LKJ 數(shù)據(jù)綜合模擬試驗平臺的研發(fā)及應用

周永彬 楊寶昌 王洪濤

為保證列車運行監(jiān)控記錄裝置（LKJ）運用維護管理工作有序通暢，結合綜合維修段安全生產實際現(xiàn)狀和需求，研發(fā)了LKJ 數(shù)據(jù)綜合模擬試驗平臺。在硬件上，將LKJ2000 型列車運行監(jiān)控記錄裝置主機（A、B 機）CAN 總線進行物理拆分，分別與2 臺屏幕顯示器進行單獨通信，同時取消A、B 機在硬件方面的同步功能。在軟件上，一是將A、B 機相互同步信號由第三方平臺接收、處理并返回，確保A 或B 機單機運行正常工作；二是將單獨矩陣面膜鍵盤開關量信號進行放大，分別供給2 臺屏幕顯示器識別，確保2 臺屏幕顯示器在響應人機交互信息時無時間差。另外，為建設智能型標準化綜合模擬實驗室，自主設計了綜合控制PCB電路板和上位機控制軟件［1］，能夠實現(xiàn)國鐵集團對數(shù)據(jù)模擬全過程的所有功能要求。

1 研發(fā)需求

LKJ 基礎數(shù)據(jù)的準確性是保證列車安全運行的前提和保障。隨著集通鐵路雙線自閉改造線路的逐漸開通，施工線路及信號制式變化較大，地面線路改造頻繁，LKJ 基礎數(shù)據(jù)的變化也相應加劇。為確保LKJ 基礎數(shù)據(jù)與開通運行的鐵路運輸設備、設施的數(shù)據(jù)保持一致，要求LKJ2000 列車運行記錄裝置存儲數(shù)據(jù)與地面線路數(shù)據(jù)必須同步升級?！读熊囘\行監(jiān)控裝置（LKJ）運用維護規(guī)則》（鐵總工電〔2018〕132 號）、關于印發(fā)《呼和浩特鐵路局列車運行監(jiān)控裝置（LKJ） 運用維護管理實施細則》的通知（呼鐵師〔2014〕290 號）等文件也要求：列車運行區(qū)段的LKJ 數(shù)據(jù)正式開通使用前，須對LKJ 車載基礎數(shù)據(jù)文件和LKJ 車載控制文件進行實驗室LKJ 控制過程模擬檢驗和控制功能運行試驗；LKJ 既有運行區(qū)段發(fā)生LKJ 數(shù)據(jù)內容變更時，須對LKJ 車載基礎數(shù)據(jù)文件或LKJ 車載控制文件進行實驗室LKJ 控制過程模擬檢驗［2］。因此，數(shù)據(jù)模擬試驗是LKJ 數(shù)據(jù)換裝生效前必不可少且極其重要的環(huán)節(jié)。

而前期LKJ 數(shù)據(jù)模擬試驗平臺只是將車載設備簡單排列，一次僅能對一版數(shù)據(jù)進行模擬試驗，無法實現(xiàn)修改前、后2 個版本數(shù)據(jù)和控制模式的實時對比，這樣造成模擬過程中經常出現(xiàn)返工現(xiàn)象，模擬時間長、準確率降低，風險性加大。另外，由于模擬試驗工作空間有限，參與模擬人數(shù)受到了一定限制，使用一套簡單設備很難保質保量完成模擬工作，特別是數(shù)據(jù)變化較大時，要真正實現(xiàn)全程、全員實時模擬有一定困難，隱患排查難度較大。

為了提高模擬準確率，降低數(shù)據(jù)安全風險，減少人員投入，提高工作效率，經過多次試驗和論證，研發(fā)了LKJ 數(shù)據(jù)綜合模擬試驗平臺。該平臺能夠同時對修改前、后2 個版本數(shù)據(jù)進行對比模擬試驗，精準校對數(shù)據(jù)的變化情況；同時避免因編輯數(shù)據(jù)時出錯，導致變化數(shù)據(jù)與公布數(shù)據(jù)不一致，給行車安全帶來重大的安全隱患。

