摘要：文章簡述了 「lkj司機警惕監控系統」的設計背景、設計思想和設計原則,簡要介紹了系統硬體、軟體設計、安裝方案、主要功能和推廣應用情況。
關鍵詞： 列車執行安全機車司機警惕控制
作者： 謝興中徐盛火
一、引言
自2023年鐵路第五次大提速以來，鐵路大量開行直達列車，推廣單司機、雙班單司機值乘，列車執行速度和密度不斷提高，機車司機操縱列車所承受的壓力也越來越大。雖然機車行車安全裝備和司機標準化作業水平有了很大提高，列車超速、冒進訊號事故基本得到控制，但司機在值乘過程中因瞌睡打盹、意外傷病等引起操縱列車能力的喪失，仍然嚴重威脅列車的執行安全。2023年7月4日太原鐵路局管內遷曹線82003次貨物列車冒進京唐港站進站訊號機，與一台出庫單機發生正面衝突，造成機車乘務員死亡3人、輕傷1人，82003次機車和5輛貨車脫軌；2023年7月23日蘭州鐵路局管內蘭新線85209次貨物列車反向溜逸，與後行剛剛停車的n857次旅客列車發生衝突，造成85209次貨物列車7輛貨車顛覆，2輛貨車脫軌，n857次機車脫軌，在事故救援過程中發生了導致多人**的二次事故。
據鐵道部分析，這兩次事故的直接原因均是「機車乘務員嚴重違反勞動紀律，值乘中打盹睡覺」。為此，實現列車執行全程對機車司機警惕狀態的監控，成為保障列車執行安全的重點之一。
2023年9月鐵道部組織部內專家和上海、武漢、成都鐵路局機務處相關人員召開專題會議，研究在機車上加裝警惕裝置技術方案，對有關鐵路局提交的方案進行論證，按照功能單
一、操作簡單、節省投資的原則，確立了在上海鐵路局lkj2000「進站警惕」基礎上，進一步完善、擴充套件功能的指導思想，並發布《關於統一司機警惕裝置實施方案的通知》,確定了總體技術方案。2023年9月開始，上海鐵路局機務處、電務處聯合lkj裝置廠家開始進行「lkj司機警惕監控系統」研製。
二、功能設計
上海鐵路局在lkj2000型列車執行監控裝置基礎開發的「進站警惕」功能，主要原理是利用並拓展既有lkj2000型監控裝置功能，通過加裝按鈕，根據司機在列車進站前是否按壓按鈕來監控司機的精神狀態，如果司機未按設定條件按壓按鈕，監控裝置自動報警，直至實施制動迫使列車停車[1]。在此基礎上，課題組通過對機車乘務員操縱進行大量調研分析，確定了系統功能設計原則、司機警醒狀態的檢測手段和控制功能。
1.設計原則
(1)能有效地使司機處於警醒狀態。
(2)在確認司機警醒的時候儘量減少司機操作。
(3)在保證功能的基礎上儘量減少占用lkj2000型監控裝置資源。
2. 司機警醒狀態檢測方案
(1)進站前檢測。列車進站是列車執行的關鍵地點之一，確保司機在進站前保持警醒狀態，及時確認進站訊號，是保障列車執行安全的關鍵。因此有必要在列車進站前對司機警醒狀態進行檢測，促使司機保持警醒狀態。
(2)週期檢測。按車站間平均距離15km，旅客列車平均時速120km/h、貨物列車平均時速70km/h計算，旅客列車、貨物列車在站間執行時間分別約為7.5分鐘、13分鐘，在此期間，為促使司機保持警醒，必須定時對司機警醒狀態進行檢測。
時間間隔（警惕週期）須合理選擇，週期太長不能達到警惕作用，週期太短易產生以下問題：
干擾司機操縱：車機聯控、接收排程命令、核對執行揭示、制動調速等操作都可能與按壓警惕按鈕重疊，容易造成司機顧此失彼。
易導致司機產生機械動作，失去警惕作用（原ztl自停裝置有過教訓）。
