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(tǒng)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(wěn)定地運行，至關(guān)重要。這需要對整個信號系統(tǒng)進行全生命周期的管理，在各個環(huán)節(jié)嚴(yán)格把控，層層把關(guān)，方能提供高水平的解決方案和系統(tǒng)，成為客戶信賴的伙伴。信號系統(tǒng)室內(nèi)測試，是信號系統(tǒng)室內(nèi)把關(guān)的最后一環(huán)，如何高效、合理地設(shè)計測試場景，盡可能多的在室內(nèi)完成測試覆蓋，減少現(xiàn)場調(diào)試測試工作量，節(jié)省現(xiàn)場調(diào)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(tǒng)測試介紹

基于通信的列車自動控制系統(tǒng)，簡稱CBTC 系統(tǒng)，是全球廣泛應(yīng)用于地鐵的列車自動控制系統(tǒng)。在該系統(tǒng)中，列車和軌旁設(shè)備之間架設(shè)了雙向無線通信，列車周期性的將其位置、速度等信息發(fā)送給軌旁設(shè)備。軌旁設(shè)備根據(jù)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(tài)、道岔位置等信息一起反饋給列車，列車根據(jù)軌旁設(shè)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(xiàn)列車平穩(wěn)高效地實現(xiàn)加減速和啟停。針對系統(tǒng)中不同的功能分配，可以分為ATC子系統(tǒng)、CBI 子系統(tǒng)、ATS 子系統(tǒng)、MSS 子系統(tǒng)、DCS 子系統(tǒng)等，各子系統(tǒng)協(xié)同工作，共同保障信號系統(tǒng)安全穩(wěn)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(tǒng)測試內(nèi)容

在項目V 模型中，信號系統(tǒng)工廠集成測試需全面分析功能場景、根據(jù)需求合理設(shè)計測試用例、綜合考慮如何準(zhǔn)確、高效、有針對性地進行測試，力求更多地在室內(nèi)完成測試覆蓋，減少非必須的現(xiàn)場調(diào)試環(huán)節(jié)，縮短項目周期，以節(jié)約整體項目成本。

根據(jù)地鐵信號系統(tǒng)架構(gòu)和項目實施流程，針對被測對象不同的功能側(cè)重點，信號系統(tǒng)室內(nèi)測試可以分為子系統(tǒng)測試和系統(tǒng)級測試。其中，子系統(tǒng)測試主要有ATC 子系統(tǒng)測試、ATS 子系統(tǒng)測試、CBI 子系統(tǒng)測試、MSS 子系統(tǒng)測試、DCS子系統(tǒng)測試，在子系統(tǒng)測試完成后，還需進一步進行系統(tǒng)級的集成和確認測試，以驗證各子系統(tǒng)協(xié)同工作時，整個系統(tǒng)的功能和性能是否滿足要求。CBTC 系統(tǒng)結(jié)構(gòu)和信號系統(tǒng)工廠集成測試分類如圖1 所示。

圖1：CBTC 系統(tǒng)結(jié)構(gòu)和信號系統(tǒng)工廠集成測試分類

1.2 信號系統(tǒng)測試面臨問題

FIVP 全稱為信號系統(tǒng)工廠集成測試平臺，用于地鐵信號系統(tǒng)室內(nèi)測試 。由于項目多、工期緊，現(xiàn)場維護升級時間短等原因，給室內(nèi)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(jié)點等原因，同一個項目，需要在多套不同的子系統(tǒng)或系統(tǒng)環(huán)境上進行測試。在這種情況下，許多不同項目或產(chǎn)品的共性需求，都需要在每一臺設(shè)備上重新配置，如果采購大量物理設(shè)備，則需要更多的環(huán)境支持，既浪費了物理設(shè)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(shù)飛速發(fā)展，越來越多的功能、性能和場景需求，對信號系統(tǒng)工廠測試也提出了更高的新的要求，主要面臨以下問題：

業(yè)務(wù)發(fā)展要求：隨著項目業(yè)務(wù)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(tǒng)的升級、優(yōu)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(jīng)驗產(chǎn)生了挑戰(zhàn)。對軟件、數(shù)據(jù)、現(xiàn)場安裝調(diào)試都產(chǎn)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(nèi)測試驗證。需要更多的思考如何實現(xiàn)全面、準(zhǔn)確、高效地測試覆蓋，對實驗室的發(fā)展建設(shè)、測試環(huán)境布局和人員培訓(xùn)等都產(chǎn)生了極大的挑戰(zhàn)。

