新一代CMEX系統的研發

趙剛 董明文 廖建新 公安部第一研究所

引言

美國政府將芯片安全提升至國家安全的戰略高度，強調美國應當打造有彈性、多樣化、高安全性的供應鏈以保證經濟繁榮和國家安全。以《芯片與科學法》出臺為基石，美國的芯片戰略已顯出全貌，整體上沿用了“投資、聯合、競爭”對華戰略競爭三原則作為芯片戰略的三大支柱[1]。由此引起的國內芯片貨源嚴重短缺和價格大幅提高的“卡脖子”問題，對科研單位、制造企業產生了嚴重的影響。例如，近三年來，芯片短缺問題導致國內汽車產量減產超過200萬輛，這就是芯片短缺對汽車行業帶來的深刻影響[2]。作為占據國內安檢市場重要地位的FISCAN品牌CMEX系列安檢設備，同樣受到了“卡脖子”問題的沖擊。在應對“卡脖子”問題的措施上，有兩種主要可選的策略：（1）用國產芯片替代進口芯片，國內的衛星導航系統已經在此取得了進展[3]。（2）通過軟件系統來替代實現硬件芯片原有功能，這一思想在武器裝備信息化領域[4]、智能電話報警器領域[5]都得到了應用。為了能夠將主動權掌握在自己手里，擺脫由于芯片的制約影響發展的風險，筆者采取了硬件芯片功能軟件化的技術思路。

CMEX系統是CMEX系列安檢設備的軟件系統，通過與硬件平臺的協同工作，實現了數據采集、處理、顯示、存儲等功能。

隨著市場的發展，競爭愈演愈烈，用戶需求呈現多樣化的發展趨勢。為了能夠更好的滿足用戶需求和適應市場的變化，CMEX系列安檢設備也需要具備多樣性，通過研發不同的硬件平臺，使得產品可以滿足不同價位需求的用戶，由此，軟件系統如何適應多種硬件平臺的新問題擺在眼前，為了降低軟件系統研發和后期維護成本，通過運用軟件產品線思想，研發兼容多種硬件平臺的軟件系統，使得同一套軟件系統能夠在多種硬件平臺上兼容運行。

一、硬件芯片功能軟件化

由于硬件芯片具備處理速度快、體積小、可以與其他硬件部件配合緊密等特點，已經被廣泛應用于科研、制造企業的產品中。FISCAN品牌CMEX系列安檢設備是國內安檢市場的支柱產品，市場保有量很大，在CMEX系列安檢設備研發初期，計算機的性能還沒有達到現有的水平，硬件芯片在數據處理方面具有一定的優勢，所以使用硬件芯片對采集到的數據進行處理，并將處理后的數據發送給計算機，由計算機完成數據的顯示、存儲等后期工作。

（一）采用硬件芯片處理數據的方式

隨著計算機技術的不斷發展，計算機的數據處理速度與之前相比有了巨大的提升，已經超過了硬件芯片的數據處理能力。隨著“卡脖子”問題的出現和現有計算機性能的大幅提升，硬件芯片功能軟件化具備了可行性，如圖1所示。

（二）采用軟件處理數據的方式

通過對被替代的硬件芯片的運算能力、CMEX系列安檢設備現有計算機的運算能力進行評估，預計新增的軟件化模塊占用計算機的運算能力的比例不超過1%，對計算機功耗的影響也不會超出同等比例，所以現有計算機可以滿足新增軟件化模塊在處理能力和功耗方面的需求，無需增加計算機等硬件部件，不會造成CMEX安檢設備體積上的增加，也不會額外增加設備的生產成本，如圖2所示。

在實現硬件芯片功能軟件化的過程中，先是從分析硬件芯片處理數據的方法、流程、核心技術入手，摸清硬件芯片處理數據的技術方案，再根據軟件系統的特點，進行需求分析、模塊設計，把數據的處理工作分解到各個軟件模塊中，通過軟件模塊的協同工作，實現了將原有硬件芯片的數據處理功能由軟件系統進行替代的目標。

