車載設(shè)備綜合仿真檢測（培訓(xùn)）系統(tǒng)設(shè)計(jì)

葛學(xué)仁

摘 要：為了使車載設(shè)備維修、檢測人員能夠熟練掌握車載系統(tǒng)的基本結(jié)構(gòu)和操作程序，滿足大量培訓(xùn)任務(wù)需求，組織研發(fā)了具有集成化、情景化、實(shí)戰(zhàn)化特點(diǎn)的車載設(shè)備綜合仿真檢測（培訓(xùn)）裝置，解決了電務(wù)與機(jī)務(wù)結(jié)合部薄弱環(huán)節(jié)問題，提高了職工分析判斷、處理故障的能力。

關(guān)鍵詞：車載設(shè)備；動(dòng)態(tài)檢測；仿真

中圖分類號：U284 文獻(xiàn)標(biāo)識碼：A

1 項(xiàng)目背景

車載設(shè)備是利用列車運(yùn)行監(jiān)控裝置（LKJ）顯示器和機(jī)車信號機(jī)，將列車運(yùn)行前方的線路情況、機(jī)車運(yùn)行和司機(jī)操控過程等信息，以語音文字、燈光顯示、圖形曲線等方式顯示出來，充分發(fā)揮了車載設(shè)備對列車運(yùn)行安全的保證作用。作為確保鐵路行車安全的重要裝備，維修檢測人員只有通過強(qiáng)化日常的培訓(xùn)學(xué)習(xí)、模擬演練，才能熟練了解掌握車載設(shè)備的基本原理結(jié)構(gòu)、掌握正確的操作步驟和程序。一旦車載設(shè)備發(fā)生故障，能夠快速準(zhǔn)確的解決處理，確保車載設(shè)備始終處于安全穩(wěn)定狀態(tài)。

在信號工（車載設(shè)備）專業(yè)教學(xué)計(jì)劃及培訓(xùn)學(xué)習(xí)過程中，車載設(shè)備原理結(jié)構(gòu)和操作程序等內(nèi)容是培訓(xùn)學(xué)習(xí)的重點(diǎn)和難點(diǎn)，要保證該項(xiàng)培訓(xùn)學(xué)習(xí)內(nèi)容的順利完成，單靠維修檢測人員正在運(yùn)用中的機(jī)車進(jìn)行現(xiàn)場操作是不現(xiàn)實(shí)的，首先嚴(yán)重影響機(jī)車的正常運(yùn)轉(zhuǎn)和運(yùn)輸秩序，其次對職工的人身安全構(gòu)成巨大的風(fēng)險(xiǎn)隱患。另外，受各種條件的限制，機(jī)車運(yùn)行速度、各種壓力、司機(jī)操控過程等相關(guān)內(nèi)容無法達(dá)到以實(shí)物做實(shí)訓(xùn)的效果，只能依靠“監(jiān)控裝置綜合診斷儀”模擬完成?；谝陨显?，為使學(xué)習(xí)培訓(xùn)達(dá)到與運(yùn)用機(jī)車現(xiàn)場相近的效果，而又不僅僅依賴于現(xiàn)場運(yùn)用機(jī)車，同時(shí)能滿足大量培訓(xùn)任務(wù)需求，我們集思廣益、自主研發(fā)生產(chǎn)了具有集成化、情景化、實(shí)戰(zhàn)化特點(diǎn)的車載設(shè)備綜合仿真檢測（培訓(xùn)）裝置系統(tǒng)，為鐵路電務(wù)職工培訓(xùn)學(xué)習(xí)創(chuàng)造了條件。

2 系統(tǒng)組成

機(jī)車車載設(shè)備綜合仿真檢測（培訓(xùn)）系統(tǒng)由電源單元、信號接收單元、速度單元、壓力單元、操作單元、執(zhí)行單元和電纜單元等共計(jì)七部分組成。

