第一章 列车运行监控记录装置
第一节 列车运行监控记录装置系统结构
一、概述
列车运行监控记录装置是以保障列车运行安全为主要目的的列车速度控制装置。该装置在实现安全速度控制的同时，采集记录与列车安全运行有关的各种机车运行状态信息，促进了机车运行管理的自动化。并且，随着运输需求的发展，列车运行监控记录装置逐渐成为了列车车载运行信息中心，为多种安全监测、运行信息传输提供基础。
LKJ2000型列车运行监控记录装置采用了先进的32位微控制器技术，具有更高的运行速度、控制精度和更强的数据处理能力；采用数字信号处理技术，提高了信号处理能力；采用模块级主从机热备冗余和满足EN50121-3-2《欧盟铁路机车车辆电气设备电磁兼容性能》标准要求，提高了装置的可靠性；采用图形化屏幕显示器，提高了装置显示的信息量；在双机数据处理故障、速度信号故障、轨道绝缘节识别故障、通信故障等安全措施方面做了很大加强，提高安全性设计，保证列车行车安全。
二、系统组成
LKJ2000型列车运行监控记录装置车载部分主要由主机箱、显示器、事故状态记录器（选件）、速度传感器、压力传感器以及双针速度表组成。装置的速度信息来自安装在机车轮对上的光电式速度传感器，机车信号信息来自SJ93、SJ94通用式机车信号，压力检测除了检测列车管压力外，还检测机车制动缸压力和均衡风缸压力，压力传感器可采用TQG14型机车压力传感器，指针式速度指示可采用ZL型或EC23/8型双针速度表。LKJ2000型监控装置系统结构如图1-1所示。
图1-1 LKJ2000型监控装置系统结构图
（一）主机箱
主机箱采用6U（U=44.45mm）（高度）×160（深度）标准机箱结构，其宽度尺寸为84R（R=5.08mm）。主机箱为系统控制中心，其内部由A、B二组完全相同的控制单元组成（左边为A组，右边为B组），每组有8个插件位置（包括一个预留位置），各插件位置以机箱中心线为基准对称排列，从中心线开始往左、右，各插件排列顺序依次为：监控记录、地面信息、通信、模拟输入/输出、预留、数字输入、数字输入/输出、电源。各插件之间采用VME标准总线母板连接。机箱采用背板对外出线方式，所有输入输出信号均通过机箱背板连接器引出，在背板内侧装有过压制板。主机箱插件布置如图1-2所示。
图1-2 主机箱插件布置图
（二）屏幕显示器
屏幕显示器作为人—机界面，采用10英寸TFT高亮度彩色液晶显示屏，以屏幕滚动方显示实际运行速度轨迹曲线及模式限制速度（或线路允许速度）曲线，以图形、符号和文字形显示地面信号机的位置、种类以及运行线路的曲线、坡道、桥梁、隧道及道口信息，同时可显指导性机车优化操纵运行曲线和手柄级位曲线，以便提示或引导乘务员操作。屏幕显示器内部采用PC/104模块结构，并具备语音提示功能以及大容量IC卡数据读写功能。
（三）事故状态记录器
事故状态记录器（黑匣子）将记录30min以内的最新列车运行状态数据（事故发生后将自动停止记录），并且其记录密度大大高于监控装置主机数据记录密度，列车走行距离超过5m时，将产生一次相关参数记录。因此在发生严重事故后可提供详细、准确的列车运行状态数据。事故状态记录器具备抗冲击性能。
（四）转储器
转储器可将车载记录数据转录至地面微机系统供分析处理。其内部数据存储器采用大容量非易失数据存储器。转储器与车载主机的数据传输以及与地面微机的数据转录均采用RS232标准通信方式，通信具备数据校验功能。
三、系统通信结构
