楊志剛，張子健

（1. 中國鐵路總公司 運輸局，北京 100844；2. 河南思維自動化設(shè)備股份有限公司，河南 鄭州 450001）

新一代LKJ系統(tǒng)研究與應(yīng)用

楊志剛1，張子健2

（1. 中國鐵路總公司 運輸局，北京 100844；2. 河南思維自動化設(shè)備股份有限公司，河南 鄭州 450001）

新一代列車運行監(jiān)控系統(tǒng)（LKJ）在既有成熟LKJ技術(shù)基礎(chǔ)上，采用安全計算機、應(yīng)答器信息接收、軌道電路信息接收等新技術(shù)，實現(xiàn)列車運行安全防護功能，在系統(tǒng)安全性、可靠性、可用性和可維護性等方面有了質(zhì)的飛躍，并可滿足列車跨線運行要求。重點對新一代LKJ的研究背景、設(shè)計原則、系統(tǒng)架構(gòu)、系統(tǒng)功能、技術(shù)特點以及運用考核等進行闡述。

鐵路列控；LKJ；安全計算機；冗余設(shè)計；應(yīng)答器

1 研究背景

目前我國列控系統(tǒng)主要有適用于高速動車組的CTCS-2（C2）級和CTCS-3（C3）級列車運行控制系統(tǒng)，以及適用于機車及中低速動車組的列車運行監(jiān)控裝置（LKJ）。LKJ監(jiān)控裝置在實現(xiàn)列車運行超速防護的同時能輔助司機操縱列車。LKJ2000型列車運行監(jiān)控裝置（簡稱LKJ2000）研發(fā)于20世紀90年代末，2001年開始在全路推廣使用，目前已在全路2.1萬臺（列）機車、動車組上應(yīng)用，是我國運用范圍最廣、使用歷史最長的列車運行監(jiān)控裝置。

LKJ2000研發(fā)和制造以20世紀末的技術(shù)和鐵路管理體系為基礎(chǔ)，面對當今行業(yè)技術(shù)能力和運輸發(fā)展需求，其技術(shù)性能存在諸多不足。從系統(tǒng)安全層面看，其體系架構(gòu)、安全性設(shè)計存在一定的時代局限性，特別是LKJ2000未采用安全計算機系統(tǒng)，設(shè)備安全等級較低，且軟件安全設(shè)計及通信接口安全設(shè)計等也存在不足，這與當前鐵路對列控裝備的安全性要求極不適應(yīng)。近20年來，LKJ2000伴隨著鐵路發(fā)展不斷挖掘設(shè)備潛力，軟硬件資源幾近耗盡。從技術(shù)應(yīng)用層面看，該裝備不能適應(yīng)當前鐵路運輸需要，主要反映在以下方面：一是鐵路管理體制改革促使運輸生產(chǎn)經(jīng)營進一步向適應(yīng)市場化轉(zhuǎn)變，大量動車組列車、中歐班列、不同軸重的重載貨運列車開行等，要求列控系統(tǒng)能滿足各種列車類型在多種線路條件以及不同運營場景下的安全控制需要，而受LKJ2000設(shè)備處理能力和軟件架構(gòu)的制約，已無法僅通過修改軟件來適應(yīng)這些需求變化；二是鐵路網(wǎng)的快速擴張，機車長交路、乘務(wù)區(qū)段化等運輸組織方式改變等，要求列控系統(tǒng)能滿足機車、動車組大范圍運用和快速周轉(zhuǎn)的安全控制需要，而受LKJ2000車載基礎(chǔ)線路數(shù)據(jù)存儲容量和硬件資源限制，再無拓展空間來適應(yīng)發(fā)展變化[1]。另外，早期研發(fā)的LKJ2000受電子行業(yè)快速發(fā)展的影響，部分原材料停產(chǎn)或被淘汰，面臨生產(chǎn)和維護難以為繼的窘?jīng)r?；谏鲜鲈颍紤]到鐵路運輸安全需要，中國鐵路總公司于2013年6月立項，開展新一代LKJ的技術(shù)研究及設(shè)備研制工作。新一代列車運行監(jiān)控系統(tǒng)LKJ-15依次通過需求評審、方案評審、試驗評審、試用評審，并經(jīng)多個鐵路局超過1年的試用考核，運行穩(wěn)定、控制正常，已于2017年3月通過了中國鐵路總公司組織的技術(shù)評審，具備全路推廣的條件。