司機一次出乘時間比較長，平均每趟要按壓按鈕近千次，成為導致司機疲勞的又乙個因素。
占用lkj2000的cpu的執行時間、通訊通道等資源太多。
3.司機警醒狀態的檢測手段
列車執行中司機是否保持清醒狀態，可通過檢測司機操作機車上相關裝置所產生的電訊號、風壓訊號變化實現。司機操縱時能夠檢測到的電訊號、風壓訊號有製動機手柄移動、牽引主手柄移動、雨刷控制、撒砂、鳴笛等等。基於降低成本、減少投資考慮，系統僅使用制動機手柄移動所產生的列車管壓力、閘缸壓力以及牽引主手柄移動所產生的「零位」、「非零位」訊號，這些訊號lkj2000型監控裝置已採集、處理。
此外，在司機操縱台上增設應答按鈕開關作為補充，在既無制動機手柄操作又無牽引主手柄操作時，通過司機是否按壓應答按鈕開關檢測司機警醒狀態，這與其他系統採用腳踏開關的方式是一致的。
4.檢測到司機可能失控後的控制
系統應具有友好的人－機介面，在檢測到司機精神狀態不佳可能失控時，優先採取較緩和的提示、警告方式，警告失效後實施制動迫使列車停車。系統檢測到司機未按要求進行相關操縱或應答時，在一定的時間內，先是顯示器顯示醒目標誌予以提示，然後發出聲響警告，最後實施自動停車控制迫使列車停車。在提示、警告期間，司機應答後終止，避免實施制動停車，這樣既實現了促使司機警醒的目的，又減少了對列車執行的影響。
自動停車控制遵照lkj2000的速度控制模式，即具備常用制動功能時實施常用制動控制，不具備常用制動功能時實施緊急制動控制，這樣既保證了在司機失控的情況下列車的可靠性停車，又避免了實施緊急制動可能帶來的列車安全其他隱患。
5. 事件記錄與分析
為既盡可能減少lkj2000記錄資料量，又滿足分析需求，對於在一次檢測、控制過程中司機按壓應答按鈕開關只記錄操作有效的第一次，系統實施控制的相關事件（警告開始、結束，實施自動停車控制過程等）實時記錄。通過對既有地面分析處理軟體進行適當修改，實現對上述記錄事件的檢索分析[2]。
三、系統實現
1．系統構成
系統由lkj2000監控裝置主機、螢幕顯示器、警惕應答按鈕開關及相關電纜組成，構成框圖如圖1所示。
圖1 系統構成框圖
（1）lkj2000主機箱：指lkj2000型監控裝置主機，數字量輸入/輸出外掛程式進行適應性改造。
（2）螢幕顯示器：指lkj2000螢幕顯示器，進行適應性改造，增加警惕語音作為聲光報警裝置。
（3）警惕應答按鈕開關：在機車操縱台上加裝的採集裝置。
2.裝置改造
(1)lkj2000主機數字量輸入/輸出外掛程式的改造
為滿足警惕應答開關電氣特性，其觸點電流需要≥10ma才能可靠導通，現有數字量輸入/輸出外掛程式110v通道電流約為3.8ma，不能滿足要求，需對數字量輸入/輸出外掛程式進行改造，更換限流電阻（見表1），調整後的通道電流約為10.6ma。
表1 數字量輸入/輸出外掛程式電阻調整
(2)顯示器ic卡語音板的改造
顯示器語音採用讀取語音**的方式實現，警惕警告聲音如採用讀取語音**的方式，聲音較小無法達到真正「警惕」的效果，警惕報警語音和其他語音同時出現時發生衝突。因此需ic卡語音板進行改造，改造方法：
已有鍵聲通道的顯示器。語音晶元**更新；調節ic卡語音板電位器w1，使其達到最佳聲音效果。
沒有鍵聲通道的顯示器。語音晶元**更新，更換ｉｃ卡語音板，更換螢幕顯示器底板與ic卡語音板連線線扎。
3．軟體設計
系統軟體嵌入在lkj2000軟體中，主要包括警惕控制初始化模組和警惕控制主模組，流程圖如圖2所示。
