崔少军

（国能新朔铁路有限责任公司机务分公司科技装备中心，内蒙古 准格尔旗 010300）

0 引 言

目前，作为交互桥梁的显示器仅仅只是一个单套系统，一旦屏幕显示器出现故障，意味着LKJ作为铁路重要的安全行车装备将功能失效，无法及时有效地向乘务员反馈前方线路情况和报警、状态、机车风压、线路限速等关键信息，同时无法应答，也无法将乘务员发出的各项操作指令传送至LKJ主机单元。此时，LKJ主机还处于正常运行情况，随时有触发紧急制动的安全风险，对安全行车存在重大的安全隐患。应急处理只能将LKJ整个系统断电，而后乘务员以较低的速度操纵列车维持运行到前方车站等待救援，极大地影响了整个区间的通行效率，增加了使用成本和铁路的运营成本。显示器冗余、LKJ状态远程监测、提升本补切换可靠性以及深化LAIS系统应用等研究工作还未形成成果，应进一步加大力度推进技术研发工作。研究人员对LKJ显示器进行冗余性开发，对提高使用的可靠性具有重要的现实意义和使用价值[1]。

1 冗余性LKJ屏幕显示器系统方案

1.1 冗余性LKJ屏幕显示器系统架构

采用冷备切换的双冗余架构可以提高系统的可靠性，从而保证两套系统能够做到无缝切换和快速响应。主用显示器与备用显示器在电路上基本相互独立、互不影响。主用显示器或备用显示器出现故障时，可以通过人工介入的方式快速切换主显示器和备显示器的工作状态，以维持继续行车。根据目前机车现有情况和维护管理方面的需要，主用显示器与目前机车在用显示器的使用功能应完全一致，同时各信号元素和报警信息维持一致。在外形尺寸上，冗余性LKJ屏幕显示器需要和现用显示器完全一致，以保证能够正常安装到机车既有位置。在对外接口上，要求两种显示器完全兼容并且能够互换，真正做到冗余性LKJ屏幕显示器和现在既有显示器对机车都具备通用性，无需额外改动工作。针对既有显示器面膜式按键存在较为严重的失效情况，冗余性LKJ屏幕显示器对这该部分进行了优化设计，使得操作更加方便可靠[2]。

冗余性LKJ屏幕显示器主要采用主屏和备屏的架构方式。主屏、备屏均采用110 V电源输入，由机车蓄电池提供，共用CAN总线和开关量输入等信号，保证输入信号的一致性。同时，主屏和备屏需要对这些接口进行必要的隔离，以保证不会产生相互干扰。主屏和备屏都拥有各自独立IC卡/USB接口，确保出勤、写卡、退勤以及转储功能可由双屏各自独立完成。主屏和备屏的切换采用手动开关形式，暂时不考虑自动切换功能，切换时需要人工介入。

冗余性LKJ屏幕显示器是由主屏和备屏组成的冗余架构，其中主屏和备屏电路完全独立。主屏故障时，可人工切换至备屏维持机车运行。主屏具有屏显的所有功能，备屏仅提供关键的人机交互接口。设备安装尺寸与LKJ2000显示器一致，对外接口与LKJ2000屏幕显示器完全兼容，可采取多项措施（双IC卡、双喇叭以及微动开关按键等）提高屏幕显示器的可靠性和可用性。

冗余性LKJ屏幕显示器系统总体架构中，主屏模块主要由主屏核心板、主屏扩展板、主屏电源板（电源模块）、主屏滤波器及保险、主屏按键、主屏喇叭、主屏IC卡读卡器以及背光液晶屏等组成。主屏和备屏共用一个故障报警的蜂鸣器[3]。

