自動(dòng)售檢票系統(tǒng)關(guān)鍵模塊專(zhuān)用檢測(cè)裝置

薛紅昌　劉廣平　潘錦明　廖清　靳守杰

摘? 要：自動(dòng)售檢票系統(tǒng)領(lǐng)域關(guān)鍵模塊質(zhì)量良莠不齊，檢測(cè)和評(píng)價(jià)能力薄弱。專(zhuān)用檢測(cè)裝置可對(duì)符合標(biāo)準(zhǔn)軟件接口的模塊進(jìn)行功能、性能、可靠性檢測(cè)，提升該領(lǐng)域自動(dòng)化檢測(cè)能力，節(jié)省人力成本，實(shí)現(xiàn)AFC非標(biāo)系統(tǒng)部件的基準(zhǔn)能力評(píng)測(cè)。從項(xiàng)目需求、軟硬件功能設(shè)計(jì)及可靠性評(píng)估算法角度，闡述自動(dòng)售檢票系統(tǒng)專(zhuān)用檢測(cè)裝置的系統(tǒng)設(shè)計(jì)及未來(lái)研究方向。

關(guān)鍵詞：AFC系統(tǒng);專(zhuān)用檢測(cè)裝置;可靠性評(píng)估

中圖分類(lèi)號(hào)：U293.221;TP311.52? ? ? ?文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A 文章編號(hào)：2096-4706（2020）05-0125-05

Special Detection Device for Key Modules of AFC System

XUE Hongchang1，LIU Guangping1，PAN Jinming1，LIAO Qing1，JIN Shoujie2

（1. GRG Banking Equipment Co.，Ltd.，Guangzhou? 510663，China;

2. Guangzhou Metro Group Co.，Ltd.，Guangzhou? 510330，China）

Abstract：The quality of key modules in the field of automatic fare collection system is uneven，and the ability of detection and evaluation is weak. The special detection device can detect the function，performance and reliability of the modules that meet the standard software interface，improve the automatic detection ability in this field，save labor cost，and realize the benchmark ability evaluation of the non-standard system components of AFC. From the perspective of project requirements，software and hardware function design and reliability evaluation algorithm，expounds the system design and future research direction of the special detection device for AFC system.

Keywords：AFC system;special detection device;reliability assessment

0? 引? 言

本文為國(guó)家重點(diǎn)研發(fā)計(jì)劃“先進(jìn)軌道交通專(zhuān)項(xiàng)”——復(fù)雜環(huán)境下軌道交通系統(tǒng)全生命周期能力保持技術(shù)的研究成果。該項(xiàng)目研究城軌交通系統(tǒng)全生命周期能力保持技術(shù)的理論體系及系統(tǒng)裝置，推動(dòng)軌道交通從前期規(guī)劃、建設(shè)運(yùn)營(yíng)到維修保養(yǎng)的全生命周期優(yōu)化，提升軌道交通投資/收益比，提升城軌交通系統(tǒng)的安全性、可靠性。該項(xiàng)目所屬課題“復(fù)雜環(huán)境下城軌車(chē)站設(shè)備及系統(tǒng)能力保持技術(shù)”及子任務(wù)“隘口型設(shè)備服役性能評(píng)測(cè)技術(shù)”對(duì)自動(dòng)售檢票系統(tǒng)（AFC）關(guān)鍵模塊全生命周期能力保持技術(shù)進(jìn)行研究。

自動(dòng)售檢票系統(tǒng)是軌道交通領(lǐng)域廣泛使用的運(yùn)營(yíng)管理系統(tǒng)。該系統(tǒng)自動(dòng)實(shí)現(xiàn)售票、檢票、清分、統(tǒng)計(jì)等工作，大大降低企業(yè)人力成本。作為AFC系統(tǒng)關(guān)鍵模塊，硬幣模塊和發(fā)卡模塊的質(zhì)量可靠性愈顯重要。

