階梯式公交計(jì)價(jià)系統(tǒng)的設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)

付良鋒， 錢佳樂， 謝林柏*， 彭 力

(1.江南大學(xué)物聯(lián)網(wǎng)工程學(xué)院，江蘇無錫214122;2.無錫華捷電子信息技術(shù)有限公司，江蘇無錫214000)

目前，很多省會(huì)城市及經(jīng)濟(jì)發(fā)達(dá)的一二線城市，其公共交通通常采用全程一票制的計(jì)費(fèi)方式，這與政府的補(bǔ)貼力度、公交公司的所有制形式及運(yùn)營模式有關(guān)。然而，隨著區(qū)域經(jīng)濟(jì)的發(fā)展和城市規(guī)模的不斷擴(kuò)大，城鄉(xiāng)之間、城際之間的交流越來越密切，客流往返更加頻繁，人們迫切需要更大區(qū)域出行的便捷性。為了解決這一問題，開通更多的一票制線路是一種最簡單的做法，但會(huì)增加人們換乘的難度;如果延長現(xiàn)有公交線路的長度而保持一票制收費(fèi)，勢必會(huì)增加公交公司的運(yùn)營成本。因此，傳統(tǒng)的一票制模式已經(jīng)不能完全適應(yīng)公交的發(fā)展。考慮到技術(shù)的發(fā)展和實(shí)際情況，在可預(yù)見的未來，大部分的城市公交車將是一票制和分段收費(fèi)并存的模式，一般市內(nèi)線路的公交車采用一票制，城際、城鄉(xiāng)公交和村鎮(zhèn)公交車采用分段收費(fèi)方式。另一方面，隨著城際公交、地鐵、城際鐵路、輕軌等分段收費(fèi)的交通工具的發(fā)展，也為交通分段收費(fèi)模式的應(yīng)用帶來了廣闊的需求和發(fā)展空間［1］。

從計(jì)費(fèi)方式實(shí)現(xiàn)來看，一票制方式由于票價(jià)固定，乘客只要刷一次卡即可完成乘車?yán)U費(fèi)。而在分段計(jì)費(fèi)方式下，票價(jià)是根據(jù)乘客上下車站臺(tái)間距來確定的，因此分段式計(jì)費(fèi)方式需要對(duì)乘客上下車站臺(tái)進(jìn)行自動(dòng)識(shí)別并扣費(fèi)。有多種方式可以實(shí)現(xiàn)這一功能，本文提出一種帶GPS模塊的Pos機(jī)來實(shí)現(xiàn)公交車分段收費(fèi)功能。首先根據(jù)公交公司需求確定分段計(jì)價(jià)的實(shí)施方案，然后選擇實(shí)現(xiàn)這一方案的Pos機(jī)基本硬件構(gòu)成，接著重點(diǎn)研究分段計(jì)價(jià)系統(tǒng)的軟件設(shè)計(jì)，最后對(duì)設(shè)計(jì)好的Pos機(jī)在江蘇海安進(jìn)行了跟車測試。

1 分段計(jì)價(jià)實(shí)施方案

在編寫Pos機(jī)軟件和配置硬件之前需要對(duì)公交公司的公交營運(yùn)情況進(jìn)行調(diào)研，根據(jù)調(diào)研信息確定分段計(jì)價(jià)實(shí)施方案。

1.1 城市公交線路分布和車況調(diào)研

1.1.1 線路分布 主要調(diào)研該城市有多少條公交線路，其中有哪些線路為市內(nèi)線(一票制)，哪些是城鄉(xiāng)線(分段計(jì)價(jià))，哪些是村鎮(zhèn)公交(多為分段計(jì)價(jià))，是否有環(huán)行線。不同的線路軟硬件配置可能不一樣，一票制的車只需安裝一臺(tái)Pos機(jī)，可以不帶GPS模塊，程序相對(duì)簡單;分段計(jì)價(jià)線路，其Pos機(jī)需帶GPS模塊，程序比一票制復(fù)雜，如果有環(huán)形線，則程序更加復(fù)雜。此外，代班的機(jī)動(dòng)車程序要兼容一票制、分段計(jì)價(jià)和環(huán)形線［2］。

