虛擬機技術在地鐵信號系統室內測試中的應用

張正 李西娜

（卡斯柯信號有限公司 上海市 200071）

綠色的軌道交通出行越來越受歡迎，信號系統作為軌道交通運行控制的大腦，如何保證其安全、高效、便捷、穩定地運行，至關重要。這需要對整個信號系統進行全生命周期的管理，在各個環節嚴格把控，層層把關，方能提供高水平的解決方案和系統，成為客戶信賴的伙伴。信號系統室內測試，是信號系統室內把關的最后一環，如何高效、合理地設計測試場景，盡可能多的在室內完成測試覆蓋，減少現場調試測試工作量，節省現場調試測試時間、縮短項目交付周期，降低項目成本，都是非常重要的。

1 信號系統測試介紹

基于通信的列車自動控制系統，簡稱CBTC 系統，是全球廣泛應用于地鐵的列車自動控制系統。在該系統中，列車和軌旁設備之間架設了雙向無線通信，列車周期性的將其位置、速度等信息發送給軌旁設備。軌旁設備根據列車位置、速度等信息，實時計算出列車可以運行的最遠距離，并和軌旁信號機狀態、道岔位置等信息一起反饋給列車，列車根據軌旁設備提供的這些信息，實時計算其可運行的最大速度。同時在自動駕駛軟件的保證下，實現列車平穩高效地實現加減速和啟停。針對系統中不同的功能分配，可以分為ATC子系統、CBI 子系統、ATS 子系統、MSS 子系統、DCS 子系統等，各子系統協同工作，共同保障信號系統安全穩定運行，為乘客提供安全便捷高效的出行方式。

1.1 信號系統測試內容

在項目V 模型中，信號系統工廠集成測試需全面分析功能場景、根據需求合理設計測試用例、綜合考慮如何準確、高效、有針對性地進行測試，力求更多地在室內完成測試覆蓋，減少非必須的現場調試環節，縮短項目周期，以節約整體項目成本。

根據地鐵信號系統架構和項目實施流程，針對被測對象不同的功能側重點，信號系統室內測試可以分為子系統測試和系統級測試。其中，子系統測試主要有ATC 子系統測試、ATS 子系統測試、CBI 子系統測試、MSS 子系統測試、DCS子系統測試，在子系統測試完成后，還需進一步進行系統級的集成和確認測試，以驗證各子系統協同工作時，整個系統的功能和性能是否滿足要求。CBTC 系統結構和信號系統工廠集成測試分類如圖1 所示。

圖1：CBTC 系統結構和信號系統工廠集成測試分類

1.2 信號系統測試面臨問題

FIVP 全稱為信號系統工廠集成測試平臺，用于地鐵信號系統室內測試 。由于項目多、工期緊，現場維護升級時間短等原因，給室內測試提出了更高的要求，需要實驗室具備能夠支持多個項目同時快速迭代測試的能力。對于幾個項目需要同時測試，或者由于時間節點等原因，同一個項目，需要在多套不同的子系統或系統環境上進行測試。在這種情況下，許多不同項目或產品的共性需求，都需要在每一臺設備上重新配置，如果采購大量物理設備，則需要更多的環境支持，既浪費了物理設備資源，也浪費了人力時間，會造成大量資源浪費。軌道交通信號技術飛速發展，越來越多的功能、性能和場景需求，對信號系統工廠測試也提出了更高的新的要求，主要面臨以下問題：

業務發展要求：隨著項目業務不斷擴展，新項目接踵而至，每年需要交付的項目越來越多，同時既有信號系統的升級、優化和維護，以及越來越多的個性化定制需求，都對以往項目測試經驗產生了挑戰。對軟件、數據、現場安裝調試都產生一定壓力；另一方面，新的功能場景和測試需求，意味著需要更多、更高效、更全面的室內測試驗證。需要更多的思考如何實現全面、準確、高效地測試覆蓋，對實驗室的發展建設、測試環境布局和人員培訓等都產生了極大的挑戰。