2 設(shè)計原則與思路

作為LKJ歷史上最大的一次升級，新一代LKJ設(shè)計時綜合考慮了全路對LKJ在安全性、性能、運用維護方面的需求，對國內(nèi)外列控系統(tǒng)進行了充分調(diào)研，確定了以下設(shè)計原則：一是按照我國鐵路整體狀況對列控系統(tǒng)的技術(shù)平臺進行規(guī)劃，適應(yīng)既有線、客運專線開行不同種類列車的安全控制需要；二是充分汲取既有LKJ成功和成熟經(jīng)驗，保持既有LKJ技術(shù)特色，同時把握國內(nèi)外列控技術(shù)發(fā)展方向并有所創(chuàng)新突破；三是充分考慮全路機車和部分動車組安裝使用既有LKJ的現(xiàn)狀，融合現(xiàn)行管理體系和兼顧現(xiàn)場作業(yè)習慣，防止設(shè)備更新?lián)Q代變化所帶來的潛在安全風險；四是通過技術(shù)創(chuàng)新提高鐵路行車安全保障能力，打造符合我國國情并具有獨立自主知識產(chǎn)權(quán)的高水平列車控制系統(tǒng)，滿足當前和今后一段時期內(nèi)鐵路安全發(fā)展的需要；五是適應(yīng)國家“一帶一路”倡議發(fā)展的相關(guān)需求。

新一代LKJ主要設(shè)計思路包括：應(yīng)遵循“故障-安全”原則，采用安全計算機架構(gòu)體系，軟件處理機制具有“故障-安全”措施，關(guān)鍵電路和器件的選用具有固有安全特性，同時增強設(shè)備的故障自診斷能力，完善“故障-安全”處理機制。研發(fā)過程符合國際安全標準，系統(tǒng)滿足安全完整性等級SIL4級[2]。

3 系統(tǒng)構(gòu)成

新一代LKJ主要由主機單元、擴展單元、人機界面單元、應(yīng)答器信息接收單元（BTM）、軌道電路信息讀取單元（機車信號）、速度傳感器、壓力傳感器等組成；配套地面軟件主要由LKJ基礎(chǔ)數(shù)據(jù)編制軟件、LKJ特定運用區(qū)段控制參數(shù)編制軟件、LKJ臨時數(shù)據(jù)文件編制軟件、LKJ運行記錄格式處理軟件等構(gòu)成。系統(tǒng)架構(gòu)見圖1。

新一代LKJ的主機單元作為系統(tǒng)的控制核心，通過接收軌道電路信息、點式設(shè)備信息、人機交互指令和列車狀態(tài)等信息，結(jié)合車載數(shù)據(jù)或地面應(yīng)答器提供的線路基礎(chǔ)數(shù)據(jù)，依據(jù)列車制動屬性，完成速度控制和目標距離模式曲線的計算，監(jiān)控列車安全運行，同時記錄列車運行相關(guān)信息。

擴展單元集成系統(tǒng)外圍擴展功能，包括非安全開關(guān)量信號采集，北斗衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)（BDS）/全球定位系統(tǒng)（GPS）衛(wèi)星信號接收，車地無線通信，以及與相關(guān)監(jiān)測設(shè)備列車運行狀態(tài)信息系統(tǒng)（LAIS/LMD）、機車安全信息綜合檢測裝置（TAX）、司法記錄器以及動車組車輛信息控制裝置的接口等，同時具備驅(qū)動雙針速度表的功能。擴展單元對外圍設(shè)備進行統(tǒng)一規(guī)劃整合，提升了新一代LKJ系統(tǒng)設(shè)備的集成度，節(jié)省安裝空間，便于管理和維護。

