1、纸币接收模块国产化开发项目主要研究单位：上海轨道交通技术研究中心广州德银电子科技有限公司主要研究人员：冯 娟、李勇兵、龙凌云、陈 健、郑小键、周庆荣、郑 鸣、郑滋慰、王 炯1. 研究背景和项目来源1.1.研究背景随着国内轨道交通的发展，我国中心城市轨道交通工程的AFC系统已相继应用并逐步完善提高。TVM自动售票设备的发展是整个 AFC系统中的一个重要环节，从当初的只单纯接收硬币的售票功能发展到当前的可接收硬币、纸币并具有找纸币的售票功能，代表了AFC 系统的发展过程。2001年，国内第一批在应用纸币模块的TVM ，很大程度提高了自动售票系统的工作效率，完善了TVM的整体功能。从此，纸币接收模块
2、已经成为了 TVM设备中的核心部件。由于该模块的使用要求和安全性要求，在国内，其相关产品为空白，所以在各个城市轨道交通工程的TVM自动售票设备中，一直是使用国外的纸币接收模块。这样，使TVM设备的整体价格相对昂贵，同时，维修、服务及配件供应等因素都不利于国内自动售票系统的发展。因此，国家适时提出了“城市轨道交通车辆和机电设备国产化率在70%以上”的目标，并出台了多项政策性文件，鼓励积极采用国产设备，努力提高系统和设备的国产化率，降低轨道交通的造价；同时也促进国内设备制造业的发展，使之提高产品质量或填补国内技术的空白；扩大就业范围，拉动国民经济增长，这既是经济效益的需求，更是国家产业战略发展的需
3、要。目前，国内轨道交通的TVM自动售票设备系统采用的纸币接收模块主要为G&D的 BIM2020模块和MEI 的纸币模块。这两个模块均为国外进口，采购价格昂贵，其关键技术均不自有。所以，要降低建设成本、提高运营的保障条件，保障轨道交通系统整体国产化率提高，就必须突破国外设备系统的技术垄断局面，将该类型模块国产化。本项目旨在研究开发具有我国自主知识产权的具有高可靠性、低成本的纸币接收模块，以应用于我国城市轨道交通行业的自动售检票系统，促进发展上海轨道交通装备产业化及提高我国城市轨道交通自动售检票系统的发展长久性。1.2.立项依据和必要性本立项是依据原有的城市轨道交通自动售检票（AFC）系统工程质量
4、验收规范和上海市工程建设规范 城市轨道交通自动售检票系统通用技术规范，及上海市工程建设规范 城市轨道交通自动售检票系统（AFC）检测规程。国产纸币接收模块作为TVM设备的核心部件，属于轨道交通售票的主要功能，因此研发国产化、低购买成本、低使用成本、高稳定性的纸币接收模块对AFC系统的发展具有非常重要的意义。2. 研究内容2.1.项目目标纸币接收模块作为TVM系统的核心模块，在TVM的售票效率、现金安全等方面具有极其重要的作用。现国内轨道交通工程使用的该类模块，G&D的BIM2020模块占据了70%的使用量，在国内已经形成了较为成熟的使用经验、使用规范和接口。本项目主要是以G&D的BIM2020
5、模块为基础，进行以下几方面进行研究：1BIM2020模块传动部分的国产化研发，设计和生产。2优化改进 BIM2020模块在中国市场使用所存在的卡币现象。3研发国产化的部件用于替换进口BIM2020模块的维护零部件；4纸币接收模块的国产化批量应用，从技术性能、经济成本上超越进口产品。2.2.项目完成情况纸币接收模块国产化开发项目已完成下述研发工作1. 完成了纸币接收模块的结构设计、模具设计制作、生产工艺制定等工作。2. 完成了纸币接收模块的硬件设计、生产组织、质量控制等工作。3. 完成了纸币接收模块的软件设计、应用、兼容测试等工作。4. 完成了整机结构零部件、硬件、软件等国产化兼容开发工作。满足
