城市軌道交通自動(dòng)售檢票系統(tǒng)物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)應(yīng)用研究

李道全

（北京城建設(shè)計(jì)發(fā)展集團(tuán)股份有限公司，北京100037）

0 引言

城市軌道交通自動(dòng)售檢票系統(tǒng)（以下簡(jiǎn)稱AFC系統(tǒng)）架構(gòu)體系包括：軌道交通清算管理中心、線路中心計(jì)算機(jī)系統(tǒng)、車站計(jì)算機(jī)系統(tǒng)、車站終端設(shè)備、非接觸式IC卡車票［1］。AFC系統(tǒng)是以先進(jìn)的集成技術(shù)、信息處理技術(shù)、自動(dòng)控制技術(shù)、IC卡技術(shù)及安全保密技術(shù)為基礎(chǔ)的軌道交通自動(dòng)收費(fèi)系統(tǒng)，其車站終端設(shè)備中配置了儲(chǔ)票箱、廢票箱、儲(chǔ)鈔箱、硬幣補(bǔ)充箱、硬幣找零箱、紙幣補(bǔ)充箱和紙幣找零箱，儲(chǔ)票箱滿足票卡發(fā)行需求［2］，錢箱滿足購(gòu)票需求。

AFC系統(tǒng)票箱、錢箱信息主要包括如下內(nèi)容：

（1）儲(chǔ)票箱信息包括儲(chǔ)票箱ID、票箱內(nèi)車票張數(shù)、車票編號(hào)等內(nèi)容；

（2）廢票箱信息包括廢票箱ID、廢票箱內(nèi)車票張數(shù)、車票編號(hào)等內(nèi)容；

（3）儲(chǔ)鈔箱信息包括錢箱ID、錢箱內(nèi)錢數(shù)量、各種紙幣張數(shù)及數(shù)量等內(nèi)容；

（4）硬幣補(bǔ)充箱信息包括錢箱ID、錢箱內(nèi)錢數(shù)量、各種硬幣枚數(shù)及數(shù)量等內(nèi)容；

（5）硬幣找零箱信息包括錢箱ID、錢箱內(nèi)錢數(shù)量、各種硬幣枚數(shù)及數(shù)量等內(nèi)容；

（6）紙幣補(bǔ)充箱信息包括錢箱ID、錢箱內(nèi)錢數(shù)量、各種紙幣張數(shù)及數(shù)量等內(nèi)容；

（7）紙幣找零箱信息包括錢箱ID、錢箱內(nèi)錢數(shù)量、各種紙幣張數(shù)及數(shù)量等內(nèi)容。為滿足運(yùn)營(yíng)需求，可通過設(shè)置電子標(biāo)簽、設(shè)置存儲(chǔ)單元兩種方式來獲取上述票箱、錢箱內(nèi)的信息。

1 設(shè)置電子標(biāo)簽

1．1 信息傳遞方案

電子標(biāo)簽，又叫智能標(biāo)簽，是物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)應(yīng)用之一。電子標(biāo)簽采用小型天線的非接觸式IC卡，其核心是采用了RFID射頻識(shí)別技術(shù)、存儲(chǔ)容量較小的芯片，具有智能讀寫及加密通信的能力。電子標(biāo)簽作為數(shù)據(jù)載體，能起到標(biāo)識(shí)識(shí)別、產(chǎn)品跟蹤、信息采集的作用。從全球角度來看，電子標(biāo)簽已經(jīng)在廣泛的領(lǐng)域內(nèi)得以應(yīng)用。

RFID系統(tǒng)在AFC系統(tǒng)中的應(yīng)用就是將電子標(biāo)簽的IC芯片和無線天線嵌入設(shè)備表面，電子標(biāo)簽中存儲(chǔ)有符合相關(guān)格式要求的電子數(shù)據(jù)。讀卡器［3］可無接觸地讀取并識(shí)別電子標(biāo)簽中所保存的電子數(shù)據(jù)，從而達(dá)到自動(dòng)讀取RFID中所存儲(chǔ)信息的目的。信息傳遞方式如圖1所示。

1．2 系統(tǒng)結(jié)構(gòu)

圖1 信息傳遞結(jié)構(gòu)

一個(gè)完整、典型的RFID系統(tǒng)通常由下面4個(gè)模塊組成：標(biāo)簽、讀卡器、RFID中間件、應(yīng)用程序接口（API）。各模塊間的關(guān)系如圖2所示。

