（通信与信息系统专业论文）机车安全信息查询报警系统车载移动台的研制.pdf

武汉理工大学硕士学位论文 摘要 铁路交通和铁路运输极大的便利了人们的出行和物资的运输。近些年来，铁 路的迅猛发展，极大的沟通了城乡文化和物资交流，并促进了工农业生产的发展。 进入2 1 世纪，铁路运输在当代人们的社会生活和经济生活中的起着越来越重要 的作用。中国铁路近十年已经实现了六次大面积的提速，且随着新型技术的发展， 时速超过3 5 0 k m 的高铁也开始在国内大量兴建。由于火车的一次性客运量十分 大，一旦出现事故，必然造成重大人员伤亡和无法挽回的损失。因此机车在铁路 上运行的安全问题显得尤其重要，在铁路提速的同时，我们更要确保机车在铁路 上的行驶安全。 本文在已有的l k j 2 0 0 0 型列车运行监控记录装置基础下，研制设计出一种 机车安全信息查询报警系统车载移动台。具体内容主要包括：车载移动台通过 c a n 转u a r t 模块从监控装置l k j 2 0 0 0 采集机车行驶的相关信息，然后车载移 动台通过g p r s 无线通信模块将采集到的机车行驶信息无线传输到地面控制中 心。同时，车载移动台对采集到的机车行驶信息进行判断，当发现机车处于非正 常的行驶状况时，通过语音模块以语音的形式向司机发出报警。车载移动台的另 一软件组成部分行车宝典存储有铁路安全规章制度以及相关行车资料，便于司机 在驾驶时进行查询。此外，行车宝典从车载移动台获取机车的运行信息，并对获 取的l k j 数据进行规整，自动生成司机报单，再通过无线网络发送至地面。 本文所设计的车载移动台便于机车地面管理中心实时掌握所辖区域内的机 车在铁路上的运行状况，利于地面管理中心及时合理的组织和调度机车。该车载 移动台使得机车地面有关管理部门能够对机车的发生的突发状况做出及时处理 和应对。同时，车载移动台的语音报警功能对机车司机的安全值乘提供了可靠的 保障。该车载移动台适应现阶段我国铁路长交路运行和单司机值乘的现状，为各 铁路机务段对在线机车的运行管理提供了可靠的科学依据，同时也提高了机务段 的运作效率和管理水平。 本文设计的车载移动台在几个月的实际应用中进行测试和改善，数据的采集 和数据的无线传输等相关性能均实时可靠。 关键词：l k j 2 0 0 0 、机车安全行驶、c a n 、无线传输、x f $ 4 2 4 0 武汉理工大学硕士学位论文 a b s t r a c t n o w a d a y sr a i l w a y t r a f f i ca n dr a i l w a yt r a n s p o r th a v eg r e a t l yf a c i l i t a t e dt h et r a v e l o fp e o p l ea n dg o o d st r a n s p o r t i nr e c e n ty e a r s ，t h er a p i dd e v e l o p m e n to ft h er a i l w a y h a sg r e a t l yc o n n e c tt h ec u l t u r a la n dm a t e r i a le x c h a n g e sb e t w e e nu r b a na n dr u r a l ，i t a l s o p r o m o t e s t h e d e v e l o p m e n t o fi n d u s t r i a la n d a g r i c u l t u r a lp r o d u c t i o n i n t w e n t y - f i r s tc e n t u r y , r a i l w a yt r a n s p o r tp l a y sa l li n c r e a s i n g l yi m p o r t a n tr o l ei nt h e s o c i a la n de c o n o m i cl i f eo fc o n t e m p o r a r yp e o p l e t h er a i l w a yo fc h i n ah a sa c h i e v e d r a i s i n gt h es p e e dd u r i n gm o s ta r e af o rs i xt i m e s a n dw i t ht h ed e v e l o p m e n to fn e w t e c h n o l o g i e s ，m o r ea n dm o r eh i g h - s p e e dr a i lw i t ht h es p e e dm o r et h a n35 0 k m ha r e a l r e a d yu n d e rc o n s t r u c t i o n b e c a u s et h et r a i nh a sav e r yl a r g ep a s s e n g e rc a p a c i t y , i t w o u l dc a u s e da h e a v yc a s