装置主机采用双套热备冗余工作方式，由A、B二组完全独立的控制单元组成，每组单元都有完整的信号输入及控制输出接口模块，单元内部各不带CPU的模块之间采用VME并行总线与监控主机模块连接，不带CPU的模块包括模拟量输入/输出模块、数字量输入模块、数字量输入/输出模块及电源模块；带CPU的模块之间采用CAN标准串行总线连接，这些模块包括监控主机模块、地面信息处理模块及通信模块。系统内部串行通信网络CAN也采用A、B组冗余方式。由于CAN总线采用多主通信方式，CAN总线各模块在通信上不存在主/从关系，因此任何模块均可主动对外发送数据，而CAN的数据链路层协议可以避免数据的冲突问题。系统A、B组监控主机模块之间采用同步通信方式进行数据交换，同步通信主要用于A、B机记录数据的传输。主机箱与显示器及事故状态记录器之间采用与主机箱内部网络相同的双路CAN网络进行连接。系统通信结构如图1-3所示。
图1-3 LKJ2000型系统通信结构图
四、工作原理
（一）VME总线
VME总线是Motorola公司开发使用的一个标准底板接口。它在一个密封的硬件结构内将数据理部件、数据存储部件及外围设备控制部件等集于一体。在设计上充分利用了MC6800系列微处理器的能力，因此特别适合于采用MC6800系列微处理器作为主CPU的系统。VME总线用标准的96芯接插件作为信号传输通路，其机械规范符合IEC 603-2标准要求。
VME总线分16位总线和32位总线两种。本系统采用16位VME总线。16位VME总线16条数据线（D0～D15）、23条地址线（A1～A23）、6条地址扩充线（AM0～AM5）、10条中断控度及若干总线控制线和电源线组成。数据传输总线控制总线主控设备之间以及主控设备与从属设备之间进行二进制数据传送。一个数据传输总线周期是指数据传输信号线上一系列电平转换，通过这些变换将导致在主控设备与从属设备之间进行地址和数据传送。数据传送共有9个基本类型，它们分别是：读、写、非对准读、非对准写、块读、块写、读改写、仅地址及中断应答周期。VME总线在设计上支持多主机系统的数据传输，但在本系统中采用单主机数据传输方式。
由于VME总线的地址扩充线（AM0～AM5）允许用户定义，为了简化系统内各功能单元的译码电路设计，采用地址扩充线作为各插件的片选控制信号。片选控制信号由系统主机单元输出。
（二）信号输入电路
1.数字信号输入电路
数字量输入信号包括机车信号点灯条件输入和机车工况信号输入。机车信号输入为50V电平信号，取自通用式机车信号装置；机车工况输入为110V电平信号，取自机车控制回路监控装置从通用式机车信号装置获得机车信号点灯条件后同时输入至数字输入插件A及数字输入插件B，经隔离等处理后分别输出到监控主机A及监控主机B。机车工况信号输入主机后，先经过过压抑制板处理（抗干扰），然后输入至数字输入/输出插件A及数字输入/输出插件B。机车工况信号输入如图1-4所示。
图1-4 数字信号输入电路
2.模拟信号输入电路
（1）压力信号输入
装置可提供4路压力信号输入接口。在通常情况下，输入列车管压力信号、制动缸压力号以及均衡风缸压力信号各1路；有时根据不同的车型，需要输入2路制动缸压力信号或均风缸压力信号。压力信号采集全部采用相同的压力传感器TQC14型，各个压力传感器采用同一供电电源，此15V电源由A、B机电源插件输出的压力传感器电源并联后供给。每路压力信号同时输入至A、B机模拟输入/输出插件的压力信号接口。压力信号输入电路如图1-5所示。
图1-5 压力信号输入电路
（2）速度信号输入
装置可提供3路速度信号输入接口，在通常情况下，输入2路速度信号。速度信号取自安装在车轴上的TQG15型速度传感器，速度信号可取自1个或2个速度传感器，如果采用相位防溜功能，则要求2路速度信号相位相差90°。2路或3路速度信号同时输入至A、B机模拟量输入/输出插件的速度信号接口。各个速度传感器采用同一供电电源，此15V电源由A、B机电源插件输出的速度传感器电源并联后供给。速度信号输入电路图类同压力信号输入电路图。
（三）信号输出电路
1.数字信号输出
