城市軌道交通檢票機自動化測試系統(tǒng)研制

李 巍 陳浙寧 王 昆 黃 寧 楊 軍 李 暢

(1.武漢地鐵集團有限公司建設(shè)事業(yè)總部通號部,430063,武漢;2.武漢地鐵運營有限公司通號部,430063,武漢∥第一作者,工程師)

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城市軌道交通檢票機自動化測試系統(tǒng)研制

李 巍1陳浙寧1王 昆1黃 寧1楊 軍2李 暢2

(1.武漢地鐵集團有限公司建設(shè)事業(yè)總部通號部,430063,武漢;2.武漢地鐵運營有限公司通號部,430063,武漢∥第一作者,工程師)

目前,城市軌道交通自動檢票機壓力測試及通行能力測試環(huán)節(jié)尚無成熟的自動化測試系統(tǒng),現(xiàn)場人工測試效率低、勞動強度大、準確性低,測試人員需要熟悉交易數(shù)據(jù)的統(tǒng)計分析。在分析自動檢票機工作原理和測試邏輯的基礎(chǔ)上,成功研制了基于ARMv7 Crotex M3+Android智能手機應(yīng)用軟件的移動式自動化測試系統(tǒng),使自動檢票機的壓力測試和通行能力測試環(huán)節(jié)達到自動化、多模態(tài)組合、準確高效的目的。介紹了自動化測試系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)、功能、實現(xiàn)原理以及關(guān)鍵技術(shù)。

城市軌道交通; 自動檢票機; 自動化測試系統(tǒng); 壓力測試; 通行能力測試

First-author′s address Construction Enterprise Headquarters of Wuhan Metro Group Co.,Ltd.,430063,Wuhan,China

城市軌道交通自動檢票機是車站自動售檢票系統(tǒng)中的設(shè)備,在運用前,需要對其進行壓力測試和通行能力測試,驗證其正確性與穩(wěn)定性已達到要求。壓力測試,要求設(shè)備對上千張票卡連續(xù)檢票,查驗通行速率是否達標及交易記錄的正確性。

目前,國內(nèi)普遍采用的測試方法是組織大量人員在車站現(xiàn)場通過“暴走”的形式循環(huán)往復(fù)排隊刷票過閘。此方法的弊端是人力資源耗費大。因此,人們希望有一種能夠準確記錄測試數(shù)據(jù),替代人員行走過閘的設(shè)備。筆者在分析自動檢票機工作原理的基礎(chǔ)上,采用嵌入式系統(tǒng)和Android移動式應(yīng)用技術(shù),成功研制了基于ARM (Advanced RISC Machines)系統(tǒng)+Android智能手機應(yīng)用軟件的便攜式現(xiàn)場測試設(shè)備,使測試人員可以輕松高效、準確可靠地同時完成壓力測試工作。

1 自動化測試系統(tǒng)的設(shè)計

1.1 自動檢票機工作原理分析

相對于推桿式檢票機(見圖1),門扉式檢票機(見圖2)具有不會對乘客(攜帶行李)通行造成阻礙,乘客通行過閘速度快等優(yōu)點。門扉式檢票機內(nèi)置的“乘客通行控制管理模塊”(PCM)采集乘客通行過閘時遮擋紅外光電對射傳感器所產(chǎn)生的信號并計算識別出通行行為結(jié)果(見圖3),此結(jié)果發(fā)送給檢票機內(nèi)部的“主控單元”(MCU),由其結(jié)合從讀卡器獲取的票卡數(shù)據(jù)完成檢票過閘業(yè)務(wù)的處理工作。本文論述的自動化測試系統(tǒng)主要針對門扉式檢票機進行設(shè)計。

1.2 自動化測試系統(tǒng)結(jié)構(gòu)

自動化測試系統(tǒng)包括業(yè)務(wù)模擬器和Android應(yīng)用分析軟件兩部分。業(yè)務(wù)模擬器為安裝于自動檢票機上的ARM嵌入式硬件系統(tǒng),實現(xiàn)乘客通行樣本錄制、行為模擬、時序控制等功能,并通過藍牙信道向智能手機發(fā)送測試數(shù)據(jù);Android應(yīng)用分析軟件安裝于智能手機上,實現(xiàn)參數(shù)配置、狀態(tài)顯示、統(tǒng)計分析以及數(shù)據(jù)對比驗證功能。

