剪式门及通行控制装置测试平台的设计与实现

李畅，杨军

（武汉地铁运营有限公司，湖北武汉，430000）

0 引言

国内轨道交通AFC 系统经历了启蒙、实践、调整、创新的阶段[1]。剪式门及通行控制装置作为AGM 的主要组成模块，由于其品牌、规格、工艺的差异，给运营管理增加了难度。随着国内轨道交通的高速发展，运营管理能力的逐步提升，虽然运营单位创新制作了许多检修工装，但检修人员在修复故障时仍需面对繁杂的数据指标、定制的检修工装和功能单一的工器具，无法像设备厂商一样通过集成装置对模块进行全方位检测[2]。因此，人们希望有一种能够集成检测的装置，能实现不同品牌、规格剪式门的测试验证，并能通过数据化界面直接反馈检修结果。

本文将结合武汉轨道交通运营的AGM 剪式门3 个品牌：固力保标准通道2031 组、宽通道393 组，马格标准通道2214 组、宽通道515 组，艾弗世标准通道388 组、宽通道115 组的运维情况和故障分类，设计一套能辅助设备维修、检测模块性能、便于培训教学的装置，从而实现降低运维成本、提高维修质量和效率[3]，为乘客提供更优质的运营服务体验，提升武汉轨道交通的运营服务质量[4]。

图1 测试平台系统结构图

1 剪式门及通行控制装置测试平台的设计方案

图2 测试台硬件组成图

剪式门及通行控制装置测试平台（简称：测试平台）的设计原则：遵循机械设计过程中的标准化、技术性能和安全性三大原则[5]，通过模块化设计预留好测试扇门各部件的安装位置；利用控制板驱动电机推动扇叶，进行锁止力、冲击力测试，并布置多个传感器采集模块动作；主控单元汇总采集数据进行计算、分析，将结果实时显示在人机交互界面上，并同步存储至数据库中。

2 剪式门及通行控制装置测试平台实现

■2.1 硬件与软件环境选定

测试平台由触摸显示屏、测试平台框架、锁止力测试装置、冲击力测试装置、开关门时间测试装置、偏移角度测试装置、控制板、电源系统、扇门系统等部分组成；采用不锈钢整机框架，可以灵活拆装；结构安装上配置相应的固定孔位，使用转接固定件安装方式兼容不同厂家的机芯；传感器通过可调固定滑道型材进行滑动、固定，框架上设置固定钢直尺，用于传感器的调节坐标；电气接口提供AC220V、DC24V 电源端口；测试平台的长宽高为1200mm×800mm×1100mm；能适用520mm、550mm 标准剪式门通道和900mm 宽剪式门通道[6]，测试平台硬件结构，硬件规格材质分别如图3 所示。

图3 测试平台硬件结构图

测试平台软件的运行环境是基于嵌入式Linux 操作系统控制台方式，以多线程、多任务方式完成测试平台的功能[7]。软件开发平台是由QtCompany 开发的跨平台C++图形用户界面应用程序开发框架QtCreator，支持包括Windows、GNU/Linux、MacOSX 等操作系统，面向对象、模块化程度高，拥有丰富的API、开发文档、XML 支持[8]。

■2.2 测试子系统实现

测试子系统执行人机交互界面的测试命令，通过不同检测项目验证剪式门参数，并将测试数据分别在界面和数据库中展示、保存，辅助维修人员判断剪式门性能是否符合要求[9]，剪式门测试任务流程如图4 所示。

图4 剪式门测试任务流程

图5 门板偏移角度简图

2.2.1 冲击力测试

机芯安装到测试平台后，将推/拉力计采集装置通过上下、左右和旋转角度进行微调、固定。测试开始时，推/拉力计的外置传感器一旦受到撞击，就会进行信号采集，界面也会显示相应数值，主要验证剪式门最大、最小以及平均冲击力是否符合国标中技术性能的要求（≥175N 且≤325N），防止冲击力力度过大造成乘客夹伤[10]。采集系统将根据配置进行t 组测试，分别取得最大值Nmax、最小值Nmin、平均值Navg，如下：