6、了与原进口产品兼容、替换、升级等要求。5. 完成了整机样机研发、小批量试产等工作。6. 完成了整机测试工具软件的开发。通过测试软件可以了解整机的结构安装质量、硬件质量、生产调试质量、以及模拟上位机对模块实行全面的控制操作与信息反馈。7. 完成了需求说明书、设计说明书、纸币接收模块企业标准、规格书、安装维护手册、测试方案、检验手册等相关技术文件。8. 完成并通过了整机内部性能测试（见国产纸币接收模块内部测试报告）。9. 完成并通过了整机环境试验（报告编号Z0911WT8888-2831 、Z1004WT8888-0862）与 EMC电器兼容性试验（报告编号 ，1004WT8888-0862-E
7、）的第三方测试。10.完成并通过了整机的用户测试。（见国产纸币接收模块上线测试总结）11.申请了2 项专利（申请号： 201030147705.5，201030634848.7 ）。12.申请了1项软件著作权登记（登记号： 2011R11L008200 ）。2.3.关键技术1. 纸币接收模块的工作流程控制非常重要，关系到现金流的安全。研制可与在线模块完全兼容的控制电路，需要开发出接口和控制逻辑的主控电路及软件。2. 纸币接收模块作为轨道交通现金收入交易量最大、使用条件又是最复杂的部件，必须满足高稳定性、高使用寿命、低使用成本的要求。促使整机从结构、电路、软件设计开始到材料选择、零件加工、产品组
8、装等方面都有合理的安排与较高的质量控制。3. 由于纸币接收模块一次交易中最多可接收15 张纸币。多张钞票堆叠的整齐尤为重要。经分析，在使用过程中，发生在堆叠过程中的卡币占模块卡币的50% 以上。要解决这一问题，除了进行合理的结构设计和流程控制外，还必须在主控软件上对每张钞票的运动进行合理的补偿。以抵消由于堆叠厚度和皮带打滑造成的位置差异。4. 为提高模块的安全性及使用效率，需要对模块工作全程进行实时监测，并及时上报上位机。5. 由于国内TVM生产厂家较多，其主控软件又各不相同。为保证模块使用的兼容性要求，需要开发和制定完善的通信接口与相关协议。3. 研究成果3.1.设计过程3.1.1. 技术方
9、案制定1. 技术要求1) 拒收率：不大于1%；2) 漏报率：低于1 / 5000；3) 阻碍辐射(150 kHz - 1000 MHz)衡量标准B；4) 电测射频电场，衡量标准A ，27 - 500 MHz 3V/m；5) 对快速瞬态干扰（脉冲）的抗干扰性，直流线路2KV，5千赫兹。信 号线路1KV，5千赫兹；6) 主电源： 24.0 V 10% 直流, 5 A；7) 备用电源24.0 V 10% 直流, 5 A；8) 钱箱储存数量1000张；9) 速度：在检测期间大约1.75 米/秒，其他时间0.44米/秒；10) 暂存器容量：15 张钞票；11) 环境应用：工作温度-5 到50C，存储温度
10、-20到70C ，空气湿度（无凝结水）10 - 90%。2. 设计方案1) 进钞口开合功能：进钞口采用常闭、受控打开的设计。2) 钞票纠偏功能 ：投入的钞票在进入检测前首先经过纠偏处理的设计。3) 钞票检测功能：钞票的票面质量、卷别、真假等分析、鉴别采用独立模块设计。4) 钞票回旋待定功能：鉴于经过检测并确认的钞票必须得到上位机的指令才能进入下一个处理环节，设计上利用回旋机构实现钞票的待命要求。5) 钞票暂存功能为满足使用者中止交易（简称悔购）的需求，当笔交易的钞票累计达到15张前，通过钞票暂存机构的设计。便于使用者在购票确认前 对已放入的钞票进行收回。6) 钞票返回功能设计上钞票返回区安排在