2.1 電源單元。電源單元是驅(qū)動(dòng)各個(gè)單元協(xié)調(diào)統(tǒng)一工作，實(shí)現(xiàn)整個(gè)裝置系統(tǒng)各項(xiàng)功能發(fā)揮作用的“心臟”。而正常使用的220V常用電壓，對裝置系統(tǒng)來講是不能直接使用的。必須外設(shè)電源模塊，然后依次逆變?yōu)?10V的穩(wěn)壓電源，供列車運(yùn)行監(jiān)控裝置（LKJ）主機(jī)箱、顯示器、信號主機(jī)、I、II端信號機(jī)使用。同時(shí)將110V再次逆變?yōu)?4V電源模塊，供制動(dòng)柜（流體閥、電控閥、放風(fēng)閥、截流閥）的繼電器使用，其效果與模擬列車運(yùn)行監(jiān)控裝置（LKJ）主機(jī)的電源插件基本相同。該電源使用的穩(wěn)壓逆變電源為脈寬調(diào)制開關(guān)類型，脈寬調(diào)制器件使用SG2525A型號的集成電路芯片，選擇大功率肖特基及快速整流二極管作為整流輸出部分（如圖1所示）。

2.2 信號接收單元。信號接收單元俗稱機(jī)車信號，是機(jī)車車載設(shè)備的“千里眼”，我們利用舊鋼軌加裝接收線圈，用發(fā)碼器發(fā)碼，模擬軌道電路在移頻、交流計(jì)數(shù)、UM71、ZWP-2000A等制式下，通過LKJ主機(jī)的地面信息處理插件提供各點(diǎn)燈條件。當(dāng)機(jī)車接收到與地面信號相對應(yīng)的電碼、頻率（簡稱為信息）時(shí)，機(jī)車信號對應(yīng)顯示與地面一致的信號燈光，地面信息不發(fā)生變化，機(jī)車信號顯示同樣保持不變；當(dāng)機(jī)車或地面上的信號設(shè)備發(fā)生故障時(shí)，機(jī)車信號絕對不允許出現(xiàn)顯示升級（如圖1所示）。

2.3 速度單元。速度系統(tǒng)在列車運(yùn)行監(jiān)控裝置（LKJ）設(shè)備中占有“舉足輕重”的地位。速度曲線經(jīng)列車運(yùn)行監(jiān)控裝置（LKJ）主機(jī)內(nèi)部計(jì)算后，直觀的體現(xiàn)在顯示器上，機(jī)車乘務(wù)員可以實(shí)時(shí)判斷當(dāng)前列車的運(yùn)行速度。在本裝置中外加了電機(jī)，以此來模擬機(jī)車牽引電機(jī)的轉(zhuǎn)速，通過速度調(diào)控器和外接速度傳感器，提供模擬速度信號。同時(shí)安裝雙針?biāo)俣缺?，保證模擬速度值的精準(zhǔn)度，模擬機(jī)車從1KM/H逐漸攀升到規(guī)定速度運(yùn)行。另外還可以模擬超出限速，即時(shí)達(dá)到卸載、常用制動(dòng)、緊急制動(dòng)等功能。該系統(tǒng)可接入3路速度輸入信號端口，在機(jī)車正常運(yùn)行狀態(tài)下，利用速度控制系統(tǒng)調(diào)節(jié)輸入電機(jī)電流，進(jìn)而對速度傳感器轉(zhuǎn)速進(jìn)行控制，速度傳感器將2、3路速度信號傳入至列車運(yùn)行監(jiān)控裝置（LKJ）主機(jī)中的模擬量輸入/輸出插件中，各速度傳感器均采用列車運(yùn)行監(jiān)控裝置（LKJ）主機(jī)中電源插件進(jìn)行統(tǒng)一供電，電壓為15V（如圖1所示）。

