LKJ監控記錄插件改進升級方案的探討

傅友亮 上海鐵路局電務處

LKJ是中國列車運行控制系統體系的組成部分，是用于防止列車冒進信號、運行超速事故和輔助機車及動車組司機提高操縱能力的重要行車設備。目前廣泛使用于全路機車、動車組的LKJ2000型列車運行監控裝置（以下簡稱LKJ）是10年前設計投產的設備，其功能需求是根據當時的技術條件和機車運用特點而確立的。隨著技術的不斷發展和機車、動車組運用交路延伸等變化，LKJ設備已經顯現出一些問題，特別是LKJ設備的核心部件LKJ監控記錄插件。根據目前對LKJ應用的需求分析，既有LKJ監控記錄插件至少存在以下幾個方面的問題或需要改進的方面：數據存儲容量不足、LKJ數據換裝困難且存在隱患、維修缺乏更新用器件、無法使用地面應答器數據、缺乏電子標識等。因此研究新型LKJ監控記錄插件，實現已迫在眉睫。

1 LKJ監控記錄插件現狀分析

1.1 數據存儲容量不足

LKJ2000型監控裝置是2000年底完成研制投產的設備，其核心部件監控記錄插件以Motoroa公司的32位微處理器MC68332為CPU，主要完成地面線路數據的存儲調用，運行狀態數據的記錄與同步、控制模式曲線的計算等。監控記錄插件采用EPROM存儲器存儲車載基礎數據文件，最大擴充容量為2 MB。目前，全路均按鐵路局為單位形成鐵路局范圍內統一的LKJ車載基礎數據文件，隨著機車動車組跨局輪乘長交路的范圍的不斷擴大、新建線路的不斷開通運營等因素，這個LKJ車載基礎數據文件已接近LKJ監控記錄插件的存儲極限。如果要避免LKJ車載基礎數據文件的容量不超過2MB，只有采用分隔的辦法，這樣就造成了鐵路局范圍內的LKJ車載基礎數據文件的不統一。

1.2 LKJ數據換裝困難且存在隱患

LKJ監控記錄插件的EPROM存儲器采用雙列直插式（DIP）管座與線路板連接，LKJ數據換裝時，首先取下原EPROM存儲芯片，換上已燒錄新版LKJ車載數據文件的EPROM存儲芯片。由于施工變化多，LKJ車載基礎數據文件修改、換裝頻繁，僅2010年上海局就換裝了26000多臺次，計26000×4片次。采用芯片拔插的換裝方式不僅造成換裝的困難，而且還存在以下問題和隱患：換裝時間作業長、芯片損耗帶來了生產成本增加、換裝勞動工作量大、頻繁拔插監控記錄插件容易造成其與LKJ母版間的接觸不良，另外頻繁拔插EPROM芯片容易造成EPROM的DIP管座松弛而影響EPROM芯片插腳與管座的接觸不良，從而又會導致LKJ對車載數據的調用錯誤而影響LKJ正常控制的安全隱患（前期多個鐵路局曾經發生過EPROM芯片插腳與管座接觸不良而錯誤調用車載數據的事件）。

1.3 LKJ監控記錄插件維修缺乏更新用器件

LKJ2000型監控裝置的監控記錄插件所采用的部分器件有的已經停產，有的即將停產，如時鐘芯片DS1386已經停產，CAN控制器芯片AN82527即將停產。因此造成LKJ監控記錄插件維修困難。采用替代器件又存在兼容性等問題。

1.4 插件維護管理不方便

在LKJ設備日常管理維護中，采取紙制標簽、條行碼等作為各插件的身份標識（ID）來進行履歷登記、壽命管理等，由于LKJ設備工作環境溫度較高等原因，經常出現標簽、條行碼的脫落，給LKJ設備管理造成了問題。

1.5 應答器信息不能接收

隨著我國高速鐵路、客運專線運營里程的不斷增長，以及既有線路的改造，承載著線路數據的地面應答器設備已在許多線路上安裝使用，實現LKJ與地面應答器技術的結合，提高LKJ設備的安全性、可靠性和對動車組、機車"車循環、人繼乘"的運用方式的適應性，既是鐵路運輸安全的需要，也是列控技術發展的必然選擇。然而，目前的LKJ監控記錄插件只能調用車載預存儲數據，無法讀取地面應答器的線路數據。

2 改進升級方案的提出

為繼續確保LKJ設備在行車安全中的保障作用，必須解決好LKJ監控記錄插件存在的以上問題，而這些問題的有效解決方法只有對LKJ監控記錄插件進行改造升級，而且為達到既經濟、又見效快的效果，對LKJ監控記錄插件升級改造需要保持既有LKJ2000型設備各種接口條件和安裝方式不變，也就是說新的LKJ監控記錄插件必須完全兼容既有的插件，從硬件方面來說直接使用新的LKJ監控記錄插件替代既有插件，從軟件上來說新的LKJ監控記錄插件必須能夠使用既有的LKJ車載控制軟件和車載基礎數據文件。在以上原則的指導下，探索LKJ監控記錄插件改進升級的方案。

