城市轨道交通检票机自动化测试系统研制

李 巍 陈浙宁 王 昆 黄 宁 杨 军 李 畅

(1.武汉地铁集团有限公司建设事业总部通号部,430063,武汉;2.武汉地铁运营有限公司通号部,430063,武汉∥第一作者,工程师)



城市轨道交通检票机自动化测试系统研制

李 巍1陈浙宁1王 昆1黄 宁1杨 军2李 畅2

(1.武汉地铁集团有限公司建设事业总部通号部,430063,武汉;2.武汉地铁运营有限公司通号部,430063,武汉∥第一作者,工程师)

目前,城市轨道交通自动检票机压力测试及通行能力测试环节尚无成熟的自动化测试系统,现场人工测试效率低、劳动强度大、准确性低,测试人员需要熟悉交易数据的统计分析。在分析自动检票机工作原理和测试逻辑的基础上,成功研制了基于ARMv7 Crotex M3+Android智能手机应用软件的移动式自动化测试系统,使自动检票机的压力测试和通行能力测试环节达到自动化、多模态组合、准确高效的目的。介绍了自动化测试系统的结构、功能、实现原理以及关键技术。

城市轨道交通; 自动检票机; 自动化测试系统; 压力测试; 通行能力测试

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

城市轨道交通自动检票机是车站自动售检票系统中的设备,在运用前,需要对其进行压力测试和通行能力测试,验证其正确性与稳定性已达到要求。压力测试,要求设备对上千张票卡连续检票,查验通行速率是否达标及交易记录的正确性。

目前,国内普遍采用的测试方法是组织大量人员在车站现场通过“暴走”的形式循环往复排队刷票过闸。此方法的弊端是人力资源耗费大。因此,人们希望有一种能够准确记录测试数据,替代人员行走过闸的设备。笔者在分析自动检票机工作原理的基础上,采用嵌入式系统和Android移动式应用技术,成功研制了基于ARM (Advanced RISC Machines)系统+Android智能手机应用软件的便携式现场测试设备,使测试人员可以轻松高效、准确可靠地同时完成压力测试工作。

1 自动化测试系统的设计

1.1 自动检票机工作原理分析

相对于推杆式检票机(见图1),门扉式检票机(见图2)具有不会对乘客(携带行李)通行造成阻碍,乘客通行过闸速度快等优点。门扉式检票机内置的“乘客通行控制管理模块”(PCM)采集乘客通行过闸时遮挡红外光电对射传感器所产生的信号并计算识别出通行行为结果(见图3),此结果发送给检票机内部的“主控单元”(MCU),由其结合从读卡器获取的票卡数据完成检票过闸业务的处理工作。本文论述的自动化测试系统主要针对门扉式检票机进行设计。

1.2 自动化测试系统结构

自动化测试系统包括业务模拟器和Android应用分析软件两部分。业务模拟器为安装于自动检票机上的ARM嵌入式硬件系统,实现乘客通行样本录制、行为模拟、时序控制等功能,并通过蓝牙信道向智能手机发送测试数据;Android应用分析软件安装于智能手机上,实现参数配置、状态显示、统计分析以及数据对比验证功能。

图1 推杆式检票机

图2 门扉式检票机

图3 门扉式检票机关键部件示意图

业务模拟器采用模块化设计,由运算处理核心、信号同步采集模块、传感器驱动模块、蓝牙通信模块组成,可适用于不同型号的检票机。运算处理核心模块(见图4)设计为嵌入式小系统,其上承载ARMv7 Crotex M3内核的嵌入式MCU (ST公司的STM32F103RD,主频为72 MHz)、外部晶振、电源组件和I/O(输入/输出)接口电路。具备一个32位数字量I/O接口,一个SWD调试接口,两个RS232接口和一个可以连接蓝牙通信模块的USART-TTL接口。