u a l t i e sa n di r r e p a r a b l el o s so n c et h ea c c i d e n th a p p e n e d t h e s e c u r i t yw h e nl o c o m o t i v er u n n i n go nt h er a i l w a yb e c o m ep a r t i c u l a r l yi m p o r t a n t d u r i n gt h et i m ew h e nw er a i s et h es p e e do fl o c o m o t i v e ，w en e e da l s ot oe n s u r et h e s a f e t yo f l o c o m o t i v et r a v e l i n go nt h er a i l w a y t h i sa r t i c l ed e s i g n e dak i n do ft r a i ns a f e t yi n f o r m a t i o ni n q u i r ya n da l a r ms y s t e mo n v e h i c l et e r m i n a li nt h ee x i s t i n gb a s i so fl k j 2 0 0 0l o c o m o t i v er u n n i n gm o n i t o ra n d r e c o r d i n gd e v i c e t h es p e c i f i cc o n t e n t so ft h i sa r t i c l ea r em a d eu po ft h ef o l l o w i n g p a r t s ：f i r s t , t h ev e h i c l et e r m i n a lc o l l e c t st h er e l a t e dr u n n i n gi n f o r m a t i o na n dd a t ao f l o c o m o t i v ef r o mt h em o n i t o rd e v i c el k j 2 0 0 0t h r o u g ht h ec a nt ou a r t m o d u l e t h e nt h ev e h i c l et e r m i n a lt r a n s m i t st h er u n n i n gi n f o r m a t i o no fl o c o m o t i v e w h i c hc o l l e c t e df r o ml k j 2 0 0 0t ot h eg r o u n dc o n t r o lc e n t e rt h r o u g hg p r sw i r e l e s s c o m m u n i c a t i o nm o d u l e m e a n w h i l et h ev e h i c l et e r m i n a la n a l y s e st h er e l a t e dd a t aa n d m a k eaj u d g e m e n ta c c o r d i n gt ot h el o c o m o t i v er u n n i n gd a t aa n da l e r t st ot h eg r o u n d c e n t e rw h e nt h ev e h i c l et e r m i n a lf i n d st h a tt h el o c o m o t i v ei si nn o n - n o r m a lr u n n i n g s t a t e a n o t h e rs o f t w a r ec o m p o n e n to ft h ev e h i c l et e r m i n a l ( t h ei n t e l l i g e n ti n t e r a c t i o n c e n t e r ) s t o r e st h er a i l w a ys a f e t yr e g u l a t i o n sa n dr e l e v a n tt r a f f i ci n f o r m a t i o n ，f o re a s e o fq u e r yb yt h ed r i v e ri nt h ec o u r s eo fd r i v i n g i na d d i t i o n , t h ei n t e l l i g e n ti n t e r a c t i o n c e n t e rc a no b t a i nl o c o m o t i v er u n n i n gi n f o r m a t i o nf r o mv e h i c l et e r m i n a l d e a l 、i 