能测试。测试进行了7天，各项功能均进行100次以上测试，其间监控主机运行稳定，功能正常，接口动作时间平均0.126s，满足技术条件中0.3s的需求。

五、结语

本文选择ARM架构的RK3568作为国产化处理器监控主机的方案，该方案在自主性、安全性、兼容性、成本、量产能力等多方面具有较好的表现，与高速铁路地震预警系统监控主机的实际应用需求有着很高的契合度。相比于既有的X86方案，新方案的监控主机在硬件性能、接口质量、供应链稳定性等方面有较大改善，也通过了相关的型式试验和功能测试验证。综上所述，基于RK3568处理器的监控主机可满足高速铁路地震预警系统监控单元的各项应用需求，可作为自主可控的国产化方案进行后续的试用验证。

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作者简介：刘明端（1987），男，山东省泰安市人，中国铁道科学研究院集团有限公司副研究员，工学硕士，主要研究方向为铁路防灾。