车载设备综合仿真检测（培训）系统设计

葛学仁

摘 要：为了使车载设备维修、检测人员能够熟练掌握车载系统的基本结构和操作程序，满足大量培训任务需求，组织研发了具有集成化、情景化、实战化特点的车载设备综合仿真检测（培训）装置，解决了电务与机务结合部薄弱环节问题，提高了职工分析判断、处理故障的能力。

关键词：车载设备；动态检测；仿真

中图分类号：U284 文献标识码：A

1 项目背景

车载设备是利用列车运行监控装置（LKJ）显示器和机车信号机，将列车运行前方的线路情况、机车运行和司机操控过程等信息，以语音文字、灯光显示、图形曲线等方式显示出来，充分发挥了车载设备对列车运行安全的保证作用。作为确保铁路行车安全的重要装备，维修检测人员只有通过强化日常的培训学习、模拟演练，才能熟练了解掌握车载设备的基本原理结构、掌握正确的操作步骤和程序。一旦车载设备发生故障，能够快速准确的解决处理，确保车载设备始终处于安全稳定状态。

在信号工（车载设备）专业教学计划及培训学习过程中，车载设备原理结构和操作程序等内容是培训学习的重点和难点，要保证该项培训学习内容的顺利完成，单靠维修检测人员正在运用中的机车进行现场操作是不现实的，首先严重影响机车的正常运转和运输秩序，其次对职工的人身安全构成巨大的风险隐患。另外，受各种条件的限制，机车运行速度、各种压力、司机操控过程等相关内容无法达到以实物做实训的效果，只能依靠“监控装置综合诊断仪”模拟完成。基于以上原因，为使学习培训达到与运用机车现场相近的效果，而又不仅仅依赖于现场运用机车，同时能满足大量培训任务需求，我们集思广益、自主研发生产了具有集成化、情景化、实战化特点的车载设备综合仿真检测（培训）装置系统，为铁路电务职工培训学习创造了条件。

2 系统组成

机车车载设备综合仿真检测（培训）系统由电源单元、信号接收单元、速度单元、压力单元、操作单元、执行单元和电缆单元等共计七部分组成。

2.1 电源单元。电源单元是驱动各个单元协调统一工作，实现整个装置系统各项功能发挥作用的“心脏”。而正常使用的220V常用电压，对装置系统来讲是不能直接使用的。必须外设电源模块，然后依次逆变为110V的稳压电源，供列车运行监控装置（LKJ）主机箱、显示器、信号主机、I、II端信号机使用。同时将110V再次逆变为24V电源模块，供制动柜（流体阀、电控阀、放风阀、截流阀）的继电器使用，其效果与模拟列车运行监控装置（LKJ）主机的电源插件基本相同。该电源使用的稳压逆变电源为脉宽调制开关类型，脉宽调制器件使用SG2525A型号的集成电路芯片，选择大功率肖特基及快速整流二极管作为整流输出部分（如图1所示）。

2.2 信号接收单元。信号接收单元俗称机车信号，是机车车载设备的“千里眼”，我们利用旧钢轨加装接收线圈，用发码器发码，模拟轨道电路在移频、交流计数、UM71、ZWP-2000A等制式下，通过LKJ主机的地面信息处理插件提供各点灯条件。当机车接收到与地面信号相对应的电码、频率（简称为信息）时，机车信号对应显示与地面一致的信号灯光，地面信息不发生变化，机车信号显示同样保持不变；当机车或地面上的信号设备发生故障时，机车信号绝对不允许出现显示升级（如图1所示）。

2.3 速度单元。速度系统在列车运行监控装置（LKJ）设备中占有“举足轻重”的地位。速度曲线经列车运行监控装置（LKJ）主机内部计算后，直观的体现在显示器上，机车乘务员可以实时判断当前列车的运行速度。在本装置中外加了电机，以此来模拟机车牵引电机的转速，通过速度调控器和外接速度传感器，提供模拟速度信号。同时安装双针速度表，保证模拟速度值的精准度，模拟机车从1KM/H逐渐攀升到规定速度运行。另外还可以模拟超出限速，即时达到卸载、常用制动、紧急制动等功能。该系统可接入3路速度输入信号端口，在机车正常运行状态下，利用速度控制系统调节输入电机电流，进而对速度传感器转速进行控制，速度传感器将2、3路速度信号传入至列车运行监控装置（LKJ）主机中的模拟量输入/输出插件中，各速度传感器均采用列车运行监控装置（LKJ）主机中电源插件进行统一供电，电压为15V（如图1所示）。

