虚拟机技术在地铁信号系统室内测试中的应用

张正 李西娜

（卡斯柯信号有限公司 上海市 200071）

绿色的轨道交通出行越来越受欢迎，信号系统作为轨道交通运行控制的大脑，如何保证其安全、高效、便捷、稳定地运行，至关重要。这需要对整个信号系统进行全生命周期的管理，在各个环节严格把控，层层把关，方能提供高水平的解决方案和系统，成为客户信赖的伙伴。信号系统室内测试，是信号系统室内把关的最后一环，如何高效、合理地设计测试场景，尽可能多的在室内完成测试覆盖，减少现场调试测试工作量，节省现场调试测试时间、缩短项目交付周期，降低项目成本，都是非常重要的。

1 信号系统测试介绍

基于通信的列车自动控制系统，简称CBTC 系统，是全球广泛应用于地铁的列车自动控制系统。在该系统中，列车和轨旁设备之间架设了双向无线通信，列车周期性的将其位置、速度等信息发送给轨旁设备。轨旁设备根据列车位置、速度等信息，实时计算出列车可以运行的最远距离，并和轨旁信号机状态、道岔位置等信息一起反馈给列车，列车根据轨旁设备提供的这些信息，实时计算其可运行的最大速度。同时在自动驾驶软件的保证下，实现列车平稳高效地实现加减速和启停。针对系统中不同的功能分配，可以分为ATC子系统、CBI 子系统、ATS 子系统、MSS 子系统、DCS 子系统等，各子系统协同工作，共同保障信号系统安全稳定运行，为乘客提供安全便捷高效的出行方式。

1.1 信号系统测试内容

在项目V 模型中，信号系统工厂集成测试需全面分析功能场景、根据需求合理设计测试用例、综合考虑如何准确、高效、有针对性地进行测试，力求更多地在室内完成测试覆盖，减少非必须的现场调试环节，缩短项目周期，以节约整体项目成本。

根据地铁信号系统架构和项目实施流程，针对被测对象不同的功能侧重点，信号系统室内测试可以分为子系统测试和系统级测试。其中，子系统测试主要有ATC 子系统测试、ATS 子系统测试、CBI 子系统测试、MSS 子系统测试、DCS子系统测试，在子系统测试完成后，还需进一步进行系统级的集成和确认测试，以验证各子系统协同工作时，整个系统的功能和性能是否满足要求。CBTC 系统结构和信号系统工厂集成测试分类如图1 所示。

图1：CBTC 系统结构和信号系统工厂集成测试分类

1.2 信号系统测试面临问题

FIVP 全称为信号系统工厂集成测试平台，用于地铁信号系统室内测试 。由于项目多、工期紧，现场维护升级时间短等原因，给室内测试提出了更高的要求，需要实验室具备能够支持多个项目同时快速迭代测试的能力。对于几个项目需要同时测试，或者由于时间节点等原因，同一个项目，需要在多套不同的子系统或系统环境上进行测试。在这种情况下，许多不同项目或产品的共性需求，都需要在每一台设备上重新配置，如果采购大量物理设备，则需要更多的环境支持，既浪费了物理设备资源，也浪费了人力时间，会造成大量资源浪费。轨道交通信号技术飞速发展，越来越多的功能、性能和场景需求，对信号系统工厂测试也提出了更高的新的要求，主要面临以下问题：

业务发展要求：随着项目业务不断扩展，新项目接踵而至，每年需要交付的项目越来越多，同时既有信号系统的升级、优化和维护，以及越来越多的个性化定制需求，都对以往项目测试经验产生了挑战。对软件、数据、现场安装调试都产生一定压力；另一方面，新的功能场景和测试需求，意味着需要更多、更高效、更全面的室内测试验证。需要更多的思考如何实现全面、准确、高效地测试覆盖，对实验室的发展建设、测试环境布局和人员培训等都产生了极大的挑战。

资源有效利用：当前自律机、工控机、服务器等设备硬件性能越来越高，当应用软件和数据正常运行后，这些设备还存在大部分资源空闲。对于现场运营，需保证适当的冗余量，这种资源空闲是有必要的。而在室内测试，项目多、切换频繁，更多地关注有限资源的灵活分配和使用。如果采用大量物理设备，需要增加相应的楼宇场所、设备用电等，但同时存在大量的资源空闲，造成资源浪费。如何将这些资源整合，在室内测试过程中有效利用起来，根据需要灵活配置，也是节约成本的一重要课题。

测试场景要求：在以往的实验室测试系统中，每个子系统都有对应的硬件设备，对于车站比较多、线路较长的项目，由于实验室空间、硬件条件等限制，无法在室内搭建全线环境，需要逐站不断切换，才能完成全线内容的测试，使得测试环境准备时间过长，整体测试效率低下。如何在现有条件下，通过有效改造，搭建更完整的测试环境，减少测试环境切换，提高效率是需要不断思考的问题。