2.4 壓力單元。該單元的壓力傳感器，主要是通過列車運(yùn)行監(jiān)控裝置（LKJ）主機(jī)的模擬插件使機(jī)車乘務(wù)員在顯示器上直觀的看到列車管、均衡風(fēng)缸、制動(dòng)風(fēng)缸的壓力數(shù)字值。我們利用舊有的壓力傳感器試驗(yàn)臺，選擇能夠使用的部分進(jìn)行改裝，如：利用小型空氣壓縮機(jī)、截留閥等提供壓力信號，并在壓力表上直接顯示壓力值。該系統(tǒng)可接入4路壓力輸入信號端口，在機(jī)車正常運(yùn)行狀態(tài)下，可控制列車管壓力、制動(dòng)缸壓力和均衡風(fēng)缸壓力信號各1路，各壓力傳感器均采用列車運(yùn)行監(jiān)控裝置（LKJ）主機(jī)電源插件進(jìn)行統(tǒng)一供電，電壓為15V。各壓力傳感器將檢測到的壓力信號分別傳入到列車運(yùn)行監(jiān)控裝置（LKJ）主機(jī)的兩套模擬量輸入/輸出插件的壓力輸入端口中（如圖1所示）。

2.5 操作單元。仿真檢測（培訓(xùn)）系統(tǒng)研發(fā)成員充分發(fā)揮各自特長，集思廣益，自制了模擬機(jī)車乘務(wù)員作業(yè)的仿真“操縱臺”。通過多個(gè)轉(zhuǎn)換開關(guān)，將機(jī)車工況狀態(tài)真實(shí)再現(xiàn)。其中可以實(shí)現(xiàn)向前、向后、牽引、制動(dòng)、零位、非零位和各壓力通道值（列車管、閘缸、均1、均2、緩解、制動(dòng)）的互相切換；同時(shí)通過各種指示燈直觀的顯示“減壓、保壓、卸載、常用、緊急”等情況。在此基礎(chǔ)上外接了“警惕按鈕”，實(shí)現(xiàn)列車在接近超限制速度的緊急情況下，報(bào)警后的解除（如圖1所示）。

2.6 執(zhí)行單元。執(zhí)行單元是利用舊有的壓力測試臺，并加裝了流體閥、截留閥、電控閥、緊急放風(fēng)閥和延時(shí)風(fēng)缸。它的主要作用是：模擬列車在卸載情況下，準(zhǔn)確切除牽引電流；常用制動(dòng)情況下，準(zhǔn)確切除牽引電流和100～120kPa壓力的減壓量；緊急制動(dòng)情況下，準(zhǔn)確切除牽引電流和列車管600kPa的壓力，達(dá)到防止機(jī)車“冒進(jìn)”的目的（如圖1所示）。具體表現(xiàn)在列車運(yùn)行監(jiān)控裝置（LKJ）常用制動(dòng)、緊急制動(dòng)試驗(yàn)項(xiàng)我們增加了4個(gè)指示燈，分別是：緊急指示燈、卸載指示燈、減壓指示燈和保壓指示燈。在試驗(yàn)過程中，通過指示燈的點(diǎn)亮與否及其點(diǎn)亮的時(shí)間可以非常直觀地看到制動(dòng)控制功能的好壞。常用制動(dòng)時(shí)卸載指示燈和保壓指示燈各點(diǎn)亮10秒，而減壓指示燈只點(diǎn)亮4秒，非常直觀地顯示了數(shù)字量入/出插件在常用制動(dòng)的時(shí)候輸出3項(xiàng)功能及時(shí)間的不同。為了實(shí)現(xiàn)減壓與緊急排風(fēng)，又將舊有的壓力測試臺進(jìn)行了改造，可以實(shí)現(xiàn)常用制動(dòng)時(shí)列車管減壓在110±10kPa范圍；緊急制動(dòng)試驗(yàn)時(shí)可以將列車管壓力排零。 由于條件有限，該系統(tǒng)只能裝設(shè)一個(gè)壓力傳感器，通過轉(zhuǎn)換開關(guān)可以切換壓力通道，將列車管、閘缸、兩個(gè)均衡風(fēng)缸壓力進(jìn)行檢測，保證管壓按照不同要求進(jìn)行實(shí)時(shí)調(diào)整，真實(shí)地模擬機(jī)車大小閘。工況檢測也是通過轉(zhuǎn)換開關(guān)的切換來模擬機(jī)車換向手柄及調(diào)速手柄的位置，操作起來簡單明了。機(jī)車速度是通過調(diào)速電機(jī)來驅(qū)動(dòng)速度傳感器的，調(diào)速操作起來非常平穩(wěn)方便。