2.2.2 锁止力测试

锁止力测试装置固定在测试支架上，调整安装方向后，可实现左右机芯功能测试；其主控单元采用32 位ARM 系列主控板，用来控制锁止力测试装置中电机的启动和停止。测试开始时，通过计算、分析人机交互界面上显示的推力值、到位传感器位置偏移状态，为防止乘客恶意闯入一般锁止力会在150N 以上，数值采集方式与冲击力测试相同[11]。

2.2.3 扇叶闭合测试

在剪式门扇叶闭合两端设置接近开关传感器，并将传感器固定在可平行移动的支架上，调整后可验证不同尺寸的扇门。测试开始时，剪式门扇叶闭合一旦触发传感器，控制单元将采集传感器数值，并将扇门闭合时间、次数等信息显示在人机交互界面上，依次检测闭合时间是否在300～600ms范围内。

2.2.4 偏移角度测试

在测试平台上加装水平尺、台钳，并固定可移动的角度传感器，获取门板的偏移角度、垂直角度、传感器反射时长等数据，当扇门门板无变形的情况下，传感器到门板的反射时长相同；若门板发生形变，传感器到门板的反射时长有差异，将产生形变的夹角设为θ，构建三角函数进行计算分析[12]，运维人员通过判断tanθ ∈[-0.1,0.1]确定剪式门门板是否正常。即将角度传感器与门板垂直的距离作为标准，设定为S 标；若门板变形，下端角度传感器与门板的距离S下≠S 标，则将此处定为弯曲变形的起点A，将上端角度传感器移至门板边缘B 点，此时角度传感器与门板的距离为S上；用直尺测量出两个角度传感器的水平距离为L，则偏移角度的计算公式为：tanθ=|S 上-S 下|÷L，若tanθ 的值为0 或（-0.1,0.1）之间时，则表明门板无弯曲或修复接近平整；反之则说明门板弯曲变形或修复未达标。

■2.3 设备管理子系统实现

设备管理子系统读取配置文件，取得的模块列表，对测评平台的机芯、外设进行注册和初始化；并提供推/拉力计、扇门、机芯和I/O 外设等各模块操作方法，该系统按功能划分包含：模块管理、状态管理、工作模式管理及自检管理。测试时，应用程序从参数配置子系统中读取各模块的配置信息，完成模块初始化；通过模块监听检测实时检测各模块状态，当某个模块数据返回异常时，系统将尝试3 次自检，并更新模块状态数据；模块更新后，平台还提供新模块底层升级接口，通过模式的设置，完成测试任务[13]。设备管理子系统数据流向如图6 所示。

图6 设备管理子系统数据流向图

图7 各模块串口通讯流程图

■2.4 个性化配置子系统实现

个性化配置子系统主要实现参数管理、配置管理和数据管理功能。其中参数管理可对冲击力、锁止力、扇门闭合时间等参数进行设置，提供外部调用接口函数；配置管理完成测试平台配置文件的读取、修改，并提供对每个配置项读取、修改的方法；数据管理采用轻量级关系型数据库SQLite，它能支持多表、索引、失误、试图、触发和一系列的用户接口和驱动，拥有完备的、可嵌入的零配置的SQL 数据库引擎[14]。对测试平台设置的参数、条件、测试结果等数据进行存储，根据测试要求可配置数据存储时间和条数，默认数据保存15 天、10W 条。

■2.5 通讯子系统实现

AGM的主控单元主要使用串口与各模块建立通讯连接，为确保测试环境相同，因此测试平台通讯连接和AGM 主控单元保持一致，同时预留网线、蓝牙等通讯接口。串口是单片机间通用设备通信端口，其中串行通信能够节省传输线，尤其在数据位多、远距离数据传送时优势明显[15]。测试平台采用的Linux 系统可使用文件号来区分各个串口，每个外部设备都有对应的文件管理。通过开发工具引用SerialPort类，建立SerialPort 对象，设置BaudRate（波特率9600或115200），Databits（数据位长度8 位）等属性后，使用Open 和Close 函数，就能打开或关闭某个端口；通过文件操作函数Read 和Write 实现对串口的读写，各模块串口通讯流程如7 所示。