实验室发展：在FIVP 实验室，各设备的网络都需与现场保持一致。每台设备都有相应的网线，还要考虑冗余备份，这就导致网线非常多。而随着业务扩展，如新项目落地、新产品推广应用等，又得增加相应的设备和机架，同时需要布置更多的网线网络设备，最终会导致设备越来越多，环境越来越复杂，应用和管理也越来越繁琐，让测试工作无法有效开展。

传统实验室已越来越不适应项目多样化测试需求，所面临的问题显而易见。因此，在实验室建设初期，就应该全面考虑这些问题，如何在有限的办公楼宇条件下，合理布置设备、网络网线，既要考虑现有应用足够，同时又要考虑冗余及后续产品升级、实验室扩建的需要。因此，搭建简洁高效、方便使用、易于管理、能扩容和改造升级的实验室环境解决方案，势在必行。而虚拟机技术刚好满足这些条件，通过虚拟机技术，可以对自律机，服务器，工控机等计算机设备分别进行虚拟化处理，进而实现充足的、多样化的环境搭建，节省空间，同时节省下来的时间，更多地用于场景分析，执行更高效、有针对性的测试，实现整体效能提高。

2 虚拟机技术的应用

2.1 什么是虚拟机

服务器虚拟化是指将一台物理服务器，通过hypervisor技术虚拟成多台逻辑计算机，这些逻辑计算机被称作虚拟机。采用虚拟机技术可将一台硬件服务器虚拟化成多台虚拟机，并且充分共享虚拟机服务器的硬件资源。在这些虚拟机的操作系统中，可以看到“硬件”，但实际上他们不是真实存在的，而是通过Hypervisor 技术将物理服务器虚拟化而来。

2.2 虚拟机技术特点

通过虚拟机技术可将硬件服务器虚拟化成多台虚拟机，这些虚拟机相互隔离，它们之间没有物理上的界限，而且物理服务器的硬件资源，如内存、CPU、硬盘空间、网络接口等都变成了可动态管理的共享资源，形成一种“资源池”，并且根据虚拟机的资源需求，实行动态分配和调用。这种资源共享以及虚拟机特有的热备技术，极大提高了服务器的硬件资源使用率和稳定性，使得资源的分配管理更加系统化，降低整体能耗，减少故障发生的概率。

作为将物理服务器虚拟化成虚拟机的操作系统或软件，hypervisor 实现了真实硬件资源的管理和分配，同时确保了上层虚拟机之间的相互隔离。VMWare 是虚拟化技术的代表性产品，根据其虚拟化架构不同，可分为两种不同的类型：寄居（hosted）和裸金属（bare-metal）。虚拟机技术的VMware 寄居（hosted）和裸金属（bare-metal）架构如图2所示。

图2：寄居（hosted）和裸金属（bare-metal）架构

寄居型（hosted）架构，如VMWare Workstation，它与裸金属架构的VMWare ESXi 最明显的区别在于，ESXi是操作系统，可以直接安装在物理硬件上，而VMWare Workstation 则是软件，需要安装在操作系统（一般是Windows）中，才能创建虚拟机，最后在虚拟机中安装操作系统和应用软件。寄居型（hosted）架构依赖于宿主操作系统对设备的支持和物理资源的管理。通常适用于个人学习、测试等性能要求不高的场合。

裸金属（bare-metal）架构比寄居（hosted）架构少了Host 操作系统这一层，它不依赖于操作系统，能够支持多种操作系统和应用，充分发挥物理机性能，具有更高的效率，有更好的扩展性、稳定性和运算性能，适合企业级服务器虚拟化应用。

ESXi 是裸金属的典型实现，是VMWare 的企业级服务器虚拟化技术，它本身就是一个直接安装在物理服务器上操作系统，然后安装应用操作系统，最后在这些操作系统中安装对应的应用程序。EXSi 提供了设备接口和指令集，用来支持这些运行在其上的虚拟机。由于裸金属架的殊架构，它不依赖于操作系统，并且能够支持多种操作系统和应用，具备更加灵活、适合长期运行、能充分发挥物理机的性能，具有较高的安全和数据物理隔离特性，使得VMWare 特别适合对于轨道交通信号系统测试，这种稳定性要求高、设备种类需求多（如工作站、工控机、自律机、服务器等不同设备、不同系统）的虚拟化应用。

3 虚拟机在信号系统室内测试中的应用

FIVP 实验室空间场所相对固定，最需要考虑的是如何充分利用资源，将全线各站的设备通过某种方式聚合到一起，进行统一管理。同时对于不同的项目，能灵活配置和切换测试所需要的各种环境资源。虚拟机技术为解决这些问题，提供了有效途径，如一机配好、多机克隆等简单高效的管理方式，可根据项目对硬件及操作系统的不同要求，快速搭建满足项目测试所需的环境；同时资源隔离和数据安全等特性，可以在同一台服务器中同时搭建多套测试环境，并且各环境之间根据需要调用资源而不产生冲突。

