李 巍 陳浙寧 王 昆 黃 寧 楊 軍 李 暢

(1.武漢地鐵集團(tuán)有限公司建設(shè)事業(yè)總部通號(hào)部,430063,武漢;2.武漢地鐵運(yùn)營(yíng)有限公司通號(hào)部,430063,武漢∥第一作者,工程師)

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城市軌道交通檢票機(jī)自動(dòng)化測(cè)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(tuán)有限公司建設(shè)事業(yè)總部通號(hào)部,430063,武漢;2.武漢地鐵運(yùn)營(yíng)有限公司通號(hào)部,430063,武漢∥第一作者,工程師)

目前,城市軌道交通自動(dòng)檢票機(jī)壓力測(cè)試及通行能力測(cè)試環(huán)節(jié)尚無成熟的自動(dòng)化測(cè)試系統(tǒng),現(xiàn)場(chǎng)人工測(cè)試效率低、勞動(dòng)強(qiáng)度大、準(zhǔn)確性低,測(cè)試人員需要熟悉交易數(shù)據(jù)的統(tǒng)計(jì)分析。在分析自動(dòng)檢票機(jī)工作原理和測(cè)試邏輯的基礎(chǔ)上,成功研制了基于ARMv7 Crotex M3+Android智能手機(jī)應(yīng)用軟件的移動(dòng)式自動(dòng)化測(cè)試系統(tǒng),使自動(dòng)檢票機(jī)的壓力測(cè)試和通行能力測(cè)試環(huán)節(jié)達(dá)到自動(dòng)化、多模態(tài)組合、準(zhǔn)確高效的目的。介紹了自動(dòng)化測(cè)試系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)、功能、實(shí)現(xiàn)原理以及關(guān)鍵技術(shù)。

城市軌道交通; 自動(dòng)檢票機(jī); 自動(dòng)化測(cè)試系統(tǒng); 壓力測(cè)試; 通行能力測(cè)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(dòng)檢票機(jī)是車站自動(dòng)售檢票系統(tǒng)中的設(shè)備,在運(yùn)用前,需要對(duì)其進(jìn)行壓力測(cè)試和通行能力測(cè)試,驗(yàn)證其正確性與穩(wěn)定性已達(dá)到要求。壓力測(cè)試,要求設(shè)備對(duì)上千張票卡連續(xù)檢票,查驗(yàn)通行速率是否達(dá)標(biāo)及交易記錄的正確性。

目前,國(guó)內(nèi)普遍采用的測(cè)試方法是組織大量人員在車站現(xiàn)場(chǎng)通過“暴走”的形式循環(huán)往復(fù)排隊(duì)刷票過閘。此方法的弊端是人力資源耗費(fèi)大。因此,人們希望有一種能夠準(zhǔn)確記錄測(cè)試數(shù)據(jù),替代人員行走過閘的設(shè)備。筆者在分析自動(dòng)檢票機(jī)工作原理的基礎(chǔ)上,采用嵌入式系統(tǒng)和Android移動(dòng)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(jī)應(yīng)用軟件的便攜式現(xiàn)場(chǎng)測(cè)試設(shè)備,使測(cè)試人員可以輕松高效、準(zhǔn)確可靠地同時(shí)完成壓力測(cè)試工作。

1 自動(dòng)化測(cè)試系統(tǒng)的設(shè)計(jì)

1.1 自動(dòng)檢票機(jī)工作原理分析

相對(duì)于推桿式檢票機(jī)(見圖1),門扉式檢票機(jī)(見圖2)具有不會(huì)對(duì)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(diǎn)。門扉式檢票機(jī)內(nèi)置的“乘客通行控制管理模塊”(PCM)采集乘客通行過閘時(shí)遮擋紅外光電對(duì)射傳感器所產(chǎn)生的信號(hào)并計(jì)算識(shí)別出通行行為結(jié)果(見圖3),此結(jié)果發(fā)送給檢票機(jī)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(dòng)化測(cè)試系統(tǒng)主要針對(duì)門扉式檢票機(jī)進(jìn)行設(shè)計(jì)。

1.2 自動(dòng)化測(cè)試系統(tǒng)結(jié)構(gòu)

