新一代CMEX系统的研发

赵刚 董明文 廖建新 公安部第一研究所

引言

美国政府将芯片安全提升至国家安全的战略高度，强调美国应当打造有弹性、多样化、高安全性的供应链以保证经济繁荣和国家安全。以《芯片与科学法》出台为基石，美国的芯片战略已显出全貌，整体上沿用了“投资、联合、竞争”对华战略竞争三原则作为芯片战略的三大支柱[1]。由此引起的国内芯片货源严重短缺和价格大幅提高的“卡脖子”问题，对科研单位、制造企业产生了严重的影响。例如，近三年来，芯片短缺问题导致国内汽车产量减产超过200万辆，这就是芯片短缺对汽车行业带来的深刻影响[2]。作为占据国内安检市场重要地位的FISCAN品牌CMEX系列安检设备，同样受到了“卡脖子”问题的冲击。在应对“卡脖子”问题的措施上，有两种主要可选的策略：（1）用国产芯片替代进口芯片，国内的卫星导航系统已经在此取得了进展[3]。（2）通过软件系统来替代实现硬件芯片原有功能，这一思想在武器装备信息化领域[4]、智能电话报警器领域[5]都得到了应用。为了能够将主动权掌握在自己手里，摆脱由于芯片的制约影响发展的风险，笔者采取了硬件芯片功能软件化的技术思路。

CMEX系统是CMEX系列安检设备的软件系统，通过与硬件平台的协同工作，实现了数据采集、处理、显示、存储等功能。

随着市场的发展，竞争愈演愈烈，用户需求呈现多样化的发展趋势。为了能够更好的满足用户需求和适应市场的变化，CMEX系列安检设备也需要具备多样性，通过研发不同的硬件平台，使得产品可以满足不同价位需求的用户，由此，软件系统如何适应多种硬件平台的新问题摆在眼前，为了降低软件系统研发和后期维护成本，通过运用软件产品线思想，研发兼容多种硬件平台的软件系统，使得同一套软件系统能够在多种硬件平台上兼容运行。

一、硬件芯片功能软件化

由于硬件芯片具备处理速度快、体积小、可以与其他硬件部件配合紧密等特点，已经被广泛应用于科研、制造企业的产品中。FISCAN品牌CMEX系列安检设备是国内安检市场的支柱产品，市场保有量很大，在CMEX系列安检设备研发初期，计算机的性能还没有达到现有的水平，硬件芯片在数据处理方面具有一定的优势，所以使用硬件芯片对采集到的数据进行处理，并将处理后的数据发送给计算机，由计算机完成数据的显示、存储等后期工作。

（一）采用硬件芯片处理数据的方式

随着计算机技术的不断发展，计算机的数据处理速度与之前相比有了巨大的提升，已经超过了硬件芯片的数据处理能力。随着“卡脖子”问题的出现和现有计算机性能的大幅提升，硬件芯片功能软件化具备了可行性，如图1所示。

（二）采用软件处理数据的方式

通过对被替代的硬件芯片的运算能力、CMEX系列安检设备现有计算机的运算能力进行评估，预计新增的软件化模块占用计算机的运算能力的比例不超过1%，对计算机功耗的影响也不会超出同等比例，所以现有计算机可以满足新增软件化模块在处理能力和功耗方面的需求，无需增加计算机等硬件部件，不会造成CMEX安检设备体积上的增加，也不会额外增加设备的生产成本，如图2所示。

在实现硬件芯片功能软件化的过程中，先是从分析硬件芯片处理数据的方法、流程、核心技术入手，摸清硬件芯片处理数据的技术方案，再根据软件系统的特点，进行需求分析、模块设计，把数据的处理工作分解到各个软件模块中，通过软件模块的协同工作，实现了将原有硬件芯片的数据处理功能由软件系统进行替代的目标。

二、内部接口模块兼容性

（一）产品需求的多样性

经过多年的发展，安检设备市场在不断扩大的同时也变得更具竞争性，除了原有处于主导地位的几大安检设备生产企业外，又陆续涌现出一批规模大小不一，产能、质量各异的安检设备生产厂商，这些厂商有的具有部分自主研发能力，有的就靠东拼西凑组装设备来维持销售，这些产品的售价大部分偏低，这种情况的出现，也使得安检设备的用户需求随之发生了变化，在民航等高端安检设备市场，由于用户对安全等级的要求很高，所以采取了非常严格的准入和鉴定制度，为了满足高标准的要求，CMEX系列安检设备在设计、研发、生产阶段中投入了较高的成本。安检设备市场上存在着一些对低价设备有需求的用户，如部分长途汽车站等，这些场所按照监管部门的行业要求，必须拥有安检设备才具备营运的资格，之前这些场所也是购买比较高端的安检设备，自从低价安检设备进入市场后，这些场所从节省资金的出发点考虑，开始倾向于采购那些价格低廉的安检设备，再加上一些厂商为了抢占市场份额而采取的恶意压价竞争行为，使得CMEX系列安检设备面临的市场情况空前复杂，迫使CMEX系列安检设备既要站稳高端市场，也要考虑如何满足预算有限用户的需求。

（二）控制成本的方法

安检设备的生产成本更多地体现在硬件平台的零部件成本上，如何在保持一定技术水平的前提下降低硬件成本，是需要解决的实际问题。为了实现具备多个价位安检设备的产品策略，需要研发不同硬件部件配置的多种硬件平台，这些硬件平台的接口方式、数据格式、处理流程各有不同，自然而然地引出了软件系统如何与多种硬件平台协同工作的实际问题。这个问题的处理方式可以有两种：（1）为每一种硬件平台研发专用的软件系统；（2）研发出可以兼容多个硬件平台的统一软件系统。

软件系统与硬件平台一对一的架构方式如图3所示。

软件系统与硬件平台一对多的架构方式如图4所示。

经过对自身实际情况的综合考虑，通过运用软件产品线思想，采取了统一软件系统兼容多个硬件平台的解决方案。在解决方案的设计架构上，为了进一步降低研发、后期维护的成本，在对软件系统各个功能模块的共同性和差异性进行分析的基础上，最大限度提取共性的部分，把差异性的部分压缩到一起，形成具备兼容性的内部接口模块，把内部接口模块做为共性化软件系统与多个硬件平台之间的桥梁，通过参数配置，使得统一的软件系统能够与不同的硬件平台协同工作。通过对一对多方式的效果进行评估，以硬件平台的种类数为n，一对一方式的各个独立软件系统的复杂度都为1，一对一方式的全部独立软件系统的研发、后期维护成本总和为1当作参考值，一对多方式的统一软件系统复杂度约等于n，一对多方式的统一软件系统的整体研发、后期维护成本约等于1/n。

一对多方式不仅使得CMEX系列安检设备在研发、后期维护成本的控制上取得了很大的成功，也为CMEX系列安检设备在界面、操作等方面保持风格一致起到了积极的作用，通过类似拼插积木的方式，将软件系统与硬件平台进行组合，使得CMEX系列安检产品能够更好地适应复杂的安检设备市场。

三、结语

新一代CMEX系统的研发，使得我们拥有了更具灵活性和产品竞争力的FISCAN品牌CMEX系列安检设备，硬件芯片功能软件化和内部接口模块兼容性的思路，不仅解决了当前面临的巨大困难，也为今后的发展拓展了一条崭新的道路。

随着CMEX系列安检设备的功能、性能不断提升，安检事业将会不断壮大，在为企业自身创造更多的经济价值的同时，也为社会和国家的安全提供更加有力的技术支撑和保障。