第一章 列車運行監控記錄裝置
第一節 列車運行監控記錄裝置系統結構
一、概述
列車運行監控記錄裝置是以保障列車運行安全為主要目的的列車速度控制裝置。該裝置在實現安全速度控制的同時，采集記錄與列車安全運行有關的各種機車運行狀態信息，促進了機車運行管理的自動化。并且，隨著運輸需求的發展，列車運行監控記錄裝置逐漸成為了列車車載運行信息中心，為多種安全監測、運行信息傳輸提供基礎。
LKJ2000型列車運行監控記錄裝置采用了先進的32位微控制器技術，具有更高的運行速度、控制精度和更強的數據處理能力；采用數字信號處理技術，提高了信號處理能力；采用模塊級主從機熱備冗余和滿足EN50121-3-2《歐盟鐵路機車車輛電氣設備電磁兼容性能》標準要求，提高了裝置的可靠性；采用圖形化屏幕顯示器，提高了裝置顯示的信息量；在雙機數據處理故障、速度信號故障、軌道絕緣節識別故障、通信故障等安全措施方面做了很大加強，提高安全性設計，保證列車行車安全。
二、系統組成
LKJ2000型列車運行監控記錄裝置車載部分主要由主機箱、顯示器、事故狀態記錄器（選件）、速度傳感器、壓力傳感器以及雙針速度表組成。裝置的速度信息來自安裝在機車輪對上的光電式速度傳感器，機車信號信息來自SJ93、SJ94通用式機車信號，壓力檢測除了檢測列車管壓力外，還檢測機車制動缸壓力和均衡風缸壓力，壓力傳感器可采用TQG14型機車壓力傳感器，指針式速度指示可采用ZL型或EC23/8型雙針速度表。LKJ2000型監控裝置系統結構如圖1-1所示。
圖1-1 LKJ2000型監控裝置系統結構圖
（一）主機箱
主機箱采用6U（U=44.45mm）（高度）×160（深度）標準機箱結構，其寬度尺寸為84R（R=5.08mm）。主機箱為系統控制中心，其內部由A、B二組完全相同的控制單元組成（左邊為A組，右邊為B組），每組有8個插件位置（包括一個預留位置），各插件位置以機箱中心線為基準對稱排列，從中心線開始往左、右，各插件排列順序依次為：監控記錄、地面信息、通信、模擬輸入/輸出、預留、數字輸入、數字輸入/輸出、電源。各插件之間采用VME標準總線母板連接。機箱采用背板對外出線方式，所有輸入輸出信號均通過機箱背板連接器引出，在背板內側裝有過壓制板。主機箱插件布置如圖1-2所示。
圖1-2 主機箱插件布置圖
（二）屏幕顯示器
屏幕顯示器作為人—機界面，采用10英寸TFT高亮度彩色液晶顯示屏，以屏幕滾動方顯示實際運行速度軌跡曲線及模式限制速度（或線路允許速度）曲線，以圖形、符號和文字形顯示地面信號機的位置、種類以及運行線路的曲線、坡道、橋梁、隧道及道口信息，同時可顯指導性機車優化操縱運行曲線和手柄級位曲線，以便提示或引導乘務員操作。屏幕顯示器內部采用PC/104模塊結構，并具備語音提示功能以及大容量IC卡數據讀寫功能。
（三）事故狀態記錄器
事故狀態記錄器（黑匣子）將記錄30min以內的最新列車運行狀態數據（事故發生后將自動停止記錄），并且其記錄密度大大高于監控裝置主機數據記錄密度，列車走行距離超過5m時，將產生一次相關參數記錄。因此在發生嚴重事故后可提供詳細、準確的列車運行狀態數據。事故狀態記錄器具備抗沖擊性能。
（四）轉儲器
轉儲器可將車載記錄數據轉錄至地面微機系統供分析處理。其內部數據存儲器采用大容量非易失數據存儲器。轉儲器與車載主機的數據傳輸以及與地面微機的數據轉錄均采用RS232標準通信方式，通信具備數據校驗功能。
三、系統通信結構
