LKJ-15型列車運(yùn)行監(jiān)控系統(tǒng)功能測(cè)試平臺(tái)的研究

何宇暉，鄭璟瑜

(中國(guó)鐵道科學(xué)研究院集團(tuán)有限公司標(biāo)準(zhǔn)計(jì)量研究所，北京 100081)

隨著鐵路運(yùn)輸需求不斷發(fā)展，LKJ逐漸成為列車車載運(yùn)行信息中心，并為多種安全監(jiān)控和運(yùn)行信息的傳輸提供基礎(chǔ)。LKJ-15型列車運(yùn)行監(jiān)控系統(tǒng)是在LK-J2000型列車運(yùn)行監(jiān)控裝置的基礎(chǔ)上，借鑒ATP及ATC的先進(jìn)技術(shù)，采用安全計(jì)算機(jī)、新型測(cè)速定位及車地信息交換等技術(shù)研制而成。LKJ-15的設(shè)計(jì)依據(jù)符合GB/T 21562-2015、GB/T 28808-2012、GB/T 28809-2012、GB/T 25119-2010等標(biāo)準(zhǔn)，具有良好的安全性、可靠性、可用性和可維護(hù)性。

1 LKJ-15系統(tǒng)構(gòu)成及軟件功能

LKJ-15系統(tǒng)由主機(jī)單元、擴(kuò)展單元、人機(jī)界面單元（DMI）、應(yīng)答器信息接收單元(BTM)、軌道信息讀取單元（機(jī)車信號(hào)）、速度傳感器、壓力傳感器、專用IC卡設(shè)備、專用電纜等構(gòu)成。LKJ-15與機(jī)車安全信息綜合監(jiān)測(cè)裝置（TAX）、機(jī)車語(yǔ)音記錄裝置、列車運(yùn)行狀態(tài)信息系統(tǒng)（LAIS）、鐵路車號(hào)自動(dòng)識(shí)別系統(tǒng)(ATIS)等設(shè)備結(jié)合使用，共同組成列車運(yùn)行安全監(jiān)控系統(tǒng)，如圖1所示。

圖1 LKJ-15型列車運(yùn)行監(jiān)控系統(tǒng)構(gòu)成Fig.1 Composition of LKJ-15 train monitoring system

LKJ-15系統(tǒng)的軟件功能主要有監(jiān)控功能、記錄功能、人機(jī)界面功能、在線換裝及擴(kuò)展功能，其擴(kuò)展功能支持非安全開(kāi)關(guān)量信號(hào)采集、BDS/GPS信息接收、車地?zé)o線通信及對(duì)外通信接口等。

2 LKJ-15功能測(cè)試平臺(tái)架構(gòu)設(shè)計(jì)

LKJ-15型列車運(yùn)行監(jiān)控系統(tǒng)的構(gòu)成及I/O信號(hào)等信息，如圖1所示。LKJ-15系統(tǒng)功能測(cè)試平臺(tái)使用實(shí)物設(shè)備或模擬信號(hào)設(shè)備，向LKJ-15提供輸入信息并接收返回的響應(yīng)信息。

LKJ-15功能測(cè)試平臺(tái)的架構(gòu)如圖2所示。測(cè)試平臺(tái)通過(guò)專用電纜與LKJ-15間進(jìn)行信息交互，提供LKJ-15正常工作所需的機(jī)車信號(hào)、BTM 信息、工況信號(hào)、速度信號(hào)、壓力信號(hào)，以及其他外部設(shè)備（如 ATP、 EMU、 TAX、 LAIS、平 調(diào)、雙 針 表等）信息，并向LKJ-15提供DC110 V工作電源。測(cè)試平臺(tái)采用閉環(huán)反饋模式，輸入信息的同時(shí)采集LKJ-15返回的輸出信息，以此判斷相應(yīng)通道是否良好、LKJ-15系統(tǒng)工作是否正常；測(cè)試平臺(tái)同監(jiān)控設(shè)備建立通訊，實(shí)時(shí)反饋并顯示采集到的信號(hào)狀態(tài)，為監(jiān)測(cè)LKJ-15系統(tǒng)工作狀態(tài)提供條件。

