剪式門及通行控制裝置測試平臺的設計與實現

李暢，楊軍

（武漢地鐵運營有限公司，湖北武漢，430000）

0 引言

國內軌道交通AFC 系統經歷了啟蒙、實踐、調整、創新的階段[1]。剪式門及通行控制裝置作為AGM 的主要組成模塊，由于其品牌、規格、工藝的差異，給運營管理增加了難度。隨著國內軌道交通的高速發展，運營管理能力的逐步提升，雖然運營單位創新制作了許多檢修工裝，但檢修人員在修復故障時仍需面對繁雜的數據指標、定制的檢修工裝和功能單一的工器具，無法像設備廠商一樣通過集成裝置對模塊進行全方位檢測[2]。因此，人們希望有一種能夠集成檢測的裝置，能實現不同品牌、規格剪式門的測試驗證，并能通過數據化界面直接反饋檢修結果。

本文將結合武漢軌道交通運營的AGM 剪式門3 個品牌：固力保標準通道2031 組、寬通道393 組，馬格標準通道2214 組、寬通道515 組，艾弗世標準通道388 組、寬通道115 組的運維情況和故障分類，設計一套能輔助設備維修、檢測模塊性能、便于培訓教學的裝置，從而實現降低運維成本、提高維修質量和效率[3]，為乘客提供更優質的運營服務體驗，提升武漢軌道交通的運營服務質量[4]。

圖1 測試平臺系統結構圖

1 剪式門及通行控制裝置測試平臺的設計方案

圖2 測試臺硬件組成圖

剪式門及通行控制裝置測試平臺（簡稱：測試平臺）的設計原則：遵循機械設計過程中的標準化、技術性能和安全性三大原則[5]，通過模塊化設計預留好測試扇門各部件的安裝位置；利用控制板驅動電機推動扇葉，進行鎖止力、沖擊力測試，并布置多個傳感器采集模塊動作；主控單元匯總采集數據進行計算、分析，將結果實時顯示在人機交互界面上，并同步存儲至數據庫中。

2 剪式門及通行控制裝置測試平臺實現

■2.1 硬件與軟件環境選定

測試平臺由觸摸顯示屏、測試平臺框架、鎖止力測試裝置、沖擊力測試裝置、開關門時間測試裝置、偏移角度測試裝置、控制板、電源系統、扇門系統等部分組成；采用不銹鋼整機框架，可以靈活拆裝；結構安裝上配置相應的固定孔位，使用轉接固定件安裝方式兼容不同廠家的機芯；傳感器通過可調固定滑道型材進行滑動、固定，框架上設置固定鋼直尺，用于傳感器的調節坐標；電氣接口提供AC220V、DC24V 電源端口；測試平臺的長寬高為1200mm×800mm×1100mm；能適用520mm、550mm 標準剪式門通道和900mm 寬剪式門通道[6]，測試平臺硬件結構，硬件規格材質分別如圖3 所示。

圖3 測試平臺硬件結構圖

測試平臺軟件的運行環境是基于嵌入式Linux 操作系統控制臺方式，以多線程、多任務方式完成測試平臺的功能[7]。軟件開發平臺是由QtCompany 開發的跨平臺C++圖形用戶界面應用程序開發框架QtCreator，支持包括Windows、GNU/Linux、MacOSX 等操作系統，面向對象、模塊化程度高，擁有豐富的API、開發文檔、XML 支持[8]。

■2.2 測試子系統實現

測試子系統執行人機交互界面的測試命令，通過不同檢測項目驗證剪式門參數，并將測試數據分別在界面和數據庫中展示、保存，輔助維修人員判斷剪式門性能是否符合要求[9]，剪式門測試任務流程如圖4 所示。

圖4 剪式門測試任務流程

圖5 門板偏移角度簡圖

2.2.1 沖擊力測試

機芯安裝到測試平臺后，將推/拉力計采集裝置通過上下、左右和旋轉角度進行微調、固定。測試開始時，推/拉力計的外置傳感器一旦受到撞擊，就會進行信號采集，界面也會顯示相應數值，主要驗證剪式門最大、最小以及平均沖擊力是否符合國標中技術性能的要求（≥175N 且≤325N），防止沖擊力力度過大造成乘客夾傷[10]。采集系統將根據配置進行t 組測試，分別取得最大值Nmax、最小值Nmin、平均值Navg，如下：