裝置主機采用雙套熱備冗余工作方式，由A、B二組完全獨立的控制單元組成，每組單元都有完整的信號輸入及控制輸出接口模塊，單元內部各不帶CPU的模塊之間采用VME并行總線與監控主機模塊連接，不帶CPU的模塊包括模擬量輸入/輸出模塊、數字量輸入模塊、數字量輸入/輸出模塊及電源模塊；帶CPU的模塊之間采用CAN標準串行總線連接，這些模塊包括監控主機模塊、地面信息處理模塊及通信模塊。系統內部串行通信網絡CAN也采用A、B組冗余方式。由于CAN總線采用多主通信方式，CAN總線各模塊在通信上不存在主/從關系，因此任何模塊均可主動對外發送數據，而CAN的數據鏈路層協議可以避免數據的沖突問題。系統A、B組監控主機模塊之間采用同步通信方式進行數據交換，同步通信主要用于A、B機記錄數據的傳輸。主機箱與顯示器及事故狀態記錄器之間采用與主機箱內部網絡相同的雙路CAN網絡進行連接。系統通信結構如圖1-3所示。
圖1-3 LKJ2000型系統通信結構圖
四、工作原理
（一）VME總線
VME總線是Motorola公司開發使用的一個標準底板接口。它在一個密封的硬件結構內將數據理部件、數據存儲部件及外圍設備控制部件等集于一體。在設計上充分利用了MC6800系列微處理器的能力，因此特別適合于采用MC6800系列微處理器作為主CPU的系統。VME總線用標準的96芯接插件作為信號傳輸通路，其機械規范符合IEC 603-2標準要求。
VME總線分16位總線和32位總線兩種。本系統采用16位VME總線。16位VME總線16條數據線（D0～D15）、23條地址線（A1～A23）、6條地址擴充線（AM0～AM5）、10條中斷控度及若干總線控制線和電源線組成。數據傳輸總線控制總線主控設備之間以及主控設備與從屬設備之間進行二進制數據傳送。一個數據傳輸總線周期是指數據傳輸信號線上一系列電平轉換，通過這些變換將導致在主控設備與從屬設備之間進行地址和數據傳送。數據傳送共有9個基本類型，它們分別是：讀、寫、非對準讀、非對準寫、塊讀、塊寫、讀改寫、僅地址及中斷應答周期。VME總線在設計上支持多主機系統的數據傳輸，但在本系統中采用單主機數據傳輸方式。
由于VME總線的地址擴充線（AM0～AM5）允許用戶定義，為了簡化系統內各功能單元的譯碼電路設計，采用地址擴充線作為各插件的片選控制信號。片選控制信號由系統主機單元輸出。
（二）信號輸入電路
1.數字信號輸入電路
數字量輸入信號包括機車信號點燈條件輸入和機車工況信號輸入。機車信號輸入為50V電平信號，取自通用式機車信號裝置；機車工況輸入為110V電平信號，取自機車控制回路監控裝置從通用式機車信號裝置獲得機車信號點燈條件后同時輸入至數字輸入插件A及數字輸入插件B，經隔離等處理后分別輸出到監控主機A及監控主機B。機車工況信號輸入主機后，先經過過壓抑制板處理（抗干擾），然后輸入至數字輸入/輸出插件A及數字輸入/輸出插件B。機車工況信號輸入如圖1-4所示。
圖1-4 數字信號輸入電路
2.模擬信號輸入電路
（1）壓力信號輸入
裝置可提供4路壓力信號輸入接口。在通常情況下，輸入列車管壓力信號、制動缸壓力號以及均衡風缸壓力信號各1路；有時根據不同的車型，需要輸入2路制動缸壓力信號或均風缸壓力信號。壓力信號采集全部采用相同的壓力傳感器TQC14型，各個壓力傳感器采用同一供電電源，此15V電源由A、B機電源插件輸出的壓力傳感器電源并聯后供給。每路壓力信號同時輸入至A、B機模擬輸入/輸出插件的壓力信號接口。壓力信號輸入電路如圖1-5所示。
圖1-5 壓力信號輸入電路
（2）速度信號輸入
裝置可提供3路速度信號輸入接口，在通常情況下，輸入2路速度信號。速度信號取自安裝在車軸上的TQG15型速度傳感器，速度信號可取自1個或2個速度傳感器，如果采用相位防溜功能，則要求2路速度信號相位相差90°。2路或3路速度信號同時輸入至A、B機模擬量輸入/輸出插件的速度信號接口。各個速度傳感器采用同一供電電源，此15V電源由A、B機電源插件輸出的速度傳感器電源并聯后供給。速度信號輸入電路圖類同壓力信號輸入電路圖。
（三）信號輸出電路
1.數字信號輸出