装置提供6路常用制动控制输出及1路紧急制动控制输出，其中3路常用制动控制输出用于“卸载”、“常用”或“关风”、“减压”，另外3路备用。常用制动控制输出为继电器触点输出，输出容量为300mA（110V），可直接驱动常用制动装置放风阀，并可根据要求采用常开触点或常闭触点方式输出。紧急制动控制输出采用电压输出方式，输出容量为300mA（110V）。主机内A机与B机数字输入/输出插件中常用制动控制输出采用常开触点并联、常闭触点串联的连接方式，而紧急制动控制输出采用并联输出电压方式（注意：紧急制动控制输出不能直接驱动电力机车主断路器动作）。以卸载控制为例，常用制动控制输出连接方式如图1-6所示。
图1-6 常用制动控制输出连接方式
6路常用制动控制输出及1路紧急制动控制输出信号均经过过压抑制板处理，以防止外部110V回路干扰进入内部电路。
2.模拟信号输出
模拟输出信号用于驱动双针速度表，可驱动实际速度与限制速度及里程计，实际速度与限制速度驱动信号为0～20mA的电流信号，里程计驱动信号为24V脉冲信号。双针速度表驱动信号由模拟输入/输出插件提供，其中实际速度与限制速度驱动信号经过继电器触点输出，以实现A、B机驱动切换。实际速度与限制速度信号驱动机车Ⅰ、Ⅱ端双针速度表采用串联的连接方式，里程计信号仅驱动机车Ⅰ端双针速度表。在安装了数/模转换盒的情况下，双针速度表里程计也可由数/模转换盒驱动。双针速度表驱动连线如图1-7所示。
图1-7 双针速度表驱动连线
（四）系统故障电路
当主机A、B机同时故障时，将产生系统故障输出110V故障信号至显示器，驱动蜂鸣器报警，另一方面启动过压抑制板上3min内人工关闭主机电源，否则实施紧急制动。在出现系统故障时，将锁闭A、B机制动输出3min后紧急制动控制由过压抑制板完成。系统故障电路如图1-8所示。
图1-8 系统故障电路
五、监控装置的功能
（一）主机箱各插件及屏幕显示器的功能
1.监控记录插件
监控记录插件作为LKJ2000型监控装置的主机模块，是系统的核心部件。模块以32位微处理器MC68332为CPU，主要完成地面线路数据的存储与调用、运行状态数据的记录与同步、控制模式曲线的计算、实时时钟的产生，并通过双路CAN串行总线或VME并行总线实现对系统其他模块的控制与管理。其他模块中带CPU的模块通过CAN网络与主机模块交换数据，而不带CPU的模块通过VME并行总线与主机模块连接。工作主机与热备主机之间的数据交换是通过同步。记录用数据存储器与实时时钟器件采用非易失性存储器件，因而在无需外部电池情况下可实现数据的长期可靠保存。记录数据的转储通过RS232通信接口完成。
2.地面信息处理插件
地面信息处理插件的功能实际上就相当于LKJ-93监控装置上的绝缘节检测插件，主要是完成地面轨道电路绝缘节点的识别，为监控记录插件提供用以校正距前方信号机距离的绝缘节信号。此外插件还留有对轨道电路叠加信息处理电路的接口，完成对轨道叠加信息的利用。
在LKJ2000型监控装置中，采用数字信号处理（DSP）技术以数字滤波器完全取代了原来的模拟滤波器。在与监控主机的通信上采用CAN通信总线。原理示意框图如图1-9所示。
图1-9 地面信息处理插件电路原理框图
3.通信插件
通信插件以8位单片机80C320为核心器组成。该单元主要设有80C320单片微机最小系统、2路CAN总线接口、2路RS485总线接口、1路HDLC总线接口，由48芯插头、96芯插头通过机箱内母板与监控主机板相联系，并通过机箱后背板专用插座与监控主机板等通信。
（1）通过CAN总线，按LKJ2000型通信协议与LKJ2000型监控主机板通信。
（2）通过RS485总线，按LKJ-93A通信协议与TAX监测装置通信。
（3）预留RS485总线接口，实现与列车总线通信。
（4）预留HDLC总线接口，将实现与机车信号或地面点式信息接口。
4.模拟量输入/输出插件