2.2.2 鎖止力測試

鎖止力測試裝置固定在測試支架上，調整安裝方向后，可實現左右機芯功能測試；其主控單元采用32 位ARM 系列主控板，用來控制鎖止力測試裝置中電機的啟動和停止。測試開始時，通過計算、分析人機交互界面上顯示的推力值、到位傳感器位置偏移狀態，為防止乘客惡意闖入一般鎖止力會在150N 以上，數值采集方式與沖擊力測試相同[11]。

2.2.3 扇葉閉合測試

在剪式門扇葉閉合兩端設置接近開關傳感器，并將傳感器固定在可平行移動的支架上，調整后可驗證不同尺寸的扇門。測試開始時，剪式門扇葉閉合一旦觸發傳感器，控制單元將采集傳感器數值，并將扇門閉合時間、次數等信息顯示在人機交互界面上，依次檢測閉合時間是否在300～600ms范圍內。

2.2.4 偏移角度測試

在測試平臺上加裝水平尺、臺鉗，并固定可移動的角度傳感器，獲取門板的偏移角度、垂直角度、傳感器反射時長等數據，當扇門門板無變形的情況下，傳感器到門板的反射時長相同；若門板發生形變，傳感器到門板的反射時長有差異，將產生形變的夾角設為θ，構建三角函數進行計算分析[12]，運維人員通過判斷tanθ ∈[-0.1,0.1]確定剪式門門板是否正常。即將角度傳感器與門板垂直的距離作為標準，設定為S 標；若門板變形，下端角度傳感器與門板的距離S下≠S 標，則將此處定為彎曲變形的起點A，將上端角度傳感器移至門板邊緣B 點，此時角度傳感器與門板的距離為S上；用直尺測量出兩個角度傳感器的水平距離為L，則偏移角度的計算公式為：tanθ=|S 上-S 下|÷L，若tanθ 的值為0 或（-0.1,0.1）之間時，則表明門板無彎曲或修復接近平整；反之則說明門板彎曲變形或修復未達標。

■2.3 設備管理子系統實現

設備管理子系統讀取配置文件，取得的模塊列表，對測評平臺的機芯、外設進行注冊和初始化；并提供推/拉力計、扇門、機芯和I/O 外設等各模塊操作方法，該系統按功能劃分包含：模塊管理、狀態管理、工作模式管理及自檢管理。測試時，應用程序從參數配置子系統中讀取各模塊的配置信息，完成模塊初始化；通過模塊監聽檢測實時檢測各模塊狀態，當某個模塊數據返回異常時，系統將嘗試3 次自檢，并更新模塊狀態數據；模塊更新后，平臺還提供新模塊底層升級接口，通過模式的設置，完成測試任務[13]。設備管理子系統數據流向如圖6 所示。

圖6 設備管理子系統數據流向圖

圖7 各模塊串口通訊流程圖

■2.4 個性化配置子系統實現

個性化配置子系統主要實現參數管理、配置管理和數據管理功能。其中參數管理可對沖擊力、鎖止力、扇門閉合時間等參數進行設置，提供外部調用接口函數；配置管理完成測試平臺配置文件的讀取、修改，并提供對每個配置項讀取、修改的方法；數據管理采用輕量級關系型數據庫SQLite，它能支持多表、索引、失誤、試圖、觸發和一系列的用戶接口和驅動，擁有完備的、可嵌入的零配置的SQL 數據庫引擎[14]。對測試平臺設置的參數、條件、測試結果等數據進行存儲，根據測試要求可配置數據存儲時間和條數，默認數據保存15 天、10W 條。

■2.5 通訊子系統實現

AGM的主控單元主要使用串口與各模塊建立通訊連接，為確保測試環境相同，因此測試平臺通訊連接和AGM 主控單元保持一致，同時預留網線、藍牙等通訊接口。串口是單片機間通用設備通信端口，其中串行通信能夠節省傳輸線，尤其在數據位多、遠距離數據傳送時優勢明顯[15]。測試平臺采用的Linux 系統可使用文件號來區分各個串口，每個外部設備都有對應的文件管理。通過開發工具引用SerialPort類，建立SerialPort 對象，設置BaudRate（波特率9600或115200），Databits（數據位長度8 位）等屬性后，使用Open 和Close 函數，就能打開或關閉某個端口；通過文件操作函數Read 和Write 實現對串口的讀寫，各模塊串口通訊流程如7 所示。