二、內部接口模塊兼容性

（一）產品需求的多樣性

經過多年的發展，安檢設備市場在不斷擴大的同時也變得更具競爭性，除了原有處于主導地位的幾大安檢設備生產企業外，又陸續涌現出一批規模大小不一，產能、質量各異的安檢設備生產廠商，這些廠商有的具有部分自主研發能力，有的就靠東拼西湊組裝設備來維持銷售，這些產品的售價大部分偏低，這種情況的出現，也使得安檢設備的用戶需求隨之發生了變化，在民航等高端安檢設備市場，由于用戶對安全等級的要求很高，所以采取了非常嚴格的準入和鑒定制度，為了滿足高標準的要求，CMEX系列安檢設備在設計、研發、生產階段中投入了較高的成本。安檢設備市場上存在著一些對低價設備有需求的用戶，如部分長途汽車站等，這些場所按照監管部門的行業要求，必須擁有安檢設備才具備營運的資格，之前這些場所也是購買比較高端的安檢設備，自從低價安檢設備進入市場后，這些場所從節省資金的出發點考慮，開始傾向于采購那些價格低廉的安檢設備，再加上一些廠商為了搶占市場份額而采取的惡意壓價競爭行為，使得CMEX系列安檢設備面臨的市場情況空前復雜，迫使CMEX系列安檢設備既要站穩高端市場，也要考慮如何滿足預算有限用戶的需求。

（二）控制成本的方法

安檢設備的生產成本更多地體現在硬件平臺的零部件成本上，如何在保持一定技術水平的前提下降低硬件成本，是需要解決的實際問題。為了實現具備多個價位安檢設備的產品策略，需要研發不同硬件部件配置的多種硬件平臺，這些硬件平臺的接口方式、數據格式、處理流程各有不同，自然而然地引出了軟件系統如何與多種硬件平臺協同工作的實際問題。這個問題的處理方式可以有兩種：（1）為每一種硬件平臺研發專用的軟件系統；（2）研發出可以兼容多個硬件平臺的統一軟件系統。

軟件系統與硬件平臺一對一的架構方式如圖3所示。

軟件系統與硬件平臺一對多的架構方式如圖4所示。

經過對自身實際情況的綜合考慮，通過運用軟件產品線思想，采取了統一軟件系統兼容多個硬件平臺的解決方案。在解決方案的設計架構上，為了進一步降低研發、后期維護的成本，在對軟件系統各個功能模塊的共同性和差異性進行分析的基礎上，最大限度提取共性的部分，把差異性的部分壓縮到一起，形成具備兼容性的內部接口模塊，把內部接口模塊做為共性化軟件系統與多個硬件平臺之間的橋梁，通過參數配置，使得統一的軟件系統能夠與不同的硬件平臺協同工作。通過對一對多方式的效果進行評估，以硬件平臺的種類數為n，一對一方式的各個獨立軟件系統的復雜度都為1，一對一方式的全部獨立軟件系統的研發、后期維護成本總和為1當作參考值，一對多方式的統一軟件系統復雜度約等于n，一對多方式的統一軟件系統的整體研發、后期維護成本約等于1/n。

一對多方式不僅使得CMEX系列安檢設備在研發、后期維護成本的控制上取得了很大的成功，也為CMEX系列安檢設備在界面、操作等方面保持風格一致起到了積極的作用，通過類似拼插積木的方式，將軟件系統與硬件平臺進行組合，使得CMEX系列安檢產品能夠更好地適應復雜的安檢設備市場。

三、結語

新一代CMEX系統的研發，使得我們擁有了更具靈活性和產品競爭力的FISCAN品牌CMEX系列安檢設備，硬件芯片功能軟件化和內部接口模塊兼容性的思路，不僅解決了當前面臨的巨大困難，也為今后的發展拓展了一條嶄新的道路。

隨著CMEX系列安檢設備的功能、性能不斷提升，安檢事業將會不斷壯大，在為企業自身創造更多的經濟價值的同時，也為社會和國家的安全提供更加有力的技術支撐和保障。