裝置提供6路常用制動控制輸出及1路緊急制動控制輸出，其中3路常用制動控制輸出用于“卸載”、“常用”或“關風”、“減壓”，另外3路備用。常用制動控制輸出為繼電器觸點輸出，輸出容量為300mA（110V），可直接驅動常用制動裝置放風閥，并可根據要求采用常開觸點或常閉觸點方式輸出。緊急制動控制輸出采用電壓輸出方式，輸出容量為300mA（110V）。主機內A機與B機數字輸入/輸出插件中常用制動控制輸出采用常開觸點并聯、常閉觸點串聯的連接方式，而緊急制動控制輸出采用并聯輸出電壓方式（注意：緊急制動控制輸出不能直接驅動電力機車主斷路器動作）。以卸載控制為例，常用制動控制輸出連接方式如圖1-6所示。
圖1-6 常用制動控制輸出連接方式
6路常用制動控制輸出及1路緊急制動控制輸出信號均經過過壓抑制板處理，以防止外部110V回路干擾進入內部電路。
2.模擬信號輸出
模擬輸出信號用于驅動雙針速度表，可驅動實際速度與限制速度及里程計，實際速度與限制速度驅動信號為0～20mA的電流信號，里程計驅動信號為24V脈沖信號。雙針速度表驅動信號由模擬輸入/輸出插件提供，其中實際速度與限制速度驅動信號經過繼電器觸點輸出，以實現A、B機驅動切換。實際速度與限制速度信號驅動機車Ⅰ、Ⅱ端雙針速度表采用串聯的連接方式，里程計信號僅驅動機車Ⅰ端雙針速度表。在安裝了數/模轉換盒的情況下，雙針速度表里程計也可由數/模轉換盒驅動。雙針速度表驅動連線如圖1-7所示。
圖1-7 雙針速度表驅動連線
（四）系統故障電路
當主機A、B機同時故障時，將產生系統故障輸出110V故障信號至顯示器，驅動蜂鳴器報警，另一方面啟動過壓抑制板上3min內人工關閉主機電源，否則實施緊急制動。在出現系統故障時，將鎖閉A、B機制動輸出3min后緊急制動控制由過壓抑制板完成。系統故障電路如圖1-8所示。
圖1-8 系統故障電路
五、監控裝置的功能
（一）主機箱各插件及屏幕顯示器的功能
1.監控記錄插件
監控記錄插件作為LKJ2000型監控裝置的主機模塊，是系統的核心部件。模塊以32位微處理器MC68332為CPU，主要完成地面線路數據的存儲與調用、運行狀態數據的記錄與同步、控制模式曲線的計算、實時時鐘的產生，并通過雙路CAN串行總線或VME并行總線實現對系統其他模塊的控制與管理。其他模塊中帶CPU的模塊通過CAN網絡與主機模塊交換數據，而不帶CPU的模塊通過VME并行總線與主機模塊連接。工作主機與熱備主機之間的數據交換是通過同步。記錄用數據存儲器與實時時鐘器件采用非易失性存儲器件，因而在無需外部電池情況下可實現數據的長期可靠保存。記錄數據的轉儲通過RS232通信接口完成。
2.地面信息處理插件
地面信息處理插件的功能實際上就相當于LKJ-93監控裝置上的絕緣節檢測插件，主要是完成地面軌道電路絕緣節點的識別，為監控記錄插件提供用以校正距前方信號機距離的絕緣節信號。此外插件還留有對軌道電路疊加信息處理電路的接口，完成對軌道疊加信息的利用。
在LKJ2000型監控裝置中，采用數字信號處理（DSP）技術以數字濾波器完全取代了原來的模擬濾波器。在與監控主機的通信上采用CAN通信總線。原理示意框圖如圖1-9所示。
圖1-9 地面信息處理插件電路原理框圖
3.通信插件
通信插件以8位單片機80C320為核心器組成。該單元主要設有80C320單片微機最小系統、2路CAN總線接口、2路RS485總線接口、1路HDLC總線接口，由48芯插頭、96芯插頭通過機箱內母板與監控主機板相聯系，并通過機箱后背板專用插座與監控主機板等通信。
（1）通過CAN總線，按LKJ2000型通信協議與LKJ2000型監控主機板通信。
（2）通過RS485總線，按LKJ-93A通信協議與TAX監測裝置通信。
（3）預留RS485總線接口，實現與列車總線通信。
（4）預留HDLC總線接口，將實現與機車信號或地面點式信息接口。
4.模擬量輸入/輸出插件