也t h e l k jd a t af r o mt h ec o u r s e ，a n dt h e ng e n e r a t ead r i v e r sd e c l a r a t i o na u t o m a t i c a l l y a f t e r t h a ti t 1 1s e n dt h ed e c l a r a t i o nt h r o u g hw i r e l e s sn e t w o r kt ot h ec e n t e rg r o u n d t h ev e h i c l et e r m i n a ld e s i g n e di nt h i sp a p e rc a nh e l pt h eg r o u n dm a n a g e m e n t c e n t e rm o n i t o rt h er u n n i n gs t a t eo fl o c o m o t i v eo nt h er a i l w a yw h i c hu n d e rt h e j u r i s d i c t i o n o ft h er e l a t e d g r o u n dm a n a g e m e n tc e n t e r t h ev e h i c l et e r m i n a li s 武汉理工大学硕士学位论文 b e n e f i c i a lt ot h eg r o u n dm a n a g e m e n tc e n t e rt oo r g a n i z ea n dd i s p a t c ht h el o c o m o t i v e t i m e l ya n dr a t i o n a l l y t h el o c o m o t i v eg r o u n dm a n a g e m e n td e p a r t m e n tc a nm a k e t i m e l yr e s p o n s et ot h eu n e x p e c t e ds i t u a t i o n so c c u to nt h el o c o m o t i v et h r o u g ht h e v e h i c l et e r m i n a l m e a n w h i l e ，t h ev o i c ea l a r m i n gf u n c i o no ft h ev e h i c l et e r m i n a l p r o v i d e sr e l i a b l eg u a r a n t e ef o rt h el o c o m o t i v e sr u n n i n gs a f e t y i tp r o v i d e sas c i e n t i f i c b a s i sf o rl o c o m o t i v em a n a g e m e n t ，h e l p st h eg r o u n dc e n t e rm a s t e rt h el o c o m o t i v e m a n i p u l a t i o no fd r i v e ra n di m p r o v e st h eo p e r a t i o na n dm a n a g e m e n tl e v e l o ft h e l o c o m o t i v ed e p o te f f i c i e n c y t h ev e h i c l et e r m i n a ld e s i g n e di nt h i sp a p e rh a sb e e nt e s t e da n di m p r o v e di n p r a c t i c a la p p l i c a t i o n sf o r s e v e r a lm o n t h s t h er e l a t e d p e r f o r m a n c es u c ha sd a t a c o l l e c t i o na n dd a t aw i r e l e s st r a n s m i s s i o na l er e l i a b l e k e yw o r d s ：l i c l 2 0 0 0 ，l o c o m o t i v es a f e t y 、c a n ，w i r e l e s st r a n s m i s s i o n ，x f $ 4 2 4 0 1 i 武汉理工大学硕士学位论文 第1 章绪论 1 1 课题研究的背景、目的及意义 铁路作为国家的重要基础设施，是我国国民经济的大动脉，在沟通城乡文 化和物资交流以及促进工农业生产的发展中起着越来越重要的作用【l 】。同时在我 国火车也是人们主要的外出交通工具之一，且由于火车的一次性客运量十分大， 一旦出现事故，必然造成重大人员伤亡和无法挽回的损失。因此机车在铁路上 运行的安全问题显得十分重要。 