資源有效利用：當前自律機、工控機、服務器等設備硬件性能越來越高，當應用軟件和數據正常運行后，這些設備還存在大部分資源空閑。對于現場運營，需保證適當的冗余量，這種資源空閑是有必要的。而在室內測試，項目多、切換頻繁，更多地關注有限資源的靈活分配和使用。如果采用大量物理設備，需要增加相應的樓宇場所、設備用電等，但同時存在大量的資源空閑，造成資源浪費。如何將這些資源整合，在室內測試過程中有效利用起來，根據需要靈活配置，也是節約成本的一重要課題。

測試場景要求：在以往的實驗室測試系統中，每個子系統都有對應的硬件設備，對于車站比較多、線路較長的項目，由于實驗室空間、硬件條件等限制，無法在室內搭建全線環境，需要逐站不斷切換，才能完成全線內容的測試，使得測試環境準備時間過長，整體測試效率低下。如何在現有條件下，通過有效改造，搭建更完整的測試環境，減少測試環境切換，提高效率是需要不斷思考的問題。

實驗室發展：在FIVP 實驗室，各設備的網絡都需與現場保持一致。每臺設備都有相應的網線，還要考慮冗余備份，這就導致網線非常多。而隨著業務擴展，如新項目落地、新產品推廣應用等，又得增加相應的設備和機架，同時需要布置更多的網線網絡設備，最終會導致設備越來越多，環境越來越復雜，應用和管理也越來越繁瑣，讓測試工作無法有效開展。

傳統實驗室已越來越不適應項目多樣化測試需求，所面臨的問題顯而易見。因此，在實驗室建設初期，就應該全面考慮這些問題，如何在有限的辦公樓宇條件下，合理布置設備、網絡網線，既要考慮現有應用足夠，同時又要考慮冗余及后續產品升級、實驗室擴建的需要。因此，搭建簡潔高效、方便使用、易于管理、能擴容和改造升級的實驗室環境解決方案，勢在必行。而虛擬機技術剛好滿足這些條件，通過虛擬機技術，可以對自律機，服務器，工控機等計算機設備分別進行虛擬化處理，進而實現充足的、多樣化的環境搭建，節省空間，同時節省下來的時間，更多地用于場景分析，執行更高效、有針對性的測試，實現整體效能提高。

2 虛擬機技術的應用

2.1 什么是虛擬機

服務器虛擬化是指將一臺物理服務器，通過hypervisor技術虛擬成多臺邏輯計算機，這些邏輯計算機被稱作虛擬機。采用虛擬機技術可將一臺硬件服務器虛擬化成多臺虛擬機，并且充分共享虛擬機服務器的硬件資源。在這些虛擬機的操作系統中，可以看到“硬件”，但實際上他們不是真實存在的，而是通過Hypervisor 技術將物理服務器虛擬化而來。

2.2 虛擬機技術特點

通過虛擬機技術可將硬件服務器虛擬化成多臺虛擬機，這些虛擬機相互隔離，它們之間沒有物理上的界限，而且物理服務器的硬件資源，如內存、CPU、硬盤空間、網絡接口等都變成了可動態管理的共享資源，形成一種“資源池”，并且根據虛擬機的資源需求，實行動態分配和調用。這種資源共享以及虛擬機特有的熱備技術，極大提高了服務器的硬件資源使用率和穩定性，使得資源的分配管理更加系統化，降低整體能耗，減少故障發生的概率。

作為將物理服務器虛擬化成虛擬機的操作系統或軟件，hypervisor 實現了真實硬件資源的管理和分配，同時確保了上層虛擬機之間的相互隔離。VMWare 是虛擬化技術的代表性產品，根據其虛擬化架構不同，可分為兩種不同的類型：寄居（hosted）和裸金屬（bare-metal）。虛擬機技術的VMware 寄居（hosted）和裸金屬（bare-metal）架構如圖2所示。

