物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)在城市軌道交通票務(wù)清分中的應(yīng)用

王 炯 董曉婷

(上海申通地鐵集團(tuán)有限公司技術(shù)中心 上海 201103)

1 研究背景

隨著我國(guó)國(guó)民經(jīng)濟(jì)的飛速增長(zhǎng)，國(guó)內(nèi)城市軌道交通的建設(shè)也快速發(fā)展。作為軌道交通各系統(tǒng)中最基本、最重要的系統(tǒng)之一，自動(dòng)售檢票系統(tǒng)(automatic fare collection，AFC)的票務(wù)清分涉及各投資受益方的切身利益，如何進(jìn)行準(zhǔn)確高效的收益清分歷來(lái)都是各方研究的重點(diǎn)。目前的清分算法普遍采用的是基于客流概率的模型，清算是根據(jù)乘客換乘概率來(lái)進(jìn)行，這就不可避免地與乘客的實(shí)際乘坐線路有所差異。特別是新增線路后，乘客的乘車(chē)路線發(fā)生變化，清分模型需要適時(shí)調(diào)整，以保證清分的公平性?？偟膩?lái)說(shuō)，即便是再接近實(shí)際的清分模型也是屬于模糊清分范疇，因?yàn)樗皇腔诔丝偷恼鎸?shí)乘車(chē)路線數(shù)據(jù)來(lái)完成清分。因此，找到一種能最大限度地真實(shí)反映乘客換乘路徑的清分方法，將具有非常重要的意義。

隨著科學(xué)技術(shù)的發(fā)展，物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)已日趨成熟，并在各行各業(yè)中得到了一定的應(yīng)用，特別是超高頻射頻識(shí)別技術(shù)的出現(xiàn)，給軌道交通AFC系統(tǒng)的精確清分帶來(lái)了可能。下面就分析物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)的基本特點(diǎn)，結(jié)合目前軌道交通的清分原理，提出一種使用超高頻識(shí)別技術(shù)實(shí)現(xiàn)精確清分的方案。

2 技術(shù)狀況

2.1 物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)

物聯(lián)網(wǎng)是智能感知、識(shí)別技術(shù)與普適計(jì)算在網(wǎng)絡(luò)的融合應(yīng)用，被稱(chēng)為是繼計(jì)算機(jī)、互聯(lián)網(wǎng)之后世界信息產(chǎn)業(yè)發(fā)展的第三次浪潮。物聯(lián)網(wǎng)的核心和基礎(chǔ)仍然是互聯(lián)網(wǎng)，是在互聯(lián)網(wǎng)基礎(chǔ)之上延伸和擴(kuò)展的一種網(wǎng)絡(luò)，其用戶端延伸和擴(kuò)展到了任何物品之間，從而進(jìn)行信息交換和通信。

2.2 射頻識(shí)別技術(shù)

物聯(lián)網(wǎng)的關(guān)鍵技術(shù)之一便是射頻識(shí)別技術(shù)(radio frequency ID entification，RFID)。這是一種非接觸式的自動(dòng)識(shí)別技術(shù)，它通過(guò)射頻信號(hào)自動(dòng)識(shí)別目標(biāo)對(duì)象并獲取相關(guān)數(shù)據(jù)，識(shí)別工作無(wú)需人工干預(yù)，可工作于各種惡劣環(huán)境。RFID按應(yīng)用頻率的不同，分為低頻(low frequency，LF)、高頻(high frequency，HF)、超高頻(ultra high frequency，UHF)、微波(micro wave，MW)，相對(duì)應(yīng)的代表性頻率分別為低頻135 kHz以下、高頻13.56 MHz、超高頻860～960 MHz等。

RFID技術(shù)的基本工作原理并不復(fù)雜:標(biāo)簽進(jìn)入磁場(chǎng)后，接收解讀器發(fā)出的射頻信號(hào)，憑借感應(yīng)電流所獲得的能量，發(fā)送存儲(chǔ)在芯片中的產(chǎn)品信息，或者主動(dòng)發(fā)送某一頻率的信號(hào);在解讀器讀取信息并解碼后，送至中央信息系統(tǒng)進(jìn)行有關(guān)的數(shù)據(jù)處理。

3 精確清分

通過(guò)在車(chē)站內(nèi)安裝無(wú)線識(shí)別器，對(duì)軌道交通車(chē)票的芯片進(jìn)行改造，并建立一套完善的數(shù)據(jù)傳輸機(jī)制，從而動(dòng)態(tài)識(shí)別乘客的車(chē)票，實(shí)時(shí)收集客流情況。