近十年来，中国的铁路事业发展十分迅猛。自9 0 0 7 年4 月开始，国内铁路的 第六次全面提速已经开始逐步实施【2 】。随着新技术的发展与应用，时速超过 3 5 0 k m 的高速铁路也在国内开始大量修建。在铁路速度的大幅提高的同时，也对 机车的运行安全提出了更高的要求。 于此同时，铁道部实施铁路局直管站段改革后，为了提高机车的运用效率， 各铁路局逐渐开始实施机车长交路运行，并对机车乘务制度进行改革。以往的 铁路牵引采用的是正、副司机两入值乘，现在均改为双班单司机值乘，只需一 名司机操纵机车，另一名司机则可以轮流休息，取消了在中途的换班，从而缩 短了机车的运行时间，提高了机车的运作效率【3 】。长交路和单司机值乘的出现为 机车的安全运行系统提出更大的挑战。 在国内机车运行速度的大幅提高、机车长交路运行和双班单司机值乘的新 情况下，过去的机车运营与管理方式难以再适应当前铁路新现状的实际需求。 在现有的机车运行安全设备的基础上建立适应当前铁路交通的机车安全监控系 统显得极为重要。 机车安全信息查询报警系统车载台为机务段对机车进行管理提供一种新型 的技术方案，使机车地面管理中心可以及时且准确的获得所辖区内在线列车的 运行信息和相关数据，对机车进行及时合理的组织和调度，加强了机车运行指 挥机构职能的自动化；并可以让地面管理中心及时掌握机车在行驶中所可能发 生的非正常状态，使得机车有关部门可以对机车所发生的突发情况做出及时的 应对处理。同时该车载移动台为机车还可以使机务调度实时掌握在线机车值乘 武汉理工大学硕士学位论文 司机的操控情况，为各铁路机务段对在线机车的运行管理提供了可靠的科学依 据，提高了机务段的运作效率和管理水平。 1 2 国内外研究现状 经过过去几十年的技术发展，国外发达国家针对铁路机车的安全运行已经 逐步形成了比较完善的列车自动控制系统a t c ( a u t o m a t i ct r a i nc o n t r 0 1 ) 。a t c 系统能够对机车的运行状态进行实时监控并实现了系统相关功能的全程自动 化。a t c 系统由自动列车监控系统a t s ( a u t o m a t i ct r a i ns u p e r v i s i o n ) 、列车自 动运行系统a t o ( a u t o m a t i ct r a i no p e r a t i o n ) 和列车自动防护系统a t p ( a u t o m a t i ct r a i np r o t e c t i o n ) 三个子系统构成【4 1 ，列车自动控制系统a t c 的结 构示意图如图1 1 所示。 图1 1 列车自动控制系统a t c 结构示意图 自动列车监控系统a t s 包括集中控制站设备和控制中心系统。a t s 系统中的 2 武汉理工大学硕士学位论文 设备主要包括：调度长工作站、调度员工作站、控制大屏、时刻表和机车运行 图生成打印机。通过局域网和h u b 等网络与站台终端和值班员控制台进行网络 连接。a t s 系统常用于轨道交通管理，完成对机车运行的自动监控、控制在线机 车的运行【5 。a t s 系统的主要功能有：记录机车实时运行数据、自动调整线上机 车运行间隔、绘制机车运行图并根据运行图自动调整机车进路睁7 1 。 自动列车运行装置a t o 于1 9 6 2 年在日本东京地铁开始试验，该装置能够在 机车无人驾驶的情况下实现机车的自动开门关门和机车的自动开车停车。并可 以通过a t c 系统中的a t p 子系统提供的相关信号与数据来对机车的运行速度进 行自动调节【8 】。a t o 装置在机车上的运用使得机车的速度调控实现自动化控制， 同时也减少了机车加速度的时间与长度，进而增加了机车的班次【9 】。 列车自动防护系统a t p 采用自动闭塞方式将机车运行的轨道线路划分为若 干小区间，每个小区间称为闭塞分区【l o 】。同时每个闭塞分区均安装有轨道电路， 在轨道电路内又有机车检测信号的发送装置与接收装置。a t p 系统的工作原理 是：通过对机车的运行位置的自动检测来确定机车在相应轨道线路的最大安全 行驶速度，在对机车的运行速度进行不问断的监督的同时实现对机车运行的超 速防护u 1 1 。另外，r p 系统还对机车的运行间隔进行自动监测，来确保在同一 线路的机车能够以最小追踪间隔安全运行【l2 1 。 另外，国外一些发达国家在铁路建设的过程中，由于其所处的地理环境和 运营条件的不同，因而对保证机车的运行安全也提出了不同的要求。这些国家 在采用a t c 系统的同时，还对机车运行过程中的其他可能影响机车运行安全的 因素进行检测和监控。具体的实施措施有以下几个方面： 第一，在铁路沿线增加相应的自然灾害监测报警系统。例如：日本为一个 自然灾害多发国家，为了对机车的运行增加进一步的安全保障，日本还对铁路 沿线增加的相应的风检测系统、雨量和洪水检测系统以及地震检测系统。在机 车运行途中的桥梁、高架桥、路堤、路堑等重要地段安装相应的风向风速设备、 雨量数据采集和检测终端设备，并在地震多发地带设置地震探测器。通过对机 车运行中的相关自然条件、地理环境进行实时监测，大大提高了机车运行的安 全系数。 第二，对铁路系统中的相关固定设备进行安全监控。