LKJ2000列車運行監(jiān)控技術(shù)分析及新一代技術(shù)研究

宮旭東 上海鐵路局電務處

LKJ2000列車運行監(jiān)控技術(shù)分析及新一代技術(shù)研究

宮旭東 上海鐵路局電務處

針對LKJ2000型列車運行監(jiān)控裝置的技術(shù)現(xiàn)狀及不足進行了分析，通過研究當前鐵路運輸安全需求及技術(shù)發(fā)展趨勢，提出新一代LKJ的技術(shù)研究思路。

LKJ2000；新一代LKJ；技術(shù)研究

LKJ2000型列車運行監(jiān)控裝置（以下簡稱LKJ2000）研制于1998年，2001年開始在全路推廣使用，目前已在全路2萬余臺機車、500余列動車組上應用，是我國運用范圍最廣的列車運行控制車載設備。作為已經(jīng)在中國鐵路長期、穩(wěn)定運用的列車運行控制設備，LKJ系統(tǒng)是中國鐵路人通過多年對中國鐵路列控技術(shù)以及行車組織狀況的深入研究后，形成的具有獨立自主知識產(chǎn)權(quán)的列車運行控制系統(tǒng)。自LKJ-93以來，LKJ技術(shù)經(jīng)歷了20多年的發(fā)展，事實證明其最具中國特色的基于車載基礎(chǔ)數(shù)據(jù)的控制方式，由于對運輸需求變化的適應性強、控制精度高、對運輸干擾少、功能擴展能力強等特點而表現(xiàn)出強大的生命力。

盡管LKJ設備在保障我國鐵路運輸安全方面發(fā)揮了巨大的作用，但由于受上世紀九十年代經(jīng)濟、社會發(fā)展水平和技術(shù)條件等方面限制，LKJ2000型列車運行監(jiān)控裝置在系統(tǒng)安全性方面存在一定局限性，無法滿足目前我國鐵路運輸發(fā)展所需的更高安全需求。

本文分析了LKJ2000在安全性等方面存在的不足，并結(jié)合當前技術(shù)發(fā)展狀況以及鐵路運輸對列控系統(tǒng)的安全需求，對新一代LKJ的技術(shù)發(fā)展方向與實現(xiàn)策略進行探討。

1 LKJ2000的技術(shù)現(xiàn)狀與不足

1.1 冗余架構(gòu)

LKJ2000采用雙機熱備冗余的架構(gòu)。在雙機熱備冗余架構(gòu)中，當雙機分別計算的數(shù)據(jù)出現(xiàn)不一致時，自身無法判定其正確性，有可能會使用錯誤的數(shù)據(jù)甚至輸出錯誤的指令，系統(tǒng)構(gòu)架不符合故障安全原則。因此LKJ2000的系統(tǒng)安全性能尚未達到當前國際鐵路信號系統(tǒng)通行的安全完整性等級，難以滿足我國鐵路發(fā)展對列控系統(tǒng)安全性能的更高要求。

1.2 與機車信號接口方式

機車信號接收并且處理地面發(fā)送的移動授權(quán)，LKJ系統(tǒng)通過機車信號獲得控制所需行車指令信息。目前，LKJ2000采用并行接口方式獲取機車信號發(fā)送的地面軌道電路信息，包括點燈信息、絕緣節(jié)信息等。對于至關(guān)重要的移動授權(quán)信息，這種采集方式在安全性方面存在明顯缺陷，并且由于接線多而導致可靠性降低。

1.3 列車定位

由于LKJ2000采用完全基于車載基礎(chǔ)數(shù)據(jù)控制方式，無法從地面獲得控制所需的完整信息，因此在遇到列車徑路選擇、開車對標等特定情況時，需要司乘人員的干預操作以實現(xiàn)列車定位。過多的人工干預一方面降低了系統(tǒng)的安全性能，同時也增加了司乘人員勞動強度。

此外，LKJ2000設備采用絕緣節(jié)信息對距離計算誤差進行校正，存在一定的校正誤差，特別是在半自閉分區(qū)，因線路絕緣節(jié)信息量少，距離誤差的問題更為突出。

1.4 基礎(chǔ)數(shù)據(jù)容量與數(shù)據(jù)組織結(jié)構(gòu)

LKJ2000設備可存儲的基礎(chǔ)數(shù)據(jù)容量為2MB。近年來隨著我國鐵路網(wǎng)絡的快速擴張、機車/動車組運行范圍加大以及跨局長交路列車的開行,基礎(chǔ)數(shù)據(jù)存儲容量已成為系統(tǒng)中無法回避的性能瓶頸。目前部分應用部門采取按客車、貨車分別安裝不同基礎(chǔ)數(shù)據(jù)的方法，但導致需要同時維護多個基礎(chǔ)數(shù)據(jù)版本的問題，造成基礎(chǔ)數(shù)據(jù)的管理極為不便；此外，隨著機車、動車組長交路運行，鐵路局之間的數(shù)據(jù)交換、數(shù)據(jù)鏈接編制作業(yè)量日益增加，早期研發(fā)的車載數(shù)據(jù)組織結(jié)構(gòu)無法滿足目前數(shù)據(jù)維護管理和使用的要求。