自動(dòng)化測(cè)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(dòng)檢票機(jī)上的ARM嵌入式硬件系統(tǒng),實(shí)現(xiàn)乘客通行樣本錄制、行為模擬、時(shí)序控制等功能,并通過藍(lán)牙信道向智能手機(jī)發(fā)送測(cè)試數(shù)據(jù);Android應(yīng)用分析軟件安裝于智能手機(jī)上,實(shí)現(xiàn)參數(shù)配置、狀態(tài)顯示、統(tǒng)計(jì)分析以及數(shù)據(jù)對(duì)比驗(yàn)證功能。

圖1 推桿式檢票機(jī)

圖2 門扉式檢票機(jī)

圖3 門扉式檢票機(jī)關(guān)鍵部件示意圖

業(yè)務(wù)模擬器采用模塊化設(shè)計(jì),由運(yùn)算處理核心、信號(hào)同步采集模塊、傳感器驅(qū)動(dòng)模塊、藍(lán)牙通信模塊組成,可適用于不同型號(hào)的檢票機(jī)。運(yùn)算處理核心模塊(見圖4)設(shè)計(jì)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(gè)32位數(shù)字量I/O接口,一個(gè)SWD調(diào)試接口,兩個(gè)RS232接口和一個(gè)可以連接藍(lán)牙通信模塊的USART-TTL接口。

圖4 運(yùn)算處理核心模塊結(jié)構(gòu)圖

1.3 測(cè)試系統(tǒng)運(yùn)作簡(jiǎn)述

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

測(cè)試過程為:①測(cè)試人員在檢票機(jī)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(jī)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(kù)中提取對(duì)應(yīng)的通行行為樣本,計(jì)算生成驅(qū)動(dòng)數(shù)據(jù)發(fā)送給傳感器驅(qū)動(dòng)模塊;③傳感器驅(qū)動(dòng)模塊“點(diǎn)亮”或“熄滅”檢票機(jī)上的各個(gè)紅外對(duì)射傳感器(發(fā)射端),在物理上等效實(shí)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(lán)牙模塊發(fā)送至Android智能手機(jī),其上的應(yīng)用分析軟件存儲(chǔ)數(shù)據(jù)并形成分析評(píng)估時(shí)所需的審計(jì)依據(jù);⑤Android智能手機(jī)從SC(車站計(jì)算機(jī))導(dǎo)入并解析檢票機(jī)生成的交易數(shù)據(jù),作為比對(duì)分析的備審數(shù)據(jù)。在測(cè)試停止后,通過對(duì)比審計(jì)依據(jù)和備審數(shù)據(jù)即完成對(duì)自動(dòng)檢票機(jī)真實(shí)性能的量化評(píng)估。

2 自動(dòng)化測(cè)試系統(tǒng)關(guān)鍵技術(shù)的研究

2.1 系統(tǒng)實(shí)時(shí)性分析與實(shí)現(xiàn)

實(shí)時(shí)性計(jì)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(dòng)檢票機(jī)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(jī)通行能力≥60人/min;全部需回收情況下,檢票機(jī)通行能力≥40人/min。自動(dòng)檢票機(jī)通道長(zhǎng)度為1.8 m,允許多人排隊(duì)通行。

圖5 檢票機(jī)自動(dòng)化測(cè)試系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖

以自動(dòng)檢票機(jī)門機(jī)構(gòu)位置為參照斷面,兩名乘客勻速排隊(duì)行走時(shí),乘客行走速度(v)=相對(duì)移動(dòng)距離/最大允許通行時(shí)間。其中,相對(duì)移動(dòng)距離是指,后一名乘客行走到前一名乘客當(dāng)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(shí)間是指,人均通行間隔時(shí)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(duì)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(hào)的持續(xù)時(shí)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(shí)際還存在小于上述時(shí)間的信號(hào),比如:行走步態(tài)信號(hào),手臂擺動(dòng)以及挎包、行李等物品產(chǎn)生的遮擋信號(hào),最短持續(xù)時(shí)間約為十幾毫秒。系統(tǒng)的實(shí)時(shí)性應(yīng)滿足采集并完整還原上述信號(hào)的需要。經(jīng)筆者實(shí)際測(cè)試,選用1 ms的時(shí)間粒度最為合適,系統(tǒng)對(duì)中斷及外部信號(hào)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(duì)強(qiáng)實(shí)時(shí)性需求的矛盾,筆者將整個(gè)測(cè)試系統(tǒng)切分成強(qiáng)實(shí)時(shí)與非實(shí)時(shí)兩部分。