11、钞票回旋待定区与钞票暂存区之间。以便有效执行伪钞退出或悔购指令的要求。7) 钞票进入钱箱功能通过对每一张钞票实行单边对齐的设计。使钞票从钞票暂存区整齐、平稳、有效地进入钱箱机构，完成本模块从接受钞票至钞票进入钱箱的整套工作。3.1.2. 分模块研制1) 纠偏模块：完成了纠偏马达的国产化选型、安装及相关零件定型、配合的设计。2) 分向模块完成了分向电磁阀、分向件的国产化选型及相关零部件的设计定型。3) 离合器模块完成了离合器电磁阀及离合器轴套、刹车机构的国产化设计及材料选型。4) 主控电路完成了模块主控电路的设计定型及生产。5) 主控程序完成了模块主控程序的开发与整机、联机调试。3.1.3. 样
12、机研制在完成分模块研制的基础上，解决了模块基板及相关零部件的加工精度、外购零部件的选型等问题后，生产了2台原理样机。并对原理样机进行了机械性能、电器性能、使用性能等测试，及时修正整机结构、电路、软件的相关不足，进入小批量试产。3.1.4. 小批量试产在完成原理样机的测试及相关修正后，项目相继完成了有关生产工艺、配套工、检、模具、测试方案制定等工艺过程，开始小批量试产。3.2.内部测试3.2.1. 兼容性测试模块在上海轨道交通AFC测试中心完成兼容性测试。并分别在广州、深圳、上海等地、在国内现有的各TVM品牌厂家的产品上进行了内部摸底测试。测试结果，国产纸币模块能完全兼容原有进口纸币模块。电源，
13、通信接口都能与国内现有的各TVM品牌厂家的产品正确联接；在上位机的操控下，正确完成纸币的接收，辨别，暂存，退币，入钱箱等一系列操作。3.2.2. 前期在线测试继完成兼容性测试后，在上海轨道交通四号线的大连路站，以华虹计通的TVM为平台，使用两台模块，进行了为期1个月左右的线上测试。测试张数1.2万，金额9.6万。本次测试中，卡币率较高，客户反映退币较多。其他故障还有，长时间运营后进钞困难、皮带脱落、电磁阀失效和电机干扰等造成验币器失效等情况。根据模块的现场测试情况，我们及时地退出测试并马上组织相关技术人员进行分析和对有关设计、工艺的整改。3.2.3. 单台纸币模块 12万张次检测1) 鉴别速度
14、为1.91 秒，符合 GB16999-1997（表4）要求。2) 漏辨率符合GB16999-1997 （表4 ）要求。3) 拒收率和错辨率符合本课题对纸币接收模块指标的要求。4) 总体故障率偏高，有待整改。3.2.4. 大强度测试整改完成后，选取其中6 台模块分别进行了 2万张次进钞测试。结果如下：序号 检测项目 技术条件 检查结果1 鉴别时间 小于或等于 2s 1.91s2 伪钞辨别 上报故障码，拒绝接受 具有3 漏辩率 小于 1/5000 0.00%4 拒收率 小于 1/100 0.38%5 错辩率 小于 1/5000 0.00%1) 鉴别时间符合GB16999-1997 （表4 ）要求。
15、2) 漏辨率符合GB16999-1997 （表4 ）要求。3) 拒收率和错辨率符合纸币接收模块指标要求。拒收率相对整改前明显减少。4) 卡币、其他故障及总故障率大幅减少。5) 模块进钞困难的故障基本消除。叠钞不齐的现象得到有效地控制。3.2.5. 联机压力测试2010年05月13日到2010年05 月19 日，在上海轨道交通 AFC测试中心，进行了修整后的模块和TVM上位机器的配合测试。采用上海轨道交通 AFC检测平台SC管理系统的方式，在【华虹计通TVM】设备上进行实际购票动作。每次购票放入10张钞票，每100张钞票随机掺入2张伪钞。共进入钞票10100张。测试情况如下：序号 检测项目 技术