圖1 新一代LKJ系統(tǒng)架構(gòu)

人機界面單元通過網(wǎng)絡(luò)總線與主機單元通信，主要擔當系統(tǒng)的顯示和操作，以圖形化方式直觀顯示運行控制信息、機車狀態(tài)信息、線路導(dǎo)航信息和報警提示信息等。

應(yīng)答器信息接收單元通過天線單元接收、解調(diào)地面應(yīng)答器的信號，并將解調(diào)后的信息傳送至主機單元。新一代LKJ主機單元與應(yīng)答器信息接收單元采用控制器局域網(wǎng)絡(luò)（CAN）通信接口，通信協(xié)議符合安全通信協(xié)議要求，增強了校驗機制。

軌道電路信息讀取單元可接收無絕緣移頻（ZPW 2000/UM71）、移頻（含18信息移頻）、極頻、交流計數(shù)等不同軌道電路信號制式的信號，并對接收信號進行解碼，將解碼后的機車信號信息碼、載頻信息及絕緣節(jié)信息等提供給主機單元。新一代LKJ主機單元與軌道電路信息讀取單元（機車信號）采用CAN通信接口，通信協(xié)議符合安全通信協(xié)議要求，增強了校驗機制。

新一代LKJ選用霍爾式轉(zhuǎn)速傳感器，充分利用其非接觸式安裝、無機械磨損、長壽命和無油污等優(yōu)點提升了系統(tǒng)測速測距的可靠性。壓力傳感器選用二線制電流式壓力傳感器，充分利用其抗干擾、低溫漂、不易受寄生熱電偶和沿電線電阻壓降影響、易于故障檢測等優(yōu)點，提高了可靠性[3]。

4 系統(tǒng)功能變化

4.1 司機操作與界面

為方便司機操作并弱化操作記憶，新一代LKJ對司機輸入界面進行大幅優(yōu)化，實現(xiàn)快速拼音檢索進行車站輸入、根據(jù)起止車站自動篩選運行徑路、引導(dǎo)性支線選擇、特定車次自動關(guān)聯(lián)相關(guān)輸入信息，同時支持全屏幕觸摸操作、衛(wèi)星定位輔助輸入糾錯等功能。人機交互功能進一步優(yōu)化，提升了用戶體驗。

為方便司機實現(xiàn)對標開車，新一代LKJ支持始發(fā)站各股道出站信號機處開車對標，并支持選擇區(qū)間任意信號機或者里程坐標進行對標，能夠更好地適應(yīng)運輸需求。

新一代LKJ保持了LKJ2000人機界面單元信息豐富的特點，并根據(jù)目前技術(shù)發(fā)展和實際需求進行規(guī)范整理及優(yōu)化。擴展了前方線路顯示長度，對坡度、道口、斷電標等進行顯示，使列車運行參照更加醒目；采用氣泡型顯示實速和限速差值提示，直觀明了；實現(xiàn)工況、列車管、制動缸壓力等信息以及前方車站和當前車站均在主界面內(nèi)常態(tài)顯示，內(nèi)容豐富。通過人機界面顯示的優(yōu)化，更便于司機掌握列車運行情況。

4.2 基礎(chǔ)數(shù)據(jù)編制與管理

4.2.1 基礎(chǔ)數(shù)據(jù)源文件編制與管理

基礎(chǔ)數(shù)據(jù)編制軟件采用線路設(shè)施參數(shù)和運行組織數(shù)據(jù)源文件分層技術(shù)，支持單獨編輯、編譯的管理方式，更靈活地適應(yīng)因線路設(shè)備設(shè)施施工、運輸變化等引起的基礎(chǔ)數(shù)據(jù)頻繁更新的現(xiàn)狀。同時，基于模塊化的封裝設(shè)計使數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)更清晰，不僅支持多人協(xié)同編制提高工作效率，而且更豐富、更合理的數(shù)據(jù)項描述也為控制精準化提供了數(shù)據(jù)支撐平臺。

