城市軌道交通檢票機自動化測試系統研制

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事業總部通號部,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事業總部通號部,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節尚無成熟的自動化測試系統,現場人工測試效率低、勞動強度大、準確性低,測試人員需要熟悉交易數據的統計分析。在分析自動檢票機工作原理和測試邏輯的基礎上,成功研制了基于ARMv7 Crotex M3+Android智能手機應用軟件的移動式自動化測試系統,使自動檢票機的壓力測試和通行能力測試環節達到自動化、多模態組合、準確高效的目的。介紹了自動化測試系統的結構、功能、實現原理以及關鍵技術。

城市軌道交通; 自動檢票機; 自動化測試系統; 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中的設備,在運用前,需要對其進行壓力測試和通行能力測試,驗證其正確性與穩定性已達到要求。壓力測試,要求設備對上千張票卡連續檢票,查驗通行速率是否達標及交易記錄的正確性。

目前,國內普遍采用的測試方法是組織大量人員在車站現場通過“暴走”的形式循環往復排隊刷票過閘。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據,替代人員行走過閘的設備。筆者在分析自動檢票機工作原理的基礎上,采用嵌入式系統和Android移動式應用技術,成功研制了基于ARM (Advanced RISC Machines)系統+Android智能手機應用軟件的便攜式現場測試設備,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 自動化測試系統的設計

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點。門扉式檢票機內置的“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生的信號并計算識別出通行行為結果(見圖3),此結果發送給檢票機內部的“主控單元”(MCU),由其結合從讀卡器獲取的票卡數據完成檢票過閘業務的處理工作。本文論述的自動化測試系統主要針對門扉式檢票機進行設計。

1.2 自動化測試系統結構

自動化測試系統包括業務模擬器和Android應用分析軟件兩部分。業務模擬器為安裝于自動檢票機上的ARM嵌入式硬件系統,實現乘客通行樣本錄制、行為模擬、時序控制等功能,并通過藍牙信道向智能手機發送測試數據;Android應用分析軟件安裝于智能手機上,實現參數配置、狀態顯示、統計分析以及數據對比驗證功能。

圖1 推桿式檢票機

圖2 門扉式檢票機

圖3 門扉式檢票機關鍵部件示意圖

業務模擬器采用模塊化設計,由運算處理核心、信號同步采集模塊、傳感器驅動模塊、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)設計為嵌入式小系統,其上承載ARMv7 Crotex M3內核的嵌入式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位數字量I/O接口,一個SWD調試接口,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構圖

1.3 測試系統運作簡述

測試時,在自動檢票機內安裝業務模擬器,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。自動化測試系統結構如圖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,業務模擬器通過RS232接口監聽檢票機讀卡器與主控單元之間的數據,鑒別出有效刷卡;②業務模擬器根據票卡種類(老人票、兒童票、殘疾人優惠票、普通票等)從樣本庫中提取對應的通行行為樣本,計算生成驅動數據發送給傳感器驅動模塊;③傳感器驅動模塊“點亮”或“熄滅”檢票機上的各個紅外對射傳感器(發射端),在物理上等效實現了“乘客通行行為”;④上述過程中產生的檢票數據和客流數據通過藍牙模塊發送至Android智能手機,其上的應用分析軟件存儲數據并形成分析評估時所需的審計依據;⑤Android智能手機從SC(車站計算機)導入并解析檢票機生成的交易數據,作為比對分析的備審數據。在測試停止后,通過對比審計依據和備審數據即完成對自動檢票機真實性能的量化評估。

2 自動化測試系統關鍵技術的研究

2.1 系統實時性分析與實現

實時性計算條件設定: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結構圖

以自動檢票機門機構位置為參照斷面,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。

對于通道內任一光電傳感器,其被乘客身體遮擋后所產生有效信號的持續時間為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:行走步態信號,手臂擺動以及挎包、行李等物品產生的遮擋信號,最短持續時間約為十幾毫秒。系統的實時性應滿足采集并完整還原上述信號的需要。經筆者實際測試,選用1 ms的時間粒度最為合適,系統對中斷及外部信號的響應延遲不得超過100 ms。