■2.6 人机交互子系统实现

本测试平台的用户界面以图形化设计为主，即以窗口管理系统为核心，使用键盘和鼠标器作为输入设备，图形用户界面和人机交互过程将极大地依赖视觉和手动控制的参与，因此具有强烈的直接操作特点[16]。人机界面的实现符合下列要求：（1）根据业务类型不同，按照用户处理、访问查看的顺序来设计人机对话的界面；（2）按业务功能设计多级菜单、分层提示信息和多项对话框窗口，便于用户通过界面操作；（3）为每个用户分配角色、权限，建立独立用户名，用户登录后按权限配置进行相应操作。测试平台登录流程如图8 所示。

图8 用户登录流程

3 测试及验证

传统扇门检测方式，需将待测设备安装在AGM 上进行验证，功能有限且测试精准度不高，与传统检测方式相比，测试平台能更便捷、准确、高效地进行检测[17]。为实际检验测试平台数据的准确性、可靠性和先进性，笔者将通过以下步骤进行验证：(1)功能性测试：采集若干组测试样本，分别验证不同品牌剪式门的冲击力、锁止力、偏移角度、闭合时间等数值，确保测试平台符合设计阶段的要求；(2)应用对比测试：选择同品牌剪式门的新备件和维修件（已修件、待修件）分别进行测试，校核维修件的检修质量是否达标。

■3.1 功能性测试结果

分别选取武汉轨道交通运营AGM 使用的固力保、马格和艾弗世的剪式门，并依次安装在测试平台上，对各项指标进行100 组测试采样，所采集的冲击力、锁止力、偏移角度、闭合时间数据的各项平均数值趋于正态分布规律，通过正态分布概率表取值，可得该平台测试数据的准确度为99%，测试作业异常率为0.1%。利用贝叶斯定理对测试结果样本进行统计分析，复验测试平台各项数据的准确性和可靠性[18]。假设令X 为测试异常事件，Y 为检测正常，N 为检测异常（故障），则某品牌的检测异常的概率公式为：

式中：P(X)为测试异常概率，即先验概率为0.001；P(Y)为测试正常概率，即1-P(X)=0.999；P(N|X)为测试结果异常或故障的检出率，因测试平台可靠度为99%，故该值为0.99；P(N|Y)为测试结果正常的误检率，因可靠度为99%，故该值为0.01。

在排除其他无关因素影响下，P(N)检测异常率通过全概率公式计算可得：P(N)=异常故障率+误检率=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，即某品牌检测异常的概率为9%，将该品牌进行复检(即令P(X)=9%，替换之前的0.1%），如果检测结果依然为故障、异常，再利用贝叶斯定理计算，将会得到检测结果异常的概率为90.73%；若进行第三次复测，通过贝叶斯定理计算出该品牌检测出故障概率为99.89%，这充分证明测试平台准确度高于99%，其测试数值符合国标、产品功能参数等相关指标，测试平台功能满足设计阶段的要求，功能性测试均值记录如表1 所示。

表1 功能性测试均值记录

■3.2 应用对比测试结果

应用对比测试是将同品牌新备件的测试数据作为基准，验证比对新备件、待修件和已修件的相关数据指标，确保剪式门检修质量达到标准，应用对比测试均值记录如表2 所示。

表2 应用对比测试均值记录

从表2 中数据分析可以看出，测试平台对冲击力、锁止力、偏移角度、闭合时间的测试是合理的，特别对已修件和待修件的测试，展现出的检修效果非常明显，可大幅提高检修质量，更好地指导维修作业，提升维修效率。

4 结语

应用软件工程方法学的需求分析原则，在充分归纳总结测试平台需求的基础上，基于面向对象、模块化和分层设计的原理和思想[19]，设计了剪式门及通行控制装置测试平台的软、硬件架构，初步实现了系统的功能。在测试及验证阶段，该测试平台能准确地记录各项测试数据，通过图形化方式呈现，能更直观地反馈给检修人员，辅助、指导模块的维修作业[20]。目前，剪式门及通行控制装置测试平台已运行在实际运营生产环境中。后续还会加强以下两方面工作：（1）加强剪式门及通行控制装置测试平台设备模块间接口兼容，实现多模块多接口随机调用，同步检测不同品牌剪式门；（2）加强多个剪式门及通行控制装置测试平台的互联及与其他网络（蓝牙、WiFi 等）互联的研制工作。