冗余性LKJ屏幕显示器备屏模块主要由备屏核心板、备屏扩展板、备屏液晶屏、备屏按键、备屏IC卡读卡器以及语音蜂鸣器等组成。主屏和备屏共用电路为110 V切换板。

1.2 冗余性LKJ屏幕显示器系统构成说明

1.2.1 冗余性LKJ屏幕显示器主屏主要电路结构及关键信号流程

冗余性LKJ屏幕显示器主屏将通信子板电路、IC卡语音电路、按键处理电路、开关量信号电路、看门狗电路、CAN接口电路、串口接口电路以及PC104主板接口等集成在主屏扩展板上。主屏核心板通过PC104接口与主屏扩展板电路信号相连。主屏电源板（模块）输出的5 V和12 V电源通过连线直接接在主屏扩展板上。主屏主要电路结构和关键信号流程如图1所示。

水资源管理水平得到提高。国家最严格水资源管理制度试点建设通过水利部中期评估。水资源论证纳入政府投资项目联合审批，规模以上地下水用户全部实现水量在线监测。推行再生水、淡化海水、生态水和地下水“三增一减”管理，年利用再生水1.4亿t、淡化海水3 000万t，中心城区年生态补水1.73亿m3，压采深层地下水1 200万m3。顺利通过国家节水型城市复查，完成水功能区跨界断面核定，全市所有水功能区纳入水质监测。全年用水总量控制在24亿m3以内，万元GDP用水量降至18 m3，万元工业增加值用水量降至8.3 m3，重要江河湖泊水功能区达标率提高到21%。

图1 主屏电路结构及信号示意图

1.2.2 冗余性LKJ屏幕显示器备屏主要电路结构及关键信号流程

冗余性LKJ屏幕显示器备屏扩展板上主要有CAN隔离通信电路、IC卡接口电路以及开关量处理隔离电路。备屏电源板（模块）输出的5 V电源接在备屏核心板上，5 V电源经DC-DC转换后输出3.3 V供备屏核心板和备屏扩展板使用。备屏主要电路结构及关键信号流程如图2所示[4]。

1.2.3 冗余性LKJ屏幕显示器系统电源方案

冗余性LKJ屏幕显示器选择单刀双置型切换开关控制110 V直流电源来作为主备屏的电源控制，以保证主屏和备主电路相互独立。

对于备屏电源方案，110 V直流电经机车蓄电池通过单刀双置型切换开关送到备屏电源模块，利用电源模块进行降压处理，即将110 V电压降为5 V。备屏控制板将5 V电源DC-DC转换为15 V电源，供开关量采集隔离使用，并将转换后的5 V电源供CAN采集信息使用。

对于主屏电源方案，110 V直流电经机车蓄电池通过单刀双置型切换开关送到主屏电源模块。主屏电源模块同时受控制端15 V和机车110 V电压控制[5]。在15 V控制端有效的情况下，主屏电源模块首先将110 V电压降压为12 V，以供语音电路使用。将110 V电压降压为4路5 V电压后，通过DC-DC转换后分别供CAN隔离通信、422隔离通信以及485隔离通信使用。

1.2.4 冗余性LKJ屏幕显示器CAN总线实现方案

冗余性LKJ屏幕显示器主屏和备屏都具有各自的CAN总线采集电路，且匹配电阻端共用一组匹配电阻，大大提高了CAN总线的抗干扰能力，保证了通信质量。

1.3 冗余性LKJ屏幕显示器主要技术参数

冗余性LKJ屏幕显示器主要技术参数包括以下几个方面。第一，供电电源电压为77～137 V。第二，主用显示器为10英寸TFT高亮度彩色液晶屏，分辨率为640×480，显示面积为212 mm×158 mm，亮点直径为0.33 mm，水平视角为140°，垂直视角为130°，亮度为500 cd/m2。第三，主CPU的主频应大于100 MHz，内存为64 MB，Nandflash为64 MB，内部总线标准为PC/104。第四，CAN通信速率为500 kb/s。第五，外型尺寸为340 mm（宽）×120 mm（深）×250 mm（高）。第六，质量为8.5 kg。

2 LKJ屏幕显示器系统架构和信息流

2.1 LKJ屏幕显示器软件逻辑架构

软件逻辑架构分为用户界面层、逻辑处理层以及接口层3层。用户面层主要提供了乘务员在运行中需要进行交互的信息和检修管理人员需要设定的各类检修维护信息[6]。逻辑处理层主要根据各类车载数据完成限速曲线的计算、通过液晶屏显示相应信息以及报警处理等操作。接口层主要为用户界面和逻辑处理提供必要的支撑，是连接监控主机和操作人员的桥梁。