2.7 電纜單元。仿真檢測（培訓(xùn)）系統(tǒng)所有設(shè)備的連接需要相關(guān)專用電纜，除了能夠使用的電纜外，在制作和改造過程中，許多連線形成新的電纜。為了能夠模擬機(jī)車實(shí)際情況，自制端子排和接線端子、打印連接線號，將相關(guān)連線連在一起。這一點(diǎn)，對于初學(xué)者來說能夠“一目了然”的了解掌握機(jī)車上的維修檢測作業(yè)實(shí)物和發(fā)生線路故障后的查找處理方法。

3 系統(tǒng)硬件技術(shù)參數(shù)指標(biāo)

3.1 電源。監(jiān)控裝置110V供電、系統(tǒng)手柄條件110V、色燈50V：由220V日常電壓經(jīng)開關(guān)電源穩(wěn)壓后提供。

3.2 開關(guān)量輸入輸出。① 16路色燈50V數(shù)字量輸出，電源電壓10V～50V程控可調(diào)，總驅(qū)動(dòng)電流≥60mA，單路驅(qū)動(dòng)電流≥5mA，光電隔離電壓≥1000V。② 8路手柄110V數(shù)字量輸出，電源電壓20V～110V程控可調(diào)，總驅(qū)動(dòng)電流≥50mA，單路驅(qū)動(dòng)電流≥5mA，光電隔離電壓≥1000V。③ 15路繼電器觸點(diǎn)數(shù)字量輸入，DC110V輸入，光電隔離電壓≥1000V，緊急制動(dòng)電路用A/D采樣。

3.3 模擬量輸入輸出。① 4路壓力傳感器信號輸出，電壓范圍0～5V分別可調(diào)，分辨率≥10位，驅(qū)動(dòng)電流≥5mA，不隔離。② 1路雙針表速度信號輸出，信號范圍0～20mA，分辨率≥10位，不隔離。③ 1路雙針表速度信號輸入，信號范圍0～20mA，分辨率≥10位，不隔離。④ 1路雙針表里程驅(qū)動(dòng)輸出，信號幅值24V，脈沖寬度200ms，驅(qū)動(dòng)電流≥20mA，不隔離。⑤ 1路雙針表里程驅(qū)動(dòng)輸入，信號幅值24V，脈沖寬度200ms，光電隔離電壓≥1000V。

3.4 頻率量輸出。① 3路速度傳感器不過零正方波信號輸出。頻率0～6kHz分別程控可調(diào)，分辨率≤2Hz。幅值0～12V分別程控可調(diào)，分辨率≤50mV?？傭?qū)動(dòng)電流≥15mA，單路驅(qū)動(dòng)電流≥5mA。3路信號相位差能以900為單位任意程控設(shè)定。② 1路軌道信號輸出，信號峰值范圍0～12V程控可調(diào)，分辨率≤50mV，頻率范圍20Hz～3000Hz，驅(qū)動(dòng)電流≥5mA。軌道信號包括移頻、UM71、交流計(jì)數(shù)、極頻（可選）等信號制式，按有關(guān)標(biāo)準(zhǔn)設(shè)計(jì)。

4 主要功能特點(diǎn)及可靠性

4.1 主要功能特點(diǎn)

