冗余性LKJ屏幕顯示器的可靠性設(shè)計(jì)與實(shí)施

崔少軍

（國(guó)能新朔鐵路有限責(zé)任公司機(jī)務(wù)分公司科技裝備中心，內(nèi)蒙古 準(zhǔn)格爾旗 010300）

0 引 言

目前，作為交互橋梁的顯示器僅僅只是一個(gè)單套系統(tǒng)，一旦屏幕顯示器出現(xiàn)故障，意味著LKJ作為鐵路重要的安全行車裝備將功能失效，無法及時(shí)有效地向乘務(wù)員反饋前方線路情況和報(bào)警、狀態(tài)、機(jī)車風(fēng)壓、線路限速等關(guān)鍵信息，同時(shí)無法應(yīng)答，也無法將乘務(wù)員發(fā)出的各項(xiàng)操作指令傳送至LKJ主機(jī)單元。此時(shí)，LKJ主機(jī)還處于正常運(yùn)行情況，隨時(shí)有觸發(fā)緊急制動(dòng)的安全風(fēng)險(xiǎn)，對(duì)安全行車存在重大的安全隱患。應(yīng)急處理只能將LKJ整個(gè)系統(tǒng)斷電，而后乘務(wù)員以較低的速度操縱列車維持運(yùn)行到前方車站等待救援，極大地影響了整個(gè)區(qū)間的通行效率，增加了使用成本和鐵路的運(yùn)營(yíng)成本。顯示器冗余、LKJ狀態(tài)遠(yuǎn)程監(jiān)測(cè)、提升本補(bǔ)切換可靠性以及深化LAIS系統(tǒng)應(yīng)用等研究工作還未形成成果，應(yīng)進(jìn)一步加大力度推進(jìn)技術(shù)研發(fā)工作。研究人員對(duì)LKJ顯示器進(jìn)行冗余性開發(fā)，對(duì)提高使用的可靠性具有重要的現(xiàn)實(shí)意義和使用價(jià)值[1]。

1 冗余性LKJ屏幕顯示器系統(tǒng)方案

1.1 冗余性LKJ屏幕顯示器系統(tǒng)架構(gòu)

采用冷備切換的雙冗余架構(gòu)可以提高系統(tǒng)的可靠性，從而保證兩套系統(tǒng)能夠做到無縫切換和快速響應(yīng)。主用顯示器與備用顯示器在電路上基本相互獨(dú)立、互不影響。主用顯示器或備用顯示器出現(xiàn)故障時(shí)，可以通過人工介入的方式快速切換主顯示器和備顯示器的工作狀態(tài)，以維持繼續(xù)行車。根據(jù)目前機(jī)車現(xiàn)有情況和維護(hù)管理方面的需要，主用顯示器與目前機(jī)車在用顯示器的使用功能應(yīng)完全一致，同時(shí)各信號(hào)元素和報(bào)警信息維持一致。在外形尺寸上，冗余性LKJ屏幕顯示器需要和現(xiàn)用顯示器完全一致，以保證能夠正常安裝到機(jī)車既有位置。在對(duì)外接口上，要求兩種顯示器完全兼容并且能夠互換，真正做到冗余性LKJ屏幕顯示器和現(xiàn)在既有顯示器對(duì)機(jī)車都具備通用性，無需額外改動(dòng)工作。針對(duì)既有顯示器面膜式按鍵存在較為嚴(yán)重的失效情況，冗余性LKJ屏幕顯示器對(duì)這該部分進(jìn)行了優(yōu)化設(shè)計(jì)，使得操作更加方便可靠[2]。

冗余性LKJ屏幕顯示器主要采用主屏和備屏的架構(gòu)方式。主屏、備屏均采用110 V電源輸入，由機(jī)車蓄電池提供，共用CAN總線和開關(guān)量輸入等信號(hào)，保證輸入信號(hào)的一致性。同時(shí)，主屏和備屏需要對(duì)這些接口進(jìn)行必要的隔離，以保證不會(huì)產(chǎn)生相互干擾。主屏和備屏都擁有各自獨(dú)立IC卡/USB接口，確保出勤、寫卡、退勤以及轉(zhuǎn)儲(chǔ)功能可由雙屏各自獨(dú)立完成。主屏和備屏的切換采用手動(dòng)開關(guān)形式，暫時(shí)不考慮自動(dòng)切換功能，切換時(shí)需要人工介入。