1.1.2 車況 主要咨詢?cè)摮鞘械姆侄斡?jì)費(fèi)線路是否有單門車。對(duì)于雙門車，需要前后門各裝一臺(tái)Pos機(jī)，乘客在前門上車刷卡，后門下車刷卡，當(dāng)然特殊情況(如前門Pos機(jī)故障)也支持前門上前門下，后門上后門下，后門上前門下。對(duì)于單門車，只裝一臺(tái)Pos機(jī)，單門上單門下。因而要求單個(gè)Pos機(jī)能實(shí)現(xiàn)分段計(jì)價(jià)的所有功能。

1.2 公交需求信息采集

1.2.1 分段計(jì)價(jià)票價(jià)信息收集及計(jì)費(fèi)方案的確定

每條分段計(jì)價(jià)線路都對(duì)應(yīng)一階梯票價(jià)表，該表記錄了從任意站點(diǎn)(大站)上車到任意站點(diǎn)(大站)下車的票價(jià)，其中大站為票價(jià)分割點(diǎn)［3］。以江蘇海安公交005線路為例，其階梯票價(jià)表和大站、小站分布見圖1和圖2。

上下行的切換:車開到A站時(shí)，Pos機(jī)需自動(dòng)切換為上行狀態(tài)，到E站時(shí)需自動(dòng)切換為下行狀態(tài)。

小站票價(jià)的設(shè)定:由于階梯票價(jià)表中只有從大站到大站的票價(jià)，因此還需要咨詢乘客從小站上下車，公交公司是怎么設(shè)定票價(jià)的。通常公交公司(如張家港、海安)規(guī)定從小站上車視為從與之相鄰的上一個(gè)大站上車，在小站下車視為在與之相鄰的下一個(gè)大站下車。

1.2.2 站臺(tái)GPS經(jīng)緯度坐標(biāo)采集 Pos機(jī)檢測站臺(tái)是通過比較當(dāng)前GPS坐標(biāo)與Pos機(jī)里面事先保存好的所有站臺(tái)的坐標(biāo)之間的距離來確定車當(dāng)前到了哪個(gè)站，是進(jìn)站還是出站。所以還需要采集所有大站的GPS坐標(biāo)。

1.2.3 卡操作方案

1)該城市公交用戶卡的卡類型:是用CPU卡還是MI卡，是市民卡還是普通卡，是否要支持手機(jī)刷卡消費(fèi)［4］。

2)用戶卡種類和費(fèi)率:除了普通用戶卡，是否要用到月票卡、老人卡、學(xué)生卡等，各類卡的費(fèi)率(折扣)是多少。

3)對(duì)逃票的定義和逃票票價(jià)的設(shè)定:對(duì)于分段計(jì)價(jià)，一般認(rèn)為乘客上車刷了卡，下車不刷卡算逃票;上車時(shí)車的上下行標(biāo)識(shí)與下車時(shí)的上下行標(biāo)識(shí)不一致(即到了終點(diǎn)站還不下車)也算逃票。逃票要扣逃票票價(jià)，一般將該線路的最高票價(jià)作為逃票票價(jià)。

4)上錯(cuò)車處理:有些乘客刷卡上車后，發(fā)現(xiàn)上錯(cuò)車了，又立即刷卡下車(車還沒開)，這種情況應(yīng)該不扣錢，處理的方法是設(shè)定一個(gè)上下車刷卡時(shí)間間隔(比如20 s)，在此間隔內(nèi)上下車刷卡扣0元。

2 分段收費(fèi)Pos機(jī)基本硬件架構(gòu)

如圖3 所示［5］。

圖3 分段計(jì)價(jià)Pos機(jī)基本硬件架構(gòu)Fig.3 Architectures of segment denominated Pos machine

2.1 RFID讀 /寫模塊

這是Pos機(jī)的基本功能模塊，Pos機(jī)中有一個(gè)射頻接口電路與RFID芯片相連，在Pos機(jī)上電時(shí)，該射頻接口電路發(fā)射固定頻率的電磁波，當(dāng)有卡片進(jìn)入該磁波感應(yīng)范圍內(nèi)并且卡片內(nèi)的諧振電路的振蕩頻率與該頻率相同時(shí)，IC卡被激活，這時(shí)RFID芯片可以對(duì)卡片進(jìn)行數(shù)據(jù)的讀寫。考慮到刷卡速度的要求，本系統(tǒng)選擇感應(yīng)速度較快的復(fù)旦微電子FM1715芯片(識(shí)別一張卡時(shí)間約為3 ms(包括復(fù)位應(yīng)答和防沖突))作為RFID模塊。由于涉及到扣款與用戶個(gè)人信息等，在讀寫數(shù)據(jù)時(shí)需安全密鑰和內(nèi)部外部認(rèn)證過程。這些讀寫操作指令和安全認(rèn)證過程都需要psam卡參與操作，所以Pos機(jī)中還需要添加一個(gè)psam卡模塊并開辟一個(gè)psam卡槽［6-7］。

