轉向架線束智能測試管理系統的設計與實現

龐世俊 姜良奎 林藍 張恒志 張彥偉 王文齊

摘 要：轉向架線束測試是對轉向架中電氣傳感器的接線部件進行測試，是保障人車安全的重要生產活動。目前的人工測試方式效率較低，測試過程難以直觀掌控，紙質測試結果也不便于展示和統計;故改用自動測試的方式，快速生成數字化的測試結果;這就需要智能測試管理系統，來規劃管理新的自動測試過程，設計人機交互及設備通訊細節，將紙質的工藝信息轉為有效的自動測試模板，維護相關基礎信息，并將設備協作的自動測試過程和對線束的實時測試結果同步投射在數字環境里，建立工作工位所有設備的數字化映射，可通過大屏瀏覽器方便地查看當前自動測試過程和結果。

關鍵詞：智能測試管理系統;自動測試過程;結構化;數字化映射

1 引言

轉向架線束完整性測試是轉向架生產過程中的一項重要工作，在安裝設備前，必須對線束的導通、絕緣、耐壓、電阻指標進行測試，以保證轉向架各傳感器功能正常，以免為列車行車安全留下隱患。目前人工測試方式效率低，穩定性不強，并產生大量的非數字化字符信息，設計與實現線束智能測試管理系統，將紙質工藝文件和人工工作流程轉化為結構化的電測設備可以識別的準確的數據，規劃自動測試過程，在恰當節點收集設備數據、處理測試信息、轉化存儲測試結果，將整個測試環節映射到虛擬環境中，通過瀏覽器方便快捷地向用戶展示測試過程實時動畫、測試結果示意圖和測試結果詳情，自動生成測試報告，實現測試過程的自動、可視和結果的可觀，實現轉向架測試環節的數字化生產。

2 功能分析

2.1 人機交互的測試流程

考慮了人工觀察部分與自動電測部分的分離與避免來回重復操作的優化后，得到的測試流程如圖1所示。這個過程分成了遠程的信息維護和測試現場的操作兩部分，可以為不同終端設置不同類型的操作界面，這個過程包含了計算機網、傳感網和物聯網，需要將電子技術和機械技術結合考慮。其中有兩個需要重點關注的地方，一個遠程信息維護的準確性，尤其是工藝的完整輸入、存儲及適時準確地傳達到測試現場的設備。另一個是測試過程中操作人員與機器人的交互，要保證現場操作時通訊的順暢，以及足夠多的提示和機器人等狀態的感知。

2.2 角色劃分

由上文規劃出的流程可以知道，系統至少要分成兩類用戶，一類是遠程維護各類信息的用戶，另一類是現場操作的用戶。由于現場測試需要根據轉向架類型得知其連接器的類型，再根據連接器類型得知工裝上卡具的類型以及自動插接測試需要的機器人測試插頭的類型，故基礎信息的維護中，除了需要完整的工藝信息外，還需要準確的轉向架類型、工裝卡具類型、連接器類型及關聯關系，保有這些信息的工單才是一個可執行的工單。另外為了設備的識別、順暢交互與遠程監測，還需要維護基本的工位信息和設備信息。由此分析得到基礎信息維護人員用例如圖2。

在測試現場的操作人員，需要看到自己要執行的工單的基本情況，使用機器人操作按鈕，查看所在工位內的設備狀態，查看和寫入自動測試之外的測試項的測試結果如外觀有無破損，查看連接器與卡具的對應關系來固定連接器，查看自動測試結果，確認完成工單等。現場操作人員用例如圖2。

3 系統設計

3.1 功能模塊

在操作流程和角色用例的基礎上，劃分了系統的功能模塊。測試現場的操作人員需要識別要測試的轉向架，于是規劃了在轉向架上貼芯片、手持設備通過NFC掃描芯片得到轉向架信息、與管理系統對比并接受工單的功能，這樣的識別轉向架、自動尋找工單并改變工單狀態的方式避免了人工接受工單時可能導致的失誤等等，與數據和信息的結合也更緊密。整體功能模塊的設計如圖3所示。