4.1.1 具有車載系統(tǒng)一體化檢測功能。本系統(tǒng)包含了現(xiàn)有機(jī)車中車載（監(jiān)控裝置、機(jī)車信號）系統(tǒng)的所有設(shè)備，解決了因設(shè)備操作影響機(jī)車正常運(yùn)轉(zhuǎn)的問題，能夠組織現(xiàn)場職工對機(jī)車檢測、檢修、數(shù)據(jù)換裝等標(biāo)準(zhǔn)化作業(yè)流程進(jìn)行培訓(xùn)和練習(xí)，提高實(shí)際動(dòng)手能力。

4.1.2 具有培訓(xùn)應(yīng)急演練的功能。本系統(tǒng)在培訓(xùn)職工日常作業(yè)標(biāo)準(zhǔn)的基礎(chǔ)上對現(xiàn)場信號車間的值班人員進(jìn)行培訓(xùn)，了解、熟悉車載系統(tǒng)相關(guān)設(shè)備的同時(shí)對一些突發(fā)性高的、發(fā)生頻繁的、能夠快速處理的故障進(jìn)行模擬演練，提高對車載設(shè)備故障的應(yīng)急處置能力。

4.1.3 具有還原已發(fā)生設(shè)備故障、查找真實(shí)原因的功能。針對實(shí)際工作中部分因檢測手段貧乏、檢測設(shè)備單一而造成設(shè)備故障現(xiàn)象無法還原、故障原因分析不清的問題。通過該系統(tǒng)可以根據(jù)機(jī)車運(yùn)行文件記錄、信號接收情況等數(shù)據(jù)還原機(jī)車乘務(wù)人員當(dāng)時(shí)的操作過程，模擬機(jī)車當(dāng)時(shí)的運(yùn)行狀況，重現(xiàn)設(shè)備發(fā)生異常時(shí)的故障現(xiàn)象，即時(shí)檢測當(dāng)時(shí)設(shè)備狀態(tài)，進(jìn)而準(zhǔn)確的判斷故障原因，制定有效的防范措施。

4.1.4 具有模擬試驗(yàn)LKJ新版數(shù)據(jù)的功能。通過系統(tǒng)模擬機(jī)車在任意區(qū)段下各種運(yùn)行狀態(tài)的功能，操縱機(jī)車模擬試驗(yàn)新版的LKJ程序或數(shù)據(jù)，在數(shù)據(jù)更改區(qū)段對機(jī)車各種運(yùn)行狀態(tài)下數(shù)據(jù)應(yīng)用情況進(jìn)行校驗(yàn)，使數(shù)據(jù)校驗(yàn)工作更貼近于實(shí)際，提高了數(shù)據(jù)的安全性、準(zhǔn)確性和穩(wěn)定性。

4.1.5 具有試驗(yàn)設(shè)備電氣特性的功能。通過對車載設(shè)備輸入信息的改變，對相關(guān)車載設(shè)備的狀態(tài)變化以及對車載系統(tǒng)中其他設(shè)備的影響進(jìn)行檢測和記錄，了解設(shè)備的電氣特性及車載系統(tǒng)的聯(lián)動(dòng)性，保證設(shè)備運(yùn)行安全。

4.1.6 具有設(shè)備環(huán)境控制功能。在設(shè)備使用可允許范圍內(nèi)對溫度進(jìn)行調(diào)控，可自主設(shè)定調(diào)節(jié)設(shè)備箱體溫度，當(dāng)溫度超過限定范圍時(shí)，進(jìn)行聲光報(bào)警。系統(tǒng)內(nèi)部裝有溫控加熱設(shè)備，可對車載系統(tǒng)相關(guān)設(shè)備進(jìn)行加溫或設(shè)定某一溫度值，模擬機(jī)車實(shí)際運(yùn)行過程中的溫度變化，可查看車載系統(tǒng)的各個(gè)設(shè)備在高溫環(huán)境下的運(yùn)行狀態(tài)，檢驗(yàn)設(shè)備的安全性和穩(wěn)定性。