铁路轨道的温度和机 车的供电设备也是影响机车安全运行的因素。因此可以在铁路轨道设置温度传 感器、湿度传感器，实时测量铁轨温度和铁轨周边空气湿度，建立相应的轨道 温度监测与报警系统u ”。同时，在安装有机车供电设备的地方对相关供电设备 3 武汉理工大学硕士学位论文 进行监控。 第三，为了能够及时对机车在运行中可能出现的故障进行应对处理，欧美 等国的铁路系统都具有十分完善的故障自诊断系统。例如：英国的g n e r i c l 2 5 列车的远程监控系统中，安装于机车上的故障自诊断系统能够实时记录机车发 生故障时的相应数据，并能够对机车的常见故障进行自动识别【1 4 1 。地面管理中 心可以通过移动电话拨号的方式接入机车的故障自诊断系统，并下载系统中所 记录的机车故障诊断数据。 经过几十年的发展，西方发达国家针对本国的实际情况研制出比较完善的 机车运行监控系统。国外的很多成功经验对于研制符合我国实际情况的机车运 行监控系统均具有一定的借鉴和参考价值。 德国在机车运行状态的监控系统中采用l z b 技术并形成具有自我诊断功能 的e t c s 系统。e t c s 系统由若干个子系统组成，每个子系统由电子控制部件组 成，且各子系统均具备自我诊断的功斛”1 6 】。在e t c s 监控系统中，各子系统均 连接到车载微机网络控制系统中，系统在机车运行时对机车的运行状态和各子 系统进行检测【1 7 j 。当检测出机车处于非正常运行状态时，立即报警并记录相应 的机车运行数据，并通过e t c s 系统中的自诊断功能，分析判断机车当前处于何 种非正常状态，给机车值乘人员提供相应的处理建议【1 8 1 。 法国研制的t v m 4 3 0 型系统，采用光纤通信技术通过各种传感器采集机车 的各重要零部件的运行状态信息，并及时传送到司机操纵室，值乘司机通过显 示屏可以随时掌握机车关键设备的运行状况。此外，t v m 4 3 0 系统使用s r m 3 5 0 0 通信电台将机车的运行数据传送到地面监控中心，利于维修人员及时展开维修 工作，排除各种安全隐患，防止事故的发生【1 9 1 。 瑞典a d t r a n z 公司生产的e b i c a b 9 0 0 列车控制系统结构采用分散式模块方 式，通过网络连接，以点式应答方式来实现机车运输数据到地面控制中心的传 输。 日本新干线安装串口t r a c 监控系统对机车的运行状态进行实时监控。该 系统在司机操纵室安装有显示屏、机车控制设备、机车故障诊断模块等装置【2 0 】。 值乘司机可以通过这些装置及时的掌握机车设备的状态变化，t r a c 系统中的故 障诊断模块可以及时的检测出机车设备的故障所在，从而确保机车的运营安全。 在美国，在机车上采用a t c s 系统，通过无线通信将机车和地面控制中心连 接起来，实现对机车的智能控制。地面中心在接收到通过无线传输回来的机车 运行数据后，及时处理并给出相应的应对措施，以此保障机车的运行安全。 4 武汉理工大学硕士学位论文 上世纪8 0 年代末，随着铁路运输发展对安全生产的要求，以及更为客观地 判定行车事故责任。原郑州局江岸机务段在铁道部有关部门和一些高等院校的 协助下，于1 9 8 6 年共同研发出我国第一款列车运行监控记录装置机车运行 记录器，并开始在郑州机务段和江岸机务段上安装和试运行【2 1 - 2 2 。随着计算机 等相关i t 技术的不断发展和在实践中的不断探索完善，在1 9 8 9 年研制出成型产 品j k - i 型列车运行监控记录装置，之后又陆续研制出j k - i i 型、j k - 2 h 型、l i c i 9 3 型以及现在已经普遍运用于各机务段，技术相对成熟的l k j 2 0 0 0 型监控装置【2 3 1 。 这些监控装置都是利用计算机技术，将线路数据、允许速度及各类信号机 通过车载数据方式预先存储在监控装置数据芯片中。当机车行驶时，根据机车 所处坐标位置调用存储于芯片中的数据，同时采集机车运行前方信号机的显示 状态，实时计算机车制动距离，以此达到对机车运行安全的监控作用【2 4 】。 济南铁路局和北京天佑公司合作开发了“g s m 9 9 型列车无线数据传输系 统”，系统由车载部分( 包括天线与车载装置) 、地面部分( 包括地面服务器、 调制解调器、电话和相关软件) 组成。该系统主要用以接收和存储列车运行的 监控数据，并发出相应的控制指令对车载装置进行控制。系统的工作原理为： 利用监控装置记录板的输出口，通过相关的数字信号处理技术、调制解调器收 发技术实现对监控记录装置记录的列车运行数据的读出，再通过g s m 网络将列 车运行数据传送到机务段微机处理系统。 我国在机车安全运行监控系统的研究比起欧美日等发达国家起步相对较 晚。在经过过去近二十年的发展之后，我国在铁路机车安全运行监控方面也获 得了不小的进步，但与欧美日等国仍有较大差距。一些已经投入各机务段并开 始使用的机车运行监控设备与系统虽然对机车的安全运行起到了一定的作用， 但是仍不能完全满足铁路安全监管部门的需要。尤其是在实现机务段对机车运 行的远程监控和远程调度方面仍有许多需要完善的地方。 国外的机车监测系统已广泛采用分布式结构，并推出了针对机车的m v b 、 l o n w o r k s 等总线【2 5 锄】。