■2.6 人機交互子系統實現

本測試平臺的用戶界面以圖形化設計為主，即以窗口管理系統為核心，使用鍵盤和鼠標器作為輸入設備，圖形用戶界面和人機交互過程將極大地依賴視覺和手動控制的參與，因此具有強烈的直接操作特點[16]。人機界面的實現符合下列要求：（1）根據業務類型不同，按照用戶處理、訪問查看的順序來設計人機對話的界面；（2）按業務功能設計多級菜單、分層提示信息和多項對話框窗口，便于用戶通過界面操作；（3）為每個用戶分配角色、權限，建立獨立用戶名，用戶登錄后按權限配置進行相應操作。測試平臺登錄流程如圖8 所示。

圖8 用戶登錄流程

3 測試及驗證

傳統扇門檢測方式，需將待測設備安裝在AGM 上進行驗證，功能有限且測試精準度不高，與傳統檢測方式相比，測試平臺能更便捷、準確、高效地進行檢測[17]。為實際檢驗測試平臺數據的準確性、可靠性和先進性，筆者將通過以下步驟進行驗證：(1)功能性測試：采集若干組測試樣本，分別驗證不同品牌剪式門的沖擊力、鎖止力、偏移角度、閉合時間等數值，確保測試平臺符合設計階段的要求；(2)應用對比測試：選擇同品牌剪式門的新備件和維修件（已修件、待修件）分別進行測試，校核維修件的檢修質量是否達標。

■3.1 功能性測試結果

分別選取武漢軌道交通運營AGM 使用的固力保、馬格和艾弗世的剪式門，并依次安裝在測試平臺上，對各項指標進行100 組測試采樣，所采集的沖擊力、鎖止力、偏移角度、閉合時間數據的各項平均數值趨于正態分布規律，通過正態分布概率表取值，可得該平臺測試數據的準確度為99%，測試作業異常率為0.1%。利用貝葉斯定理對測試結果樣本進行統計分析，復驗測試平臺各項數據的準確性和可靠性[18]。假設令X 為測試異常事件，Y 為檢測正常，N 為檢測異常（故障），則某品牌的檢測異常的概率公式為：

式中：P(X)為測試異常概率，即先驗概率為0.001；P(Y)為測試正常概率，即1-P(X)=0.999；P(N|X)為測試結果異常或故障的檢出率，因測試平臺可靠度為99%，故該值為0.99；P(N|Y)為測試結果正常的誤檢率，因可靠度為99%，故該值為0.01。

在排除其他無關因素影響下，P(N)檢測異常率通過全概率公式計算可得：P(N)=異常故障率+誤檢率=P(X)×P(N|X)+P(Y)×P(N|Y)=(0.001×0.99)+(0.01×0.999)=0.01098，故P(X|N)=(0.99×0.001)÷0.01098=0.09，即某品牌檢測異常的概率為9%，將該品牌進行復檢(即令P(X)=9%，替換之前的0.1%），如果檢測結果依然為故障、異常，再利用貝葉斯定理計算，將會得到檢測結果異常的概率為90.73%；若進行第三次復測，通過貝葉斯定理計算出該品牌檢測出故障概率為99.89%，這充分證明測試平臺準確度高于99%，其測試數值符合國標、產品功能參數等相關指標，測試平臺功能滿足設計階段的要求，功能性測試均值記錄如表1 所示。

表1 功能性測試均值記錄

■3.2 應用對比測試結果

應用對比測試是將同品牌新備件的測試數據作為基準，驗證比對新備件、待修件和已修件的相關數據指標，確保剪式門檢修質量達到標準，應用對比測試均值記錄如表2 所示。

表2 應用對比測試均值記錄

從表2 中數據分析可以看出，測試平臺對沖擊力、鎖止力、偏移角度、閉合時間的測試是合理的，特別對已修件和待修件的測試，展現出的檢修效果非常明顯，可大幅提高檢修質量，更好地指導維修作業，提升維修效率。

4 結語

應用軟件工程方法學的需求分析原則，在充分歸納總結測試平臺需求的基礎上，基于面向對象、模塊化和分層設計的原理和思想[19]，設計了剪式門及通行控制裝置測試平臺的軟、硬件架構，初步實現了系統的功能。在測試及驗證階段，該測試平臺能準確地記錄各項測試數據，通過圖形化方式呈現，能更直觀地反饋給檢修人員，輔助、指導模塊的維修作業[20]。目前，剪式門及通行控制裝置測試平臺已運行在實際運營生產環境中。后續還會加強以下兩方面工作：（1）加強剪式門及通行控制裝置測試平臺設備模塊間接口兼容，實現多模塊多接口隨機調用，同步檢測不同品牌剪式門；（2）加強多個剪式門及通行控制裝置測試平臺的互聯及與其他網絡（藍牙、WiFi 等）互聯的研制工作。