現(xiàn)階段，此類(lèi)模塊全靠人工檢測(cè)，效率低、勞動(dòng)強(qiáng)度大、人為因素較難把控。隨著人力成本升高及自動(dòng)控制技術(shù)發(fā)展，對(duì)無(wú)人值守自動(dòng)化檢測(cè)裝置的需求愈來(lái)愈迫切。

1? 項(xiàng)目需求及硬件系統(tǒng)設(shè)計(jì)

如圖1所示，從硬幣/發(fā)卡模塊人工檢測(cè)流程中提取兩者共同點(diǎn)，形成專(zhuān)用檢測(cè)裝置的項(xiàng)目需求。A位置需1個(gè)補(bǔ)幣暫存器用于給硬幣/發(fā)卡模塊補(bǔ)幣。B位置和C位置各需1個(gè)收集審計(jì)器統(tǒng)計(jì)該通道的硬幣/票卡數(shù)量。硬幣/票卡從B/C位置傳輸至A位置需傳動(dòng)鏈傳輸機(jī)構(gòu)。B位置和C位置的傳動(dòng)鏈傳輸機(jī)構(gòu)需具有正反傳輸功能。A、B、C位置的部件均需具有自動(dòng)出幣及計(jì)數(shù)功能。

1.1? 專(zhuān)用檢測(cè)裝置總體架構(gòu)

如圖2所示，專(zhuān)用檢測(cè)裝置采用二級(jí)控制系統(tǒng)，計(jì)算機(jī)作為控制中心，承擔(dān)被檢測(cè)模塊和檢測(cè)平臺(tái)的協(xié)調(diào)配合，檢測(cè)裝置控制板作為下位機(jī)控制系統(tǒng)，二者共同實(shí)現(xiàn)被檢模塊自動(dòng)測(cè)試任務(wù)。計(jì)算機(jī)系統(tǒng)選用高可靠性和環(huán)境適應(yīng)能力強(qiáng)的工控機(jī)。工控機(jī)與檢測(cè)平臺(tái)，被測(cè)模塊，輸入/輸出驅(qū)動(dòng)板之間使用廣電運(yùn)通自研的串口通訊協(xié)議。該協(xié)議采用命令-響應(yīng)的被動(dòng)形式，具有BCC校驗(yàn)及糾錯(cuò)重傳機(jī)制，保證串口通訊高效傳輸?？刂颇K接收命令，執(zhí)行相應(yīng)動(dòng)作，并將執(zhí)行結(jié)果返回工控機(jī)。工控機(jī)自行決策下一步操作。由工控機(jī)、顯示器、鍵盤(pán)、鼠標(biāo)實(shí)現(xiàn)人機(jī)接口。通過(guò)上層軟件，操作人員可設(shè)置測(cè)試參數(shù)及查詢測(cè)試結(jié)果。220 V市電通過(guò)配電箱接入電源箱，輸出檢測(cè)裝置及被測(cè)模塊所需的24 V/12 V電壓。配電箱集成漏電保護(hù)開(kāi)關(guān)，有效保護(hù)人身安全。硬幣/票卡采用皮帶夾送傳輸方案，該方案在《皮帶夾送傳輸控制算法》中詳細(xì)闡述。補(bǔ)幣暫存器及收集審計(jì)器均選用廣電運(yùn)通自研出幣器。該出幣器出幣速度快，可達(dá)6～8枚/秒，有利于自動(dòng)化設(shè)備高速運(yùn)行。機(jī)架配置4個(gè)腳輪和4個(gè)支撐腳架，既方便裝置移動(dòng)，又方便裝置固定測(cè)試。

1.2? 溫控系統(tǒng)

如圖3所示，主機(jī)柜上下各安裝一個(gè)12 V風(fēng)扇。下部風(fēng)扇從外部吸空氣。上部風(fēng)扇向外部排空氣。在主機(jī)柜內(nèi)部形成從下往上的空氣循環(huán)，維持主機(jī)柜適宜溫度。為避免資源浪費(fèi)，在風(fēng)扇供電電路增加磁敏溫度開(kāi)關(guān)CTR-18/20～25 MY，當(dāng)機(jī)柜內(nèi)溫度高于20 ℃，風(fēng)扇自動(dòng)啟動(dòng)降溫。當(dāng)機(jī)柜溫度下降到20 ℃以下，風(fēng)扇自動(dòng)停止工作，綠色環(huán)保。

