新一代LKJ系统研究与应用

杨志刚，张子健

（1. 中国铁路总公司 运输局，北京 100844；2. 河南思维自动化设备股份有限公司，河南 郑州 450001）

新一代LKJ系统研究与应用

杨志刚1，张子健2

（1. 中国铁路总公司 运输局，北京 100844；2. 河南思维自动化设备股份有限公司，河南 郑州 450001）

新一代列车运行监控系统（LKJ）在既有成熟LKJ技术基础上，采用安全计算机、应答器信息接收、轨道电路信息接收等新技术，实现列车运行安全防护功能，在系统安全性、可靠性、可用性和可维护性等方面有了质的飞跃，并可满足列车跨线运行要求。重点对新一代LKJ的研究背景、设计原则、系统架构、系统功能、技术特点以及运用考核等进行阐述。

铁路列控；LKJ；安全计算机；冗余设计；应答器

1 研究背景

目前我国列控系统主要有适用于高速动车组的CTCS-2（C2）级和CTCS-3（C3）级列车运行控制系统，以及适用于机车及中低速动车组的列车运行监控装置（LKJ）。LKJ监控装置在实现列车运行超速防护的同时能辅助司机操纵列车。LKJ2000型列车运行监控装置（简称LKJ2000）研发于20世纪90年代末，2001年开始在全路推广使用，目前已在全路2.1万台（列）机车、动车组上应用，是我国运用范围最广、使用历史最长的列车运行监控装置。

LKJ2000研发和制造以20世纪末的技术和铁路管理体系为基础，面对当今行业技术能力和运输发展需求，其技术性能存在诸多不足。从系统安全层面看，其体系架构、安全性设计存在一定的时代局限性，特别是LKJ2000未采用安全计算机系统，设备安全等级较低，且软件安全设计及通信接口安全设计等也存在不足，这与当前铁路对列控装备的安全性要求极不适应。近20年来，LKJ2000伴随着铁路发展不断挖掘设备潜力，软硬件资源几近耗尽。从技术应用层面看，该装备不能适应当前铁路运输需要，主要反映在以下方面：一是铁路管理体制改革促使运输生产经营进一步向适应市场化转变，大量动车组列车、中欧班列、不同轴重的重载货运列车开行等，要求列控系统能满足各种列车类型在多种线路条件以及不同运营场景下的安全控制需要，而受LKJ2000设备处理能力和软件架构的制约，已无法仅通过修改软件来适应这些需求变化；二是铁路网的快速扩张，机车长交路、乘务区段化等运输组织方式改变等，要求列控系统能满足机车、动车组大范围运用和快速周转的安全控制需要，而受LKJ2000车载基础线路数据存储容量和硬件资源限制，再无拓展空间来适应发展变化[1]。另外，早期研发的LKJ2000受电子行业快速发展的影响，部分原材料停产或被淘汰，面临生产和维护难以为继的窘况。基于上述原因，考虑到铁路运输安全需要，中国铁路总公司于2013年6月立项，开展新一代LKJ的技术研究及设备研制工作。新一代列车运行监控系统LKJ-15依次通过需求评审、方案评审、试验评审、试用评审，并经多个铁路局超过1年的试用考核，运行稳定、控制正常，已于2017年3月通过了中国铁路总公司组织的技术评审，具备全路推广的条件。

2 设计原则与思路

作为LKJ历史上最大的一次升级，新一代LKJ设计时综合考虑了全路对LKJ在安全性、性能、运用维护方面的需求，对国内外列控系统进行了充分调研，确定了以下设计原则：一是按照我国铁路整体状况对列控系统的技术平台进行规划，适应既有线、客运专线开行不同种类列车的安全控制需要；二是充分汲取既有LKJ成功和成熟经验，保持既有LKJ技术特色，同时把握国内外列控技术发展方向并有所创新突破；三是充分考虑全路机车和部分动车组安装使用既有LKJ的现状，融合现行管理体系和兼顾现场作业习惯，防止设备更新换代变化所带来的潜在安全风险；四是通过技术创新提高铁路行车安全保障能力，打造符合我国国情并具有独立自主知识产权的高水平列车控制系统，满足当前和今后一段时期内铁路安全发展的需要；五是适应国家“一带一路”倡议发展的相关需求。

新一代LKJ主要设计思路包括：应遵循“故障-安全”原则，采用安全计算机架构体系，软件处理机制具有“故障-安全”措施，关键电路和器件的选用具有固有安全特性，同时增强设备的故障自诊断能力，完善“故障-安全”处理机制。研发过程符合国际安全标准，系统满足安全完整性等级SIL4级[2]。