基礎(chǔ)數(shù)據(jù)編制軟件采用地理信息系統(tǒng)（GIS）技術(shù)和圖形化的數(shù)據(jù)編制操作界面，區(qū)間數(shù)據(jù)、站場數(shù)據(jù)、樞紐數(shù)據(jù)等均提供了圖形化編輯或展示界面（見圖2），人工校核更加方便直觀。以局界為分割點，各個鐵路局負責本管轄范圍內(nèi)數(shù)據(jù)，由數(shù)據(jù)中心自動拼接關(guān)聯(lián)局數(shù)據(jù)，減少跨局數(shù)據(jù)交接的人工干預(yù)，降低跨局數(shù)據(jù)的管理難度。

圖2 圖形化數(shù)據(jù)編制界面

4.2.2 車載基礎(chǔ)數(shù)據(jù)應(yīng)用與管理

新一代LKJ重構(gòu)了車載基礎(chǔ)線路數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)，按照工務(wù)線路起訖方向趨勢和局管轄區(qū)域分塊存儲，以具有唯一標識的數(shù)據(jù)單元建立區(qū)域、區(qū)段為控制對象的拓撲關(guān)系，支持全路數(shù)據(jù)的快速索引定位，有效提高車載設(shè)備識讀效率。

采用列車運行組織數(shù)據(jù)與線路設(shè)施參數(shù)數(shù)據(jù)分別存儲，支持單獨更新數(shù)據(jù)換裝。為適應(yīng)運輸需求的快速變化，支持基于無線通信技術(shù)的數(shù)據(jù)換裝，減少人工介入，在確保數(shù)據(jù)換裝安全的同時，提高了工作效率、降低了工作強度。并且通過快捷的無線數(shù)據(jù)換裝，有效避免了跨鐵路局、電務(wù)段委托數(shù)據(jù)換裝因責任轉(zhuǎn)移、工作量不對稱等造成的矛盾，讓LKJ數(shù)據(jù)換裝過程由“人控”轉(zhuǎn)變?yōu)椤皺C控”。

4.3 控制模式

新一代LKJ在遵循《列車運行監(jiān)控裝置（LKJ）控制模式設(shè)定規(guī)范》原則下，結(jié)合各運用場景的實際需要，重新對控制模式功能架構(gòu)的邏輯關(guān)系進行梳理和劃分，使控制模式劃分更科學(xué)，也與實際運用結(jié)合得更緊密。

新一代LKJ的控制模式分為待機模式、段內(nèi)走行模式、調(diào)車模式、降級模式、通常模式、目視模式、非本務(wù)模式、無防冒模式、重載列車控制及與其他列控設(shè)備結(jié)合模式。其中，將原有的隨時停車模式更名為目視模式，該模式下具備警惕控制功能，提醒司機注意地面信號[4]。

同時，結(jié)合進一步豐富的車載基礎(chǔ)數(shù)據(jù)對線路設(shè)備、設(shè)施的描述，實現(xiàn)了岔群限速長度精準控制、特殊揭示（綠色許可證、特定引導(dǎo)等）精確至信號機位置控制、多條高速股道分別控制等，在確保行車安全的同時兼顧了運輸效率。

4.4 應(yīng)答器提供基礎(chǔ)數(shù)據(jù)

在C2/C3區(qū)段，新一代LKJ可直接使用應(yīng)答器提供基礎(chǔ)數(shù)據(jù)進行控制，當接收應(yīng)答器出現(xiàn)故障時，新一代LKJ可平滑切換至基于車載數(shù)據(jù)和IC卡臨時數(shù)據(jù)的控車模式，對運輸變化適應(yīng)性強、對運輸干擾少。為適應(yīng)司機在C2/C3區(qū)段的操作習慣，新一代LKJ可切換至列車自動防護系統(tǒng)（ATP）方式的顯示界面（見圖3）。

圖3 ATP方式和傳統(tǒng)LKJ方式顯示界面

5 技術(shù)特點與創(chuàng)新

（1）新一代LKJ符合“故障-安全”原則，采用安全計算機、可靠的輸出表決電路，達到SIL4級國際安全標準。

（2）人機界面單元關(guān)鍵部件采用雙套冗余技術(shù)設(shè)計，故障時可切換至備機。系統(tǒng)各插件采用標準熱插拔設(shè)計，最大限度避免了插拔插件造成的電氣損傷。同時，板件采用高集成度、高等級器件，從根本上提高了可靠性。