4.1.7 具有實(shí)時(shí)自動(dòng)監(jiān)測功能。車載系統(tǒng)中監(jiān)控專職可通過CAN總線對各項(xiàng)設(shè)備進(jìn)行實(shí)時(shí)自動(dòng)監(jiān)測，對監(jiān)測發(fā)現(xiàn)的各類異常信息進(jìn)行記錄，檢測人員可通過顯示器下載并查看機(jī)車運(yùn)行信息，或手動(dòng)設(shè)定各類信息信號對系統(tǒng)設(shè)備進(jìn)行檢測，保證設(shè)備滿足現(xiàn)有的各類工作需求。

4.1.8 具有車載系統(tǒng)信息管理功能。 通過車載系統(tǒng)中機(jī)車運(yùn)行信息記錄文件，可對檢測過的車載設(shè)備進(jìn)行文件轉(zhuǎn)儲分析，并上傳至鐵路文件局域網(wǎng)絡(luò)平臺中，對數(shù)據(jù)信息進(jìn)行共享，使各部門能夠?qū)崟r(shí)動(dòng)態(tài)的掌握機(jī)車運(yùn)行狀態(tài)，多級卡控設(shè)備安全。

4.2 系統(tǒng)可靠性。從系統(tǒng)的整體設(shè)計(jì)角度出發(fā)，嚴(yán)格按照系統(tǒng)設(shè)計(jì)要求和規(guī)范，強(qiáng)化系統(tǒng)中各單元模塊及功能作用的集成統(tǒng)一，體現(xiàn)系統(tǒng)工程的理論和概念，實(shí)現(xiàn)各系統(tǒng)之間的有效鏈接。該系統(tǒng)元器件均選用工業(yè)級標(biāo)準(zhǔn)器件，經(jīng)過多次的檢測和試用，均未發(fā)生隱患問題，實(shí)現(xiàn)了設(shè)備的安全、穩(wěn)定、可靠等特性。

5 運(yùn)用效果分析

（1）該仿真檢測（培訓(xùn)）系統(tǒng)達(dá)到了《機(jī)車車載設(shè)備綜合仿真檢測（培訓(xùn)）裝置》的各項(xiàng)功能的準(zhǔn)確體現(xiàn)。直觀的顯示了列車運(yùn)行監(jiān)控系統(tǒng)（LKJ）的“防列車運(yùn)行時(shí)的冒進(jìn)、冒出”、“防地面信號滅燈、關(guān)閉的冒出、冒進(jìn)”、防“道岔處超速”的功能。（2）該仿真檢測（培訓(xùn)）系統(tǒng)將分散、抽象安裝在機(jī)車上的LKJ車載設(shè)備，整體位移至地面集中模擬、聯(lián)動(dòng)，解決了診斷儀、測試臺的“集成化”和“單一化”的問題，將診斷儀、測試臺拆、解，分化，達(dá)到了讓培訓(xùn)人員看的見、摸的著的直觀效果。（3）該仿真檢測（培訓(xùn)）系統(tǒng)是開展車載設(shè)備培訓(xùn)工作的實(shí)物教材、操作模型。即使不是專業(yè)人員也可在短時(shí)間內(nèi)了解車載設(shè)備的工作原理。改變以往故障處理時(shí)，各種設(shè)備插件、設(shè)備電源、機(jī)車運(yùn)行速度、壓力只能使用數(shù)據(jù)參數(shù)的歷史。（4）該仿真檢測（培訓(xùn)）系統(tǒng)能夠有效解決電務(wù)與機(jī)務(wù)結(jié)合部薄弱環(huán)節(jié)問題，了解掌握機(jī)車司機(jī)操控的整個(gè)過程，提高分析判斷、指揮處理車載設(shè)備故障的能力和水平。

參考文獻(xiàn)

[1]楊志剛.LKJ2000列車運(yùn)行監(jiān)控記錄裝置[M].北京：中國鐵道出版社，2003.