冗余性LKJ屏幕顯示器是由主屏和備屏組成的冗余架構(gòu)，其中主屏和備屏電路完全獨(dú)立。主屏故障時(shí)，可人工切換至備屏維持機(jī)車運(yùn)行。主屏具有屏顯的所有功能，備屏僅提供關(guān)鍵的人機(jī)交互接口。設(shè)備安裝尺寸與LKJ2000顯示器一致，對(duì)外接口與LKJ2000屏幕顯示器完全兼容，可采取多項(xiàng)措施（雙IC卡、雙喇叭以及微動(dòng)開關(guān)按鍵等）提高屏幕顯示器的可靠性和可用性。

冗余性LKJ屏幕顯示器系統(tǒng)總體架構(gòu)中，主屏模塊主要由主屏核心板、主屏擴(kuò)展板、主屏電源板（電源模塊）、主屏濾波器及保險(xiǎn)、主屏按鍵、主屏喇叭、主屏IC卡讀卡器以及背光液晶屏等組成。主屏和備屏共用一個(gè)故障報(bào)警的蜂鳴器[3]。

冗余性LKJ屏幕顯示器備屏模塊主要由備屏核心板、備屏擴(kuò)展板、備屏液晶屏、備屏按鍵、備屏IC卡讀卡器以及語音蜂鳴器等組成。主屏和備屏共用電路為110 V切換板。

1.2 冗余性LKJ屏幕顯示器系統(tǒng)構(gòu)成說明

1.2.1 冗余性LKJ屏幕顯示器主屏主要電路結(jié)構(gòu)及關(guān)鍵信號(hào)流程

冗余性LKJ屏幕顯示器主屏將通信子板電路、IC卡語音電路、按鍵處理電路、開關(guān)量信號(hào)電路、看門狗電路、CAN接口電路、串口接口電路以及PC104主板接口等集成在主屏擴(kuò)展板上。主屏核心板通過PC104接口與主屏擴(kuò)展板電路信號(hào)相連。主屏電源板（模塊）輸出的5 V和12 V電源通過連線直接接在主屏擴(kuò)展板上。主屏主要電路結(jié)構(gòu)和關(guān)鍵信號(hào)流程如圖1所示。

水資源管理水平得到提高。國(guó)家最嚴(yán)格水資源管理制度試點(diǎn)建設(shè)通過水利部中期評(píng)估。水資源論證納入政府投資項(xiàng)目聯(lián)合審批，規(guī)模以上地下水用戶全部實(shí)現(xiàn)水量在線監(jiān)測(cè)。推行再生水、淡化海水、生態(tài)水和地下水“三增一減”管理，年利用再生水1.4億t、淡化海水3 000萬t，中心城區(qū)年生態(tài)補(bǔ)水1.73億m3，壓采深層地下水1 200萬m3。順利通過國(guó)家節(jié)水型城市復(fù)查，完成水功能區(qū)跨界斷面核定，全市所有水功能區(qū)納入水質(zhì)監(jiān)測(cè)。全年用水總量控制在24億m3以內(nèi)，萬元GDP用水量降至18 m3，萬元工業(yè)增加值用水量降至8.3 m3，重要江河湖泊水功能區(qū)達(dá)標(biāo)率提高到21%。

圖1 主屏電路結(jié)構(gòu)及信號(hào)示意圖

1.2.2 冗余性LKJ屏幕顯示器備屏主要電路結(jié)構(gòu)及關(guān)鍵信號(hào)流程

冗余性LKJ屏幕顯示器備屏擴(kuò)展板上主要有CAN隔離通信電路、IC卡接口電路以及開關(guān)量處理隔離電路。備屏電源板（模塊）輸出的5 V電源接在備屏核心板上，5 V電源經(jīng)DC-DC轉(zhuǎn)換后輸出3.3 V供備屏核心板和備屏擴(kuò)展板使用。備屏主要電路結(jié)構(gòu)及關(guān)鍵信號(hào)流程如圖2所示[4]。