圖2：寄居（hosted）和裸金屬（bare-metal）架構

寄居型（hosted）架構，如VMWare Workstation，它與裸金屬架構的VMWare ESXi 最明顯的區別在于，ESXi是操作系統，可以直接安裝在物理硬件上，而VMWare Workstation 則是軟件，需要安裝在操作系統（一般是Windows）中，才能創建虛擬機，最后在虛擬機中安裝操作系統和應用軟件。寄居型（hosted）架構依賴于宿主操作系統對設備的支持和物理資源的管理。通常適用于個人學習、測試等性能要求不高的場合。

裸金屬（bare-metal）架構比寄居（hosted）架構少了Host 操作系統這一層，它不依賴于操作系統，能夠支持多種操作系統和應用，充分發揮物理機性能，具有更高的效率，有更好的擴展性、穩定性和運算性能，適合企業級服務器虛擬化應用。

ESXi 是裸金屬的典型實現，是VMWare 的企業級服務器虛擬化技術，它本身就是一個直接安裝在物理服務器上操作系統，然后安裝應用操作系統，最后在這些操作系統中安裝對應的應用程序。EXSi 提供了設備接口和指令集，用來支持這些運行在其上的虛擬機。由于裸金屬架的殊架構，它不依賴于操作系統，并且能夠支持多種操作系統和應用，具備更加靈活、適合長期運行、能充分發揮物理機的性能，具有較高的安全和數據物理隔離特性，使得VMWare 特別適合對于軌道交通信號系統測試，這種穩定性要求高、設備種類需求多（如工作站、工控機、自律機、服務器等不同設備、不同系統）的虛擬化應用。

3 虛擬機在信號系統室內測試中的應用

FIVP 實驗室空間場所相對固定，最需要考慮的是如何充分利用資源，將全線各站的設備通過某種方式聚合到一起，進行統一管理。同時對于不同的項目，能靈活配置和切換測試所需要的各種環境資源。虛擬機技術為解決這些問題，提供了有效途徑，如一機配好、多機克隆等簡單高效的管理方式，可根據項目對硬件及操作系統的不同要求，快速搭建滿足項目測試所需的環境；同時資源隔離和數據安全等特性，可以在同一臺服務器中同時搭建多套測試環境，并且各環境之間根據需要調用資源而不產生沖突。

FIVP 測試平臺通過仿真設備對車輛、信號機、軌道等信號設備進行模擬，同時搭建中心、車站、軌旁ATC 等設備，模擬現場環境，對信號系統的功能性能和應用場景進行測試。在測試平臺中，對于車載ATC 和軌旁ATC，也可以實現真實設備和虛擬機設備的組合使用，并根據需要可在服務器中大量擴展，滿足復雜場景需求。虛擬機在FIVP 測試平臺應用結構如圖3 所示。

圖3：虛擬機在FIVP 測試平臺應用結構

3.1 環境搭建

為保證系統穩定性和安全性要求，地鐵信號系統設備多具有雙機冗余等熱備設置。對于一個多集中站的項目，在搭建測試環境時，部分站使用真實雙機設備，其余站則采用虛擬機，將原先運行在真實工控機、自律機、工作站等終端設備轉移到虛擬機中。對于雙機功能，可以在真實雙機環境下測試，其余則可以在虛擬機上進行。在服務器性能滿足的前提下，大批量部署虛擬機，和真實設備連接，就可以搭建出全線環境，創建更加豐富的測試場景，實現更全面和高效的測試。