資源有效利用：當(dāng)前自律機、工控機、服務(wù)器等設(shè)備硬件性能越來越高，當(dāng)應(yīng)用軟件和數(shù)據(jù)正常運行后，這些設(shè)備還存在大部分資源空閑。對于現(xiàn)場運營，需保證適當(dāng)?shù)娜哂嗔?，這種資源空閑是有必要的。而在室內(nèi)測試，項目多、切換頻繁，更多地關(guān)注有限資源的靈活分配和使用。如果采用大量物理設(shè)備，需要增加相應(yīng)的樓宇場所、設(shè)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(nèi)測試過程中有效利用起來，根據(jù)需要靈活配置，也是節(jié)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(tǒng)中，每個子系統(tǒng)都有對應(yīng)的硬件設(shè)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(nèi)搭建全線環(huán)境，需要逐站不斷切換，才能完成全線內(nèi)容的測試，使得測試環(huán)境準(zhǔn)備時間過長，整體測試效率低下。如何在現(xiàn)有條件下，通過有效改造，搭建更完整的測試環(huán)境，減少測試環(huán)境切換，提高效率是需要不斷思考的問題。

實驗室發(fā)展：在FIVP 實驗室，各設(shè)備的網(wǎng)絡(luò)都需與現(xiàn)場保持一致。每臺設(shè)備都有相應(yīng)的網(wǎng)線，還要考慮冗余備份，這就導(dǎo)致網(wǎng)線非常多。而隨著業(yè)務(wù)擴展，如新項目落地、新產(chǎn)品推廣應(yīng)用等，又得增加相應(yīng)的設(shè)備和機架，同時需要布置更多的網(wǎng)線網(wǎng)絡(luò)設(shè)備，最終會導(dǎo)致設(shè)備越來越多，環(huán)境越來越復(fù)雜，應(yīng)用和管理也越來越繁瑣，讓測試工作無法有效開展。

傳統(tǒng)實驗室已越來越不適應(yīng)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(shè)初期，就應(yīng)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(shè)備、網(wǎng)絡(luò)網(wǎng)線，既要考慮現(xiàn)有應(yīng)用足夠，同時又要考慮冗余及后續(xù)產(chǎn)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(huán)境解決方案，勢在必行。而虛擬機技術(shù)剛好滿足這些條件，通過虛擬機技術(shù)，可以對自律機，服務(wù)器，工控機等計算機設(shè)備分別進行虛擬化處理，進而實現(xiàn)充足的、多樣化的環(huán)境搭建，節(jié)省空間，同時節(jié)省下來的時間，更多地用于場景分析，執(zhí)行更高效、有針對性的測試，實現(xiàn)整體效能提高。

2 虛擬機技術(shù)的應(yīng)用

2.1 什么是虛擬機

服務(wù)器虛擬化是指將一臺物理服務(wù)器，通過hypervisor技術(shù)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(shù)可將一臺硬件服務(wù)器虛擬化成多臺虛擬機，并且充分共享虛擬機服務(wù)器的硬件資源。在這些虛擬機的操作系統(tǒng)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(shù)將物理服務(wù)器虛擬化而來。

2.2 虛擬機技術(shù)特點

通過虛擬機技術(shù)可將硬件服務(wù)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(wù)器的硬件資源，如內(nèi)存、CPU、硬盤空間、網(wǎng)絡(luò)接口等都變成了可動態(tài)管理的共享資源，形成一種“資源池”，并且根據(jù)虛擬機的資源需求，實行動態(tài)分配和調(diào)用。這種資源共享以及虛擬機特有的熱備技術(shù)，極大提高了服務(wù)器的硬件資源使用率和穩(wěn)定性，使得資源的分配管理更加系統(tǒng)化，降低整體能耗，減少故障發(fā)生的概率。

作為將物理服務(wù)器虛擬化成虛擬機的操作系統(tǒng)或軟件，hypervisor 實現(xiàn)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(shù)的代表性產(chǎn)品，根據(jù)其虛擬化架構(gòu)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(shù)的VMware 寄居（hosted）和裸金屬（bare-metal）架構(gòu)如圖2所示。

圖2：寄居（hosted）和裸金屬（bare-metal）架構(gòu)

寄居型（hosted）架構(gòu)，如VMWare Workstation，它與裸金屬架構(gòu)的VMWare ESXi 最明顯的區(qū)別在于，ESXi是操作系統(tǒng)，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(tǒng)（一般是Windows）中，才能創(chuàng)建虛擬機，最后在虛擬機中安裝操作系統(tǒng)和應(yīng)用軟件。寄居型（hosted）架構(gòu)依賴于宿主操作系統(tǒng)對設(shè)備的支持和物理資源的管理。通常適用于個人學(xué)習(xí)、測試等性能要求不高的場合。