圖2 信息傳遞數(shù)據(jù)流

1．2．1 標(biāo)簽

標(biāo)簽由天線和芯片組成，天線在標(biāo)簽和讀卡器間傳遞射頻信號(hào)，芯片里面保存每個(gè)標(biāo)簽具有的唯一電子編碼和用戶數(shù)據(jù)。每個(gè)標(biāo)簽都有一個(gè)全球唯一的ID號(hào)碼——用戶號(hào)碼（UID），UID是在制作芯片時(shí)放在ROM中的，無法修改；用戶數(shù)據(jù)區(qū)是供用戶存放數(shù)據(jù)的，可以進(jìn)行讀寫、覆蓋、增加的操作。

1．2．2 讀卡器

讀卡器是讀?。ɑ?qū)懭耄?biāo)簽信息的設(shè)備，可設(shè)計(jì)為手持式或固定式。讀卡器對(duì)標(biāo)簽的操作有三類：

（1）識(shí)別：讀取 UID；

（2）讀取：讀取用戶數(shù)據(jù)；

（3）寫入：寫入用戶數(shù)據(jù)。

1．2．3 RFID中間件

RFID中間件是將底層RFID硬件和上層應(yīng)用操作終端結(jié)合在一起的粘合劑。雖然原則上中間件是橫向的軟件技術(shù)，但在RFID系統(tǒng)中，為使其更適用于AFC系統(tǒng)收費(fèi)領(lǐng)域，可要求RFID中間件針對(duì)AFC系統(tǒng)收費(fèi)領(lǐng)域進(jìn)行設(shè)計(jì)。

在RFID系統(tǒng)這種具體情況下，中間件除通常的功能外還有以下特定功能：

（1）使閱讀／寫入更加可靠；

（2）把數(shù)據(jù)通過讀卡器網(wǎng)絡(luò)推或拉到正確位置（類似路由器功能）；

（3）監(jiān)測(cè)和控制讀卡器；

（4）提供安全讀／寫操作；

（5）降低射頻干擾；

（6）處理標(biāo)簽型和讀卡器型事件；

（7）應(yīng)用通知；

（8）接收并且轉(zhuǎn)發(fā)來自應(yīng)用的中斷指令；

（9）給用戶提供異常告警。

1．3 終端設(shè)備上的RFID技術(shù)實(shí)現(xiàn)方案

AFC系統(tǒng)中的自動(dòng)售票機(jī)（TVM）、半自動(dòng)售票機(jī)（BOM）、自動(dòng)檢票機(jī)（AG）的票箱（含廢票箱）具有物理規(guī)格相同、使用功能相同的特點(diǎn)，承擔(dān)在車站內(nèi)票卡循環(huán)使用甚至線路內(nèi)票卡循環(huán)使用的作用；此外，TVM中的錢箱（包括紙幣錢箱和硬幣錢箱）都利用RFID技術(shù)進(jìn)行編號(hào)管理，與車站計(jì)算機(jī)系統(tǒng)（SC）中的現(xiàn)金管理、收益管理等功能共同發(fā)揮重要的作用。在維修管理系統(tǒng)中，AFC設(shè)備中的重要部件也可以利用RFID的電子標(biāo)簽實(shí)現(xiàn)部件編號(hào)管理，有助于提高設(shè)備維護(hù)的效率。

1．3．1 RFID讀卡器設(shè)置方案

在TVM、BOM、AG中都可安裝RFID讀寫器，用于識(shí)別安裝于這些設(shè)備中票箱和錢箱編號(hào)，并將相應(yīng)的票卡編號(hào)、交易時(shí)間等信息與票箱、錢箱進(jìn)行關(guān)聯(lián)管理。RFID讀卡器安裝數(shù)量可根據(jù)設(shè)備中票箱、錢箱的數(shù)量而確定，AG中票箱RFID讀卡器安裝位置示意圖如圖3所示。

圖3 讀卡器安裝位置示意圖

RFID讀卡器可通過RS232與設(shè)備的主控單元相連，同時(shí)可接受主控單元的指令和控制，如圖4所示。

圖4 讀卡器連接

綜上，在儲(chǔ)票箱（或廢票箱、紙幣錢箱、硬幣錢箱）上安裝RFID作為儲(chǔ)票箱（或廢票箱、紙幣錢箱、硬幣錢箱）的電子ID，并將儲(chǔ)票箱內(nèi)存放的車票張數(shù)、每張車票的編號(hào)（或錢箱內(nèi)錢數(shù)量、各種紙幣張數(shù)及數(shù)量，或錢箱內(nèi)錢數(shù)量、各種硬幣枚數(shù)及數(shù)量）存放在RFID上，在車站票務(wù)室安裝讀取RFID的讀寫器以讀取RFID上存儲(chǔ)的信息。這種方案除需在每個(gè)儲(chǔ)票箱（或廢票箱、紙幣錢箱、硬幣錢箱）上安裝一個(gè)RFID外，還需在TVM、BOM及AG上安裝一個(gè)RFID讀寫器，以對(duì)RFID進(jìn)行讀寫。