16、条件 检查结果1 鉴别时间 小于或等于 2s 1.91s2 伪钞辨别 上报故障码，拒绝接受 具有3 漏辩率 小于 1/5000 0.00%4 拒收率 小于 1/100 0.17%5 错辩率 小于 1/5000 0.00%1) 鉴别时间符合GB16999-1997 （表4 ）要求。2) 漏辨率符合GB16999-1997 （表4 ）要求。3) 拒收率和错辨率符合本课题对纸币接收模块指标要求。4) 卡币、进钞困难、叠钞不齐情况基本消除。5) 与TVM设备连接及SC系统连接良好，满足兼容性要求。6) 模块整体运行状况良好。3.3.第三方测试根据国家对该类型产品的有关规定，在大连路站上线测试的同时，将
17、模块送国家工业和信息化部电子第五研究所（以下简称五所）进行“环境和电磁兼容”的测试。测试项目是依照本项目技术开发合同的要求，参照GB16999-1997“人民币伪钞鉴别仪” 国家标准的相关内容来制定。电磁兼容、气候环境、机械环境的测试结果符合国家标准及项目任务书的要求。3.4.上线测试模块在完成内部测试和第三方测试后，根据课题进度计划，进入上线测试阶段。课题组会同上海地铁第二、第三运营公司，将本课题5台成果模块分别安装在上海在线运营的计通、华铭、怡力和邮通等TVM 设备上，分别在杨树浦路站、江苏路站、娄山关路站和曹杨路站等地铁车站的五台设备上进行实际使用测试，以检验模块的实际使用性能。同时，以
18、验证模块与实际运营TVM设备、车站SC系统的通信连接状况。整个上线测试共持续185天，收钞141669张，交易金额1422115元。整个测试期间，模块与SC系统、TVM设备结合良好，通信故障0次，电子元件损坏0件，机械零部件损坏 0件。收进假钞 0元，纸币识别错误0张，累计卡钞50次，其他故障7次，总故障率 0.040%。本次上线测试时间长，收钞量大，测试地点分布较广，应用测试平台基本覆盖了上海现有TVM的各生产厂家。模块的设计性能、生产质量以及与 SC系统、TVM设备的兼容性等均得到了有效的检验，各项指标达到了项目要求。课题组初步认为，模块的线上测试结果是合格的。4. 应用前景与效益预测轨道
19、交通自动售票（AFC）设备国产化是国家轨道交通战略的一个重要方面，纸币接收模块作为TVM设备的一个核心部件。长期存在价格昂贵、维护成本高、相关配件跟不上等问题。国产化对我国轨道交通行业节约成本、提高服务质量、减少维保费用等意义重大，具体分析如下：目前国内轨道交通自动售票机（TVM）中的纸币接收模块，全部采用进口产品。其中本课题研究类型的模块在我国的占有率约70%。其采购价格昂贵，相关配件不仅成本高，还存在货期跟不上的问题。本项目完成后，包括整机及所有零部件均可完全替代。新招标的项目采用国产化产品，可大大节省建设投入，同时，在现存进口产品的维保服务上，其配件价格及维护跟进时间将大幅降低。据测算，纸币接收模块单台可节约成本 4000 元，按每年需求 5000 台，可为国家节约投资 2000 万元。在配件跟进方面，按目前国内轨道交通纸币接收模块维保情况分析，以使用寿命10 年计算，每台使用成本可节约 1.2 万元，总共可为国家节省 6000 万元。而配件跟进时间更是大大缩短。因此，纸币接收模块国产化后从节约投资成本、提高服务质量方面效益是十分显著的。综上所述，本项目的成功实施，打破国外厂商对核心技术的垄断，提高我国轨道交通设备的国产化占有率，既符合了国家相关政策、也降低了我国轨道交通建设和服务的成本，其意义是显而易见的，应用前景将十分广阔。