国外系统虽具有技术先进、相对成熟的特点，但造价高 和运营维护成本高，技术受制于人，因此并不适合我国的国情和电力机车技术 改造的经济指标。此外，研制机车监控系统还与机车的机械、电气结构密切相 关，故而开发机车运行监控系统不能照搬国外的方式，必须结合我国机车特点 并借鉴国外在系统结构、实现方式等方面的优点进行开发【27 - 2 s 。 1 3 本文主要研究内容 5 武汉理工大学硕士学位论文 l k 3 2 0 0 0 型列车运行监控记录装置是一种现已普遍应用于我国各铁路机务 段内机车的运行监控装置。该装置含有多种传感器和测量仪表，能够实时监控 并记录下列车在运行过程中包括司机信息、总重、速度、信号灯等各项数据。 机车司机可以通过l 日2 0 0 0 监控装置显示的相关数据了解机车在铁路上的运行 状况。为了让机车地面管理中心实时掌握在线机车的运行信息，并对机车可能 出现的突发情况做出及时的应对，需要对机车的运行状况进行远程监控。同时 为了确保机车的安全运行，还应设计相应的报警系统对机车的运行状况进行分 析判断，对机车的非正常运行情况同时向司机和机车地面管理中心报警。 本文设计出一种机车安全信息查询报警系统，并主要对该系统中的车载移 动台进行研制设计。通过该系统可以让机车地面管理中心随时查询到机车的运 行状况，且当车载移动台检测出机车的运行处于非正常状态时，以语音形式及 时向司机报警。该系统为机车的运行安全提供了又一可靠技术保障。 该系统中的另一组成部分行车宝典，在从车载移动台获取机车的运行信息 之后，并对机车的运行数据进行存储和规整，生成司机报单，并将司机报单无 线传输至地面中心。减轻了司机在值乘中记点、手写填报单等作业负担。 本文主要对以下几个方面进行研究和设计： ( 1 ) 车载移动台从l k j 2 0 0 0 监控装置的c a n 总线接口获取机车运行时的相 关信号和数据。 ( 2 ) 车载移动台通过无线通信将采集到的机车行驶的相关信息发送至地面服 务器。 ( 3 ) 车载移动台对采集到的机车行驶信息进行分析判断，若判断机车处于非 正常运行状况，以语音的形式对司机进行报警，并将机车的非正常运行状况发 送至地面中心。其中包括对语音模块的电路设计以及语音芯片编码的设计。 1 4 论文结构安排 本文总共有6 章，各章的结构安排和主要内容为： 第1 章阐述了机车安全信息查询报警系统车载移动台的研究背景和意义。 对比分析了国外对于机车安全行驶的研究状况，确定了本文的研究内容，并划 分了论文的结构。 第2 章先介绍本文所设计的系统需要实现的主要性能，给出机车安全信息 查询报警系统的整个系统的构架和设计方案，并着重对系统中的车载移动台的 6 武汉理工大学硕士学位论文 研制进行详细设计和介绍。 第3 章详细介绍车载移动台的硬件设计。分别对机车行驶信息信号的采集、 机车行驶信息信号的无线传输、语音报警部分等相关模块进行了深入的分析和 设计。 第4 章主要介绍机车安全信息查询报警系统车载移动台的系统流程和各模 块的软件实现。 第5 章对整个系统的功能进行严格测试，给出测试结果。 第6 章总结了在机车安全信息查询报警系统车载移动台的研究中做的主要 工作，指出了在本文研究中存在的缺点。并对系统未来的研究和发展作出展望。 7 武汉理工大学硕士学位论文 第2 章机车安全信息报警查询系统功能框架设计 2 1 系统功能分析 机车安全信息查询报警系统由地面计算机管理系统和车载设备组成。其中 车载设备由车载移动台以及车载智能交互中心( 行车宝典) 组成。 研制该系统的根本目的是为了确保机车的运行安全。具体的表现在：通过 实现机车地面管理中心对在线机车的远程监控，让各机务段了解机车的实时运 行状况，从而对机车可能出现的非正常突发事件做出及时的应对和处理，实现 机务段对机车安全运行的远程调度。同时，系统中的报警功能为司机的安全驾 驶也提供了技术保障。 2 1 1 车载移动台功能 车载移动台的具体功能如下： 第一，为了准确的把握机车的运行情况，车载移动台检测到机车的以下关 键操作时，会立即发送机车速度、公里标等监控数据到地面中心。 ( 1 ) 车载移动台上电启动时； ( 2 ) 出库、入库时发送数据，形成出库机车列表； ( 3 ) 进入正常监控、退出正常监控时； ( 4 ) 机车进入降级控制时。 以上情况下，地面中心一旦接收到信号，都会有文字提示。其中出入库的 情况会在出入库列表中体现出来。 第二，当机车出现以下非正常情况时，车载移动台向地面中心报警： ( 1 ) 正常监控、站外、在绿灯情况下停车，恢复行车时发送解除报警信号； ( 2 ) 正常监控、站内、红灯情况下开车； ( 3 ) 正常监控、站外、在红灯情况下停车未满2 分钟开车； ( 4 ) 正常监控、站外、在红灯情况下停车超过2 分钟开车； ( 5 ) 在库外进行卸载制动； ( 6 ) 在库外进行常用制动； ( 7 ) 在库外进行紧急制动； 8 武汉理工大学硕士学位论文 ( 8 ) 在正常监控状态时下非正常停车( 管压在3 秒内从正常管压降至3 0 千 帕以下) ： ( 9 ) 监控装置记录了柴油机停机状况( 在库外柴油机停机5 分钟以上) ； ( 1 0 ) 特殊情况下，司机用车载设备的外置按键进行报警。 以上情况下，地面中心一旦接收到信号，会在电子地图上显示以红点显示 报警机车，并自动下载报警1 0 分钟之前的数据。 