非實(shí)時(shí)部分的業(yè)務(wù)主要為用戶圖形化交互操作及統(tǒng)計(jì)分析,由Android應(yīng)用分析軟件實(shí)現(xiàn)。Android系統(tǒng)本身是一個(gè)移動(dòng)操作系統(tǒng)和基于Linux內(nèi)核2.6版本的平臺(tái),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(fèi)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(cè)設(shè)備上剝離出來集成到智能手機(jī)上的設(shè)計(jì)模式,可以使檢測(cè)設(shè)備更專注于面向前端的強(qiáng)實(shí)時(shí)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(qiáng)實(shí)時(shí)部分的業(yè)務(wù)功能為信號(hào)采集與還原,由業(yè)務(wù)模擬器實(shí)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(jī)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(jìn)一步提高了系統(tǒng)的實(shí)時(shí)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(shí)現(xiàn)原理是:按一定時(shí)序邏輯關(guān)系,通過控制紅外光電對(duì)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(hào),從而實(shí)現(xiàn)對(duì)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(shí)間延遲,接收端才會(huì)有電平變化,所以,在時(shí)序控制上需要考慮該延遲時(shí)間,傳感器樣本的遮擋結(jié)束時(shí)間要減去該延遲時(shí)間,這樣才能使得模擬效果與實(shí)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(shí)間粒度(1 ms)讀取并存儲(chǔ)傳感器數(shù)據(jù),人員未進(jìn)入通道時(shí)記為初始狀態(tài);當(dāng)人員進(jìn)入通道遮擋住第1個(gè)傳感器時(shí)視為本次通行開始,存儲(chǔ)傳感器數(shù)據(jù)和起始時(shí)間t0;當(dāng)人員走出通道,離開最后1個(gè)傳感器時(shí)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(shí)間為t1。則本次通行實(shí)際有效時(shí)間t=t1-t0-600 ms。

(2) 通行行為模擬算法思想:根據(jù)測(cè)試參數(shù)計(jì)算出測(cè)試時(shí)間與樣本時(shí)間的比率Qt,調(diào)整樣本數(shù)據(jù)的保持時(shí)間,實(shí)現(xiàn)通行行為在時(shí)間域上的“縮放”,即實(shí)現(xiàn)了行走調(diào)速。然后依次讀取樣本中的信號(hào)數(shù)據(jù)并按調(diào)整后的時(shí)間量控制傳感器發(fā)射端電源通斷,從而實(shí)現(xiàn)了通行行為的等效模擬。時(shí)間比率Qt=1 000人×60 s×檢票機(jī)通道長(zhǎng)度/(通行樣本有效時(shí)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(shí)間(傳感器驅(qū)動(dòng)信號(hào)保持時(shí)間)=原樣本數(shù)據(jù)保持時(shí)間×Qt。

3 實(shí)施與驗(yàn)證

為實(shí)際檢驗(yàn)該系統(tǒng)的正確性、可用性與先進(jìn)性,筆者在AFC(自動(dòng)售檢票)系統(tǒng)模擬測(cè)試中心選取2個(gè)通道剪式門自動(dòng)檢票機(jī)作為測(cè)試對(duì)象進(jìn)行對(duì)比測(cè)試。測(cè)試分為3個(gè)步驟:①功能性驗(yàn)證,驗(yàn)證本系統(tǒng)能夠正確模擬人員通行過閘,并且驗(yàn)證交易數(shù)據(jù)的正確性;②應(yīng)用性能測(cè)試,進(jìn)行小批量刷卡(壓力測(cè)試和通行能力測(cè)試),驗(yàn)證統(tǒng)計(jì)數(shù)據(jù)與實(shí)際測(cè)試情況的一致性,并檢查檢票機(jī)交易數(shù)據(jù)的正確性;③對(duì)比性測(cè)試,分為人工組和自動(dòng)化測(cè)試組,各持3 000張Token(令牌)單程票進(jìn)行測(cè)試,對(duì)比測(cè)試效率、人員疲勞度、測(cè)試的準(zhǔn)確性。

3.1 功能驗(yàn)證測(cè)試結(jié)果

1) 在正常通行和反向闖入場(chǎng)景下,安裝本系統(tǒng)的自動(dòng)檢票機(jī)能夠正確識(shí)別模擬出的人員通行信號(hào)并做出關(guān)門動(dòng)作,未出現(xiàn)等待超時(shí)現(xiàn)象。