（3）采用智能化故障自診斷技術(shù)，設(shè)備檢測與維護更自動化、智能化。

（4）采用GIS技術(shù)、線路數(shù)據(jù)分層以及圖形化的數(shù)據(jù)編制方法，提升了數(shù)據(jù)作業(yè)的效率和可靠性。

（5）新一代LKJ可通過車載預(yù)存或地面應(yīng)答器方式提供線路基礎(chǔ)數(shù)據(jù)，適應(yīng)不同等級線路上的列車安全控制。

（6）采用無線通信技術(shù)及信息安全技術(shù)實現(xiàn)LKJ數(shù)據(jù)自動換裝、閉環(huán)卡控。

（7）人機界面、安裝空間與LKJ2000兼容性好，有利于既有設(shè)備的平穩(wěn)升級。

6 運用考核情況

新一代LKJ分別在鄭州、南昌、北京、沈陽、蘭州鐵路局進行超過1年的試用考核，并在南昌鐵路局完成了與動車組的接口試驗。試用考核期間新一代LKJ設(shè)備運行穩(wěn)定、控制正常，完成了試用考核大綱要求的全部項目，列車按照正常營運線路條件和運輸需求組織運行，順利完成試用考核任務(wù)。

而且，新一代LKJ安裝于動車組檢測車，參與贛瑞龍高速鐵路線間距等速度適應(yīng)性試驗。本次試驗由新一代LKJ控車，最高運行速度達312 km/h。新一代LKJ提供豐富的界面信息和準確的測速測距定位，有效幫助司機對試驗列車精準操縱，使開展2列高速列車在短隧道內(nèi)精準會讓的空氣動力項目測試成為可能，為本次科學(xué)試驗的圓滿完成提供了可靠工具和安全保障。

7 結(jié)束語

LKJ在我國鐵路運用保有量巨大，新一代LKJ的系統(tǒng)安全等級達到SIL4級，將進一步提升我國鐵路運輸安全水平。同時新一代LKJ也將踐行高端裝備走向海外，配合“一帶一路”倡議，為“中國制造”貼上新標簽發(fā)揮積極作用。

[1] 孫衛(wèi)紅，尚會領(lǐng)．LKJ數(shù)據(jù)分布式管理研究[J]．中國鐵路，2015(5)：65-68.

[2] 運電信號函〔2014〕98號 新一代LKJ系統(tǒng)用戶需求書[S].

[3] 鐵總運〔2017〕2號 LKJ-15列車運行監(jiān)控系統(tǒng)暫行技術(shù)條件[S].

[4] 鐵總運〔2015〕102號 列車運行監(jiān)控裝置（LKJ）控制模式設(shè)定規(guī)范[S].

Research on New Generation of Train Operation Monitoring System (LKJ)

YANG Zhigang1，ZHANG Zijian2
（1. Transportation Bureau，CHINA RAILWAY，Beijing 100844，China；2. Henan Siwei Automation Equipment Co Ltd，Zhengzhou Henan 450001，China）

The new generation of train operation monitoring system (LKJ), based on the existing proven technology, adopts such new technologies as secure computer, receiving information from balise and receiving information from track circuit, to realize safe operation of trains, making leaping-forward progress in terms of system safety, reliability, availability and maintainability and meeting the needs of over-line operation. The paper mainly expounds the research background, design principle, system framework, system function, technical features and operation evaluation, etc.

train control；LKJ；secure computer；redundancy design；balise

U284

A

1001-683X（2017）09-0042-05

10.19549/j.issn.1001-683x.2017.09.042

楊志剛（1959—），男，提高待遇高級工程師。E-mail：yangzhigang627@sina.com

張子?。?972—），男，高級工程師。E-mail：zhangzj@hnthinker.com

責任編輯 盧敏

2017-05-11