2 新一代LKJ技術(shù)研究探討

2.1 開發(fā)背景

近15年正是我國經(jīng)濟、社會快速發(fā)展的時期，也是歷史上鐵路發(fā)展最快的時期。隨著鐵路管理體制的改革和進一步適應運輸市場化的轉(zhuǎn)變，大量的動車組列車開通運行并在高鐵、既有線路間跨線運行，中歐班列、不同軸重的重載貨運列車也相繼開行。由此對列控系統(tǒng)控制模式如何適應多種線路條件、列車種類和運營場景提出了更高的要求；鐵路網(wǎng)快速擴張，機車長交路、乘務區(qū)段化運輸組織方式的改變，對車載基礎(chǔ)線路數(shù)據(jù)組織結(jié)構(gòu)如何適應變化，支撐數(shù)據(jù)維護管理和作業(yè)的便捷性也提出新的要求；地面應答器等軌旁設備的逐步敷設，使得列控車載設備能從地面獲取更多的信息，這為解決司機人工介入操作過多等問題成為可能。

新一代LKJ要充分汲取既有LKJ系統(tǒng)成熟經(jīng)驗與技術(shù)特色，充分利用當前技術(shù)發(fā)展的成果以及相應的新增基礎(chǔ)設備（如地面點式應答器、GSM-R網(wǎng)絡等），解決既有LKJ2000存在的不足，同時把握當前列控技術(shù)發(fā)展趨勢，研制出符合中國國情、路情，具有獨立自主知識產(chǎn)權(quán)的高水平新一代LKJ列車運行控制系統(tǒng)，滿足當前和未來一段時期鐵路運輸發(fā)展的需要。

2．2 關(guān)鍵技術(shù)研究

（1）安全計算機技術(shù)。目前國內(nèi)外主流的列車運行控制系統(tǒng)已廣泛采用安全計算機技術(shù)，以保證系統(tǒng)的安全性能達到國際鐵路信號系統(tǒng)安全標準（SIL4）。為滿足系統(tǒng)的安全性、可靠性要求，新一代LKJ系統(tǒng)與安全相關(guān)的核心控制單元應采用2×2取2或3取2安全計算機的系統(tǒng)架構(gòu)。

（2）無線通信技術(shù)。當前國內(nèi)外先進的列車運行控制系統(tǒng)中普遍應用無線通信技術(shù)，如城市軌道交通中的CBTC(基于通信的列車控制)系統(tǒng)就是通過WLAN等技術(shù)實現(xiàn)列車運行防護控制。我國CTCS-3級列控系統(tǒng)采用GSM-R技術(shù)實現(xiàn)車載設備和RBC(無線閉塞中心)之間的無線通信，使車載設備獲得移動授權(quán)等運行控制指令。

新一代LKJ系統(tǒng)在保持車載基礎(chǔ)線路數(shù)據(jù)優(yōu)勢基礎(chǔ)上，應積極研究采用無線通信技術(shù)，例如采用WLAN無線通信傳輸線路基礎(chǔ)數(shù)據(jù)或進行基礎(chǔ)數(shù)據(jù)換裝，利用移動通信網(wǎng)實現(xiàn)系統(tǒng)運行狀態(tài)的遠程監(jiān)測以及臨時限速數(shù)據(jù)的自動載入等功能。

（3）點式應答器技術(shù)。在具備地面應答器的區(qū)段，新一代LKJ可采用應答器信息實現(xiàn)列車絕對位置定位，減少司機的人工定位操作，避免人為錯誤對系統(tǒng)安全性能的影響，同時也提高系統(tǒng)的自動化程度。也可以由地面應答器提供系統(tǒng)控制所需的基礎(chǔ)數(shù)據(jù)，包括定位、進路參數(shù)、線路參數(shù)、限速等信息。

（4）衛(wèi)星定位/授時技術(shù)。衛(wèi)星導航系統(tǒng)是一種基于衛(wèi)星的無線電導航定位和時間傳遞系統(tǒng)，能提供高精度、全天時、全天候的位置、速度和時間信息，已廣泛應用于全球的各個行業(yè)。當前中國自主研究開發(fā)的北斗衛(wèi)星導航系統(tǒng)已完成部署，正積極推動面向鐵路運輸行業(yè)的應用。在LKJ控制過程中，位置、速度以及時間是涉及安全的關(guān)鍵參數(shù)，新一代LKJ可在保證系統(tǒng)安全性的條件下，充分利用北斗衛(wèi)星導航系統(tǒng)提供的輔助定位和授時功能。