3.1 車(chē)票改造

現(xiàn)有AFC系統(tǒng)采用的車(chē)票介質(zhì)全部基于高頻射頻標(biāo)簽(HF RFID)技術(shù)，因受讀寫(xiě)距離的限制，僅能在乘客進(jìn)出站時(shí)進(jìn)行有效性檢查。由于超高頻射頻標(biāo)簽(UHF RFID)的有效讀寫(xiě)距離最長(zhǎng)可達(dá)10 m，故采用這種技術(shù)的車(chē)票可以實(shí)現(xiàn)遠(yuǎn)距離的信息交互。

僅基于UHF RFID技術(shù)的車(chē)票是無(wú)法在AFC系統(tǒng)中獨(dú)立應(yīng)用的，因?yàn)锳FC系統(tǒng)需要在乘客進(jìn)出站時(shí)對(duì)車(chē)票進(jìn)行必要的處理，但這必須在乘客有明確的進(jìn)出站行為后才能進(jìn)行?？墒?，UHF RFID車(chē)票的有效讀寫(xiě)距離無(wú)法固定且無(wú)法精確定位，在檢票機(jī)處理車(chē)票時(shí)，可能會(huì)有多張車(chē)票出現(xiàn)在讀寫(xiě)范圍內(nèi)，而讀寫(xiě)器無(wú)法正確處理。

為了解決上述問(wèn)題，可使用雙頻卡。雙頻卡是包含了HF RFID和UHF RFID的智能卡，它同時(shí)具有兩種RFID的技術(shù)特性，而且可以獨(dú)立在各自頻段下工作，互不干擾。雙頻卡的HF部分用在自動(dòng)售票機(jī)售票和閘機(jī)進(jìn)出站檢票的處理上，其使用操作與現(xiàn)有的AFC系統(tǒng)沒(méi)有區(qū)別;UHF車(chē)票需要通過(guò)特定的讀卡器將車(chē)票標(biāo)簽的信息閱讀出來(lái)，并進(jìn)行相應(yīng)的處理，從而生成所持車(chē)票乘客的實(shí)際乘車(chē)路徑。

3.2 數(shù)據(jù)采集

如圖1所示，在現(xiàn)有的上海軌道交通AFC網(wǎng)絡(luò)體系中，在換乘車(chē)站增設(shè)一套換乘數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)，該系統(tǒng)由數(shù)據(jù)處理終端和UHF讀卡器組成。

圖1 改進(jìn)的上海軌道交通AFC網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)

我國(guó)現(xiàn)行國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)GB 50157—2003《地鐵設(shè)計(jì)規(guī)范》第8.3.16款規(guī)定，島式站臺(tái)的最小寬度應(yīng)不小于8 m，側(cè)式站臺(tái)的最小寬度應(yīng)不小于3.5 m;地下車(chē)站站臺(tái)高度不應(yīng)小于3 m，地面及高架車(chē)站站臺(tái)高度不應(yīng)小于2.5 m。UHF射頻標(biāo)簽可被正確識(shí)別的最大距離為10 m，為保證探測(cè)的準(zhǔn)確性，布設(shè)UHF讀卡器時(shí)需要根據(jù)站臺(tái)的實(shí)際寬度進(jìn)行細(xì)化設(shè)計(jì)，當(dāng)讀卡器的探測(cè)范圍存在盲區(qū)時(shí)，需在垂直或平行于軌道的方向上增設(shè)讀卡器的數(shù)量。需要指出的是，對(duì)于同站臺(tái)的換乘線路(如上海軌道交通3、4號(hào)線的寶山路站-虹橋路區(qū)段)，本方案無(wú)法進(jìn)行精確清分，仍需使用傳統(tǒng)的概率模型，進(jìn)行依據(jù)經(jīng)驗(yàn)的模糊清分。

UHF讀卡器按照一定的時(shí)間間隔，掃描探測(cè)范圍內(nèi)的卡片，并實(shí)時(shí)向數(shù)據(jù)終端傳送。數(shù)據(jù)終端實(shí)時(shí)收集UHF讀卡器上傳的卡信息，并按照一定的規(guī)則，生成換乘路徑數(shù)據(jù)報(bào)文，向車(chē)站計(jì)算機(jī)傳送。

如圖2所示，分別在換乘站的M號(hào)線和N號(hào)線的站臺(tái)頂端，布設(shè) UFH 讀卡器 M1，…，Mi和 N1，…，Nj，用于識(shí)別乘客所持的車(chē)票序列號(hào)，同時(shí)在車(chē)站配置一臺(tái)數(shù)據(jù)處理終端，采集RFID識(shí)別器向終端傳輸?shù)能?chē)票序列號(hào)與識(shí)別時(shí)間。識(shí)別器以一定的時(shí)間周期ΔT掃描探測(cè)區(qū)域內(nèi)的車(chē)票，規(guī)定:

1)在時(shí)間間隔T1(可取列車(chē)運(yùn)行間隔，T1＞ΔT)內(nèi)，同一張車(chē)票只允許被同一識(shí)別器Mi識(shí)別一次，若有重復(fù)識(shí)別，則后臺(tái)終端取最先被識(shí)別到的時(shí)間作為識(shí)別時(shí)間。

2)在時(shí)間間隔T2(可取乘客行走一定距離所需的時(shí)間)內(nèi)，同一線路的站臺(tái)若有不同探測(cè)區(qū)域的識(shí)別器上傳了相同的車(chē)票序列號(hào)，則取最先被識(shí)別到的時(shí)刻作為被識(shí)別時(shí)間。

圖2 車(chē)站站臺(tái)層的車(chē)票數(shù)據(jù)收集系統(tǒng)

按照以上兩條原則，記車(chē)票A在M號(hào)線站臺(tái)的識(shí)別時(shí)間為T(mén)M，在N號(hào)線站臺(tái)的識(shí)別時(shí)間為T(mén)N。若TM＜TN，說(shuō)明該車(chē)票從線路M下車(chē)，換乘線路N上車(chē);反之，說(shuō)明該車(chē)票從線路N下車(chē)，換乘線路M上車(chē)。經(jīng)過(guò)上述處理，最終生成一條數(shù)據(jù)記錄，包含車(chē)票序列號(hào)、車(chē)票類(lèi)型、車(chē)站代碼、下車(chē)時(shí)間、下車(chē)線路、換乘時(shí)間、換乘線路。

3.3 收益清分

使用目前上海AFC接口規(guī)范中的報(bào)文格式，可按表1定義新的換乘路徑報(bào)文類(lèi)型。

該數(shù)據(jù)可利用AFC系統(tǒng)內(nèi)部網(wǎng)絡(luò)，經(jīng)車(chē)站計(jì)算機(jī)系統(tǒng)、線路中央計(jì)算機(jī)系統(tǒng)，實(shí)時(shí)傳輸至清分系統(tǒng);運(yùn)營(yíng)結(jié)束后，清分系統(tǒng)根據(jù)采集到的換乘數(shù)據(jù)，結(jié)合車(chē)票在進(jìn)出站檢票機(jī)上生成的交易數(shù)據(jù)，進(jìn)行收益清分。

表1 換乘路徑數(shù)據(jù)請(qǐng)求報(bào)文格式

例如，軌道交通線網(wǎng)如圖3所示，有一張車(chē)票類(lèi)型為X的票。在對(duì)應(yīng)的進(jìn)站交易和出站交易記錄中，可查到車(chē)票標(biāo)識(shí)碼N、進(jìn)站車(chē)站A、出站車(chē)站D、進(jìn)站時(shí)間TA，出站時(shí)間TD，交易金額為F。從換乘路徑數(shù)據(jù)中查到，車(chē)票標(biāo)識(shí)碼為N的票卡，有兩條換乘路徑數(shù)據(jù)(見(jiàn)表2～表3)。

圖3 清分算法舉例

表2 換乘路徑數(shù)據(jù)(記錄1)

表3 換乘路徑數(shù)據(jù)(記錄2)

若滿足TA＜T1＜T2＜T3＜T4＜TD，則認(rèn)為該記錄合法，判斷換乘路徑為

再搜索線網(wǎng)圖，分別計(jì)算La、Lb、Lc這3條路徑的里程數(shù)或車(chē)站數(shù)(具體規(guī)則另行討論)，比例記為m:n:o，則3條線該次乘車(chē)費(fèi)用的清分分別為

4 總結(jié)展望

本文介紹了引入U(xiǎn)HF RFID技術(shù)來(lái)實(shí)現(xiàn)軌道交通AFC系統(tǒng)精確清分的一種方案。該技術(shù)雖然并未用于軌道交通，但在部分管理系統(tǒng)中有一定的應(yīng)用。例如，在景觀園區(qū)，一張雙頻卡同時(shí)實(shí)現(xiàn)客流的實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)與園區(qū)的出入控制，因此，如能對(duì)此技術(shù)進(jìn)行充分研究與實(shí)際驗(yàn)證，將在實(shí)現(xiàn)精確清分方面有相當(dāng)廣闊的應(yīng)用前景。同時(shí)，需要指出的是，該方案在很大程度上依賴(lài)雙頻車(chē)票和與之對(duì)應(yīng)讀寫(xiě)器的讀寫(xiě)性能與可靠性，對(duì)產(chǎn)品的技術(shù)條件有很高的要求。此外，對(duì)于同站臺(tái)換乘的線路，本清分方案存在一定的缺陷，仍需依靠傳統(tǒng)的概率模型完成票務(wù)清分。

綜上所述，使用超高頻射頻識(shí)別技術(shù)，并與已有的高頻識(shí)別卡進(jìn)行雙頻整合，是一種精確清分的新思路，有著非常廣泛的發(fā)展前景。

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