圖1 推桿式檢票機

圖2 門扉式檢票機

圖3 門扉式檢票機關(guān)鍵部件示意圖

業(yè)務(wù)模擬器采用模塊化設(shè)計,由運算處理核心、信號同步采集模塊、傳感器驅(qū)動模塊、藍牙通信模塊組成,可適用于不同型號的檢票機。運算處理核心模塊(見圖4)設(shè)計為嵌入式小系統(tǒng),其上承載ARMv7 Crotex M3內(nèi)核的嵌入式MCU (ST公司的STM32F103RD,主頻為72 MHz)、外部晶振、電源組件和I/O(輸入/輸出)接口電路。具備一個32位數(shù)字量I/O接口,一個SWD調(diào)試接口,兩個RS232接口和一個可以連接藍牙通信模塊的USART-TTL接口。

圖4 運算處理核心模塊結(jié)構(gòu)圖

1.3 測試系統(tǒng)運作簡述

測試時,在自動檢票機內(nèi)安裝業(yè)務(wù)模擬器,連接紅外對射傳感器電纜、讀卡器RS232線纜,從直流電源模塊取電。自動化測試系統(tǒng)結(jié)構(gòu)如圖5所示。

測試過程為:①測試人員在檢票機入閘或出閘端刷票,業(yè)務(wù)模擬器通過RS232接口監(jiān)聽檢票機讀卡器與主控單元之間的數(shù)據(jù),鑒別出有效刷卡;②業(yè)務(wù)模擬器根據(jù)票卡種類(老人票、兒童票、殘疾人優(yōu)惠票、普通票等)從樣本庫中提取對應(yīng)的通行行為樣本,計算生成驅(qū)動數(shù)據(jù)發(fā)送給傳感器驅(qū)動模塊;③傳感器驅(qū)動模塊“點亮”或“熄滅”檢票機上的各個紅外對射傳感器(發(fā)射端),在物理上等效實現(xiàn)了“乘客通行行為”;④上述過程中產(chǎn)生的檢票數(shù)據(jù)和客流數(shù)據(jù)通過藍牙模塊發(fā)送至Android智能手機,其上的應(yīng)用分析軟件存儲數(shù)據(jù)并形成分析評估時所需的審計依據(jù);⑤Android智能手機從SC(車站計算機)導(dǎo)入并解析檢票機生成的交易數(shù)據(jù),作為比對分析的備審數(shù)據(jù)。在測試停止后,通過對比審計依據(jù)和備審數(shù)據(jù)即完成對自動檢票機真實性能的量化評估。

2 自動化測試系統(tǒng)關(guān)鍵技術(shù)的研究

2.1 系統(tǒng)實時性分析與實現(xiàn)

實時性計算條件設(shè)定:正常成人著裝后的身體平均厚度約為0.4 m;通過自動檢票機的乘客,相互之間的最小間距為0.2 m。無回收車票情況下,檢票機通行能力≥60人/min;全部需回收情況下,檢票機通行能力≥40人/min。自動檢票機通道長度為1.8 m,允許多人排隊通行。

圖5 檢票機自動化測試系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖

以自動檢票機門機構(gòu)位置為參照斷面,兩名乘客勻速排隊行走時,乘客行走速度(v)=相對移動距離/最大允許通行時間。其中,相對移動距離是指,后一名乘客行走到前一名乘客當前所處位置的距離(最小間距+乘客身體厚度);最大允許通行時間是指,人均通行間隔時間(60人/min=1人/s,即1 s)。因此,v=(0.4 m+0.2 m)/1 s=0.6 m/s。

對于通道內(nèi)任一光電傳感器,其被乘客身體遮擋后所產(chǎn)生有效信號的持續(xù)時間為t,t=身體厚度/行走速度=0.4 m/0.6 (m/s)=0.667 s=667 ms。

實際還存在小于上述時間的信號,比如:行走步態(tài)信號,手臂擺動以及挎包、行李等物品產(chǎn)生的遮擋信號,最短持續(xù)時間約為十幾毫秒。系統(tǒng)的實時性應(yīng)滿足采集并完整還原上述信號的需要。經(jīng)筆者實際測試,選用1 ms的時間粒度最為合適,系統(tǒng)對中斷及外部信號的響應(yīng)延遲不得超過100 ms。

為了解決圖形化交互操作與系統(tǒng)對強實時性需求的矛盾,筆者將整個測試系統(tǒng)切分成強實時與非實時兩部分。

非實時部分的業(yè)務(wù)主要為用戶圖形化交互操作及統(tǒng)計分析,由Android應(yīng)用分析軟件實現(xiàn)。Android系統(tǒng)本身是一個移動操作系統(tǒng)和基于Linux內(nèi)核2.6版本的平臺,具有豐富的資源和良好的開發(fā)環(huán)境(包括模擬器、調(diào)試工具、內(nèi)存,以及性能分析圖表和Eclipse集成開發(fā)環(huán)境),可免費用于商業(yè)或非商業(yè)用途。將圖形化UI(用戶界面)交互軟件從檢測設(shè)備上剝離出來集成到智能手機上的設(shè)計模式,可以使檢測設(shè)備更專注于面向前端的強實時處理,節(jié)約硬件資源、縮短開發(fā)周期、減少設(shè)備體積與功耗、更加便攜化。