第三，其他类型： ( 1 ) 车载移动台根据地面中心命令，发送对应的时间段的数据到地面中心。 ( 2 ) 通过地面中心可以设置机车为重点关注车辆，车载移动台根据设置的时 间间隔，定时发送机车当前状态数据到地面中心，便于监测重点机车的实时运 行情况。 以上情况下，地面中心一旦接收到信号，会在本系统地面软件中的电子地 图上显示以红点显示报警机车，并自动下载报警1 0 分钟之前的数据。 2 1 2 行车宝典功能 行车宝典是车载移动台的软件组成部分之一。它从车载移动台获取机车运 行安全信号，主要包括司机信息、总重、速度、信号灯，运行揭示等，并当这 些信息形成事件时进行实时存储。在获取、存储数据的同时，行车宝典会对数 据进行分析判断，并自动生成司机报单，通过无线网络发送到地面。同时，行 车宝典还将铁路安全规章制度以及行车资料存储到设备中，便于司机查询。 行车宝典生成的电子司机报单包含以下内容：机车乘务员信息、机车出入 段时分、机车用电情况、机车领取油脂、补机及重联机车、列车运行及编组情 况、机车车辆工作成绩等。 行车宝典还存储了一些相关资料，便于值乘司机查询。相关资料包括：铁 路规章规程；机车乘务员管理办法、行车指南、运用综合、机务段安全管理制 度汇编、列车时刻、机车故障等。 为了能有效保障机车安全，行车宝典结合采集到的机车运行数据，在遇到 机车前方有安全揭示或限速信息、机车从车站出发或到站等信息时进行语音播 报，用以对司机进行提示。 2 2 系统的总体设计 9 武汉理工大学硕士学位论文 结合系统中车载移动台和行车宝典的具体功能，可以得到机车安全信息查 询报警系统的总体设计。 车载移动台是整个机车运行安全信息查询报警系统的控制核心。首先车载 移动台通过c a n 总线从l k j 2 0 0 0 监控装置上采集机车运行安全信号，主要包括 司机信息、总重、速度、信号灯等，并当这些信息形成事件时进行实时存储。 在采集、存储机车运行数据的同时，车载移动台通过无线传输方式将采集到的 机车运行数据发送到机车地面管理中心的服务器端。地面中心的服务器通过公 网口接入 n t c r n c t ，系统中的地面客户端便可以方便的查询到机车运行的相关信 息。此外，车载移动台会对机车运行数据进行分析判断，判断机车是否出现非 正常运行情况，一旦出现，通过语音向司机发出报警，并立即向地面中心报警， 以便使地面操作人员实时获取机车的非正常运行情况的相关信息。 行车宝典从车载移动台获取机车运行的相关数据，同时将这些数据进行规 整，生成司机报单，大大降低了司机手写报单的工作量。司机报单自动通过无 线网络传输到地面中心的服务器，经由地面系统软件处理后无缝衔接到现有的 报单统计软件，实现全流程自动化。机车信息查询报警系统的结构见图2 1 所示。 l k j 2 0 整一c a n 器 ； ； 地露客户靖 地面客户端地面客户端 图2 1 机车安全信息查询报警系统结构图 1 0 武汉理工大学硕士学位论文 2 2 1l k j 2 0 0 0 型列车运行监控记录装置简介 l k j 2 0 0 0 列车运行监控记录装置是在铁道部统一组织领导下，由多家科研机 构、企业及铁路营运部门联合开发研制的新型列车超速防护设备。该装置包括l 台主机、2 台显示器和用于机车运行状态信息采集的各种传感器。主机上有用于 模拟信号和数字信号输入输出以及通信等插件。l k j 2 0 0 0 以车载数据形式，将线 路数据、允许速度及各类信号机、车站坐标等信息预先存储在其内部的数据芯 片中。主机在机车运行时对机车的行驶速度、各类信号灯、车管压力等参数进 行计算、判断，并及时发出相关指令，以控制机车的安全运行【2 9 1 。l k j 2 0 0 0 的 组成结构见图2 - 2 所示。 妇兰扣幸t 掬输a1 个6yi r i ：1 穴咿l 干上妒l 硼、 _ 1l 人j i l 1 地囱佰忌输入 | 平面调车 g p s天线 、罾左隆目i r 机车控制器 l 调平循号i 接口。 一 ，j n b o 蚀d - r 壮罢： 1 1 j r 3 须仪表且3 j 0 机车信号 i 端 主机箱 i i 端 屏幕显示器 屏幕显示器 压力传感器， _ ， 本初切换装置速度传感器双针速度表 制动控制输出 图2 2 列车运行安全监控装置l k j 2 0 0 0 组成结构示意图 l k j 2 0 0 0 的主机箱由2 组一模一样但又彼此独立的a 控制单元和b 控制单 位构成。各组控制单元均含有8 个插件，主机通过相应的插件可以完成l k j 2 0 0 0 监控装置和外部其他设备的信号输入、输出及数据交换。主机箱插件排列示意 图见图2 3 所示。 武汉理工大学硕士学位论文 数 模 地地 模 数 字 数 拟 面面 拟 数 字 电 量 字 扩 量 通 信 监 监 信通 量 扩 字 量 电 源 输 量 展输 信 息 控 控 息信 输 展 量 输 源 插入输 通入 a 处 记 记 处 b入 通输入 插 件 出 入 信 出 理 录 录 理 出 信 入 出 件 aaa a a a a b b b b b b b 图2 3l k j 2 0 0 0 主机箱插件排列示意图 下面分别介绍l k j 2 0 0 0 监控装置中的相关插件的功能： ( 1 ) 监控记录插件 监控记录插件内含一个3 2 位的微处理器，为l k j 2 0 0 0 的控制核心。