2 平臺設計

2.1 組成結構

LKJ 數(shù)據(jù)綜合模擬試驗平臺硬件主要包括PC機1 臺（上位機控制）、10 吋TFT 真彩液晶顯示屏（3 塊）、LKJ2000 型監(jiān)控主機（1 臺）、PC104 主板（3 塊）、下位機單片機信號采集控制板（1 塊）、矩陣鍵盤信號分配控制板（1 塊）、畫面分割器（1 臺）、開關電源（3 臺）、LKJ 條件信號輸入設備（1 臺） 及其他附屬配件等。試驗臺實物外觀見圖1。

圖1 試驗臺外觀實物圖

2.2 工作原理

1）按照設計思路，將原有LKJ 監(jiān)控顯示器A、B 中PC104 主板輸出的VGA 信號，傳輸?shù)疆嬅娣指钇髦?，進行VGA 信號到高清HDMI 信號的轉換，同時將2 路監(jiān)控顯示器圖像信號和PC 機圖像信號進行拼接合成，把合成后的HDMI 高清信號發(fā)送到投影機進行投屏。另外，可根據(jù)需要，通過計算機控制中央控制板，向畫面分割器發(fā)出控制信號，實現(xiàn)監(jiān)控顯示器A、B 和控制計算機三屏單放，或同屏對比播放2 種模式循環(huán)切換。硬件控制示意圖如圖2 所示。

2） 根據(jù)LKJ2000 型監(jiān)控主機硬件工作原理，監(jiān)控裝置A 機（監(jiān)控主機左側）和B 機（監(jiān)控主機右側）互為熱備［3］，當主機單元的監(jiān)控記錄插件或電源插件發(fā)生故障時，備機單元將立即轉為主機工作狀態(tài)，故障單元則自動退出主機工作狀態(tài)。監(jiān)控裝置A、B 機通過獲取對方的同步通信數(shù)據(jù)，實現(xiàn)工作狀態(tài)的查詢。本試驗平臺是通過硬件技術改造，將原有監(jiān)控主機母板中監(jiān)控記錄插件A 和B 的雙 路CAN 總線CAN-A 和CAN-B 的PCB 線 路 切斷［4］，并將監(jiān)控記錄插件A 和B 實時熱備的檢測信息、數(shù)據(jù)同步信息分別傳給自主設計的第三方單片機信號控制系統(tǒng)，作為單片機系統(tǒng)的“喂狗”程序，進行實時檢測。當單片機系統(tǒng)檢測到工作正常的同步數(shù)據(jù)信號后，將該信息返回到對方插件，進行同步數(shù)據(jù)檢測和CRC 校驗，確保A、B 機單機后各部分工作正常。

圖2 硬件控制示意圖

3）為了保證A、B 機人機界面輸入信息和外界給定條件信號具備實時一致性，通過自制的單片機矩陣鍵盤分配板，將原有顯示器面膜按鍵開關信號放大后，通過矩陣鍵盤掃描電路分配給2 臺顯示器主板，使2 臺顯示器接收到相同鍵盤輸入操作指令，并且這些指令在時域上不存在時間差［5］。

4） 將LKJ 監(jiān)控顯示器A、B 的CANA 總 線、CANB 總線、+15 V 開關信號等信號線，分別與監(jiān)控主機A、B 機單獨對應連接，以實現(xiàn)對監(jiān)控主機A、B 機進行分屏顯示。軟件轉換示意圖見圖3。

圖3 軟件轉換示意圖

3 平臺功能

1）自主設計出適合整個標準化試驗室綜合控制的上位機軟件。

該軟件可在上位PC 機內，通過串口控制下位機中央控制板，通過上位機操作，實現(xiàn)A、B 機人機界面單獨切換、2 版不同數(shù)據(jù)實時對比、試驗室投影裝置功能設定，幕布、燈光隨時控制等功能，并預留一定的功能控制接口［6］。