1.3? 整體結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

圖4是整體結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)圖。當(dāng)硬幣/票卡從補(bǔ)幣暫存器1出來(lái)，通過(guò)補(bǔ)幣管道2進(jìn)入被測(cè)模塊3。被測(cè)模塊3執(zhí)行相應(yīng)操作，硬幣/票卡進(jìn)入收集審計(jì)器1或收集審計(jì)器2，最后由皮帶夾送傳輸至補(bǔ)幣暫存器1，形成完整的硬幣/票卡循環(huán)路徑。

（注：1-補(bǔ)幣暫存器;2-補(bǔ)幣管道;3-被測(cè)模塊;4-托架調(diào)節(jié)手輪;5-托架;6-螺紋絲桿;7-水平傳輸通道;8-回收箱;9-腳輪;10-支撐腳架;11-手輪1;12-步進(jìn)電機(jī)1;13-步進(jìn)電機(jī)2;14--手輪2;15-收集審計(jì)器1;16-收集審計(jì)器2;17-聲光報(bào)警燈;18-工控機(jī);19-上出風(fēng)口;20-檢測(cè)平臺(tái)控制板;21-輸入輸出驅(qū)動(dòng)板;22-電源箱;23-下出風(fēng)口;24-配電箱）

被測(cè)模塊安裝架5、絲桿6和手輪4組成的部件，可沿Z軸方向手工調(diào)節(jié)。補(bǔ)幣暫存器1和補(bǔ)幣管道2可沿Z、X軸方向手工調(diào)節(jié)，以兼容不同供應(yīng)商的模塊。

2? 軟件系統(tǒng)設(shè)計(jì)

如圖5～圖8所示，軟件系統(tǒng)由登錄界面、功能檢測(cè)、可靠性測(cè)定、可靠性檢測(cè)等界面組成。

3? 可靠性評(píng)估算法

可靠性測(cè)定方案通過(guò)可靠性試驗(yàn)，測(cè)定被測(cè)模塊的可靠性指標(biāo)，判定被測(cè)模塊是否符合可靠性指標(biāo)。為保證可靠性試驗(yàn)結(jié)果的準(zhǔn)確性，被測(cè)模塊需經(jīng)過(guò)應(yīng)力篩選（高溫老化或常溫老化）合格的產(chǎn)品。在試驗(yàn)過(guò)程中，被測(cè)模塊應(yīng)盡可能模擬實(shí)際使用情況進(jìn)行基本功能操作。選擇MCBF作為硬幣模塊和發(fā)卡模塊的可靠性特征值。

3.1? 可靠性測(cè)定方案

依據(jù)GB 5080.4-1985《設(shè)備可靠性試驗(yàn) 可靠性測(cè)定試驗(yàn)的點(diǎn)估計(jì)和區(qū)間估計(jì)方法（指數(shù)分布）》規(guī)定的試驗(yàn)方案實(shí)施。

以硬幣模塊為例，任務(wù)剖面覆蓋以下基本功能：硬幣識(shí)別、硬幣主找零、硬幣緩存找零、硬幣清幣。其中硬幣識(shí)別、硬幣主找零、硬幣緩存找零、硬幣清幣處理的硬幣數(shù)量計(jì)入硬幣處理總數(shù)，

硬幣主找零、硬幣緩存找零操作應(yīng)覆蓋全部主找零器和緩存找零器。覆蓋每次緩存找零1枚至緩存找零18枚。硬幣清幣操作應(yīng)覆蓋容量為100%、80%、50%、20%時(shí)執(zhí)行清幣。對(duì)試驗(yàn)中出現(xiàn)的故障進(jìn)行故障原因分析。排除非關(guān)聯(lián)故障，記關(guān)聯(lián)故障數(shù)為r。

3.1.1? 點(diǎn)估計(jì)