強實時部分的業(yè)務(wù)功能為信號采集與還原,由業(yè)務(wù)模擬器實現(xiàn)。硬件上裁剪掉顯示、音頻、網(wǎng)絡(luò)支持、圖像處理等外設(shè)接口;軟件微觀事務(wù)處理機制采用中斷-事務(wù)處理模式,省去了操作系統(tǒng)的中間調(diào)度環(huán)節(jié),進一步提高了系統(tǒng)的實時性。

2.2 乘客通行行為的模擬原理、算法與數(shù)據(jù)壓縮

乘客通行行為的模擬實現(xiàn)原理是:按一定時序邏輯關(guān)系,通過控制紅外光電對射傳感器發(fā)射端的電源通斷,在傳感器接收端形成與乘客行走遮擋所產(chǎn)生的一致的信號,從而實現(xiàn)對通行行為的等效模擬。注意:傳感器發(fā)射端在上電后,經(jīng)過固定的時間延遲,接收端才會有電平變化,所以,在時序控制上需要考慮該延遲時間,傳感器樣本的遮擋結(jié)束時間要減去該延遲時間,這樣才能使得模擬效果與實際通行遮擋效果一致。

(1) 通行樣本采集錄制算法思想:按最小時間粒度(1 ms)讀取并存儲傳感器數(shù)據(jù),人員未進入通道時記為初始狀態(tài);當人員進入通道遮擋住第1個傳感器時視為本次通行開始,存儲傳感器數(shù)據(jù)和起始時間t0;當人員走出通道,離開最后1個傳感器時應(yīng)視為本次通行結(jié)束。軟件上判讀傳感器數(shù)據(jù)在通行開始后若持續(xù)600 ms為初始狀態(tài)則視為通行結(jié)束,記結(jié)束時間為t1。則本次通行實際有效時間t=t1-t0-600 ms。

(2) 通行行為模擬算法思想:根據(jù)測試參數(shù)計算出測試時間與樣本時間的比率Qt,調(diào)整樣本數(shù)據(jù)的保持時間,實現(xiàn)通行行為在時間域上的“縮放”,即實現(xiàn)了行走調(diào)速。然后依次讀取樣本中的信號數(shù)據(jù)并按調(diào)整后的時間量控制傳感器發(fā)射端電源通斷,從而實現(xiàn)了通行行為的等效模擬。時間比率Qt=1 000人×60 s×檢票機通道長度/(通行樣本有效時間×每分鐘通行人數(shù)×(乘客身體厚度+最小間隔))。

通行模擬數(shù)據(jù)保持時間(傳感器驅(qū)動信號保持時間)=原樣本數(shù)據(jù)保持時間×Qt。

3 實施與驗證

為實際檢驗該系統(tǒng)的正確性、可用性與先進性,筆者在AFC(自動售檢票)系統(tǒng)模擬測試中心選取2個通道剪式門自動檢票機作為測試對象進行對比測試。測試分為3個步驟:①功能性驗證,驗證本系統(tǒng)能夠正確模擬人員通行過閘,并且驗證交易數(shù)據(jù)的正確性;②應(yīng)用性能測試,進行小批量刷卡(壓力測試和通行能力測試),驗證統(tǒng)計數(shù)據(jù)與實際測試情況的一致性,并檢查檢票機交易數(shù)據(jù)的正確性;③對比性測試,分為人工組和自動化測試組,各持3 000張Token(令牌)單程票進行測試,對比測試效率、人員疲勞度、測試的準確性。

3.1 功能驗證測試結(jié)果

1) 在正常通行和反向闖入場景下,安裝本系統(tǒng)的自動檢票機能夠正確識別模擬出的人員通行信號并做出關(guān)門動作,未出現(xiàn)等待超時現(xiàn)象。

2) 數(shù)據(jù)驗證

(1) 交易數(shù)據(jù):從檢票機交易文件中解析得到1條與測試票卡相符的交易記錄(見表1)。

(2) 客流數(shù)據(jù):通過SC工作站查詢自動檢票機內(nèi)的進閘客流寄存器數(shù)據(jù)增量值為1,反向闖入客流寄存器數(shù)據(jù)增量值為1。證明業(yè)務(wù)模擬器產(chǎn)生的一人次正常進閘和反向闖入的模擬行為被自動檢票機正確識別,實現(xiàn)了取代人工行走過閘的功能目標。