2.2 公交信息實(shí)時(shí)處理模塊

每臺(tái)Pos機(jī)都對(duì)應(yīng)一輛公交車，而每輛公交車都有一些參數(shù)信息，這些信息包括車輛所在的線路號(hào)、分公司編號(hào)、車牌號(hào)、計(jì)價(jià)模式(是一票制收費(fèi)還是分段收費(fèi))、基本票價(jià)、分段收費(fèi)的階梯票價(jià)表、站臺(tái)名字、站臺(tái)序號(hào)、站臺(tái)經(jīng)緯度坐標(biāo)、語音信息、逃票規(guī)定等。這些參數(shù)信息在每次刷卡的時(shí)候都會(huì)被反復(fù)而快速地讀出與寫入，所以要求Pos機(jī)存儲(chǔ)模塊可讀寫的次數(shù)必須足夠大，并且讀取速度必須很快。若每臺(tái)Pos機(jī)每天被刷卡100次，每次刷卡讀 /寫存儲(chǔ)器10次，則3年內(nèi)這個(gè)存儲(chǔ)器將被訪問超過100萬次，而一般的EEPROM的最大訪問次數(shù)也就100萬次。所以為了滿足這個(gè)要求，選擇鐵電存儲(chǔ)器(訪問次數(shù)可達(dá)100億次，訪問速度約為70 ns/B，EEPROM讀寫速度一般大于1 ms/B)作為參數(shù)信息和一些狀態(tài)信息的存儲(chǔ)介質(zhì)。

2.3 交易記錄上傳功能模塊

Pos機(jī)每刷一次卡都會(huì)產(chǎn)生一筆交易記錄，交易記錄包含本次交易的交易金額、交易時(shí)間、車輛信息等非常重要的數(shù)據(jù)。公交公司要獲取這些信息，以便生成報(bào)表和結(jié)算收益，并可允許乘客進(jìn)行查詢。有多種方式可以實(shí)現(xiàn)交易記錄上傳，本系統(tǒng)采用信號(hào)相對(duì)穩(wěn)定的CDMA在線方式上傳交易記錄，可以實(shí)現(xiàn)記錄的實(shí)時(shí)上傳，無需人工采集，CDMA模塊采用華為MC323模塊［8］。

2.4 站臺(tái)自動(dòng)檢測功能模塊

要使Pos機(jī)能夠自動(dòng)識(shí)別站臺(tái)，可以有多種方式，本系統(tǒng)采用在Pos機(jī)中添加GPS模塊并外接GPS天線的方式。該P(yáng)os機(jī)在添加了GPS模塊后，也可以很容易實(shí)現(xiàn)自動(dòng)報(bào)站器的功能。

2.5 系統(tǒng)核心模塊

要實(shí)現(xiàn)上述所有的模塊和功能，系統(tǒng)主芯片必須支持3個(gè)以上的串口，分別用于GPS模塊、CDMA模塊、紅外模塊、連接PC。考慮到外接模塊眾多、軟件的復(fù)雜度及刷卡的速度等要求，選擇支持4路串口，主頻72 MB，512 kB片內(nèi)flash，32 kB靜態(tài)RAM的LPC2368作為主芯片。

3 Pos機(jī)嵌入式軟件設(shè)計(jì)

Pos機(jī)嵌入式軟件分為驅(qū)動(dòng)程序跟應(yīng)用程序。限于篇幅，這里只介紹應(yīng)用程序中最關(guān)鍵的:分段計(jì)價(jià)處理流程。

分段計(jì)價(jià)票價(jià)計(jì)算原理:用戶上車刷卡→保存Pos機(jī)當(dāng)前站臺(tái)序號(hào)到用戶卡內(nèi)→用戶下車刷卡→取卡內(nèi)上車站臺(tái)序號(hào)和Pos機(jī)當(dāng)前站臺(tái)序號(hào)，得到用戶上下車站臺(tái)序號(hào)→根據(jù)上下車站臺(tái)序號(hào)搜索階梯票價(jià)表中對(duì)應(yīng)的票價(jià)→取得的票價(jià)乘以費(fèi)率得到該用戶的乘車票價(jià)。