模擬量輸入/輸出插件是壓力傳感器（3路）、速度傳感器、轉速傳感器、電力機車原邊電流互感器、電力機車原邊電壓互感器、雙針速度表與監控記錄插件之間的接口。把速度傳感器、轉速傳感器輸入的信號進行調整處理后送到監控主機插件，并把壓力傳感器（3路）、原邊電流、電壓互感器、速度傳感器輸入的信號進行調整處理、模數轉換后送到監控記錄插件，同時根據監控記錄插件指令送出電流信號驅動雙針指針式速度表和里程計。
5.數字量輸入插件
數字量輸入插件，是完成機車信號輸入（50V）隔離與電平轉換的接口，并將轉換后的電平送到數據總線，供監控主機采樣用。插件共有16路信號處理電路。其中13路已經應用于L、tU、LU、U、U2、UU、H、B、SD1、SD2、SD3、ZS、JYJ等機車信號，這些機車信號在數字量輸入面板上對應燈的順序分別為1A、1B、2A、2B、3A、3B、4A、4B、5A、5B、6A、6B、7A。其余3路備用。
為了提高電路的抗干擾能力和進行電平轉換，50V機車信號先通過光電隔離后，經過74HC14整形后，通過并行輸入接口，再輸入到VME數據總線，供監控主機插件讀取，16路信號輸入的處理電路原理和參數完全一致。
6.數字量輸入/輸出插件
（1）將機車工況等110V信號進行隔離和電平轉換后送數據總線，并且各通道具有自檢功能。
（2）輸出隔離的開關量控制信號，控制機車進行緊急制動、常用制動。輸出通道也具有自檢功能。
（3）將系統工作正常時監控板送來的“系統正常”脈沖轉換成“系統故障信號”，系統故障時使系統交權。
7.電源插件
本插件采用了模塊化設計，不僅輸出與輸入隔離，并且輸出的各路之間也各自隔離、互不干擾、互不影響，提高了各路精度，抗電磁干擾能力；各種輸出都有過壓、過流保護，各路輸出的精度高、紋波小；維修方便、快捷。
電源插件由：電源模塊、110V輸入過壓及欠壓保護電路、各種輸出過流保護電路組成。其原理框圖如圖1-10所示。
圖1-10 電源插件的原理框圖
8.過壓抑制板
由于機車上使用的大功率設備比較多，特別是一些大的感性負載啟停時會給機車的電氣系統造成嚴重的干擾，使得機車110V電壓有大幅度的脈沖干擾，機車上電機的啟停，機車頭燈的拉弧，也會使機車電源竄入很高的尖脈沖干擾。為了保護監控裝置，使監控裝置能夠良好的工作，設計過壓抑制板來處理外部110V回路干擾信號。
過壓抑制板完成110V電路輸入/輸出的過壓抑制及濾波。由電源濾波，工況及手相柄備用信號的過壓吸收，卸載、關風、減壓、緊急及開關量備用信號處理和延時電路等4部分組成，壓抑制板安裝在背板內側。其印制板為配合6U機箱的標準要求，尺寸設計為283.2mm×157.5mm。
9.屏幕顯示器的功能
屏幕顯示器是LKJ2000型監控裝置的重要組成部分，是直接和乘務員交流信息的人機界面。它通過雙路CAN總線和監控主機通信交換數據，在10寸彩色液晶顯示屏上顯示豐富的圖形、曲線及相關的數據信息，并有車載數據、預存曲線、鍵盤掃描、IC卡轉儲、語音提示、蜂鳴器報警等功能。屏幕顯示器的系統示意圖如圖1-11所示，其硬件結構和工作原理同機車微機柜顯示診斷裝置。
圖1-11 屏幕顯示器系統示意圖
（二）監控功能
1.防止列車越過關閉的信號機。
2.防止列車超過線路（或道岔）允許速度以及機車、車輛允許的構造速度。
3.防止機車高于規定的限制速度調車作業。
4.在列車停車情況下，防止列車溜逸。
5.可按臨時增加的列車運行要求控制列車不超過臨時限速。
6.在列車未超過規定的限制速度情況下，裝置不應影響司機的正常操作。列車超過報警速度時，裝置應發出聲光報警，若司機仍未采取措施并且速度超過裝置設定的動作值，即切除牽引動力、實施常用或緊急制動，控制列車減速或停車。
7.裝置實施制動后，只能在速度低于規定的限制速度時才可停止報警。對于緊急制動方式，必須停車后才可緩解；對于常用制動方式，在列車速度低于安全行車速度后，允許司機緩解。