3 系统构成

新一代LKJ主要由主机单元、扩展单元、人机界面单元、应答器信息接收单元（BTM）、轨道电路信息读取单元（机车信号）、速度传感器、压力传感器等组成；配套地面软件主要由LKJ基础数据编制软件、LKJ特定运用区段控制参数编制软件、LKJ临时数据文件编制软件、LKJ运行记录格式处理软件等构成。系统架构见图1。

新一代LKJ的主机单元作为系统的控制核心，通过接收轨道电路信息、点式设备信息、人机交互指令和列车状态等信息，结合车载数据或地面应答器提供的线路基础数据，依据列车制动属性，完成速度控制和目标距离模式曲线的计算，监控列车安全运行，同时记录列车运行相关信息。

扩展单元集成系统外围扩展功能，包括非安全开关量信号采集，北斗卫星导航系统（BDS）/全球定位系统（GPS）卫星信号接收，车地无线通信，以及与相关监测设备列车运行状态信息系统（LAIS/LMD）、机车安全信息综合检测装置（TAX）、司法记录器以及动车组车辆信息控制装置的接口等，同时具备驱动双针速度表的功能。扩展单元对外围设备进行统一规划整合，提升了新一代LKJ系统设备的集成度，节省安装空间，便于管理和维护。

图1 新一代LKJ系统架构

人机界面单元通过网络总线与主机单元通信，主要担当系统的显示和操作，以图形化方式直观显示运行控制信息、机车状态信息、线路导航信息和报警提示信息等。

应答器信息接收单元通过天线单元接收、解调地面应答器的信号，并将解调后的信息传送至主机单元。新一代LKJ主机单元与应答器信息接收单元采用控制器局域网络（CAN）通信接口，通信协议符合安全通信协议要求，增强了校验机制。

轨道电路信息读取单元可接收无绝缘移频（ZPW 2000/UM71）、移频（含18信息移频）、极频、交流计数等不同轨道电路信号制式的信号，并对接收信号进行解码，将解码后的机车信号信息码、载频信息及绝缘节信息等提供给主机单元。新一代LKJ主机单元与轨道电路信息读取单元（机车信号）采用CAN通信接口，通信协议符合安全通信协议要求，增强了校验机制。

新一代LKJ选用霍尔式转速传感器，充分利用其非接触式安装、无机械磨损、长寿命和无油污等优点提升了系统测速测距的可靠性。压力传感器选用二线制电流式压力传感器，充分利用其抗干扰、低温漂、不易受寄生热电偶和沿电线电阻压降影响、易于故障检测等优点，提高了可靠性[3]。

4 系统功能变化

4.1 司机操作与界面

为方便司机操作并弱化操作记忆，新一代LKJ对司机输入界面进行大幅优化，实现快速拼音检索进行车站输入、根据起止车站自动筛选运行径路、引导性支线选择、特定车次自动关联相关输入信息，同时支持全屏幕触摸操作、卫星定位辅助输入纠错等功能。人机交互功能进一步优化，提升了用户体验。

为方便司机实现对标开车，新一代LKJ支持始发站各股道出站信号机处开车对标，并支持选择区间任意信号机或者里程坐标进行对标，能够更好地适应运输需求。

新一代LKJ保持了LKJ2000人机界面单元信息丰富的特点，并根据目前技术发展和实际需求进行规范整理及优化。扩展了前方线路显示长度，对坡度、道口、断电标等进行显示，使列车运行参照更加醒目；采用气泡型显示实速和限速差值提示，直观明了；实现工况、列车管、制动缸压力等信息以及前方车站和当前车站均在主界面内常态显示，内容丰富。通过人机界面显示的优化，更便于司机掌握列车运行情况。

4.2 基础数据编制与管理

4.2.1 基础数据源文件编制与管理

基础数据编制软件采用线路设施参数和运行组织数据源文件分层技术，支持单独编辑、编译的管理方式，更灵活地适应因线路设备设施施工、运输变化等引起的基础数据频繁更新的现状。同时，基于模块化的封装设计使数据结构更清晰，不仅支持多人协同编制提高工作效率，而且更丰富、更合理的数据项描述也为控制精准化提供了数据支撑平台。

基础数据编制软件采用地理信息系统（GIS）技术和图形化的数据编制操作界面，区间数据、站场数据、枢纽数据等均提供了图形化编辑或展示界面（见图2），人工校核更加方便直观。以局界为分割点，各个铁路局负责本管辖范围内数据，由数据中心自动拼接关联局数据，减少跨局数据交接的人工干预，降低跨局数据的管理难度。

图2 图形化数据编制界面

4.2.2 车载基础数据应用与管理

新一代LKJ重构了车载基础线路数据结构，按照工务线路起讫方向趋势和局管辖区域分块存储，以具有唯一标识的数据单元建立区域、区段为控制对象的拓扑关系，支持全路数据的快速索引定位，有效提高车载设备识读效率。

