崔少軍

（國能新朔鐵路有限責任公司機務分公司科技裝備中心，內(nèi)蒙古 準格爾旗 010300）

0 引 言

目前，作為交互橋梁的顯示器僅僅只是一個單套系統(tǒng)，一旦屏幕顯示器出現(xiàn)故障，意味著LKJ作為鐵路重要的安全行車裝備將功能失效，無法及時有效地向乘務員反饋前方線路情況和報警、狀態(tài)、機車風壓、線路限速等關(guān)鍵信息，同時無法應答，也無法將乘務員發(fā)出的各項操作指令傳送至LKJ主機單元。此時，LKJ主機還處于正常運行情況，隨時有觸發(fā)緊急制動的安全風險，對安全行車存在重大的安全隱患。應急處理只能將LKJ整個系統(tǒng)斷電，而后乘務員以較低的速度操縱列車維持運行到前方車站等待救援，極大地影響了整個區(qū)間的通行效率，增加了使用成本和鐵路的運營成本。顯示器冗余、LKJ狀態(tài)遠程監(jiān)測、提升本補切換可靠性以及深化LAIS系統(tǒng)應用等研究工作還未形成成果，應進一步加大力度推進技術(shù)研發(fā)工作。研究人員對LKJ顯示器進行冗余性開發(fā)，對提高使用的可靠性具有重要的現(xiàn)實意義和使用價值[1]。

1 冗余性LKJ屏幕顯示器系統(tǒng)方案

1.1 冗余性LKJ屏幕顯示器系統(tǒng)架構(gòu)

采用冷備切換的雙冗余架構(gòu)可以提高系統(tǒng)的可靠性，從而保證兩套系統(tǒng)能夠做到無縫切換和快速響應。主用顯示器與備用顯示器在電路上基本相互獨立、互不影響。主用顯示器或備用顯示器出現(xiàn)故障時，可以通過人工介入的方式快速切換主顯示器和備顯示器的工作狀態(tài)，以維持繼續(xù)行車。根據(jù)目前機車現(xiàn)有情況和維護管理方面的需要，主用顯示器與目前機車在用顯示器的使用功能應完全一致，同時各信號元素和報警信息維持一致。在外形尺寸上，冗余性LKJ屏幕顯示器需要和現(xiàn)用顯示器完全一致，以保證能夠正常安裝到機車既有位置。在對外接口上，要求兩種顯示器完全兼容并且能夠互換，真正做到冗余性LKJ屏幕顯示器和現(xiàn)在既有顯示器對機車都具備通用性，無需額外改動工作。針對既有顯示器面膜式按鍵存在較為嚴重的失效情況，冗余性LKJ屏幕顯示器對這該部分進行了優(yōu)化設(shè)計，使得操作更加方便可靠[2]。

冗余性LKJ屏幕顯示器主要采用主屏和備屏的架構(gòu)方式。主屏、備屏均采用110 V電源輸入，由機車蓄電池提供，共用CAN總線和開關(guān)量輸入等信號，保證輸入信號的一致性。同時，主屏和備屏需要對這些接口進行必要的隔離，以保證不會產(chǎn)生相互干擾。主屏和備屏都擁有各自獨立IC卡/USB接口，確保出勤、寫卡、退勤以及轉(zhuǎn)儲功能可由雙屏各自獨立完成。主屏和備屏的切換采用手動開關(guān)形式，暫時不考慮自動切換功能，切換時需要人工介入。

冗余性LKJ屏幕顯示器是由主屏和備屏組成的冗余架構(gòu)，其中主屏和備屏電路完全獨立。主屏故障時，可人工切換至備屏維持機車運行。主屏具有屏顯的所有功能，備屏僅提供關(guān)鍵的人機交互接口。設(shè)備安裝尺寸與LKJ2000顯示器一致，對外接口與LKJ2000屏幕顯示器完全兼容，可采取多項措施（雙IC卡、雙喇叭以及微動開關(guān)按鍵等）提高屏幕顯示器的可靠性和可用性。

冗余性LKJ屏幕顯示器系統(tǒng)總體架構(gòu)中，主屏模塊主要由主屏核心板、主屏擴展板、主屏電源板（電源模塊）、主屏濾波器及保險、主屏按鍵、主屏喇叭、主屏IC卡讀卡器以及背光液晶屏等組成。主屏和備屏共用一個故障報警的蜂鳴器[3]。