3.1 用戶卡分段收費(fèi)文件

要向用戶卡內(nèi)保存和讀取信息需要在卡內(nèi)定義一個(gè)用于公交車分段收費(fèi)的文件，該文件的大小、讀寫權(quán)限、文件標(biāo)識(shí)、文件類型由用戶卡發(fā)行方設(shè)定。Pos機(jī)程序員根據(jù)發(fā)卡方規(guī)定的安全認(rèn)證方法即可對(duì)該文件進(jìn)行讀寫操作，該文件需要保存用戶上下車標(biāo)識(shí)、車的上下行標(biāo)識(shí)、上車Pos機(jī)編號(hào)、上車站臺(tái)序號(hào)等信息。Pos機(jī)根據(jù)卡內(nèi)的這些信息來判斷該乘客的上下車狀態(tài)、上下行狀態(tài)、上車站臺(tái)序號(hào)等信息來計(jì)算票價(jià)，確定本次刷卡是否為逃票，應(yīng)該走上車流程還是下車流程等，用戶在分段計(jì)費(fèi)的公交車上下車刷卡時(shí)要把這些信息寫入用戶卡內(nèi)的公交分段收費(fèi)文件中。見表1。

表1 海安公交分段計(jì)價(jià)文件定義Tab.1 Bus segment denominated document definition of Haian

3.2 參數(shù)傳輸

Pos機(jī)程序在正常運(yùn)行前需要向鐵電存儲(chǔ)器里面保存一些參數(shù)信息，主要包括線路號(hào)、計(jì)價(jià)模式、基本票價(jià)、各種卡的費(fèi)率、逃票票價(jià)、分公司編號(hào)、該線路所有大站的經(jīng)緯坐標(biāo)、各大站的站臺(tái)序號(hào)、線路階梯票價(jià)等。這些參數(shù)在Pos機(jī)首次開機(jī)時(shí)，由服務(wù)器通過CDMA自動(dòng)下發(fā)到Pos機(jī)。Pos機(jī)根據(jù)這些信息確定該車是一票制還是分段計(jì)價(jià)，確定上下車站臺(tái)、計(jì)算票價(jià)等［8］。

參數(shù)下發(fā)過程:Pos機(jī)首次開機(jī)→Pos機(jī)按照給定的報(bào)文格式發(fā)送參數(shù)，請(qǐng)求報(bào)文到服務(wù)器→服務(wù)器驗(yàn)證并解析報(bào)文獲取線路號(hào)→服務(wù)器按給定格式發(fā)送該線路參數(shù)信息報(bào)文到Pos機(jī)。

3.3 站臺(tái)檢測

公交車在行駛過程中，Pos機(jī)需要實(shí)時(shí)定位該車所處的當(dāng)前站臺(tái)序號(hào)、進(jìn)出站標(biāo)識(shí)和上下行標(biāo)識(shí)，以確定乘客的上下車站臺(tái)和上下行狀態(tài)。下面是GPS站臺(tái)檢測函數(shù)的處理過程:

Step 0:初始為出站。

Step 1:判斷是進(jìn)站還是出站，如果是進(jìn)站執(zhí)行Step 2，否則執(zhí)行 Step 4。

Step 2:計(jì)算Pos機(jī)內(nèi)保存的當(dāng)前站臺(tái)對(duì)應(yīng)的經(jīng)緯度坐標(biāo)與GPS實(shí)時(shí)經(jīng)緯度坐標(biāo)的偏移量。

Step 3:如果偏移量大于等于150 m，則將進(jìn)出站標(biāo)識(shí)置為出站并返回Step 1;小于150 m直接返回Step 1。

Step 4:遍歷該線路所有大站，計(jì)算其經(jīng)緯度坐標(biāo)與GPS實(shí)時(shí)經(jīng)緯度坐標(biāo)的偏移量。

Step 5:如果找到某個(gè)大站i對(duì)應(yīng)的偏移量小于150 m，則將i作為當(dāng)前站臺(tái)，保存到鐵電存儲(chǔ)器，將進(jìn)出站標(biāo)識(shí)置為進(jìn)站并返回Step 1;如果沒找到直接返回Step 1。