采用列车运行组织数据与线路设施参数数据分别存储，支持单独更新数据换装。为适应运输需求的快速变化，支持基于无线通信技术的数据换装，减少人工介入，在确保数据换装安全的同时，提高了工作效率、降低了工作强度。并且通过快捷的无线数据换装，有效避免了跨铁路局、电务段委托数据换装因责任转移、工作量不对称等造成的矛盾，让LKJ数据换装过程由“人控”转变为“机控”。

4.3 控制模式

新一代LKJ在遵循《列车运行监控装置（LKJ）控制模式设定规范》原则下，结合各运用场景的实际需要，重新对控制模式功能架构的逻辑关系进行梳理和划分，使控制模式划分更科学，也与实际运用结合得更紧密。

新一代LKJ的控制模式分为待机模式、段内走行模式、调车模式、降级模式、通常模式、目视模式、非本务模式、无防冒模式、重载列车控制及与其他列控设备结合模式。其中，将原有的随时停车模式更名为目视模式，该模式下具备警惕控制功能，提醒司机注意地面信号[4]。

同时，结合进一步丰富的车载基础数据对线路设备、设施的描述，实现了岔群限速长度精准控制、特殊揭示（绿色许可证、特定引导等）精确至信号机位置控制、多条高速股道分别控制等，在确保行车安全的同时兼顾了运输效率。

4.4 应答器提供基础数据

在C2/C3区段，新一代LKJ可直接使用应答器提供基础数据进行控制，当接收应答器出现故障时，新一代LKJ可平滑切换至基于车载数据和IC卡临时数据的控车模式，对运输变化适应性强、对运输干扰少。为适应司机在C2/C3区段的操作习惯，新一代LKJ可切换至列车自动防护系统（ATP）方式的显示界面（见图3）。

图3 ATP方式和传统LKJ方式显示界面

5 技术特点与创新

（1）新一代LKJ符合“故障-安全”原则，采用安全计算机、可靠的输出表决电路，达到SIL4级国际安全标准。

（2）人机界面单元关键部件采用双套冗余技术设计，故障时可切换至备机。系统各插件采用标准热插拔设计，最大限度避免了插拔插件造成的电气损伤。同时，板件采用高集成度、高等级器件，从根本上提高了可靠性。

（3）采用智能化故障自诊断技术，设备检测与维护更自动化、智能化。

（4）采用GIS技术、线路数据分层以及图形化的数据编制方法，提升了数据作业的效率和可靠性。

（5）新一代LKJ可通过车载预存或地面应答器方式提供线路基础数据，适应不同等级线路上的列车安全控制。

（6）采用无线通信技术及信息安全技术实现LKJ数据自动换装、闭环卡控。

（7）人机界面、安装空间与LKJ2000兼容性好，有利于既有设备的平稳升级。

6 运用考核情况

新一代LKJ分别在郑州、南昌、北京、沈阳、兰州铁路局进行超过1年的试用考核，并在南昌铁路局完成了与动车组的接口试验。试用考核期间新一代LKJ设备运行稳定、控制正常，完成了试用考核大纲要求的全部项目，列车按照正常营运线路条件和运输需求组织运行，顺利完成试用考核任务。

而且，新一代LKJ安装于动车组检测车，参与赣瑞龙高速铁路线间距等速度适应性试验。本次试验由新一代LKJ控车，最高运行速度达312 km/h。新一代LKJ提供丰富的界面信息和准确的测速测距定位，有效帮助司机对试验列车精准操纵，使开展2列高速列车在短隧道内精准会让的空气动力项目测试成为可能，为本次科学试验的圆满完成提供了可靠工具和安全保障。

7 结束语

LKJ在我国铁路运用保有量巨大，新一代LKJ的系统安全等级达到SIL4级，将进一步提升我国铁路运输安全水平。同时新一代LKJ也将践行高端装备走向海外，配合“一带一路”倡议，为“中国制造”贴上新标签发挥积极作用。

[1] 孙卫红，尚会领．LKJ数据分布式管理研究[J]．中国铁路，2015(5)：65-68.

[2] 运电信号函〔2014〕98号 新一代LKJ系统用户需求书[S].

[3] 铁总运〔2017〕2号 LKJ-15列车运行监控系统暂行技术条件[S].

[4] 铁总运〔2015〕102号 列车运行监控装置（LKJ）控制模式设定规范[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

杨志刚（1959—），男，提高待遇高级工程师。E-mail：yangzhigang627@sina.com

张子健（1972—），男，高级工程师。E-mail：zhangzj@hnthinker.com

责任编辑 卢敏

2017-05-11