冗余性LKJ屏幕顯示器備屏模塊主要由備屏核心板、備屏擴展板、備屏液晶屏、備屏按鍵、備屏IC卡讀卡器以及語音蜂鳴器等組成。主屏和備屏共用電路為110 V切換板。

1.2 冗余性LKJ屏幕顯示器系統(tǒng)構(gòu)成說明

1.2.1 冗余性LKJ屏幕顯示器主屏主要電路結(jié)構(gòu)及關(guān)鍵信號流程

冗余性LKJ屏幕顯示器主屏將通信子板電路、IC卡語音電路、按鍵處理電路、開關(guān)量信號電路、看門狗電路、CAN接口電路、串口接口電路以及PC104主板接口等集成在主屏擴展板上。主屏核心板通過PC104接口與主屏擴展板電路信號相連。主屏電源板（模塊）輸出的5 V和12 V電源通過連線直接接在主屏擴展板上。主屏主要電路結(jié)構(gòu)和關(guān)鍵信號流程如圖1所示。

水資源管理水平得到提高。國家最嚴格水資源管理制度試點建設(shè)通過水利部中期評估。水資源論證納入政府投資項目聯(lián)合審批，規(guī)模以上地下水用戶全部實現(xiàn)水量在線監(jiān)測。推行再生水、淡化海水、生態(tài)水和地下水“三增一減”管理，年利用再生水1.4億t、淡化海水3 000萬t，中心城區(qū)年生態(tài)補水1.73億m3，壓采深層地下水1 200萬m3。順利通過國家節(jié)水型城市復查，完成水功能區(qū)跨界斷面核定，全市所有水功能區(qū)納入水質(zhì)監(jiān)測。全年用水總量控制在24億m3以內(nèi)，萬元GDP用水量降至18 m3，萬元工業(yè)增加值用水量降至8.3 m3，重要江河湖泊水功能區(qū)達標率提高到21%。

圖1 主屏電路結(jié)構(gòu)及信號示意圖

1.2.2 冗余性LKJ屏幕顯示器備屏主要電路結(jié)構(gòu)及關(guān)鍵信號流程

冗余性LKJ屏幕顯示器備屏擴展板上主要有CAN隔離通信電路、IC卡接口電路以及開關(guān)量處理隔離電路。備屏電源板（模塊）輸出的5 V電源接在備屏核心板上，5 V電源經(jīng)DC-DC轉(zhuǎn)換后輸出3.3 V供備屏核心板和備屏擴展板使用。備屏主要電路結(jié)構(gòu)及關(guān)鍵信號流程如圖2所示[4]。

1.2.3 冗余性LKJ屏幕顯示器系統(tǒng)電源方案

冗余性LKJ屏幕顯示器選擇單刀雙置型切換開關(guān)控制110 V直流電源來作為主備屏的電源控制，以保證主屏和備主電路相互獨立。

對于備屏電源方案，110 V直流電經(jīng)機車蓄電池通過單刀雙置型切換開關(guān)送到備屏電源模塊，利用電源模塊進行降壓處理，即將110 V電壓降為5 V。備屏控制板將5 V電源DC-DC轉(zhuǎn)換為15 V電源，供開關(guān)量采集隔離使用，并將轉(zhuǎn)換后的5 V電源供CAN采集信息使用。

對于主屏電源方案，110 V直流電經(jīng)機車蓄電池通過單刀雙置型切換開關(guān)送到主屏電源模塊。主屏電源模塊同時受控制端15 V和機車110 V電壓控制[5]。在15 V控制端有效的情況下，主屏電源模塊首先將110 V電壓降壓為12 V，以供語音電路使用。將110 V電壓降壓為4路5 V電壓后，通過DC-DC轉(zhuǎn)換后分別供CAN隔離通信、422隔離通信以及485隔離通信使用。

1.2.4 冗余性LKJ屏幕顯示器CAN總線實現(xiàn)方案

冗余性LKJ屏幕顯示器主屏和備屏都具有各自的CAN總線采集電路，且匹配電阻端共用一組匹配電阻，大大提高了CAN總線的抗干擾能力，保證了通信質(zhì)量。

1.3 冗余性LKJ屏幕顯示器主要技術(shù)參數(shù)

冗余性LKJ屏幕顯示器主要技術(shù)參數(shù)包括以下幾個方面。第一，供電電源電壓為77～137 V。第二，主用顯示器為10英寸TFT高亮度彩色液晶屏，分辨率為640×480，顯示面積為212 mm×158 mm，亮點直徑為0.33 mm，水平視角為140°，垂直視角為130°，亮度為500 cd/m2。第三，主CPU的主頻應大于100 MHz，內(nèi)存為64 MB，Nandflash為64 MB，內(nèi)部總線標準為PC/104。第四，CAN通信速率為500 kb/s。第五，外型尺寸為340 mm（寬）×120 mm（深）×250 mm（高）。第六，質(zhì)量為8.5 kg。

2 LKJ屏幕顯示器系統(tǒng)架構(gòu)和信息流

2.1 LKJ屏幕顯示器軟件邏輯架構(gòu)

軟件邏輯架構(gòu)分為用戶界面層、邏輯處理層以及接口層3層。用戶面層主要提供了乘務員在運行中需要進行交互的信息和檢修管理人員需要設(shè)定的各類檢修維護信息[6]。邏輯處理層主要根據(jù)各類車載數(shù)據(jù)完成限速曲線的計算、通過液晶屏顯示相應信息以及報警處理等操作。接口層主要為用戶界面和邏輯處理提供必要的支撐，是連接監(jiān)控主機和操作人員的橋梁。