8.裝置應根據機車信號顯示（或地面傳輸信息）、車載存儲線路參數以及輸入的列車運行參數實時計算出速度——距離制動模式曲線。
9.模式曲線的計算可根據需要采取跨閉塞分區計算方式，即以關閉的信號機作為目標點來計算常用及緊急制動的連續模式曲線。
10.在引導進站和路票發車時，經正、副司機同時確認的操作后，裝置允許列車以低于規定的限制速度越過信號機進入前方區段。
11.在列車越過顯示停車信號均帶容許信號的通過信號機時，裝置允許列車以低于規定的限制速度越過該信號機進入前方區段。
12.在自動閉塞區間，列車在顯示停車信號的通過信號機前停車2min后又繼續向此關閉信號機防護的分區運行時，保證在該信號機防護的分區內運行速度不超過規定的限制速度。
13.列車進入站內無碼的股道時，裝置按前方信號關閉進行控制（進站信號機綠燈及綠/黃燈除外）。經正、副司機同時確認的操作后，裝置允許列車以低于規定的限制速度通過該信號機。
（三）記錄功能
1.一次性記錄項目
（1）開機記錄：日期、時間、機型、機車號、裝置編號、機車輪徑；
（2）輸入參數記錄：車次、司機號、副司機號、區段號、車站號、客/貨車、本務/補機、總重、載重、計長、輛數、支線號、側線股道號、出/入段時間。
2.運行參數記錄項目
（1）時間；
（2）線路公里標；
（3）距前方信號機距離；
（4）前方信號機種類及編號；
（5）機車信號顯示狀態（綠、綠/黃、黃、黃2、雙黃、紅/黃、紅、白），預留5個通道；
（6）地面傳輸信息；
（7）實際速度；
（8）限制速度；
（9）列車管壓力、機車制動缸壓力；
（10）機車工況（牽引/制動、零位、前/后）；
（11）柴油機轉速/原邊電流；
（12）裝置控制指令輸出狀況（動力切除、常用制動、緊急制動、緩解）；
（13）裝置報警；
（14）司機操作狀況（開車、調車、解鎖、警惕鍵、坐標調整、IC卡操作、事件打點記錄等）；
（15）裝置異常狀況；
（16）平面調車燈顯信息。
（四）顯示功能
屏幕顯示可根據需要進行綜合信息顯示或單項顯示。
1.綜合信息顯示
通過屏幕滾動（或屏幕換頁）進行以下顯示：
（1）運行所在閉塞分區起始端至當前所處地點的實際運行速度值曲線；
（2）顯示運行所在閉塞分區及運行前方閉塞分區線路允許速度（或機車、車輛構造速度）臨時限制速度曲線；
（3）顯示運行所在閉塞分區及運行前方閉塞分區模式限制速度曲線；
（4）以曲線、符號和文字形式，沿線路里程的延展顯示運行所在閉塞分區及運行前方分區的線路曲線、橋梁、隧道、坡道及坡度、信號機種類及色燈顯示、道口、站中心、斷電標、聯控地點等設置情況，在接近有操作要求的標志時進行語音提示；
（5）顯示運行所在閉塞分區和運行前方閉塞分區的機車優化操縱運行速度曲線和手柄級位（或牽引電流）曲線；
（6）顯示站間規定運行時分；
（7）以圖形或數字方式顯示實際運行速度、限制速度、距前方信號機距離及時鐘。
2.選擇單項顯示
（1）裝置設定的參數：日期、時間、機型、機車號、裝置編號、機車輪徑；
（2）乘務員輸入信息：車次、司機號、副司機號、區段號、客/貨車、本務/補機、總重、載重、長、輛數、支線號、側線股道號、出/入段打點確認等；
（3）運行參數：車站號、公里標、信號機編號、機車工況、列車管壓力、機車制動缸壓力、柴油機轉速、過閉塞分區信息等；
（4）當有地面傳輸信息時，增加顯示地面傳輸信息的功能；
（5）故障信息：故障類別。
3.語音提示內容
（1）機車信號燈狀況；
（2）前方信號機處限速值變化；
（3）乘務員輸入有關信息；
（4）臨時限速地點及限速值；
（5）裝置實施動力切除、常用或緊急制動；
（6）裝置允許緩解；
（7）車機聯控；
（8）進入側線股道或支線地點；
（9）裝置報警；
（10）裝置狀況；
（11）事故狀態記錄器狀況。