1.2.3 冗余性LKJ屏幕顯示器系統(tǒng)電源方案

冗余性LKJ屏幕顯示器選擇單刀雙置型切換開關(guān)控制110 V直流電源來作為主備屏的電源控制，以保證主屏和備主電路相互獨(dú)立。

對(duì)于備屏電源方案，110 V直流電經(jīng)機(jī)車蓄電池通過單刀雙置型切換開關(guān)送到備屏電源模塊，利用電源模塊進(jìn)行降壓處理，即將110 V電壓降為5 V。備屏控制板將5 V電源DC-DC轉(zhuǎn)換為15 V電源，供開關(guān)量采集隔離使用，并將轉(zhuǎn)換后的5 V電源供CAN采集信息使用。

對(duì)于主屏電源方案，110 V直流電經(jīng)機(jī)車蓄電池通過單刀雙置型切換開關(guān)送到主屏電源模塊。主屏電源模塊同時(shí)受控制端15 V和機(jī)車110 V電壓控制[5]。在15 V控制端有效的情況下，主屏電源模塊首先將110 V電壓降壓為12 V，以供語音電路使用。將110 V電壓降壓為4路5 V電壓后，通過DC-DC轉(zhuǎn)換后分別供CAN隔離通信、422隔離通信以及485隔離通信使用。

1.2.4 冗余性LKJ屏幕顯示器CAN總線實(shí)現(xiàn)方案

冗余性LKJ屏幕顯示器主屏和備屏都具有各自的CAN總線采集電路，且匹配電阻端共用一組匹配電阻，大大提高了CAN總線的抗干擾能力，保證了通信質(zhì)量。

1.3 冗余性LKJ屏幕顯示器主要技術(shù)參數(shù)

冗余性LKJ屏幕顯示器主要技術(shù)參數(shù)包括以下幾個(gè)方面。第一，供電電源電壓為77～137 V。第二，主用顯示器為10英寸TFT高亮度彩色液晶屏，分辨率為640×480，顯示面積為212 mm×158 mm，亮點(diǎn)直徑為0.33 mm，水平視角為140°，垂直視角為130°，亮度為500 cd/m2。第三，主CPU的主頻應(yīng)大于100 MHz，內(nèi)存為64 MB，Nandflash為64 MB，內(nèi)部總線標(biāo)準(zhǔn)為PC/104。第四，CAN通信速率為500 kb/s。第五，外型尺寸為340 mm（寬）×120 mm（深）×250 mm（高）。第六，質(zhì)量為8.5 kg。

2 LKJ屏幕顯示器系統(tǒng)架構(gòu)和信息流

2.1 LKJ屏幕顯示器軟件邏輯架構(gòu)

軟件邏輯架構(gòu)分為用戶界面層、邏輯處理層以及接口層3層。用戶面層主要提供了乘務(wù)員在運(yùn)行中需要進(jìn)行交互的信息和檢修管理人員需要設(shè)定的各類檢修維護(hù)信息[6]。邏輯處理層主要根據(jù)各類車載數(shù)據(jù)完成限速曲線的計(jì)算、通過液晶屏顯示相應(yīng)信息以及報(bào)警處理等操作。接口層主要為用戶界面和邏輯處理提供必要的支撐，是連接監(jiān)控主機(jī)和操作人員的橋梁。

2.2 LKJ屏幕顯示器軟件邏輯架構(gòu)

LKJ屏幕顯示器軟件能夠根據(jù)LKJ基本控制軟件和車載數(shù)據(jù)（LKJ控制軟件、LKJ車載線路數(shù)據(jù)、臨時(shí)數(shù)據(jù)以及乘務(wù)員設(shè)定的參數(shù)信息）實(shí)時(shí)計(jì)算前方限速并預(yù)畫前方2.5 km限速曲線，提供顯示基本信息、狀態(tài)信息以及動(dòng)態(tài)報(bào)警信息，并通過CAN驅(qū)動(dòng)處理乘務(wù)員發(fā)送的各種按鍵信息。

2.3 IC卡數(shù)據(jù)信息流

通過IC卡將臨時(shí)性數(shù)據(jù)文件、系統(tǒng)維護(hù)文件以及列車運(yùn)行文件經(jīng)CAN總線與主機(jī)進(jìn)行交互，滿足日常的參數(shù)設(shè)定、系統(tǒng)維護(hù)以及轉(zhuǎn)儲(chǔ)文件等功能。雙卡槽設(shè)計(jì)大大延長(zhǎng)了易損件的使用周期。單個(gè)卡槽的損壞不會(huì)影響整個(gè)系統(tǒng)的正常使用。