3.2 網絡拓撲

系統硬件架構如圖4所示。主機可以通過防火墻訪問服務器提供的智能測試管理系統后臺頁面，維護基礎數據，查看設備狀態和任務執行狀態。服務器布置在局域網內，局域網的每個工位內，還有現場操作人員使用的觸屏終端、機器人控制器、與電測箱通訊的控制機等。

觸屏終端通過主網關，一方面與服務器通訊，查詢測試任務，上傳測試結果，另一方面與機器人控制器和電測設備控制機通訊，獲得設備狀態，下達操作指令，再把收到的設備狀態同步到服務器。在每個工位上，另有四個攝像頭監控現場狀況，大屏展示測試狀態與結果、機器人動作、攝像信息等，用戶可以通過大屏看到對應工位的測試現場狀態，為人員安全提供保障。局域網內也有路由器提供無線網絡，如上文所述需要手持設備掃描獲得轉向架信息來接收工單，準確開啟測試任務，手持設備通過無線網絡連接到服務器，更新工單狀態。手機通過現場的無線網絡可以掃描識別圖，形象查看測試狀態和測試結果。

3.3 層次結構

系統的層次結構如圖5所示。

系統分為四層結構。邊緣系統從物理世界通過超高頻天線、紅外位置傳感器、機器人控制傳感器、溫濕度傳感器、電測信號、攝像頭等采集RIFD標簽信息、環境信息和位置信息等，完成數據采集、處理和匯聚等功能，同時進行傳感節點、路由節點和傳感器網絡網關的通信和控制管理，將物理實體和模擬信號傳遞出來，經過機器人控制器和控制機及采集程序的解析，傳輸各種消息。IaaS層為服務器、存儲器物理底層，保障了服務存儲和網絡的能力。PaaS層由ThingWorx提供建模方法和微服務，建立機器人、電測設備、工位等物理實物的數字化映射，向SaaS層的應用提供數據和服務訪問能力。SaaS層在多種形式的設備上建立了面向業務的后臺管理、操作執行、大屏展示、掃描和增強現實功能。其中邊緣層的各種設備和設備中的數據傳輸程序依設備定制安全措施，服務端的層次采用標準化方式來維持安全。

3.4 測試過程數字化映射

在工位顯示大屏上，部署瀏覽器來完整顯示虛擬三維環境中重建的高度精細工位模型，包括轉向架、機器人、工裝和各種機柜，把測試過程中整個工位的情況，包括機器人的運動和對工裝的抓取、移動、固定，動態地顯示出來，讓人們能夠通過屏幕，方便安全地查看測試過程中機械設備的運行，提高測試工作的安全與效率，發現測試過程中可能的潛在問題。

測試工位在虛擬環境的數字化映射的實現，由位置傳感器組采集工裝位置，由機器人控制器得到機器人關鍵位置信息，通過工位觸屏終端后臺程序的解析，將數據實時主動上傳至服務器上對應工位和機器人的Thing模型中;服務器上構建并存儲整個工位在模擬環境的三維模型，當Thing模型的屬性變化時，模型支持服務能及時感知并演算，使虛擬環境下的三維模型隨著這些屬性進行變化，即數字雙胞胎;隨工位狀態變化的動態三維模型，即工位的數字雙胞胎，隨智能測試管理系統生成的安全鏈接和權限憑證體系投射在工位上的大屏顯示器上。數據交互簡要過程如圖6所示，數據傳輸時優先保持指令信息的可用性，再盡量提供完整的數據進行數字雙胞胎的映射。

4 結語

根據轉向架線束測試的需要和目前人工測試的情況，設計并實現了轉向架線束智能測試管理系統。經過測試，這個系統支持完整的測試過程，用戶可以靈活地新建編輯轉向架類型、工裝、連接器、設備、工藝、測試任務等多項信息，可以把現有的工藝通過圖形界面添加或電子表格導入到系統中，可以啟動完整的智能測試并查看測試過程的各種信息和結果，系統構建的工位及設備的數字化映射完整展現了工位當前實際測試情況和設備運行情況，實現了轉向架線束測試的數字化生產。

參考文獻

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