2.1 采用大容量存儲介質，擴展存儲容量，滿足線路數據日益增長的需要

為解決LKJ監控記錄插件數據容量不足的問題，唯一的方法是采用目前市場上成熟的大容量存儲介質，另外在存儲介質的選擇上必須摒棄既有LKJ監控記錄插件使用的EPROM存儲介質，而直接采用可以通過控制指令改寫其內容的Flash（閃存）存儲介質來作為LKJ車載控制軟件、車載基礎數據文件和記錄數據的存儲介質。如Numonyx/ST Micro的M29W256G系列芯片的單片容量就達到了32 MB。

2.2 采用USB接口，實現換裝方式方便、快捷

增設USB接口，采用專用的USB數據換裝設備作為LKJ車載控制軟件和車載基礎數據文件的中間存儲介質，LKJ監控記錄插件通過讀取專用USB數據換裝設備上的LKJ車載控制軟件和車載基礎數據文件，直接將其寫入插件的Flash存儲介質而實現換裝，徹底拋棄拔插插件、芯片的方法，從而避免了既有換裝方法實施過程中存在的各種問題和隱患的發生。在專用USB數據換裝設備的設計上需要考慮與通用USB設備的甄別、存儲的數據內容是否合法有效等。

2.3 采用ID識別芯片，便于插件的維護管理

為滿足對插件進行應用跟蹤、防偽造、壽命期等管理的要求，新的LKJ監控記錄插件須增加專用的ID識別芯片，生產廠家對該芯片進行特殊編程后，保證每塊插件具有唯一的、合法的ID序列號。在實際使用和管理中，可以隨時查詢插件的合法性等信息，提高LKJ相關設備管理的有效性和規范性。

2.4 增加讀取地面應答器數據的功能

由于采用了Flash芯片作為新的LKJ監控記錄插件的存儲介質，就為其讀取地面應答器數據奠定了必要基礎。因此為擴展LKJ設備的應用范圍，減少CTCS-2級區間LKJ數據的調整工作量，新的LKJ監控記錄插件考慮增加讀取地面應答器數據的功能。

3 改進升級的方案

按照新的LKJ監控記錄插件必須完全兼容既有的插件的原則，按以下方案實施新的LKJ監控記錄插件的升級改造。

3.1 硬件總體方案

3.1.1 主要技術指標

電源指標：

工作電壓：額定電壓5VDC，電源波動范圍4.8 V～5.2 V；

最大功耗：≤5W；

性能指標：

板載地面數據存儲空間：

48 MB（FLASH）

板載記錄數據存儲空間：

16 MB（FLASH）

RAM存儲空間：

512 kB（SRAM）

非易失RAM存儲空間：

2MB（FRAM）

USB HOST接口：

1路，全速(12 Mbit/s)

并行總線：

VME總線

CAN串行接口：

2路，電氣隔離，通信速率500 kbit/s

數據換裝時間：

每1 MB≤30 s

3.1.2 改進升級的總體構成

新的LKJ監控記錄插件由CPU模塊、實時時鐘模塊、CAN通信接口模塊、同步通信模塊、RS232通信模塊、VME并行接口模塊、硬件CRC運算處理模塊、USB模塊、程序與地面數據存儲模塊、記錄數據存儲模塊，為保持程序的兼容性，核心電路與現有監控記錄插件相同，同時增加了硬件CRC校驗模塊，采用Flash存儲程序和地面數據，增加了程序及數據換裝端口，具體實現的原理如圖1。

圖1 改進升級方案原理示意圖

原理圖中共有10個模塊，各模塊功能為：CAN通信接口模塊完成監控記錄插件與LKJ系統中地面信息插件、通信插件、擴展通信插件、屏幕顯示器、功能擴展盒之間的數據通信；同步通信接口模塊完成LKJ系統中A、B監控記錄插件間的數據同步通信；VME并行接口模塊完成監控記錄插件與LKJ系統中模擬量輸入/輸出插件、數字量輸入插件、數據量輸入/輸出插件間的通信；硬件CRC運算處理模塊實現程序數據存儲區內數據的CRC校驗；USB接口模塊實現監控記錄插件與專用USB數據換裝設備間數據通信；程序與地面數據存儲模塊實現USB接口模塊傳輸數據的存儲；記錄數據存儲模塊實現對LKJ系統運行過程的數據記錄；RS232通信模塊實現記錄數據的轉儲，以及與校時設備通信；實時時鐘模塊實現監控記錄插件本身的實時鐘運行和存儲；CPU模塊作為監控記錄插件的核心模塊實現各類數據的運算、通信等控制。

3.2 數據管理軟件方案

主要功能是將車載基礎數據文件U5、U6和程序文件 U3、U4生成 Flash可以識別的文件格式。監控記錄插件通過USB接口接收數據，經過程序數據換裝模塊完成Flash的在線編程。開發環境如下，與既有的開發環境完全兼容：

采用操作系統Microsoft Windows XP、數據庫 Microsoft Access，開發平臺工具delphi7.0語言，編譯環境WindowsXP+delphi7.0+Access數據庫。

4 結束語

通過上述方案的實施，新型LKJ監控記錄插件的存儲容量在原有的2MB基礎上擴展了24倍，從根本上解決了存儲容量不足；另外Flash芯片和專用USB換裝設備的應用可以有效避免既有LKJ數據換裝困難和存在隱患的發生等等。而且由于新型LKJ監控記錄插件完全兼容既有的插件，因此可達到投資少、見效快的實用效果，進一步提高LKJ設備在鐵路運輸安全中的保障作用。