3 冗余性LKJ屏幕顯示器與既有屏幕顯示器的主要差異

冗余性LKJ屏幕顯示器除具備既有顯示器全部顯示和原因提示功能外，從根本上解決了LKJ系統(tǒng)的完全冗余，形成了兩套完全獨(dú)立運(yùn)行的系統(tǒng)。一方面，冗余性LKJ屏幕顯示器主屏和備屏采用冷備工作方式，利用110 V電源作為供電電源。主屏和備屏電源單點(diǎn)故障時(shí)，不會(huì)影響另外一方的正常運(yùn)行。既有顯示器采用110 V供電電源，在存在電源模塊故障的情況下，顯示器喪失使用功能。另一方面，冗余性LKJ屏幕顯示器主屏和備屏各自用DC-DC隔離模塊為各自的CAN通信電路提供5 V電源，既有顯示器通過電源板輸出一路5 V電源供CAN通信使用。

4 冗余性LKJ屏幕顯示器的主要特點(diǎn)

第一，冗余性LKJ屏幕顯示器采用隔離變壓器接入外部喇叭，隔離電壓為3 750 V，改變了原來的語音輸出方式，使得航空插頭端的語音部分對(duì)內(nèi)完全隔離。第二，冗余性LKJ屏幕顯示器主屏開關(guān)量采集部分采用15 V控制電源作為開關(guān)量采集電源，備屏開關(guān)量采集部分采用由備屏轉(zhuǎn)換15 V輸出電源。備屏開關(guān)量信號(hào)回流采用隔離電源。第三，冗余性LKJ屏幕顯示器主屏通過兩個(gè)喇叭進(jìn)行語音提示，備屏通過提示音蜂鳴器進(jìn)行聲響提示。第四，冗余性LKJ屏幕顯示器主屏和備屏共用主機(jī)故障報(bào)警電路，而此電路在主屏擴(kuò)展板。第五，冗余性LKJ屏幕顯示器主顯示模塊需具有與TAX箱通信的能力，備用屏不具備此功能。第六，冗余性LKJ屏幕顯示器主顯示模塊具有與狀態(tài)屏的422接口或485接口的通信能力，備屏不具備。第七，冗余性LKJ屏幕顯示器按鍵采用DOME（鍋?zhàn)衅?，具有結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、觸控感好以及使用壽命長(zhǎng)的特點(diǎn)。第八，冗余性LKJ屏幕顯示器備用屏不具備光敏采集功能，液晶屏背光亮度不可調(diào)節(jié)，按鍵背光不可控，采用長(zhǎng)亮的形式。第九，冗余性LKJ屏幕顯示器備屏直接使用110 V電源，可有效避免主機(jī)15 V故障時(shí)主備屏同時(shí)不能使用的情況。

5 結(jié) 論

鐵路安全行車裝備的可靠性與安全性始終是維護(hù)單位關(guān)注的重中之重。通過冗余性設(shè)計(jì)，在軟件和硬件上進(jìn)行相應(yīng)的隔離處理，形成了兩套完全獨(dú)立運(yùn)行的系統(tǒng)。其中一套系統(tǒng)故障時(shí)，通過人工介入能夠快速無縫切換系統(tǒng)，不僅大大提高了行車安全，減少了由于設(shè)備故障原因造成的列車途停和救援等事件，也提高了鐵路運(yùn)輸效率。本方案的設(shè)計(jì)和實(shí)施只是停留在軟硬件表層的冗余性，它的算法設(shè)計(jì)和硬件實(shí)施方案遠(yuǎn)遠(yuǎn)未達(dá)到二乘二取二的業(yè)界常規(guī)要求。安全裝備的冗余性設(shè)計(jì)的下一步應(yīng)該是基于安全平臺(tái)進(jìn)行設(shè)計(jì)開發(fā)，采用雙系統(tǒng)冗余方式（二乘二取二），即由兩套二取二架構(gòu)的安全主機(jī)組成熱備冗余或并行運(yùn)行的系統(tǒng)，以進(jìn)一步提高設(shè)備的冗余性和安全性。