2．3 技術(shù)研究思路

（1）適應運輸需求的發(fā)展。我國鐵路運輸組織方式具有既有線客貨混跑、高速客運專線、及重載/超長的貨運等特點。新一代LKJ應按照全路一張網(wǎng)的原則規(guī)劃列控系統(tǒng)的技術(shù)平臺，適應不同行車組織方式、不同線路速度等級、不同地面行車設備及不同種類列車開行的需求，在控制模式上兼容不同的行車組織方式，自動識別和支持不同等級線路的跨線運行，同時需適應機車長交路運行和機車乘務員乘務區(qū)段化、輪乘制管理模式的變化，解決司機依靠記憶輸入?yún)?shù)（如始發(fā)車站號、交路號）等問題。

（2）采用安全計算機、安全數(shù)據(jù)傳輸?shù)燃夹g(shù)。新一代LKJ應遵循鐵路信號故障-安全原則，采用安全冗余架構(gòu)，以符合當前列控設備發(fā)展的趨勢；與主體機車信號及BTM使用串行通信接口并且采用安全數(shù)據(jù)傳輸技術(shù)，確保通信信息的安全。研發(fā)過程符合相關(guān)國際鐵路信號安全標準，設備涉及安全的部分滿足SIL4安全等級，且通過獨立第三方安全評估。

（3）支持集車載預存與地面應答器兩種基礎(chǔ)數(shù)據(jù)提供方式。基于車載基礎(chǔ)數(shù)據(jù)的LKJ控制方式，具有對運輸變化的適應性強，控制精度高、功能擴展方便等特點；而地面應答器能使得列控車載設備從地面獲取更多的信息，解決司機人工介入操作過多等問題。因此在系統(tǒng)設計上，一方面堅持以車載預存基礎(chǔ)數(shù)據(jù)為主的控制模式；同時也可根據(jù)地面應答器提供的基礎(chǔ)數(shù)據(jù)（包括定位信息、進路參數(shù)、線路參數(shù)、限速等），實現(xiàn)列車運行控制。

（4）優(yōu)化線路數(shù)據(jù)組織架構(gòu)。車站是基礎(chǔ)數(shù)據(jù)中的基本節(jié)點，LKJ對基礎(chǔ)數(shù)據(jù)的調(diào)用以車站編號進行檢索。因此車站號的編碼方式對LKJ至關(guān)重要，涉及到線路數(shù)據(jù)的編制、跨局數(shù)據(jù)交換以及始發(fā)站號的司機輸入等。既有LKJ采用按交路進行車站編碼，導致同一個車站存在不同的編碼，相同編碼可能為不同車站的情況，對跨局數(shù)據(jù)交換、司機車站編碼的輸入帶來諸多問題。采用全路統(tǒng)一車站編碼，方便了線路數(shù)據(jù)的編制及跨局數(shù)據(jù)的交換，也有利于司機進行車站編碼的輸入。

（5）設備檢測與維護的自動化與智能化。新一代LKJ應加強系統(tǒng)的故障自診斷功能，實時檢測系統(tǒng)的工作狀態(tài)，并對診斷結(jié)果進行記錄、顯示，便于快速的查詢與分析判斷。在此基礎(chǔ)上，優(yōu)化新一代LKJ與機車運行檢測數(shù)據(jù)無線傳輸裝置的傳輸通信接口，通過大容量快速數(shù)據(jù)傳輸，實現(xiàn)列車運行監(jiān)測、運行記錄數(shù)據(jù)文件無線下載及故障檢索分析、數(shù)據(jù)換裝和版本號實時查詢統(tǒng)計等功能。研究采用無線方式進行線路數(shù)據(jù)的換裝。

（6）發(fā)揮在輔助司機安全行車及機務運用管理方面的作用。LKJ人機界面單元包含了大量輔助司機行車的線路信息及語音提示信息，為保證列車安全、正點運行發(fā)揮了重要的作用。新一代LKJ應不斷豐富人機界面單元信息，并優(yōu)化人機界面及交互方式。新一代LKJ應根據(jù)運用管理需求，豐富采集及記錄列車安全運行有關(guān)的運行狀態(tài)信息，支撐機務運用管理的信息化，為多種安全監(jiān)測、運用管理提供支撐。

3 結(jié)束語

國外列車運行控制系統(tǒng)大多是在本國已有技術(shù)裝備的基礎(chǔ)上，為適應運輸需求變化而逐步向更高級別的列控系統(tǒng)發(fā)展。我國鐵路路網(wǎng)規(guī)模大、運營環(huán)境復雜、管理體系高度統(tǒng)一，這些特點決定了國內(nèi)的列控技術(shù)必須走自己的發(fā)展道路。新一代LKJ既要繼承并完善既有LKJ的技術(shù)特點，又要充分借鑒國內(nèi)外列控系統(tǒng)的優(yōu)勢，構(gòu)建具有獨立自主知識產(chǎn)權(quán)的新型LKJ列車運行控制技術(shù)體系，滿足當前和未來一定時期我國鐵路運輸發(fā)展的需要。

[1]LKJ列控技術(shù)與應用[M].北京：中國鐵道出版社，2012.

責任編輯：萬寶安 竇國棟

來稿日期：2016-08-03