2.2 LKJ屏幕顯示器軟件邏輯架構(gòu)

LKJ屏幕顯示器軟件能夠根據(jù)LKJ基本控制軟件和車載數(shù)據(jù)（LKJ控制軟件、LKJ車載線路數(shù)據(jù)、臨時數(shù)據(jù)以及乘務員設(shè)定的參數(shù)信息）實時計算前方限速并預畫前方2.5 km限速曲線，提供顯示基本信息、狀態(tài)信息以及動態(tài)報警信息，并通過CAN驅(qū)動處理乘務員發(fā)送的各種按鍵信息。

2.3 IC卡數(shù)據(jù)信息流

通過IC卡將臨時性數(shù)據(jù)文件、系統(tǒng)維護文件以及列車運行文件經(jīng)CAN總線與主機進行交互，滿足日常的參數(shù)設(shè)定、系統(tǒng)維護以及轉(zhuǎn)儲文件等功能。雙卡槽設(shè)計大大延長了易損件的使用周期。單個卡槽的損壞不會影響整個系統(tǒng)的正常使用。

3 冗余性LKJ屏幕顯示器與既有屏幕顯示器的主要差異

冗余性LKJ屏幕顯示器除具備既有顯示器全部顯示和原因提示功能外，從根本上解決了LKJ系統(tǒng)的完全冗余，形成了兩套完全獨立運行的系統(tǒng)。一方面，冗余性LKJ屏幕顯示器主屏和備屏采用冷備工作方式，利用110 V電源作為供電電源。主屏和備屏電源單點故障時，不會影響另外一方的正常運行。既有顯示器采用110 V供電電源，在存在電源模塊故障的情況下，顯示器喪失使用功能。另一方面，冗余性LKJ屏幕顯示器主屏和備屏各自用DC-DC隔離模塊為各自的CAN通信電路提供5 V電源，既有顯示器通過電源板輸出一路5 V電源供CAN通信使用。

4 冗余性LKJ屏幕顯示器的主要特點

第一，冗余性LKJ屏幕顯示器采用隔離變壓器接入外部喇叭，隔離電壓為3 750 V，改變了原來的語音輸出方式，使得航空插頭端的語音部分對內(nèi)完全隔離。第二，冗余性LKJ屏幕顯示器主屏開關(guān)量采集部分采用15 V控制電源作為開關(guān)量采集電源，備屏開關(guān)量采集部分采用由備屏轉(zhuǎn)換15 V輸出電源。備屏開關(guān)量信號回流采用隔離電源。第三，冗余性LKJ屏幕顯示器主屏通過兩個喇叭進行語音提示，備屏通過提示音蜂鳴器進行聲響提示。第四，冗余性LKJ屏幕顯示器主屏和備屏共用主機故障報警電路，而此電路在主屏擴展板。第五，冗余性LKJ屏幕顯示器主顯示模塊需具有與TAX箱通信的能力，備用屏不具備此功能。第六，冗余性LKJ屏幕顯示器主顯示模塊具有與狀態(tài)屏的422接口或485接口的通信能力，備屏不具備。第七，冗余性LKJ屏幕顯示器按鍵采用DOME（鍋仔片），具有結(jié)構(gòu)簡單、觸控感好以及使用壽命長的特點。第八，冗余性LKJ屏幕顯示器備用屏不具備光敏采集功能，液晶屏背光亮度不可調(diào)節(jié)，按鍵背光不可控，采用長亮的形式。第九，冗余性LKJ屏幕顯示器備屏直接使用110 V電源，可有效避免主機15 V故障時主備屏同時不能使用的情況。

5 結(jié) 論

鐵路安全行車裝備的可靠性與安全性始終是維護單位關(guān)注的重中之重。通過冗余性設(shè)計，在軟件和硬件上進行相應的隔離處理，形成了兩套完全獨立運行的系統(tǒng)。其中一套系統(tǒng)故障時，通過人工介入能夠快速無縫切換系統(tǒng)，不僅大大提高了行車安全，減少了由于設(shè)備故障原因造成的列車途停和救援等事件，也提高了鐵路運輸效率。本方案的設(shè)計和實施只是停留在軟硬件表層的冗余性，它的算法設(shè)計和硬件實施方案遠遠未達到二乘二取二的業(yè)界常規(guī)要求。安全裝備的冗余性設(shè)計的下一步應該是基于安全平臺進行設(shè)計開發(fā)，采用雙系統(tǒng)冗余方式（二乘二取二），即由兩套二取二架構(gòu)的安全主機組成熱備冗余或并行運行的系統(tǒng)，以進一步提高設(shè)備的冗余性和安全性。