2） 將模擬機車運行輸出的各種條件控制信號，如速度、管壓、機車信號、速度等級、信號制式等同時供給A、B 套設備，相當于模擬控制2 臺機車實時同步操作運行。

3）通過將新、舊2 個版本模式或數(shù)據(jù)程序裝入不同的試驗平臺，在時間、線路坐標、運行條件等所有條件都相同的狀態(tài)下，實時對比模擬出控制模式或基礎數(shù)據(jù)的變化點。同時，可隨時調閱本版數(shù)據(jù)修改的相關依據(jù)，為機務、電務及工務聯(lián)合數(shù)據(jù)模擬，提供全面的基礎技術資料，并可通過超大屏幕投影進行直觀顯示，以便于多人共同模擬和核對確認。另外，還可隨時切換前、后2 版數(shù)據(jù)中的任意一版源文件，同其所對應的生成數(shù)據(jù)進行縱向的對比模擬，直觀查看數(shù)據(jù)運行情況和源數(shù)據(jù)修改變化是否一致，確保數(shù)據(jù)模擬精準、全面；同時也可以通過控制臺軟件隨時進行切換，實現(xiàn)前、后2 版數(shù)據(jù)模擬運行的橫向對比，更加直觀地對比出異同點［7］。兩版數(shù)據(jù)對比見圖4。

圖4 兩版數(shù)據(jù)對比

4）可實現(xiàn)交付數(shù)據(jù)的本地線上直接接收，轉存器、IC 卡刷屏程序的同步寫入、運行揭示命令實時編輯，以及模擬條件的現(xiàn)場設定等模擬流程的全部功能。

5）可實現(xiàn)對模擬試驗生成數(shù)據(jù)文件的現(xiàn)場轉儲、數(shù)據(jù)處理及運行文件的在線單機版數(shù)據(jù)分析，進一步核實數(shù)據(jù)模擬的準確性；同時，也可將模擬試驗記錄文件按規(guī)定要求刻錄成光盤，進行存檔保存［8］。

6）該設備還具有對模擬全過程進行實時錄像、存檔功能，為上級部門對模擬工作的檢查和驗收，提供良好的視頻資料。

7） 通過同一上位PC 機控制軟件，實現(xiàn)對模擬實驗室內所有周邊設備，如投影設備功能設定、投影幕布升降調整、窗簾開度調整、燈光開關控制等進行智能控制。

4 應用效果

該試驗平臺自設計完成以來，運行穩(wěn)定可靠，使用直觀便捷，作用非常明顯，其技防措施大大增強了工作人員的信任度和滿意度，極大地方便了機務、電務、工務系統(tǒng)間對數(shù)據(jù)換裝前的聯(lián)合模擬檢驗，聯(lián)勞協(xié)作效果明顯。近幾年完成的LKJ 數(shù)據(jù)模擬、換裝情況如下：2015 年17 次1 955 臺、2016 年25 次2 310 臺、2017 年18 次2 412 臺、2018 年7 次980 臺、2019 年8 次1 160 臺，總 計75 次8 817 臺機車LKJ 數(shù)據(jù)換裝，實現(xiàn)模擬試驗任務，且無任何偏差，換裝實現(xiàn)零差錯，LKJ 數(shù)據(jù)模擬正確率100%，也實現(xiàn)了數(shù)據(jù)電文下發(fā)后，從地面模擬試驗到數(shù)據(jù)芯片的灌制，再到芯片領取的全程閉環(huán)管理模式。

5 結論

LKJ 數(shù)據(jù)綜合模擬試驗平臺的研發(fā)和使用，實現(xiàn)了人機界面融合、新舊數(shù)據(jù)同步、畫面清晰明了，保證了LKJ 數(shù)據(jù)的準確度及模擬試驗的方便性。在分析設備隱患和故障時更加直接和深入，達到了預期設計目的；同時最大限度地降低了安全風險管控的難度，在安全風險管控和安全隱患排查治理雙重預防機制運行方面，又增加了一道“防火墻”，在節(jié)支降本、安全生產保駕護航工作上起到了積極作用，具備技術推廣價值。