裸金屬（bare-metal）架構(gòu)比寄居（hosted）架構(gòu)少了Host 操作系統(tǒng)這一層，它不依賴于操作系統(tǒng)，能夠支持多種操作系統(tǒng)和應(yīng)用，充分發(fā)揮物理機性能，具有更高的效率，有更好的擴展性、穩(wěn)定性和運算性能，適合企業(yè)級服務(wù)器虛擬化應(yīng)用。

ESXi 是裸金屬的典型實現(xiàn)，是VMWare 的企業(yè)級服務(wù)器虛擬化技術(shù)，它本身就是一個直接安裝在物理服務(wù)器上操作系統(tǒng)，然后安裝應(yīng)用操作系統(tǒng)，最后在這些操作系統(tǒng)中安裝對應(yīng)的應(yīng)用程序。EXSi 提供了設(shè)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(gòu)，它不依賴于操作系統(tǒng)，并且能夠支持多種操作系統(tǒng)和應(yīng)用，具備更加靈活、適合長期運行、能充分發(fā)揮物理機的性能，具有較高的安全和數(shù)據(jù)物理隔離特性，使得VMWare 特別適合對于軌道交通信號系統(tǒng)測試，這種穩(wěn)定性要求高、設(shè)備種類需求多（如工作站、工控機、自律機、服務(wù)器等不同設(shè)備、不同系統(tǒng)）的虛擬化應(yīng)用。

3 虛擬機在信號系統(tǒng)室內(nèi)測試中的應(yīng)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(shè)備通過某種方式聚合到一起，進行統(tǒng)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(huán)境資源。虛擬機技術(shù)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(jù)項目對硬件及操作系統(tǒng)的不同要求，快速搭建滿足項目測試所需的環(huán)境；同時資源隔離和數(shù)據(jù)安全等特性，可以在同一臺服務(wù)器中同時搭建多套測試環(huán)境，并且各環(huán)境之間根據(jù)需要調(diào)用資源而不產(chǎn)生沖突。

FIVP 測試平臺通過仿真設(shè)備對車輛、信號機、軌道等信號設(shè)備進行模擬，同時搭建中心、車站、軌旁ATC 等設(shè)備，模擬現(xiàn)場環(huán)境，對信號系統(tǒng)的功能性能和應(yīng)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(xiàn)真實設(shè)備和虛擬機設(shè)備的組合使用，并根據(jù)需要可在服務(wù)器中大量擴展，滿足復(fù)雜場景需求。虛擬機在FIVP 測試平臺應(yīng)用結(jié)構(gòu)如圖3 所示。

圖3：虛擬機在FIVP 測試平臺應(yīng)用結(jié)構(gòu)

3.1 環(huán)境搭建

為保證系統(tǒng)穩(wěn)定性和安全性要求，地鐵信號系統(tǒng)設(shè)備多具有雙機冗余等熱備設(shè)置。對于一個多集中站的項目，在搭建測試環(huán)境時，部分站使用真實雙機設(shè)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(shè)備轉(zhuǎn)移到虛擬機中。對于雙機功能，可以在真實雙機環(huán)境下測試，其余則可以在虛擬機上進行。在服務(wù)器性能滿足的前提下，大批量部署虛擬機，和真實設(shè)備連接，就可以搭建出全線環(huán)境，創(chuàng)建更加豐富的測試場景，實現(xiàn)更全面和高效的測試。

對于FIVP 測試平臺，根據(jù)信號系統(tǒng)功能分配，可分為中心、車載、軌旁設(shè)備、軌旁ATC 和車載ATC 等幾個模塊，各模塊之間通過網(wǎng)絡(luò)相互連接，進行信息交互，實現(xiàn)不同的功能需求。參考圖3，對于OCC 中心，CATS、GPC、Gateway 等設(shè)備，可以采用真實物理機，也可以運行在服務(wù)器中的虛擬機；在車站，主要有SDM、HMI、LATS 等設(shè)備終端，對外也是通過網(wǎng)絡(luò)進行連接。因此對于有特殊需求的設(shè)備，我們可以采用真實設(shè)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(tǒng)設(shè)備，搭建一個站的測試環(huán)境，其余各站采用虛擬機的方式，來實現(xiàn)全線ATS 環(huán)境搭建，對于其它子系統(tǒng)，同樣可以采用這種真實設(shè)備和虛擬機設(shè)備配合使用的方式來實現(xiàn)。