圖2 系統呼叫流程圖
(1)警惕控制初始化模組用於初始化警惕控制模組的相關運算資料，這些資料儲存在監控主機外掛程式的dallas1250晶元中，該晶元的資料在掉電時通過自帶電池儲存，當系統上電後，需要執行一次該模組進行初始化資料處理。
(2)警惕控制主模組實現警惕監控的所有功能，包括進站訊號確認處理、週期警惕控制處理和警惕裝置狀態檢測3個子模組，分別實現進站確認、週期警惕和裝置狀態檢測功能。lkj主模組每個執行週期呼叫警惕控制主模組一次。
4．警惕應答按鈕安裝方案
警惕應答按鈕開關安裝在司機操縱台上司機右手易於操作，便於鑽孔安裝且不影響操縱台結構強度，不妨礙其他按鈕、開關操作的位置。按鈕型號為符合iec、en、gb相關標準的xb2-b金屬型按鈕，該型按鈕的特點是堅固、可靠、防水、壽命長（機械壽命達300萬次，電氣壽命達100萬次），適應於頻繁操作和承受非正常的物體擊打；具有防震的螺釘接線端子和固定螺釘，適應於機車上振動較大的環境；採用模組化分體安裝方式，安裝快速簡單，便於維護。
針對不同型號機車操縱台面板材質、厚度不同，課題組設計了6種按鈕開關安裝方案。其中，面板厚度7.5～13mm車型的按鈕安裝示意圖如圖3所示。
圖3 面板厚度7.5～13mm車型按鈕安裝圖
警惕應答按鈕開關電氣連線與lkj2000螢幕顯示器配套，當ⅰ端螢幕顯示器具有操作權時，只有ⅰ端警惕應答按鈕有效，當ⅱ端螢幕顯示器具有操作權時，只有ⅱ端警惕應答按鈕有效。電氣連線示意圖如圖4所示。
圖4 警惕應答按鈕電氣連線示意圖
五．警惕監控功能
系統基於lkj2000車載資料、測速、測距、制動控制及其控制模式，通過警惕應答開關、機車主手柄位置、列車管壓力、閘缸壓力採集司機應答資訊，實現「進站確認」、「週期警惕」監控功能。
1.進站確認
lkj2000在通常監控工作狀態，列車執行途中，當lkj顯示器顯示的前方訊號機為進站、進出站訊號機，且其次一訊號機為出站或進出站訊號機時，顯示器語音提示「請確認訊號」2遍。在列車越過訊號機前，司機要按壓1次警惕按鈕開關（按下並鬆開），否則，列車越過訊號機後，lkj啟動「警惕控制過程」。控制示意圖如圖5所示。
2. 週期警惕
lkj2000在通常監控工作狀態，列車執行途中，速度大於5km/h時，啟動週期警惕功能；列車速度小於3km/h，終止週期警惕功能。控制示意圖如圖6所示。
系統啟動週期警惕功能後，開始計時。計時過程中，滿足列車管減壓50kpa及以上、閘缸壓力大於等於50kpa或者機車工況（零位/非零位）狀態變化之一時，計時重新開始，若計時達到120秒則啟動「警惕控制過程」。
2. 警惕控制過程
系統啟動警惕控制後，顯示屏彈出「警惕」提示視窗，並從20秒開始倒計時，倒計時到10秒時伴以「嗚嗚」報警聲，倒計時到0時則實施制動控制。計時過程中，滿足按壓警惕按鈕開關1次、列車管減壓50kpa及以上、閘缸壓力大於等於50kpa或者機車工況（零位/非零位）狀態變化之一時終止本次控制過程（停止倒計時、提示視窗取消、停止報警）。控制示意圖如圖7所示。
六、與同型別裝置的比較
系統基於lkj2000型監控裝置，充分利用了既有裝置及其技術和維護管理體系，與hxd3等機車上單獨安裝的警惕裝置相比，系統功能設定靈活，投資少，安裝簡便，後期維護投入少。與hxd3機車上安裝的警惕裝置比較見表2。
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