測(cè)試平臺(tái)提供的主要信號(hào)如下。

1）機(jī)車工況信號(hào)輸出

a.輸出信號(hào)：向前、向后、牽引、制動(dòng)、零位、I端警惕、II端警惕、ATP控車、備1～8，共16路開(kāi)關(guān)量信號(hào)。

b.輸出電壓可配置范圍：DC10～110 V，輸出電壓誤差：±1% FS，驅(qū)動(dòng)電流：≥1 mA。

2）機(jī)車信號(hào)輸出

a.輸出信號(hào)：綠燈（L）、綠黃（LU）、黃燈（U）、黃2（U2）、雙黃（UU）、紅黃（HU）、紅（H）、白（B）燈、速度等級(jí)1（SD1）、速度等級(jí)2（SD2）、速度等級(jí)3（SD3）、制式（ZS）、絕緣節(jié)（JYJ）、備1（SDBAK1）、備2（SDBAK2）、備3（SDBAK3），共16路色燈50 V數(shù)字量輸出信號(hào)。

b.輸出電壓可配置范圍：DC10～50 V，輸出電壓誤差：±1% FS，驅(qū)動(dòng)電流：≥1 mA。

3）開(kāi)關(guān)量信號(hào)采集

a.卸載、減壓、關(guān)風(fēng)、緊急1、緊急2、備2、備3 常開(kāi)常閉開(kāi)關(guān)量采集，共14路。

圖2 LKJ-15功能測(cè)試平臺(tái)架構(gòu)Fig.2 Composition of LKJ-15 function test platform

b.輸入電壓采集范圍：DC 0～200.0 V，輸入阻抗：≥10 kΩ，輸入采集誤差：±2.0 V。

4）壓力信號(hào)模擬

a.設(shè)置2組（每組5通道）電流型管壓輸出方式或電壓型管壓輸出方式。

b.輸出范圍：DC 4～20 mA（電流型）或DC 0～5 V（電壓型），輸出誤差：±0.5% FS。

5）速度信號(hào)模擬

a.設(shè)置2組（每組4通道）不過(guò)零正方波速度信號(hào)輸出通道。

b.輸出頻率：0～6 kHz（方波），頻率誤差：±0.25%FS；占空比：50%±5%；幅度調(diào)節(jié)范圍：DC 0～15 V；幅度誤差：≤±10% FS（6～12 V）。

6）雙針?biāo)俣缺眚?qū)動(dòng)信號(hào)模擬

a.2路雙針表速度信號(hào)輸出，信號(hào)范圍0～20 mA,誤差≤±0.5% FS，不隔離。

b.2路雙針表速度信號(hào)輸入，信號(hào)范圍0～20 mA,誤差≤±0.5% FS，不隔離。

c.1路雙針表里程驅(qū)動(dòng)輸出，信號(hào)幅值24 V，脈沖寬度200 ms，不隔離。

d.1路雙針表里程驅(qū)動(dòng)輸入，信號(hào)幅值24 V，脈沖寬度200 ms，隔離電壓≥1 000 V。

6）柴油機(jī)轉(zhuǎn)速信號(hào)模擬

a.1路柴速轉(zhuǎn)速(過(guò)零正弦波)輸出接口。

b.頻率：0～2 kHz （正弦波）；頻率誤差：±0.1%FS；電壓幅度調(diào)節(jié)范圍：0～15 V；幅度誤差：≤±10%（6～12 V）。

7）原邊電壓原邊電流信號(hào)模擬

a.1路原邊電流（過(guò)零正弦波）信號(hào)輸出，幅值0～12 V程控可調(diào)，頻率50 Hz。

b.1路原邊電壓（過(guò)零正弦波）信號(hào)輸出，幅值0～12V程控可調(diào)，頻率50 Hz。

8）軌道信號(hào)模擬

1路軌道信號(hào)輸出接口。

9）通信模擬

a.1路RS-422模擬ATP通信，電氣隔離，4線雙向，通信速率38.4 kbit/s。

b.1路RS-485 或收/發(fā)電流環(huán)（0～20 mA）模擬EMU通信，電氣隔離，4線半雙工方式，通信速率9.6 kbit/s；采用模擬開(kāi)關(guān)切換，支持RS-485/電流環(huán)的通信模式軟切換。