2.2 LKJ屏幕显示器软件逻辑架构

LKJ屏幕显示器软件能够根据LKJ基本控制软件和车载数据（LKJ控制软件、LKJ车载线路数据、临时数据以及乘务员设定的参数信息）实时计算前方限速并预画前方2.5 km限速曲线，提供显示基本信息、状态信息以及动态报警信息，并通过CAN驱动处理乘务员发送的各种按键信息。

2.3 IC卡数据信息流

通过IC卡将临时性数据文件、系统维护文件以及列车运行文件经CAN总线与主机进行交互，满足日常的参数设定、系统维护以及转储文件等功能。双卡槽设计大大延长了易损件的使用周期。单个卡槽的损坏不会影响整个系统的正常使用。

3 冗余性LKJ屏幕显示器与既有屏幕显示器的主要差异

冗余性LKJ屏幕显示器除具备既有显示器全部显示和原因提示功能外，从根本上解决了LKJ系统的完全冗余，形成了两套完全独立运行的系统。一方面，冗余性LKJ屏幕显示器主屏和备屏采用冷备工作方式，利用110 V电源作为供电电源。主屏和备屏电源单点故障时，不会影响另外一方的正常运行。既有显示器采用110 V供电电源，在存在电源模块故障的情况下，显示器丧失使用功能。另一方面，冗余性LKJ屏幕显示器主屏和备屏各自用DC-DC隔离模块为各自的CAN通信电路提供5 V电源，既有显示器通过电源板输出一路5 V电源供CAN通信使用。

4 冗余性LKJ屏幕显示器的主要特点

第一，冗余性LKJ屏幕显示器采用隔离变压器接入外部喇叭，隔离电压为3 750 V，改变了原来的语音输出方式，使得航空插头端的语音部分对内完全隔离。第二，冗余性LKJ屏幕显示器主屏开关量采集部分采用15 V控制电源作为开关量采集电源，备屏开关量采集部分采用由备屏转换15 V输出电源。备屏开关量信号回流采用隔离电源。第三，冗余性LKJ屏幕显示器主屏通过两个喇叭进行语音提示，备屏通过提示音蜂鸣器进行声响提示。第四，冗余性LKJ屏幕显示器主屏和备屏共用主机故障报警电路，而此电路在主屏扩展板。第五，冗余性LKJ屏幕显示器主显示模块需具有与TAX箱通信的能力，备用屏不具备此功能。第六，冗余性LKJ屏幕显示器主显示模块具有与状态屏的422接口或485接口的通信能力，备屏不具备。第七，冗余性LKJ屏幕显示器按键采用DOME（锅仔片），具有结构简单、触控感好以及使用寿命长的特点。第八，冗余性LKJ屏幕显示器备用屏不具备光敏采集功能，液晶屏背光亮度不可调节，按键背光不可控，采用长亮的形式。第九，冗余性LKJ屏幕显示器备屏直接使用110 V电源，可有效避免主机15 V故障时主备屏同时不能使用的情况。

5 结 论

铁路安全行车装备的可靠性与安全性始终是维护单位关注的重中之重。通过冗余性设计，在软件和硬件上进行相应的隔离处理，形成了两套完全独立运行的系统。其中一套系统故障时，通过人工介入能够快速无缝切换系统，不仅大大提高了行车安全，减少了由于设备故障原因造成的列车途停和救援等事件，也提高了铁路运输效率。本方案的设计和实施只是停留在软硬件表层的冗余性，它的算法设计和硬件实施方案远远未达到二乘二取二的业界常规要求。安全装备的冗余性设计的下一步应该是基于安全平台进行设计开发，采用双系统冗余方式（二乘二取二），即由两套二取二架构的安全主机组成热备冗余或并行运行的系统，以进一步提高设备的冗余性和安全性。