高鐵地震預警系統監控主機國產處理器方案研究

劉明端

摘要：本文主要介紹高速鐵路地震預警系統監控主機的國產化處理器方案，分析各主流架構處理器的特點，選擇基于ARM架構的瑞芯微RK3568處理器進行樣機研制，并進行型式試驗和功能測試。經過驗證，基于國產處理器的監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警系統的應用需求，具備進一步試用驗證的條件。

關鍵詞：國產處理器；監控；ARM架構；地震預警系統

DOI：10.12433/zgkjtz.20233135

基金項目：中國鐵道科學研究院集團有限公司通信信號研究所基金重點課題“高鐵地震預警系統國產處理器監控主機應用技術研究”

項目編號：2021HT16

高速鐵路地震預警系統實現了利用高鐵沿線地震監測臺站和地震臺網信息進行綜合分析處理后生成、傳輸并發布地震警報信息、緊急處置信息，通過車地聯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能力有著重要意義。

監控單元是高鐵地震預警系統中實現地震數據采集及上報，接收處理緊急處置信息進而觸發牽引供電系統、列控系統聯動的設備，其中，監控主機是信息處理、邏輯控制、數據存儲的關鍵部件。目前，監控主機使用的都是基于英特爾X86處理器的工控機，近年來出現過因處理器供應鏈不穩定導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處理器的定制化替代產品，這對保障高鐵運營及產業發展具有重要作用。

一、國產處理器發展現狀

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

X86架構在PC和服務器領域占有率達80%以上，目前，國內獲得授權能生產X86架構處理器的廠家有兆芯和海光，但由于授權基于幾年前的技術和專利，無法使用Intel新的指令集和功能，所以CPU的性能無法繼續提升。ARM架構是物聯網、嵌入式等領域的主流架構，國內獲得ARM授權能設計和生產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、申威使用的Alpha架構以及寒武紀、平頭哥和中科院計算所等眾多廠商使用的RISC－V架構，由于軟硬件生態問題，更多地用于大規模高性能計算和一些專用領域。

二、需求分析及方案選擇

國產化處理器的選擇應確保監控主機滿足《高速鐵路地震預警監測系統技術條件》的要求和應用需求。由于既有方案的監控主機已上線運行600余套，為提高系統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用層變化。因此，國產化處理器應滿足以下需求：第一，為滿足設備調試和網絡接入的需要，需支持至少4個100M/1000M網口、2個USB口、1個顯示輸出；第二，支持PCIE3.0接口，用于數字IO的設計接入；第三，具有良好的兼容性，可移植使用主流Linux系統及國產Linux系統；第四，為確保可靠性和可用性，需有大量應用案例，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，分析各架構處理器的特點，選擇ARM架構作為國產化處理器的解決方案，主要原因包括：第一，有較完善的生態系統和兼容性，在操作系統、IO驅動、應用軟件的移植方面有較大優勢；第二，具有低功耗、高集成度的特點，適合監控主機的應用場景；第三，接口豐富，有較好的擴展性和配置空間；第四，出貨量大，應用廣泛，生產周期和生命周期穩定。

結合性能要求、品牌口碑、生產情況、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接口，支持主流國產操作系統。與既有方案的英特爾J1900相比，兩款處理器在核心數量、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數可以看出，RK3568在單核和多核性能方面具有明顯優勢，因此該款處理器可滿足監控主機對性能的需求，詳細對比情況如表1所示。

三、基于RK3568處理器的監控主機方案設計

根據需求分析和監控主機的應用要求分別對監控主機的接口、結構、軟件及外觀進行設計。

（一）接口設計

RK3568處理器可靈活配置各種接口，實現各項功能。為提高系統穩定性，僅設計必要功能和接口，本方案的主要接口包括2個千兆以太網接口、4個USB3.0接口、2個用于固態硬盤的SATA3.0接口、4個DDR4內存接口、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接口設計實現了數字IO功能和接口。模塊示意圖如圖1所示。

圖1 ? 監控主機模塊

（二）結構設計

監控主機作為高鐵地震預警系統監控單元的核心控制設備，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計，將數字IO板卡直接設計在主板上；為提高可靠性，進行無風扇設計，在器件選型時選擇低功耗器件，且根據發熱器件功耗均勻布置于主板之上，對于功率1W以上的器件設計相應的被動散熱措施，整機工作溫度可達－40℃～70℃。主板布置如圖2所示。

圖2 ? 監控主機主板布線

（三）軟件設計

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

（四）外觀設計

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

圖3 ? 監控主機主板布線

四、測試驗證

依據《高速鐵路地震預警監測系統技術條件》相關要求，對基于RK3568處理器的監控主機樣機進行型式試驗，以驗證該方案能否滿足監控單元應用的基本要求，型式試驗的具體項目和要求如表2所示。結果表明，各項試驗指標均滿足技術條件的要求，特別是在高低溫、振動等項目中，性能優于原監控主機方案。

針對《高速鐵路地震預警監測系統試驗方法》中相關要求，對監控主機樣機進行測試，包括信息收發、緊急處置、狀態自檢、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，其間監控主機運行穩定，功能正常，接口動作時間平均0.126s，滿足技術條件中0.3s的需求。

五、結語

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

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