3.4 分段計(jì)價(jià)處理流程

分段收費(fèi)Pos機(jī)應(yīng)用程序設(shè)計(jì)的關(guān)鍵在于分段收費(fèi)流程的設(shè)計(jì)［9］，該流程因?yàn)樯婕暗秸九_(tái)票價(jià)的計(jì)算、逃票的處理等過程，因而比一票制流程復(fù)雜得多。圖4是海安公交的分段收費(fèi)處理流程［10］，可以兼容一票制，流程中沒有包括異常的處理比如乘客上錯(cuò)車、讀/寫公交分段收費(fèi)文件失敗、執(zhí)行扣款指令后數(shù)據(jù)返回不正常等異常情況，在編寫程序時(shí)這些必須考慮到。由于海安公交分段收費(fèi)線路沒有環(huán)行線，所以該流程不包含對(duì)環(huán)行線的處理［11］。

4 系統(tǒng)測試

本系統(tǒng)設(shè)計(jì)實(shí)現(xiàn)后在江蘇省海安縣公交公司進(jìn)行測試。目前，海安共有35條公交線路，其中20余條為分段收費(fèi)線路，貫穿城鄉(xiāng)和村鎮(zhèn)，其余為城區(qū)一票制線路。分段收費(fèi)線路中有一些是單門車，沒有分段收費(fèi)環(huán)形線路?？紤]到海安的公交實(shí)際情況，測試時(shí)的主要內(nèi)容為:前門上后門下的分段扣費(fèi)測試、單門上下車的分段扣費(fèi)測試、逃票測試、對(duì)一票制兼容性的測試、記錄的實(shí)時(shí)上傳與結(jié)算報(bào)表的生成測試等。

本系統(tǒng)集成后，在海安4條長線公交005、101、105、106路進(jìn)行了測試和試運(yùn)營。以005路公交為例，測試過程如下:選用編號(hào)為1—5的5張用戶卡，測試時(shí)保證卡內(nèi)有足夠的余額，折扣為9折。測試前在起點(diǎn)海安站用U盤向Pos機(jī)中下載編寫好的最新程序，然后刷005路的線路卡，將線路號(hào)等參數(shù)輸入Pos機(jī)，重啟后聽到報(bào)語音“采集完成”，說明該車的參數(shù)信息已通過CDMA成功下發(fā)到Pos機(jī)，在等待屏幕顯示GPS信號(hào)正常后，即可開始跟車測試，測試時(shí)充分考慮各個(gè)小站和票價(jià)分割點(diǎn)(大站)、各種逃票情況和上錯(cuò)車情況。005路部分刷卡扣款結(jié)果見表2。

圖4 海安公交分段計(jì)費(fèi)處理流程Fig.4 Process flow of Haian’s bus sectional charge

表2 海安公交005路部分測試結(jié)果Fig.2 Part of test result of bus 005 in Haian

針對(duì)其他長線公交線路的測試結(jié)果如下:

1)大部分票價(jià)扣款正確，有少量扣款出錯(cuò)情況，在更正站臺(tái)坐標(biāo)和階梯票價(jià)后，扣款全部正確;

2)各種逃票現(xiàn)象和上錯(cuò)車現(xiàn)象得到了有效的處理;

3)一票制和分段計(jì)價(jià)可以靈活切換;

4)生成的記錄能夠?qū)崟r(shí)上傳并在結(jié)算系統(tǒng)生成報(bào)表。

測試結(jié)果證明了方案及程序的可行性。該P(yáng)os機(jī)目前在海安全面裝車，進(jìn)入了試運(yùn)營階段。

5 結(jié)語

作者設(shè)計(jì)的公交分段收費(fèi)系統(tǒng)的特點(diǎn)在于:

1)采用GPS實(shí)現(xiàn)站臺(tái)的自動(dòng)檢測;

2)支持一票制與分段計(jì)價(jià)的靈活切換;

3)支持單門上下車，即單個(gè)Pos機(jī)可以實(shí)現(xiàn)分段收費(fèi)的所有功能;

4)交易記錄自動(dòng)上傳，無需人工采集;

5)對(duì)各種逃票、上錯(cuò)車現(xiàn)象能夠進(jìn)行有效處理。

此外，該系統(tǒng)的實(shí)現(xiàn)對(duì)公交部門降低運(yùn)營成本、吸引乘客將起到很好的作用，方案的成功實(shí)施也對(duì)城際公交分段收費(fèi)、城際便捷班車分段收費(fèi)、地鐵分段收費(fèi)有一定的參考意義。該車載Pos機(jī)程序經(jīng)過少量修改還可以實(shí)現(xiàn)自動(dòng)報(bào)站器的功能，成為車載 Pos、自動(dòng)報(bào)站一體機(jī)［12］。

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