1．3．2 信息獲取方案

在AFC系統(tǒng)中收益管理是指涉及票箱、錢箱更換，售票操作人員現(xiàn)金業(yè)務(wù)等方面的管理，目的是實(shí)現(xiàn)AFC系統(tǒng)內(nèi)票卡、現(xiàn)金、賬務(wù)的安全、正確使用和管理。收益管理中具體業(yè)務(wù)操作有以下幾類：

（1）自動(dòng)售票機(jī)補(bǔ)充找零硬幣；

（2）自動(dòng)售票機(jī)錢箱更換；

（3）自動(dòng)售票機(jī)錢箱清點(diǎn)；

（4）自動(dòng)售票機(jī)票箱更換；

（5）自動(dòng)售票機(jī)班次報(bào)告；

（6）自動(dòng)售票機(jī)班次審核；

（7）半自動(dòng)售票機(jī)班次核算；

（8）預(yù)賦值車票處理；

（9）自動(dòng)檢票機(jī)票箱更換。

在這些業(yè)務(wù)操作中，自動(dòng)售票機(jī)補(bǔ)充找零硬幣、自動(dòng)售票機(jī)錢箱更換、自動(dòng)售票機(jī)錢箱清點(diǎn)、自動(dòng)售票機(jī)票箱更換、半自動(dòng)售票機(jī)班次核算、TVM及AG票箱更換，可以充分利用RFID電子標(biāo)簽，將票箱、錢箱編號(hào)，票箱中的票卡數(shù)量，錢箱中的紙幣張數(shù)、硬幣枚數(shù)，連接于票務(wù)室工作站的讀寫器，RFID讀卡器通過天線發(fā)送一定頻率的射頻信號(hào)，當(dāng)設(shè)備上嵌入的標(biāo)簽進(jìn)入磁場(chǎng)時(shí)，就產(chǎn)生感應(yīng)電流從而獲得能量，以發(fā)送自身存儲(chǔ)的信息，被讀卡器讀取并解碼后送至計(jì)算機(jī)系統(tǒng)進(jìn)行相關(guān)流程處理。

通常讀卡器在讀取標(biāo)簽時(shí)給計(jì)算機(jī)系統(tǒng)傳遞三種信息：標(biāo)簽ID內(nèi)容、讀卡器自己的ID內(nèi)容和讀取標(biāo)簽的時(shí)間。通過獲取這個(gè)讀卡器中的信息，就可掌握票箱、錢箱上標(biāo)簽中的信息以及它是什么產(chǎn)品，然后根據(jù)時(shí)間數(shù)據(jù)跟蹤標(biāo)簽，即可隨時(shí)隨地了解票卡、錢箱及票箱等的信息，再與人工清點(diǎn)數(shù)目、系統(tǒng)交易數(shù)據(jù)統(tǒng)計(jì)數(shù)目進(jìn)行核對(duì)比較，能有效提高票卡、現(xiàn)金的管理應(yīng)用安全和管理效率。

2 設(shè)置存儲(chǔ)單元

2．1 存儲(chǔ)單元設(shè)置方案

儲(chǔ)票箱（包括廢票箱）上安裝有一個(gè)存儲(chǔ)單元，用于存放票箱電子ID、票箱內(nèi)車票張數(shù)、車票編號(hào)等信息，通過車票回收單元（TCU）或車票發(fā)售單元（TIM）模塊與設(shè)備主控單元進(jìn)行通信。設(shè)備主控單元通過串口與TCU或TIM模塊通信以存取儲(chǔ)票箱（包括廢票箱）上存儲(chǔ)單元中數(shù)據(jù)。

紙幣錢箱上安裝有一個(gè)存儲(chǔ)單元，用于存放紙幣錢箱電子ID、錢箱內(nèi)錢數(shù)量、各種紙幣張數(shù)及數(shù)量等信息，通過紙幣識(shí)別模塊（Bill Module）與設(shè)備主控單元進(jìn)行通信。設(shè)備主控單元通過串口與紙幣識(shí)別模塊通信以存取紙幣錢箱上存儲(chǔ)單元中數(shù)據(jù)。