2.4 压力单元。该单元的压力传感器，主要是通过列车运行监控装置（LKJ）主机的模拟插件使机车乘务员在显示器上直观的看到列车管、均衡风缸、制动风缸的压力数字值。我们利用旧有的压力传感器试验台，选择能够使用的部分进行改装，如：利用小型空气压缩机、截留阀等提供压力信号，并在压力表上直接显示压力值。该系统可接入4路压力输入信号端口，在机车正常运行状态下，可控制列车管压力、制动缸压力和均衡风缸压力信号各1路，各压力传感器均采用列车运行监控装置（LKJ）主机电源插件进行统一供电，电压为15V。各压力传感器将检测到的压力信号分别传入到列车运行监控装置（LKJ）主机的两套模拟量输入/输出插件的压力输入端口中（如图1所示）。

2.5 操作单元。仿真检测（培训）系统研发成员充分发挥各自特长，集思广益，自制了模拟机车乘务员作业的仿真“操纵台”。通过多个转换开关，将机车工况状态真实再现。其中可以实现向前、向后、牵引、制动、零位、非零位和各压力通道值（列车管、闸缸、均1、均2、缓解、制动）的互相切换；同时通过各种指示灯直观的显示“减压、保压、卸载、常用、紧急”等情况。在此基础上外接了“警惕按钮”，实现列车在接近超限制速度的紧急情况下，报警后的解除（如图1所示）。

2.6 执行单元。执行单元是利用旧有的压力测试台，并加装了流体阀、截留阀、电控阀、紧急放风阀和延时风缸。它的主要作用是：模拟列车在卸载情况下，准确切除牵引电流；常用制动情况下，准确切除牵引电流和100～120kPa压力的减压量；紧急制动情况下，准确切除牵引电流和列车管600kPa的压力，达到防止机车“冒进”的目的（如图1所示）。具体表现在列车运行监控装置（LKJ）常用制动、紧急制动试验项我们增加了4个指示灯，分别是：紧急指示灯、卸载指示灯、减压指示灯和保压指示灯。在试验过程中，通过指示灯的点亮与否及其点亮的时间可以非常直观地看到制动控制功能的好坏。常用制动时卸载指示灯和保压指示灯各点亮10秒，而减压指示灯只点亮4秒，非常直观地显示了数字量入/出插件在常用制动的时候输出3项功能及时间的不同。为了实现减压与紧急排风，又将旧有的压力测试台进行了改造，可以实现常用制动时列车管减压在110±10kPa范围；紧急制动试验时可以将列车管压力排零。 由于条件有限，该系统只能装设一个压力传感器，通过转换开关可以切换压力通道，将列车管、闸缸、两个均衡风缸压力进行检测，保证管压按照不同要求进行实时调整，真实地模拟机车大小闸。工况检测也是通过转换开关的切换来模拟机车换向手柄及调速手柄的位置，操作起来简单明了。机车速度是通过调速电机来驱动速度传感器的，调速操作起来非常平稳方便。

2.7 电缆单元。仿真检测（培训）系统所有设备的连接需要相关专用电缆，除了能够使用的电缆外，在制作和改造过程中，许多连线形成新的电缆。为了能够模拟机车实际情况，自制端子排和接线端子、打印连接线号，将相关连线连在一起。这一点，对于初学者来说能够“一目了然”的了解掌握机车上的维修检测作业实物和发生线路故障后的查找处理方法。

3 系统硬件技术参数指标

3.1 电源。监控装置110V供电、系统手柄条件110V、色灯50V：由220V日常电压经开关电源稳压后提供。

3.2 开关量输入输出。① 16路色灯50V数字量输出，电源电压10V～50V程控可调，总驱动电流≥60mA，单路驱动电流≥5mA，光电隔离电压≥1000V。② 8路手柄110V数字量输出，电源电压20V～110V程控可调，总驱动电流≥50mA，单路驱动电流≥5mA，光电隔离电压≥1000V。③ 15路继电器触点数字量输入，DC110V输入，光电隔离电压≥1000V，紧急制动电路用A/D采样。

3.3 模拟量输入输出。① 4路压力传感器信号输出，电压范围0～5V分别可调，分辨率≥10位，驱动电流≥5mA，不隔离。② 1路双针表速度信号输出，信号范围0～20mA，分辨率≥10位，不隔离。③ 1路双针表速度信号输入，信号范围0～20mA，分辨率≥10位，不隔离。④ 1路双针表里程驱动输出，信号幅值24V，脉冲宽度200ms，驱动电流≥20mA，不隔离。⑤ 1路双针表里程驱动输入，信号幅值24V，脉冲宽度200ms，光电隔离电压≥1000V。