图4 运算处理核心模块结构图

1.3 测试系统运作简述

测试时,在自动检票机内安装业务模拟器,连接红外对射传感器电缆、读卡器RS232线缆,从直流电源模块取电。自动化测试系统结构如图5所示。

测试过程为:①测试人员在检票机入闸或出闸端刷票,业务模拟器通过RS232接口监听检票机读卡器与主控单元之间的数据,鉴别出有效刷卡;②业务模拟器根据票卡种类(老人票、儿童票、残疾人优惠票、普通票等)从样本库中提取对应的通行行为样本,计算生成驱动数据发送给传感器驱动模块;③传感器驱动模块“点亮”或“熄灭”检票机上的各个红外对射传感器(发射端),在物理上等效实现了“乘客通行行为”;④上述过程中产生的检票数据和客流数据通过蓝牙模块发送至Android智能手机,其上的应用分析软件存储数据并形成分析评估时所需的审计依据;⑤Android智能手机从SC(车站计算机)导入并解析检票机生成的交易数据,作为比对分析的备审数据。在测试停止后,通过对比审计依据和备审数据即完成对自动检票机真实性能的量化评估。

2 自动化测试系统关键技术的研究

2.1 系统实时性分析与实现

实时性计算条件设定:正常成人着装后的身体平均厚度约为0.4 m;通过自动检票机的乘客,相互之间的最小间距为0.2 m。无回收车票情况下,检票机通行能力≥60人/min;全部需回收情况下,检票机通行能力≥40人/min。自动检票机通道长度为1.8 m,允许多人排队通行。

图5 检票机自动化测试系统结构图

以自动检票机门机构位置为参照断面,两名乘客匀速排队行走时,乘客行走速度(v)=相对移动距离/最大允许通行时间。其中,相对移动距离是指,后一名乘客行走到前一名乘客当前所处位置的距离(最小间距+乘客身体厚度);最大允许通行时间是指,人均通行间隔时间(60人/min=1人/s,即1 s)。因此,v=(0.4 m+0.2 m)/1 s=0.6 m/s。

对于通道内任一光电传感器,其被乘客身体遮挡后所产生有效信号的持续时间为t,t=身体厚度/行走速度=0.4 m/0.6 (m/s)=0.667 s=667 ms。

实际还存在小于上述时间的信号,比如:行走步态信号,手臂摆动以及挎包、行李等物品产生的遮挡信号,最短持续时间约为十几毫秒。系统的实时性应满足采集并完整还原上述信号的需要。经笔者实际测试,选用1 ms的时间粒度最为合适,系统对中断及外部信号的响应延迟不得超过100 ms。

为了解决图形化交互操作与系统对强实时性需求的矛盾,笔者将整个测试系统切分成强实时与非实时两部分。

非实时部分的业务主要为用户图形化交互操作及统计分析,由Android应用分析软件实现。Android系统本身是一个移动操作系统和基于Linux内核2.6版本的平台,具有丰富的资源和良好的开发环境(包括模拟器、调试工具、内存,以及性能分析图表和Eclipse集成开发环境),可免费用于商业或非商业用途。将图形化UI(用户界面)交互软件从检测设备上剥离出来集成到智能手机上的设计模式,可以使检测设备更专注于面向前端的强实时处理,节约硬件资源、缩短开发周期、减少设备体积与功耗、更加便携化。

强实时部分的业务功能为信号采集与还原,由业务模拟器实现。硬件上裁剪掉显示、音频、网络支持、图像处理等外设接口;软件微观事务处理机制采用中断-事务处理模式,省去了操作系统的中间调度环节,进一步提高了系统的实时性。

2.2 乘客通行行为的模拟原理、算法与数据压缩

乘客通行行为的模拟实现原理是:按一定时序逻辑关系,通过控制红外光电对射传感器发射端的电源通断,在传感器接收端形成与乘客行走遮挡所产生的一致的信号,从而实现对通行行为的等效模拟。注意:传感器发射端在上电后,经过固定的时间延迟,接收端才会有电平变化,所以,在时序控制上需要考虑该延迟时间,传感器样本的遮挡结束时间要减去该延迟时间,这样才能使得模拟效果与实际通行遮挡效果一致。

(1) 通行样本采集录制算法思想:按最小时间粒度(1 ms)读取并存储传感器数据,人员未进入通道时记为初始状态;当人员进入通道遮挡住第1个传感器时视为本次通行开始,存储传感器数据和起始时间t0;当人员走出通道,离开最后1个传感器时应视为本次通行结束。软件上判读传感器数据在通行开始后若持续600 ms为初始状态则视为通行结束,记结束时间为t1。则本次通行实际有效时间t=t1-t0-600 ms。