對于FIVP 測試平臺，根據信號系統功能分配，可分為中心、車載、軌旁設備、軌旁ATC 和車載ATC 等幾個模塊，各模塊之間通過網絡相互連接，進行信息交互，實現不同的功能需求。參考圖3，對于OCC 中心，CATS、GPC、Gateway 等設備，可以采用真實物理機，也可以運行在服務器中的虛擬機；在車站，主要有SDM、HMI、LATS 等設備終端，對外也是通過網絡進行連接。因此對于有特殊需求的設備，我們可以采用真實設備，而無特殊需求時，也可以將他們部署在虛擬機中。例如可以使用兩套真實ATS 子系統設備，搭建一個站的測試環境，其余各站采用虛擬機的方式，來實現全線ATS 環境搭建，對于其它子系統，同樣可以采用這種真實設備和虛擬機設備配合使用的方式來實現。

虛擬機服務器的這種“資源池”特性，可根據需要，在不增加額外的硬件設備情況下，靈活配置使用，快速搭建全線環境。

3.2 網絡實現

在FIVP 實驗室的網絡環境中，虛擬機運行在服務器，通過虛擬機服務器的網口與外部交換機的橋接，實現虛擬機與物理機各子系統之間通信。虛擬機與虛擬機之間本身就存在著網絡隔離，對于需要相互通信的設備，如果是相同網段，可以聚合到同一個虛擬網卡上，如果是不同網段，則可以通過建立虛擬交換機來實現跨網段通信。

綜合考慮虛擬機和真實設備之間、虛擬機與虛擬機之間、真實設備和真實設備之間的網絡，同時還有抓包、管理等網絡的設置，并根據這些配置要求，合理規劃布置網線，可以大大簡化網絡環境和減少網線、網卡、交換機硬件設備需求。

3.3 集中管理

對于同一臺虛擬機服務器，采用Server-Client 方式，通過瀏覽器在局域網內進行訪問，可以根據測試任務安排，以及測試人員不同習慣，靈活配置，在不同位置自由操作。對于多臺服務器，又可以采用Vcenter 組件的方式，對多臺虛擬機服務器進行統一集群管理，更加靈活地實現各服務器之間的中心管理作用，如各虛擬機之間的擴展、遷移、克隆等操作，簡潔高效的滿足多樣化環境需求。這種分布操作和集中管理，使得虛擬機的管理維護變得更加靈活高效。

另外，服務器的磁盤陣列配置，為數據安全提供了有效保障，虛擬機封裝在文件中，易于保存、復制和部署，可以在極短時間內將整個虛擬機系統（包括虛擬硬件、操作系統、完整的應用程序和數據）從一臺服務器遷移到另外一臺服務器上，而整個過程，不需要停機，就可以實現連續工作的負載整合。

隨著業務需求增加，業務發展到一定規模后，需要進行硬件升級，普通場景下，可能需要購買大量的工控機、自律機、服務器等物理硬件設備，而虛擬機技術的應用，則簡化了這些操作，只需要增加硬盤、內存、網卡等設備，對虛擬機服務器的資源池進行擴充，再通過合理的配置，就基本上能夠實現擴容和性能提升。

4 結語

在實驗室建設設計之初，根據業務需求及實驗室發展情況，進行評估，預設預埋網線、預留擴展接口，以滿足后期擴展擴容需要。虛擬機技術的應用，使得實驗室后期的擴容擴展，變得異常方便。而前期的合理布局，可以使網絡硬件的規劃和應用，變得簡潔明了，進一步提供更多的擴容空間，利于后期業務發展需要，降低后期維護和建設成本。

在FIVP 測試中，合理的網絡設置和設備布局，可以大大簡化測試環境。同時，虛擬機技術在地鐵信號系統室內測試中的應用，可以優化空間、節約成本，為環境搭建和測試操作提供了便利。使用虛擬機技術進行環境搭建和測試操作，可以充分利用現有的設備資源，創造出更加完整和多樣化的測試場景，提高項目測試覆蓋率和執行效率。同時將測試場景重新整合，在新的環境下，優化測試方法，整體測試效率提高了30%以上。同時虛擬機技術的應用極大提高了實驗室計算機設備及網絡管理水平，為下一步測試自動化、提高測試效率，打下堅實基礎。