2) 數(shù)據(jù)驗(yàn)證

(1) 交易數(shù)據(jù):從檢票機(jī)交易文件中解析得到1條與測(cè)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(dòng)檢票機(jī)內(nèi)的進(jìn)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(jìn)閘和反向闖入的模擬行為被自動(dòng)檢票機(jī)正確識(shí)別,實(shí)現(xiàn)了取代人工行走過閘的功能目標(biāo)。

3.2 應(yīng)用性能測(cè)試

(1) 單人在安裝有本系統(tǒng)的檢票機(jī)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(jī)未出現(xiàn)模塊故障,扇門開啟關(guān)閉動(dòng)作正常。

(2) 交易、客流復(fù)查對(duì)比結(jié)果見表2。

表1 交易數(shù)據(jù)記錄表

表2 連續(xù)測(cè)試數(shù)據(jù)復(fù)查結(jié)果對(duì)比表

(3) Android智能手機(jī)應(yīng)用軟件統(tǒng)計(jì)分析結(jié)果如圖6及圖7所示。

(4) 使用Android智能手機(jī)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(hào)的連續(xù)性、重復(fù)性、TAC碼錯(cuò)誤、交易金額異常、時(shí)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(shí)間)分析表中反應(yīng)出客流波動(dòng)情況。結(jié)果如圖7所示。

3.3 對(duì)比性測(cè)試

對(duì)比測(cè)試分為人工測(cè)試(甲)組和自動(dòng)測(cè)試(乙)組,甲組10人,乙組1人;各組持單程票token 3 000枚,同時(shí)開始測(cè)試。自動(dòng)測(cè)試與人工測(cè)試對(duì)比數(shù)據(jù)如表3所示。

由對(duì)比結(jié)果可見,自動(dòng)測(cè)試比人工測(cè)試更加趨近于自動(dòng)檢票機(jī)的標(biāo)稱處理能力,同時(shí)節(jié)約大量的測(cè)試人力,耗時(shí)更短且沒有繞閘循環(huán)行走的疲勞不適感;通過智能手機(jī)自動(dòng)分析出壓力測(cè)試、通行能力測(cè)試的各項(xiàng)指標(biāo),方便快捷。

表3 自動(dòng)測(cè)試與人工測(cè)試對(duì)比數(shù)據(jù)表

圖6 Android智能手機(jī)應(yīng)用軟件測(cè)試統(tǒng)計(jì)結(jié)果

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

4 結(jié)語

目前,自動(dòng)化測(cè)試系統(tǒng)在基于ARMv7 STM32F103 RD為核心的嵌入式硬件平臺(tái)和Android 4.0以上版本的智能手機(jī)上調(diào)試成功。經(jīng)過與人工刷票通行、計(jì)票、計(jì)次的測(cè)試對(duì)比,其結(jié)果完全正確。在現(xiàn)場(chǎng)測(cè)試過程中,該系統(tǒng)能夠以毫秒級(jí)的實(shí)時(shí)性采集并還原乘客通行信號(hào),與刷票行為聯(lián)動(dòng)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(duì)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(zhǔn)確地記錄、統(tǒng)計(jì)各項(xiàng)測(cè)試數(shù)據(jù);能夠與智能手機(jī)建立良好的藍(lán)牙通信,實(shí)時(shí)直觀地向測(cè)試人員展示各項(xiàng)測(cè)試數(shù)據(jù),以及統(tǒng)計(jì)、核對(duì)、分析結(jié)果,給出誤差指標(biāo)。此外,本系統(tǒng)支持?jǐn)?shù)據(jù)庫(kù)訪問,可實(shí)現(xiàn)歷史測(cè)試數(shù)據(jù)存儲(chǔ)管理、查閱功能。該自動(dòng)化測(cè)試系統(tǒng)達(dá)到了靈活、高效、多模態(tài)組合、準(zhǔn)確的目的,降低了對(duì)測(cè)試人員進(jìn)行數(shù)據(jù)分析統(tǒng)計(jì)的專業(yè)知識(shí)難度要求,極大降低了參測(cè)人數(shù)和測(cè)試勞動(dòng)強(qiáng)度。目前已經(jīng)開始批量生產(chǎn),計(jì)劃投入到新建線路的測(cè)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)