(2) 通行行为模拟算法思想:根据测试参数计算出测试时间与样本时间的比率Qt,调整样本数据的保持时间,实现通行行为在时间域上的“缩放”,即实现了行走调速。然后依次读取样本中的信号数据并按调整后的时间量控制传感器发射端电源通断,从而实现了通行行为的等效模拟。时间比率Qt=1 000人×60 s×检票机通道长度/(通行样本有效时间×每分钟通行人数×(乘客身体厚度+最小间隔))。

通行模拟数据保持时间(传感器驱动信号保持时间)=原样本数据保持时间×Qt。

3 实施与验证

为实际检验该系统的正确性、可用性与先进性,笔者在AFC(自动售检票)系统模拟测试中心选取2个通道剪式门自动检票机作为测试对象进行对比测试。测试分为3个步骤:①功能性验证,验证本系统能够正确模拟人员通行过闸,并且验证交易数据的正确性;②应用性能测试,进行小批量刷卡(压力测试和通行能力测试),验证统计数据与实际测试情况的一致性,并检查检票机交易数据的正确性;③对比性测试,分为人工组和自动化测试组,各持3 000张Token(令牌)单程票进行测试,对比测试效率、人员疲劳度、测试的准确性。

3.1 功能验证测试结果

1) 在正常通行和反向闯入场景下,安装本系统的自动检票机能够正确识别模拟出的人员通行信号并做出关门动作,未出现等待超时现象。

2) 数据验证

(1) 交易数据:从检票机交易文件中解析得到1条与测试票卡相符的交易记录(见表1)。

(2) 客流数据:通过SC工作站查询自动检票机内的进闸客流寄存器数据增量值为1,反向闯入客流寄存器数据增量值为1。证明业务模拟器产生的一人次正常进闸和反向闯入的模拟行为被自动检票机正确识别,实现了取代人工行走过闸的功能目标。

3.2 应用性能测试

(1) 单人在安装有本系统的检票机入口处连续刷卡500次(普通单程票493枚,老人票SVT 7张),检票机未出现模块故障,扇门开启关闭动作正常。

(2) 交易、客流复查对比结果见表2。

表1 交易数据记录表

表2 连续测试数据复查结果对比表

(3) Android智能手机应用软件统计分析结果如图6及图7所示。

(4) 使用Android智能手机应用软件的分析功能,从SC导入交易数据:检查交易流水号的连续性、重复性、TAC码错误、交易金额异常、时间或日期跳变等问题;分析断面最大/小客流,求平均客流;在PT(客流-时间)分析表中反应出客流波动情况。结果如图7所示。

3.3 对比性测试

对比测试分为人工测试(甲)组和自动测试(乙)组,甲组10人,乙组1人;各组持单程票token 3 000枚,同时开始测试。自动测试与人工测试对比数据如表3所示。

由对比结果可见,自动测试比人工测试更加趋近于自动检票机的标称处理能力,同时节约大量的测试人力,耗时更短且没有绕闸循环行走的疲劳不适感;通过智能手机自动分析出压力测试、通行能力测试的各项指标,方便快捷。

表3 自动测试与人工测试对比数据表

图6 Android智能手机应用软件测试统计结果

图7 Android智能手机应用软件交易数据分析结果

4 结语

目前,自动化测试系统在基于ARMv7 STM32F103 RD为核心的嵌入式硬件平台和Android 4.0以上版本的智能手机上调试成功。经过与人工刷票通行、计票、计次的测试对比,其结果完全正确。在现场测试过程中,该系统能够以毫秒级的实时性采集并还原乘客通行信号,与刷票行为联动调整模拟通行速度,能够实现单人单次通行、多人排队通行、正常与异常通行模式组合、成人/儿童/老人/残障通行样本组合,准确地记录、统计各项测试数据;能够与智能手机建立良好的蓝牙通信,实时直观地向测试人员展示各项测试数据,以及统计、核对、分析结果,给出误差指标。此外,本系统支持数据库访问,可实现历史测试数据存储管理、查阅功能。该自动化测试系统达到了灵活、高效、多模态组合、准确的目的,降低了对测试人员进行数据分析统计的专业知识难度要求,极大降低了参测人数和测试劳动强度。目前已经开始批量生产,计划投入到新建线路的测试应用中。

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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)