模拟量输入/输出插件是压力传感器（3路）、速度传感器、转速传感器、电力机车原边电流互感器、电力机车原边电压互感器、双针速度表与监控记录插件之间的接口。把速度传感器、转速传感器输入的信号进行调整处理后送到监控主机插件，并把压力传感器（3路）、原边电流、电压互感器、速度传感器输入的信号进行调整处理、模数转换后送到监控记录插件，同时根据监控记录插件指令送出电流信号驱动双针指针式速度表和里程计。
5.数字量输入插件
数字量输入插件，是完成机车信号输入（50V）隔离与电平转换的接口，并将转换后的电平送到数据总线，供监控主机采样用。插件共有16路信号处理电路。其中13路已经应用于L、tU、LU、U、U2、UU、H、B、SD1、SD2、SD3、ZS、JYJ等机车信号，这些机车信号在数字量输入面板上对应灯的顺序分别为1A、1B、2A、2B、3A、3B、4A、4B、5A、5B、6A、6B、7A。其余3路备用。
为了提高电路的抗干扰能力和进行电平转换，50V机车信号先通过光电隔离后，经过74HC14整形后，通过并行输入接口，再输入到VME数据总线，供监控主机插件读取，16路信号输入的处理电路原理和参数完全一致。
6.数字量输入/输出插件
（1）将机车工况等110V信号进行隔离和电平转换后送数据总线，并且各通道具有自检功能。
（2）输出隔离的开关量控制信号，控制机车进行紧急制动、常用制动。输出通道也具有自检功能。
（3）将系统工作正常时监控板送来的“系统正常”脉冲转换成“系统故障信号”，系统故障时使系统交权。
7.电源插件
本插件采用了模块化设计，不仅输出与输入隔离，并且输出的各路之间也各自隔离、互不干扰、互不影响，提高了各路精度，抗电磁干扰能力；各种输出都有过压、过流保护，各路输出的精度高、纹波小；维修方便、快捷。
电源插件由：电源模块、110V输入过压及欠压保护电路、各种输出过流保护电路组成。其原理框图如图1-10所示。
图1-10 电源插件的原理框图
8.过压抑制板
由于机车上使用的大功率设备比较多，特别是一些大的感性负载启停时会给机车的电气系统造成严重的干扰，使得机车110V电压有大幅度的脉冲干扰，机车上电机的启停，机车头灯的拉弧，也会使机车电源窜入很高的尖脉冲干扰。为了保护监控装置，使监控装置能够良好的工作，设计过压抑制板来处理外部110V回路干扰信号。
过压抑制板完成110V电路输入/输出的过压抑制及滤波。由电源滤波，工况及手相柄备用信号的过压吸收，卸载、关风、减压、紧急及开关量备用信号处理和延时电路等4部分组成，压抑制板安装在背板内侧。其印制板为配合6U机箱的标准要求，尺寸设计为283.2mm×157.5mm。
9.屏幕显示器的功能
屏幕显示器是LKJ2000型监控装置的重要组成部分，是直接和乘务员交流信息的人机界面。它通过双路CAN总线和监控主机通信交换数据，在10寸彩色液晶显示屏上显示丰富的图形、曲线及相关的数据信息，并有车载数据、预存曲线、键盘扫描、IC卡转储、语音提示、蜂鸣器报警等功能。屏幕显示器的系统示意图如图1-11所示，其硬件结构和工作原理同机车微机柜显示诊断装置。
图1-11 屏幕显示器系统示意图
（二）监控功能
1.防止列车越过关闭的信号机。
2.防止列车超过线路（或道岔）允许速度以及机车、车辆允许的构造速度。
3.防止机车高于规定的限制速度调车作业。
4.在列车停车情况下，防止列车溜逸。
5.可按临时增加的列车运行要求控制列车不超过临时限速。
6.在列车未超过规定的限制速度情况下，装置不应影响司机的正常操作。列车超过报警速度时，装置应发出声光报警，若司机仍未采取措施并且速度超过装置设定的动作值，即切除牵引动力、实施常用或紧急制动，控制列车减速或停车。
7.装置实施制动后，只能在速度低于规定的限制速度时才可停止报警。对于紧急制动方式，必须停车后才可缓解；对于常用制动方式，在列车速度低于安全行车速度后，允许司机缓解。