c.2路CAN模擬發(fā)送BTM信息，電氣隔離，通信速率500 kbit/s。

d.2路CAN模擬發(fā)送機(jī)車信號(hào)信息，電氣隔離，通信速率500 kbit/s。

e.2路CAN模擬發(fā)送TAX信息，電氣隔離，通信速率500 kbit/s。

f.1路以太網(wǎng)，電氣隔離，通信速率100 Mbit/s，模擬LAIS/LMD通信。

g.1路備用以太網(wǎng)，電氣隔離，通信速率100 Mbit/s，模擬CMD通信。

h.采用2×2路以太網(wǎng)交換機(jī)，監(jiān)測(cè)LKJ與DMI間的網(wǎng)絡(luò)通信。信號(hào)速率：125 Mbit/s。

10）平面調(diào)車模擬

6位數(shù)字編碼輸出，輸出電流：10±2 mA，輸出高電平電壓：5±0.5 V，低電平0±0.5 V。

3 LKJ-15功能測(cè)試平臺(tái)應(yīng)用

測(cè)試平臺(tái)可按照TJ/DW 193-2017的規(guī)定和現(xiàn)場(chǎng)應(yīng)用中的實(shí)際需求，對(duì)LKJ-15的系統(tǒng)功能進(jìn)行檢驗(yàn)檢測(cè)。本節(jié)以LKJ-15在實(shí)際運(yùn)行中的典型案例為例，描述測(cè)試平臺(tái)的使用方法。

1)限速功能

LKJ-15系統(tǒng)上電，在停車狀態(tài)下，操作DMI人機(jī)界面單元，設(shè)定行車參數(shù)，按壓“模式”鍵選擇進(jìn)入調(diào)車模式，觀察DMI人機(jī)界面單元左側(cè)狀態(tài)欄顯示為“調(diào)車”，限速值為41 km/h。列車運(yùn)行，當(dāng)運(yùn)行速度達(dá)到41 km/h時(shí)，系統(tǒng)輸出常用制動(dòng)，如圖3所示，測(cè)試平臺(tái)檢測(cè)到常用制動(dòng)輸出通道電平變化，調(diào)車限速功能正常。

2)壓力信息采集功能

測(cè)試平臺(tái)向LKJ-15系統(tǒng)5路壓力采集通道依次輸入0 kPa、600 kPa和1 000 kPa壓力值對(duì)應(yīng)的電壓或電流信號(hào)，查看DMI主界面壓力工況顯示區(qū)顯示的壓力值與對(duì)應(yīng)輸入值一致，壓力信息采集功能正常。

圖3 調(diào)車模式下輸出常用制動(dòng)Fig.3 The output of service braking under shunting mode

3）速度信息采集功能

測(cè)試平臺(tái)向LKJ-15系統(tǒng)I/II系4路速度采集通道依次輸入0 km/h、100 km/h、200 km/h、350 km/h速度值對(duì)應(yīng)的不過(guò)零正方波信號(hào)，查看DMI主界面顯示的速度，以及查詢界面顯示的各通道速度值，與對(duì)應(yīng)輸入值一致，速度信息采集功能正常。

4）柴速信息采集功能

設(shè)置LKJ-15的機(jī)車型號(hào)為DF系列，調(diào)整測(cè)試平臺(tái)的機(jī)車輪徑與LKJ-15一致。測(cè)試平臺(tái)向LKJ-15系統(tǒng)輸入500 r/min、1 000 r/min、1 500 r/min柴速對(duì)應(yīng)的過(guò)零正弦波信號(hào)，查看DMI主界面速度工況顯示區(qū)的柴速值與對(duì)應(yīng)輸入值一致，柴速信號(hào)采集功能正常。