試驗(yàn)達(dá)到定數(shù)時(shí)，假設(shè)試驗(yàn)處理硬幣總枚數(shù)是M，出現(xiàn)的關(guān)聯(lián)故障數(shù)為r，則MCBF的點(diǎn)估計(jì)值：

MCBF=試驗(yàn)處理硬幣總枚數(shù)M/關(guān)聯(lián)故障數(shù)r

如未發(fā)現(xiàn)關(guān)聯(lián)故障，則r=0，點(diǎn)估計(jì)按MCBF=試驗(yàn)處理硬幣總數(shù)M*3計(jì)算。

3.1.2? 區(qū)間估計(jì)

我們只關(guān)心被測(cè)模塊的最低壽命，采用單邊置信區(qū)間。假設(shè)試驗(yàn)終止時(shí)，總處理硬幣枚數(shù)M，關(guān)聯(lián)故障數(shù)r，置信水平90%，則MCBF的區(qū)間估計(jì)值：

MCBF>=2M/x²₀₉₀（2r+2）（參考數(shù)據(jù)見(jiàn)表1、表2）

當(dāng)關(guān)聯(lián)故障超過(guò)3次時(shí)，點(diǎn)估計(jì)和區(qū)間估計(jì)均可作為可靠性測(cè)定指標(biāo)。當(dāng)故障數(shù)較小時(shí)，點(diǎn)估計(jì)值缺乏可信度。當(dāng)故障數(shù)充分多時(shí)，點(diǎn)估計(jì)和區(qū)間估計(jì)逐步趨近。本文使用區(qū)間估計(jì)值作為m0值。

3.2? 可靠性檢測(cè)方案

依據(jù)GB 5080.7-1986《設(shè)備可靠性試驗(yàn) 恒定失效率假設(shè)下的失效率與平均無(wú)故障時(shí)間的驗(yàn)證試驗(yàn)方案》中的序貫試驗(yàn)編號(hào)4：6方案（標(biāo)稱(chēng)值α=20%，β=20%，鑒別比Dm= 2）實(shí)施。

如圖9所示，x軸為累計(jì)試驗(yàn)硬幣數(shù)，y軸為累計(jì)相關(guān)故障數(shù)。斜線ab，cd將坐標(biāo)系分為拒收區(qū)、繼續(xù)試驗(yàn)區(qū)、接收區(qū)。當(dāng)試驗(yàn)中發(fā)現(xiàn)關(guān)聯(lián)故障，則計(jì)算當(dāng)前m值與m0的倍數(shù)，根據(jù)表3判定下一步是拒收，接收，還是繼續(xù)試驗(yàn)。假如是拒收或接收，則試驗(yàn)結(jié)束。假如試驗(yàn)達(dá)到m0的1.4倍時(shí)未發(fā)現(xiàn)關(guān)聯(lián)故障，或試驗(yàn)達(dá)到m0的2.09倍時(shí)只發(fā)生1次關(guān)聯(lián)故障，則判定為接收。

4? 結(jié)? 論

綜上所述，自動(dòng)售檢票系統(tǒng)關(guān)鍵模塊專(zhuān)用檢測(cè)裝置為獨(dú)立的測(cè)試平臺(tái)，具備友好的人機(jī)交互界面，能實(shí)現(xiàn)AFC非標(biāo)系統(tǒng)部件自動(dòng)化檢測(cè)，篩選優(yōu)質(zhì)模塊，提升現(xiàn)場(chǎng)模塊服役年限，提升軌道交通投資/收益比。隨著物聯(lián)網(wǎng)的普及，專(zhuān)用檢測(cè)裝置應(yīng)向網(wǎng)絡(luò)化方向發(fā)展。

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作者簡(jiǎn)介：薛紅昌（1983-），男，漢族，山西臨汾人，就職于AFC開(kāi)發(fā)二部，硬件工程師，電子技術(shù)工程師，2007年畢業(yè)于長(zhǎng)江大學(xué)，工學(xué)學(xué)士，研究方向：自動(dòng)售檢票系統(tǒng)研發(fā)、硬幣模塊、TOKEN模塊、票卡模塊研發(fā)。