8.装置应根据机车信号显示（或地面传输信息）、车载存储线路参数以及输入的列车运行参数实时计算出速度——距离制动模式曲线。
9.模式曲线的计算可根据需要采取跨闭塞分区计算方式，即以关闭的信号机作为目标点来计算常用及紧急制动的连续模式曲线。
10.在引导进站和路票发车时，经正、副司机同时确认的操作后，装置允许列车以低于规定的限制速度越过信号机进入前方区段。
11.在列车越过显示停车信号均带容许信号的通过信号机时，装置允许列车以低于规定的限制速度越过该信号机进入前方区段。
12.在自动闭塞区间，列车在显示停车信号的通过信号机前停车2min后又继续向此关闭信号机防护的分区运行时，保证在该信号机防护的分区内运行速度不超过规定的限制速度。
13.列车进入站内无码的股道时，装置按前方信号关闭进行控制（进站信号机绿灯及绿/黄灯除外）。经正、副司机同时确认的操作后，装置允许列车以低于规定的限制速度通过该信号机。
（三）记录功能
1.一次性记录项目
（1）开机记录：日期、时间、机型、机车号、装置编号、机车轮径；
（2）输入参数记录：车次、司机号、副司机号、区段号、车站号、客/货车、本务/补机、总重、载重、计长、辆数、支线号、侧线股道号、出/入段时间。
2.运行参数记录项目
（1）时间；
（2）线路公里标；
（3）距前方信号机距离；
（4）前方信号机种类及编号；
（5）机车信号显示状态（绿、绿/黄、黄、黄2、双黄、红/黄、红、白），预留5个通道；
（6）地面传输信息；
（7）实际速度；
（8）限制速度；
（9）列车管压力、机车制动缸压力；
（10）机车工况（牵引/制动、零位、前/后）；
（11）柴油机转速/原边电流；
（12）装置控制指令输出状况（动力切除、常用制动、紧急制动、缓解）；
（13）装置报警；
（14）司机操作状况（开车、调车、解锁、警惕键、坐标调整、IC卡操作、事件打点记录等）；
（15）装置异常状况；
（16）平面调车灯显信息。
（四）显示功能
屏幕显示可根据需要进行综合信息显示或单项显示。
1.综合信息显示
通过屏幕滚动（或屏幕换页）进行以下显示：
（1）运行所在闭塞分区起始端至当前所处地点的实际运行速度值曲线；
（2）显示运行所在闭塞分区及运行前方闭塞分区线路允许速度（或机车、车辆构造速度）临时限制速度曲线；
（3）显示运行所在闭塞分区及运行前方闭塞分区模式限制速度曲线；
（4）以曲线、符号和文字形式，沿线路里程的延展显示运行所在闭塞分区及运行前方分区的线路曲线、桥梁、隧道、坡道及坡度、信号机种类及色灯显示、道口、站中心、断电标、联控地点等设置情况，在接近有操作要求的标志时进行语音提示；
（5）显示运行所在闭塞分区和运行前方闭塞分区的机车优化操纵运行速度曲线和手柄级位（或牵引电流）曲线；
（6）显示站间规定运行时分；
（7）以图形或数字方式显示实际运行速度、限制速度、距前方信号机距离及时钟。
2.选择单项显示
（1）装置设定的参数：日期、时间、机型、机车号、装置编号、机车轮径；
（2）乘务员输入信息：车次、司机号、副司机号、区段号、客/货车、本务/补机、总重、载重、长、辆数、支线号、侧线股道号、出/入段打点确认等；
（3）运行参数：车站号、公里标、信号机编号、机车工况、列车管压力、机车制动缸压力、柴油机转速、过闭塞分区信息等；
（4）当有地面传输信息时，增加显示地面传输信息的功能；
（5）故障信息：故障类别。
3.语音提示内容
（1）机车信号灯状况；
（2）前方信号机处限速值变化；
（3）乘务员输入有关信息；
（4）临时限速地点及限速值；
（5）装置实施动力切除、常用或紧急制动；
（6）装置允许缓解；
（7）车机联控；
（8）进入侧线股道或支线地点；
（9）装置报警；
（10）装置状况；
（11）事故状态记录器状况。