5）ATP通信功能

設(shè)置LKJ-15的機(jī)車型號(hào)為動(dòng)車，測(cè)試平臺(tái)通過(guò)RS-422模擬ATP通信，切換LKJ-15進(jìn)入ATP控車模式，DMI播報(bào)語(yǔ)音“LKJ退出控制”，主界面顯示“其他列控控制區(qū)”；退出ATP控車模式，DMI播報(bào)語(yǔ)音“LKJ投入控制”，主界面不再顯示“其他列控控制區(qū)”，實(shí)現(xiàn)LKJ與ATP控制模式切換。

6）TAX通信功能

通過(guò)DMI改變LKJ-15系統(tǒng)的行車參數(shù)，測(cè)試平臺(tái)的TAX窗口界面可以實(shí)時(shí)查詢行車參數(shù)及運(yùn)行數(shù)據(jù)的變化，且與DMI的顯示一致。

7）LAIS通信功能

測(cè)試平臺(tái)通過(guò)以太網(wǎng)模擬LAIS與LKJ-15的通信，查看DMI系統(tǒng)查詢界面，通信連接顯示正常。

8）EMU通信功能

打開(kāi)測(cè)試平臺(tái)的EMU檢測(cè)窗口，選擇“RS-485接口”，點(diǎn)擊發(fā)送EMU信號(hào)，主機(jī)記錄插件A面板10A指示燈閃爍（功能為實(shí)現(xiàn)）。選擇“電流環(huán)接口”，點(diǎn)擊發(fā)送EMU信號(hào)，主機(jī)記錄插件10A燈閃爍，則EMU通信正常。

9）BTM通信功能

通過(guò)DMI進(jìn)入LKJ-15設(shè)備查詢界面，查看BTM與LKJ-15系統(tǒng)通信正常。在降級(jí)模式下，設(shè)置行車參數(shù)。測(cè)試平臺(tái)向LKJ-15系統(tǒng)發(fā)送開(kāi)車對(duì)標(biāo)報(bào)文數(shù)據(jù)，DMI提示“前方70 m自動(dòng)對(duì)標(biāo)→CTCS-2”，如圖4所示。

圖4 自動(dòng)對(duì)標(biāo)界面Fig.4 Automatic benchmarking interface

通過(guò)測(cè)試平臺(tái)設(shè)定機(jī)車速度，開(kāi)始行車。當(dāng)完成70 m行車距離后，進(jìn)入C2模式，成功接收BTM報(bào)文數(shù)據(jù)。

當(dāng)機(jī)車行駛至應(yīng)答器位置時(shí)，測(cè)試平臺(tái)發(fā)送BTM報(bào)文數(shù)據(jù)，DMI主界面文本顯示區(qū)顯示在某時(shí)間點(diǎn)收到的應(yīng)答器信息與報(bào)文編號(hào)，如圖5所示，BTM功能正常。

圖5 文本區(qū)報(bào)文數(shù)據(jù)顯示界面Fig.5 Message data display interface of text area

10）機(jī)車信號(hào)通信功能

通過(guò)DMI進(jìn)入設(shè)備查詢界面，查看機(jī)車信號(hào)主機(jī)與LKJ-15通信正常。測(cè)試平臺(tái)向LKJ-15依次發(fā)送不同的色燈信號(hào)，DMI顯示的色燈信號(hào)與實(shí)際發(fā)送信號(hào)一致，機(jī)車信號(hào)功能正常。

4 結(jié)束語(yǔ)

本文研究了對(duì)LKJ-15系統(tǒng)功能運(yùn)行狀態(tài)檢驗(yàn)檢測(cè)的方法，開(kāi)發(fā)了LKJ-15型列車運(yùn)行監(jiān)控系統(tǒng)功能測(cè)試平臺(tái)。依據(jù)行業(yè)技術(shù)條件相關(guān)規(guī)定，通過(guò)對(duì)數(shù)字量、模擬量等接口信號(hào)的半實(shí)物模擬仿真，真實(shí)還原了LKJ-15現(xiàn)場(chǎng)使用的典型場(chǎng)景，并以LKJ-15系統(tǒng)的工作狀態(tài)判定是否行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)的要求，該平臺(tái)為L(zhǎng)KJ-15系統(tǒng)檢驗(yàn)檢測(cè)的順利進(jìn)行提供了支撐。