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

非實時部分的業務主要為用戶圖形化交互操作及統計分析,由Android應用分析軟件實現。Android系統本身是一個移動操作系統和基于Linux內核2.6版本的平臺,具有豐富的資源和良好的開發環境(包括模擬器、調試工具、內存,以及性能分析圖表和Eclipse集成開發環境),可免費用于商業或非商業用途。將圖形化UI(用戶界面)交互軟件從檢測設備上剝離出來集成到智能手機上的設計模式,可以使檢測設備更專注于面向前端的強實時處理,節約硬件資源、縮短開發周期、減少設備體積與功耗、更加便攜化。

強實時部分的業務功能為信號采集與還原,由業務模擬器實現。硬件上裁剪掉顯示、音頻、網絡支持、圖像處理等外設接口;軟件微觀事務處理機制采用中斷-事務處理模式,省去了操作系統的中間調度環節,進一步提高了系統的實時性。

2.2 乘客通行行為的模擬原理、算法與數據壓縮

乘客通行行為的模擬實現原理是:按一定時序邏輯關系,通過控制紅外光電對射傳感器發射端的電源通斷,在傳感器接收端形成與乘客行走遮擋所產生的一致的信號,從而實現對通行行為的等效模擬。注意:傳感器發射端在上電后,經過固定的時間延遲,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據,人員未進入通道時記為初始狀態;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,存儲傳感器數據和起始時間t0;當人員走出通道,離開最后1個傳感器時應視為本次通行結束。軟件上判讀傳感器數據在通行開始后若持續600 ms為初始狀態則視為通行結束,記結束時間為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:根據測試參數計算出測試時間與樣本時間的比率Qt,調整樣本數據的保持時間,實現通行行為在時間域上的“縮放”,即實現了行走調速。然后依次讀取樣本中的信號數據并按調整后的時間量控制傳感器發射端電源通斷,從而實現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×(乘客身體厚度+最小間隔))。

通行模擬數據保持時間(傳感器驅動信號保持時間)=原樣本數據保持時間×Qt。

3 實施與驗證

為實際檢驗該系統的正確性、可用性與先進性,筆者在AFC(自動售檢票)系統模擬測試中心選取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,驗證本系統能夠正確模擬人員通行過閘,并且驗證交易數據的正確性;②應用性能測試,進行小批量刷卡(壓力測試和通行能力測試),驗證統計數據與實際測試情況的一致性,并檢查檢票機交易數據的正確性;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 功能驗證測試結果

1) 在正常通行和反向闖入場景下,安裝本系統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門動作,未出現等待超時現象。

2) 數據驗證

(1) 交易數據: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) 客流數據:通過SC工作站查詢自動檢票機內的進閘客流寄存器數據增量值為1,反向闖入客流寄存器數據增量值為1。證明業務模擬器產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,實現了取代人工行走過閘的功能目標。

3.2 應用性能測試

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

(2) 交易、客流復查對比結果見表2。

表1 交易數據記錄表

表2 連續測試數據復查結果對比表

(3) Android智能手機應用軟件統計分析結果如圖6及圖7所示。

(4) 使用Android智能手機應用軟件的分析功能,從SC導入交易數據:檢查交易流水號的連續性、重復性、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)分析表中反應出客流波動情況。結果如圖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據如表3所示。

由對比結果可見,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,同時節約大量的測試人力,耗時更短且沒有繞閘循環行走的疲勞不適感;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據表

圖6 Android智能手機應用軟件測試統計結果

圖7 Android智能手機應用軟件交易數據分析結果

4 結語

目前,自動化測試系統在基于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試成功。經過與人工刷票通行、計票、計次的測試對比,其結果完全正確。在現場測試過程中,該系統能夠以毫秒級的實時性采集并還原乘客通行信號,與刷票行為聯動調整模擬通行速度,能夠實現單人單次通行、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、統計各項測試數據;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據,以及統計、核對、分析結果,給出誤差指標。此外,本系統支持數據庫訪問,可實現歷史測試數據存儲管理、查閱功能。該自動化測試系統達到了靈活、高效、多模態組合、準確的目的,降低了對測試人員進行數據分析統計的專業知識難度要求,極大降低了參測人數和測試勞動強度。目前已經開始批量生產,計劃投入到新建線路的測試應用中。

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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)