3.4 频率量输出。① 3路速度传感器不过零正方波信号输出。频率0～6kHz分别程控可调，分辨率≤2Hz。幅值0～12V分别程控可调，分辨率≤50mV。总驱动电流≥15mA，单路驱动电流≥5mA。3路信号相位差能以900为单位任意程控设定。② 1路轨道信号输出，信号峰值范围0～12V程控可调，分辨率≤50mV，频率范围20Hz～3000Hz，驱动电流≥5mA。轨道信号包括移频、UM71、交流计数、极频（可选）等信号制式，按有关标准设计。

4 主要功能特点及可靠性

4.1 主要功能特点

4.1.1 具有车载系统一体化检测功能。本系统包含了现有机车中车载（监控装置、机车信号）系统的所有设备，解决了因设备操作影响机车正常运转的问题，能够组织现场职工对机车检测、检修、数据换装等标准化作业流程进行培训和练习，提高实际动手能力。

4.1.2 具有培训应急演练的功能。本系统在培训职工日常作业标准的基础上对现场信号车间的值班人员进行培训，了解、熟悉车载系统相关设备的同时对一些突发性高的、发生频繁的、能够快速处理的故障进行模拟演练，提高对车载设备故障的应急处置能力。

4.1.3 具有还原已发生设备故障、查找真实原因的功能。针对实际工作中部分因检测手段贫乏、检测设备单一而造成设备故障现象无法还原、故障原因分析不清的问题。通过该系统可以根据机车运行文件记录、信号接收情况等数据还原机车乘务人员当时的操作过程，模拟机车当时的运行状况，重现设备发生异常时的故障现象，即时检测当时设备状态，进而准确的判断故障原因，制定有效的防范措施。

4.1.4 具有模拟试验LKJ新版数据的功能。通过系统模拟机车在任意区段下各种运行状态的功能，操纵机车模拟试验新版的LKJ程序或数据，在数据更改区段对机车各种运行状态下数据应用情况进行校验，使数据校验工作更贴近于实际，提高了数据的安全性、准确性和稳定性。

4.1.5 具有试验设备电气特性的功能。通过对车载设备输入信息的改变，对相关车载设备的状态变化以及对车载系统中其他设备的影响进行检测和记录，了解设备的电气特性及车载系统的联动性，保证设备运行安全。

4.1.6 具有设备环境控制功能。在设备使用可允许范围内对温度进行调控，可自主设定调节设备箱体温度，当温度超过限定范围时，进行声光报警。系统内部装有温控加热设备，可对车载系统相关设备进行加温或设定某一温度值，模拟机车实际运行过程中的温度变化，可查看车载系统的各个设备在高温环境下的运行状态，检验设备的安全性和稳定性。

4.1.7 具有实时自动监测功能。车载系统中监控专职可通过CAN总线对各项设备进行实时自动监测，对监测发现的各类异常信息进行记录，检测人员可通过显示器下载并查看机车运行信息，或手动设定各类信息信号对系统设备进行检测，保证设备满足现有的各类工作需求。

4.1.8 具有车载系统信息管理功能。 通过车载系统中机车运行信息记录文件，可对检测过的车载设备进行文件转储分析，并上传至铁路文件局域网络平台中，对数据信息进行共享，使各部门能够实时动态的掌握机车运行状态，多级卡控设备安全。

4.2 系统可靠性。从系统的整体设计角度出发，严格按照系统设计要求和规范，强化系统中各单元模块及功能作用的集成统一，体现系统工程的理论和概念，实现各系统之间的有效链接。该系统元器件均选用工业级标准器件，经过多次的检测和试用，均未发生隐患问题，实现了设备的安全、稳定、可靠等特性。

5 运用效果分析

（1）该仿真检测（培训）系统达到了《机车车载设备综合仿真检测（培训）装置》的各项功能的准确体现。直观的显示了列车运行监控系统（LKJ）的“防列车运行时的冒进、冒出”、“防地面信号灭灯、关闭的冒出、冒进”、防“道岔处超速”的功能。（2）该仿真检测（培训）系统将分散、抽象安装在机车上的LKJ车载设备，整体位移至地面集中模拟、联动，解决了诊断仪、测试台的“集成化”和“单一化”的问题，将诊断仪、测试台拆、解，分化，达到了让培训人员看的见、摸的着的直观效果。（3）该仿真检测（培训）系统是开展车载设备培训工作的实物教材、操作模型。即使不是专业人员也可在短时间内了解车载设备的工作原理。改变以往故障处理时，各种设备插件、设备电源、机车运行速度、压力只能使用数据参数的历史。（4）该仿真检测（培训）系统能够有效解决电务与机务结合部薄弱环节问题，了解掌握机车司机操控的整个过程，提高分析判断、指挥处理车载设备故障的能力和水平。

参考文献

[1]杨志刚.LKJ2000列车运行监控记录装置[M].北京：中国铁道出版社，2003.