虛擬機服務(wù)器的這種“資源池”特性，可根據(jù)需要，在不增加額外的硬件設(shè)備情況下，靈活配置使用，快速搭建全線環(huán)境。

3.2 網(wǎng)絡(luò)實現(xiàn)

在FIVP 實驗室的網(wǎng)絡(luò)環(huán)境中，虛擬機運行在服務(wù)器，通過虛擬機服務(wù)器的網(wǎng)口與外部交換機的橋接，實現(xiàn)虛擬機與物理機各子系統(tǒng)之間通信。虛擬機與虛擬機之間本身就存在著網(wǎng)絡(luò)隔離，對于需要相互通信的設(shè)備，如果是相同網(wǎng)段，可以聚合到同一個虛擬網(wǎng)卡上，如果是不同網(wǎng)段，則可以通過建立虛擬交換機來實現(xiàn)跨網(wǎng)段通信。

綜合考慮虛擬機和真實設(shè)備之間、虛擬機與虛擬機之間、真實設(shè)備和真實設(shè)備之間的網(wǎng)絡(luò)，同時還有抓包、管理等網(wǎng)絡(luò)的設(shè)置，并根據(jù)這些配置要求，合理規(guī)劃布置網(wǎng)線，可以大大簡化網(wǎng)絡(luò)環(huán)境和減少網(wǎng)線、網(wǎng)卡、交換機硬件設(shè)備需求。

3.3 集中管理

對于同一臺虛擬機服務(wù)器，采用Server-Client 方式，通過瀏覽器在局域網(wǎng)內(nèi)進行訪問，可以根據(jù)測試任務(wù)安排，以及測試人員不同習(xí)慣，靈活配置，在不同位置自由操作。對于多臺服務(wù)器，又可以采用Vcenter 組件的方式，對多臺虛擬機服務(wù)器進行統(tǒng)一集群管理，更加靈活地實現(xiàn)各服務(wù)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(huán)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(wù)器的磁盤陣列配置，為數(shù)據(jù)安全提供了有效保障，虛擬機封裝在文件中，易于保存、復(fù)制和部署，可以在極短時間內(nèi)將整個虛擬機系統(tǒng)（包括虛擬硬件、操作系統(tǒng)、完整的應(yīng)用程序和數(shù)據(jù)）從一臺服務(wù)器遷移到另外一臺服務(wù)器上，而整個過程，不需要停機，就可以實現(xiàn)連續(xù)工作的負載整合。

隨著業(yè)務(wù)需求增加，業(yè)務(wù)發(fā)展到一定規(guī)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(wù)器等物理硬件設(shè)備，而虛擬機技術(shù)的應(yīng)用，則簡化了這些操作，只需要增加硬盤、內(nèi)存、網(wǎng)卡等設(shè)備，對虛擬機服務(wù)器的資源池進行擴充，再通過合理的配置，就基本上能夠?qū)崿F(xiàn)擴容和性能提升。

4 結(jié)語

在實驗室建設(shè)設(shè)計之初，根據(jù)業(yè)務(wù)需求及實驗室發(fā)展情況，進行評估，預(yù)設(shè)預(yù)埋網(wǎng)線、預(yù)留擴展接口，以滿足后期擴展擴容需要。虛擬機技術(shù)的應(yīng)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(wǎng)絡(luò)硬件的規(guī)劃和應(yīng)用，變得簡潔明了，進一步提供更多的擴容空間，利于后期業(yè)務(wù)發(fā)展需要，降低后期維護和建設(shè)成本。

在FIVP 測試中，合理的網(wǎng)絡(luò)設(shè)置和設(shè)備布局，可以大大簡化測試環(huán)境。同時，虛擬機技術(shù)在地鐵信號系統(tǒng)室內(nèi)測試中的應(yīng)用，可以優(yōu)化空間、節(jié)約成本，為環(huán)境搭建和測試操作提供了便利。使用虛擬機技術(shù)進行環(huán)境搭建和測試操作，可以充分利用現(xiàn)有的設(shè)備資源，創(chuàng)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(zhí)行效率。同時將測試場景重新整合，在新的環(huán)境下，優(yōu)化測試方法，整體測試效率提高了30%以上。同時虛擬機技術(shù)的應(yīng)用極大提高了實驗室計算機設(shè)備及網(wǎng)絡(luò)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(chǔ)。