3.2 應(yīng)用性能測試

(1) 單人在安裝有本系統(tǒng)的檢票機入口處連續(xù)刷卡500次(普通單程票493枚,老人票SVT 7張),檢票機未出現(xiàn)模塊故障,扇門開啟關(guān)閉動作正常。

(2) 交易、客流復(fù)查對比結(jié)果見表2。

表1 交易數(shù)據(jù)記錄表

表2 連續(xù)測試數(shù)據(jù)復(fù)查結(jié)果對比表

(3) Android智能手機應(yīng)用軟件統(tǒng)計分析結(jié)果如圖6及圖7所示。

(4) 使用Android智能手機應(yīng)用軟件的分析功能,從SC導(dǎo)入交易數(shù)據(jù):檢查交易流水號的連續(xù)性、重復(fù)性、TAC碼錯誤、交易金額異常、時間或日期跳變等問題;分析斷面最大/小客流,求平均客流;在PT(客流-時間)分析表中反應(yīng)出客流波動情況。結(jié)果如圖7所示。

3.3 對比性測試

對比測試分為人工測試(甲)組和自動測試(乙)組,甲組10人,乙組1人;各組持單程票token 3 000枚,同時開始測試。自動測試與人工測試對比數(shù)據(jù)如表3所示。

由對比結(jié)果可見,自動測試比人工測試更加趨近于自動檢票機的標稱處理能力,同時節(jié)約大量的測試人力,耗時更短且沒有繞閘循環(huán)行走的疲勞不適感;通過智能手機自動分析出壓力測試、通行能力測試的各項指標,方便快捷。

表3 自動測試與人工測試對比數(shù)據(jù)表

圖6 Android智能手機應(yīng)用軟件測試統(tǒng)計結(jié)果

圖7 Android智能手機應(yīng)用軟件交易數(shù)據(jù)分析結(jié)果

4 結(jié)語

目前,自動化測試系統(tǒng)在基于ARMv7 STM32F103 RD為核心的嵌入式硬件平臺和Android 4.0以上版本的智能手機上調(diào)試成功。經(jīng)過與人工刷票通行、計票、計次的測試對比,其結(jié)果完全正確。在現(xiàn)場測試過程中,該系統(tǒng)能夠以毫秒級的實時性采集并還原乘客通行信號,與刷票行為聯(lián)動調(diào)整模擬通行速度,能夠?qū)崿F(xiàn)單人單次通行、多人排隊通行、正常與異常通行模式組合、成人/兒童/老人/殘障通行樣本組合,準確地記錄、統(tǒng)計各項測試數(shù)據(jù);能夠與智能手機建立良好的藍牙通信,實時直觀地向測試人員展示各項測試數(shù)據(jù),以及統(tǒng)計、核對、分析結(jié)果,給出誤差指標。此外,本系統(tǒng)支持數(shù)據(jù)庫訪問,可實現(xiàn)歷史測試數(shù)據(jù)存儲管理、查閱功能。該自動化測試系統(tǒng)達到了靈活、高效、多模態(tài)組合、準確的目的,降低了對測試人員進行數(shù)據(jù)分析統(tǒng)計的專業(yè)知識難度要求,極大降低了參測人數(shù)和測試勞動強度。目前已經(jīng)開始批量生產(chǎn),計劃投入到新建線路的測試應(yīng)用中。

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Capacity Testing System of Automatic Gate Machine in Urban Rail Transit AFC

LI Wei, CHEN Zhening, WANG Kun, HUANG Ning, YANG Jun, LI Chang

At present, there is no automatic testing equipment to fit the pressure or capacity test of automatic gate machine adopted in urban rail transit. The efficiency and accuracy of manual-test is very low, labor intensity is very high, and testers are required to know about the statistical analysis of transaction data in detail. Base on an analysis of the principle and logic of manual-test, an equipment with embedded micro control unit of ARMv7 Crotex M3 structure and an application software installed in smartphone with Android 4.0+ OS is designed. This system can easily make a pressure & capacity test and achieve the goal of utomation, multimodel combination and accurate testing results. In this paper, the structure, principle, functions and the main technique points of this equipment are introduced in detail.

urban rail transit; automatic gate machine; automatic testing system; pressure test; capacity test

U 293.22

10.16037/j.1007-869x.2016.08.008

2015-12-08)