在机车 运行之前，向数据芯片中写入相关的铁路线路、车站坐标、各闭塞分区允许的 最大行驶速度等信息。当机车行驶时，微处理器通过各传感器采集到的机车运 行数据对机车的运行状态进行实时记录和计算，绘制出机车的运行曲线，并通 过总线对系统的其他部分进行控制管理。 监控记录插件具备隔离型同步通信接口，供工作主机与热备主机之间交换 数据，同步通信速率1 m b i t s ；串行总线通信接口采用c a n 总线标准，电气隔离， 通信速率5 0 0 k b i t s 。 ( 2 ) 电源插件 采用模块化电路，共有七个电源模块，分别输出5 v 、1 2 v 、1 5 v 、2 4 v 等电 压，共系统各电路工作。除5 v 、士1 2 v 外所有输出回路彼此相互隔离。所有输 入回路与输出回路隔离，互不干扰，隔离电压不小于1 0 0 0 v a c 。输入回路具备 过压抑制功能及过压欠压保护，当输入欠压饱和或过压保护时，可自恢复。 ( 3 ) 通信插件 通信插件包括2 个r s 4 8 5 串行通信通道、1 个r s 4 8 5 4 2 2 串行通信通道( 通 信协议可采用r m l c ) 和2 个c a n 通道。所有串行通道均采用光电隔离方式，通 信插件与主机之间采用c a n 总线方式进行数据交换。 通信插件是作用是通过r s 4 8 5 接口和c a n 接口让其他的外部设备能够和 l k j 2 0 0 0 的主机进行通信和数据交换，从而获得机车的相关运行数据。 ( 4 ) 地面信息处理插件 地面信息处理插件的主要功能是完成轨道电路绝缘节的判断，可根据需要 扩充对地面点式信息和轨道电路迭加信息的处理，为监控记录插件提供用以校 1 2 武汉理工大学硕士学位论文 正距前方信号机距离的绝缘节信号。地面信息处理插件采用c a n 总线与主机交 换信息。绝缘节信号以电平方式输出至监控记录插件，输入信号采用隔离放大 器进行隔离。输入信号电压范围为o v ，输入信号频率范围为2 0 h z 2 7 0 0 h z 。 ( 5 ) 数字量输入插件 数字量输入插件对机车的运行信号进行采集，然后l k j 2 0 0 0 中的监控记录 插件再通过数据总线对采集到的机车运行信号进行采样。数字量输入插件的所 有输入通道采用光电隔离方式进行隔离，隔离电压不低于5 0 0 v a c ，具备自检回 路，供主机对各输入通道进行检查。 ( 6 ) 数字量输入输出插件 对机车工况输入信号进行隔离与转换，其输出信号完成对机车的卸载操作 和制动操作的控制。当系统出现故障的时候，数字量输入输出插件输出一个“系 统故障信号，使得l k j 2 0 0 0 监控装置转换为降级运行模式。所有输入通道采用 光电隔离方式进行隔离，隔离电压不低于1 0 0 0 v a c ，数字量以继电器出点输出 方式输出。 ( 7 ) 模拟量输入输出插件 模拟量输入腧出插件具备a d 转换功能，a d 转换采样分辨率不低于l o 位，a d 转换时间 4 。模拟量输入输出插件是安装于 机车上的各种传感器、测量仪表同监控记录插件间的接口。机车上的传感器才 采集到的机车行驶的各类模拟信号通过模拟量输入输出插件、经a d 转换后输 入到监控记录插件中的微处理器，并将各项监控数据显示在l k j 2 0 0 0 的液晶屏 卜。 图2 _ 4l k j 2 0 0 0 监控装置显示屏示意图 1 3 武汉理工大学硕士学位论文 l k j 2 0 0 0 监控装置的显示屏为块分辨率6 4 0 4 8 0 的可高亮度彩色液晶 屏，液晶屏和监控主机之间采用c a n 总线标准进行通信 3 0 1 。l k j 2 0 0 0 监控装置 的屏幕显示界面见图2 4 所示。 乘务员按压l i c l 2 0 0 0 型屏幕显示器面板上的按键，可进行相应参数设定操 作及各种查询操作。 显示器界面右侧依次为：故障、降级、紧急、常用、卸载、解锁、开车、 调车、控制权、巡检指示、i c 卡、a b 机、支线、侧线。其含义分别是： 故障：监控主机与显示器发生通讯故障时，该指示灯亮，表示显示故障。 降级：装置处于降级状态时，点亮此指示灯。 紧急：装置处于紧急制动工况时，点亮此指示灯。 常用：装置处于常用制动状态时，点亮此指示灯。 卸载：装置处于卸载状态时，点亮此指示灯。 解锁：解锁成功后，此灯点亮。 开车：开车条件满足时，允许按“开车”键，此灯点亮。 调车：装置处于“调车”状态时，“调车 灯点亮。 控制权：指示本端显示器是否有权，当本端显示器有权时显示“有权”。 巡检指示：在按巡检键后，此指示灯会亮4 秒钟。 i c 卡：当检测到有i c 卡插入i c 卡槽时，此指示灯亮。 a b 机：显示当前到底是监控主机的哪个控制单元在工作。 支线x x ：当允许支线输入时，该灯点亮，并显示支线号。 侧线i x - 当允许侧线输入时，该灯点亮，并显示侧线号。 2 2 2 机车安全运行车载移动台各部分的设计 本文研究的机车安全信息查询报警系统车载移动台的研制主体可以分为三 个部分：第一部分为车载移动台采集机车运行信息，即机车运行信号的采集部 分；第二部分为车载移动台将采集到的机车运行信息传送到地面