FIVP 测试平台通过仿真设备对车辆、信号机、轨道等信号设备进行模拟，同时搭建中心、车站、轨旁ATC 等设备，模拟现场环境，对信号系统的功能性能和应用场景进行测试。在测试平台中，对于车载ATC 和轨旁ATC，也可以实现真实设备和虚拟机设备的组合使用，并根据需要可在服务器中大量扩展，满足复杂场景需求。虚拟机在FIVP 测试平台应用结构如图3 所示。

图3：虚拟机在FIVP 测试平台应用结构

3.1 环境搭建

为保证系统稳定性和安全性要求，地铁信号系统设备多具有双机冗余等热备设置。对于一个多集中站的项目，在搭建测试环境时，部分站使用真实双机设备，其余站则采用虚拟机，将原先运行在真实工控机、自律机、工作站等终端设备转移到虚拟机中。对于双机功能，可以在真实双机环境下测试，其余则可以在虚拟机上进行。在服务器性能满足的前提下，大批量部署虚拟机，和真实设备连接，就可以搭建出全线环境，创建更加丰富的测试场景，实现更全面和高效的测试。

对于FIVP 测试平台，根据信号系统功能分配，可分为中心、车载、轨旁设备、轨旁ATC 和车载ATC 等几个模块，各模块之间通过网络相互连接，进行信息交互，实现不同的功能需求。参考图3，对于OCC 中心，CATS、GPC、Gateway 等设备，可以采用真实物理机，也可以运行在服务器中的虚拟机；在车站，主要有SDM、HMI、LATS 等设备终端，对外也是通过网络进行连接。因此对于有特殊需求的设备，我们可以采用真实设备，而无特殊需求时，也可以将他们部署在虚拟机中。例如可以使用两套真实ATS 子系统设备，搭建一个站的测试环境，其余各站采用虚拟机的方式，来实现全线ATS 环境搭建，对于其它子系统，同样可以采用这种真实设备和虚拟机设备配合使用的方式来实现。

虚拟机服务器的这种“资源池”特性，可根据需要，在不增加额外的硬件设备情况下，灵活配置使用，快速搭建全线环境。

3.2 网络实现

在FIVP 实验室的网络环境中，虚拟机运行在服务器，通过虚拟机服务器的网口与外部交换机的桥接，实现虚拟机与物理机各子系统之间通信。虚拟机与虚拟机之间本身就存在着网络隔离，对于需要相互通信的设备，如果是相同网段，可以聚合到同一个虚拟网卡上，如果是不同网段，则可以通过建立虚拟交换机来实现跨网段通信。

综合考虑虚拟机和真实设备之间、虚拟机与虚拟机之间、真实设备和真实设备之间的网络，同时还有抓包、管理等网络的设置，并根据这些配置要求，合理规划布置网线，可以大大简化网络环境和减少网线、网卡、交换机硬件设备需求。

3.3 集中管理

对于同一台虚拟机服务器，采用Server-Client 方式，通过浏览器在局域网内进行访问，可以根据测试任务安排，以及测试人员不同习惯，灵活配置，在不同位置自由操作。对于多台服务器，又可以采用Vcenter 组件的方式，对多台虚拟机服务器进行统一集群管理，更加灵活地实现各服务器之间的中心管理作用，如各虚拟机之间的扩展、迁移、克隆等操作，简洁高效的满足多样化环境需求。这种分布操作和集中管理，使得虚拟机的管理维护变得更加灵活高效。

另外，服务器的磁盘阵列配置，为数据安全提供了有效保障，虚拟机封装在文件中，易于保存、复制和部署，可以在极短时间内将整个虚拟机系统（包括虚拟硬件、操作系统、完整的应用程序和数据）从一台服务器迁移到另外一台服务器上，而整个过程，不需要停机，就可以实现连续工作的负载整合。

随着业务需求增加，业务发展到一定规模后，需要进行硬件升级，普通场景下，可能需要购买大量的工控机、自律机、服务器等物理硬件设备，而虚拟机技术的应用，则简化了这些操作，只需要增加硬盘、内存、网卡等设备，对虚拟机服务器的资源池进行扩充，再通过合理的配置，就基本上能够实现扩容和性能提升。

4 结语

在实验室建设设计之初，根据业务需求及实验室发展情况，进行评估，预设预埋网线、预留扩展接口，以满足后期扩展扩容需要。虚拟机技术的应用，使得实验室后期的扩容扩展，变得异常方便。而前期的合理布局，可以使网络硬件的规划和应用，变得简洁明了，进一步提供更多的扩容空间，利于后期业务发展需要，降低后期维护和建设成本。

在FIVP 测试中，合理的网络设置和设备布局，可以大大简化测试环境。同时，虚拟机技术在地铁信号系统室内测试中的应用，可以优化空间、节约成本，为环境搭建和测试操作提供了便利。使用虚拟机技术进行环境搭建和测试操作，可以充分利用现有的设备资源，创造出更加完整和多样化的测试场景，提高项目测试覆盖率和执行效率。同时将测试场景重新整合，在新的环境下，优化测试方法，整体测试效率提高了30%以上。同时虚拟机技术的应用极大提高了实验室计算机设备及网络管理水平，为下一步测试自动化、提高测试效率，打下坚实基础。