硬幣錢箱上安裝有一個(gè)存儲(chǔ)單元，用于存放硬幣錢箱電子ID、錢箱內(nèi)錢數(shù)量、各種硬幣枚數(shù)及數(shù)量等信息，通過硬幣識(shí)別模塊（Coin Module）與設(shè)備主控單元進(jìn)行通信。設(shè)備主控單元通過串口與硬幣識(shí)別模塊通信以存取硬幣錢箱上存儲(chǔ)單元中數(shù)據(jù)。

2．2 信息獲取方案

在車站票務(wù)室計(jì)算機(jī)上安裝一套軟件，外加通過串口連接的車票回收單元（TCU）／車票發(fā)售單元（TIM）、紙幣識(shí)別模塊（Bill Module）、硬幣識(shí)別模塊（Coin Module）模塊與相應(yīng)的票箱、紙幣錢箱、硬幣錢箱相連，就能讀取票箱、紙幣錢箱、硬幣錢箱上存儲(chǔ)單元中存儲(chǔ)的相關(guān)數(shù)據(jù)。其連接方式如圖5所示。

圖5 連接方式

如果票箱、紙幣錢箱、硬幣錢箱供貨商能夠開放其存儲(chǔ)單元的存取協(xié)議，在車站票務(wù)室計(jì)算機(jī)上安裝票箱、紙幣錢箱、硬幣錢箱對(duì)應(yīng)的數(shù)據(jù)通信轉(zhuǎn)接頭后，則連接方式可以簡(jiǎn)化，如圖6所示。

圖6 簡(jiǎn)化的連接方式

3 推薦方案

綜上，上述兩種方案均可實(shí)現(xiàn)錢箱、票箱信息獲取，同時(shí)結(jié)合目前AFC系統(tǒng)中的TVM、BOM、AG設(shè)備的票箱（含廢票箱）或錢箱上均配置了電子標(biāo)簽RFID，只要在TVM、BOM、AG終端設(shè)備配置基礎(chǔ)上增加電子標(biāo)簽RFID讀取／存儲(chǔ)的讀卡器，同時(shí)在票務(wù)室計(jì)算機(jī)上連接能讀取電子標(biāo)簽RFID的讀寫器，按票務(wù)處理流程內(nèi)置的標(biāo)準(zhǔn)化讀寫器在地鐵自動(dòng)售檢票系統(tǒng)中的應(yīng)用要求［4］就可滿足運(yùn)營(yíng)需求，因此推薦采用方案一——設(shè)置電子標(biāo)簽。

4 RFID面臨的安全問題

RFID面臨的安全問題：不僅僅表現(xiàn)為RFID產(chǎn)品的成本極大地限制了RFID的處理能力和安全加密措施，而且RFID技術(shù)本身就包含了比計(jì)算機(jī)和網(wǎng)絡(luò)中更多和更容易泄密的不安全節(jié)點(diǎn)。一般地，RFID在安全缺陷方面除了與計(jì)算機(jī)網(wǎng)絡(luò)有相同之處外，還包括以下三種不同的安全缺陷類型：

4．1 標(biāo)簽本身的訪問缺陷

由于標(biāo)簽本身的成本相對(duì)較低，承包商一般不會(huì)加大力度對(duì)其精心開發(fā)，因此標(biāo)簽本身很難具備足以保證其安全的能力，這樣就面臨了較大安全隱患——非法用戶可以利用讀卡器直接與標(biāo)簽進(jìn)行通信。這樣，就可以很容易地獲取標(biāo)簽內(nèi)所存數(shù)據(jù)信息。而對(duì)于讀寫式標(biāo)簽，還面臨數(shù)據(jù)被改寫的風(fēng)險(xiǎn)。

4．2 通信鏈路上的安全問題

RFID的數(shù)據(jù)通信鏈路是無線通信鏈路，與有線連接不一樣，無線傳輸?shù)男盘?hào)本身是開放的，這就給非法用戶的偵聽?zhēng)砹丝沙酥畽C(jī)。

4．3 讀寫器內(nèi)部的安全風(fēng)險(xiǎn)

在讀寫器中，除了中間件被用來完成數(shù)據(jù)的遴選、時(shí)間過濾和管理之外，只能提供用戶業(yè)務(wù)接口，而難以提供能夠讓用戶自行提升安全性能的接口。

5 解決措施

可從如下兩方面著手來杜絕上述安全缺陷：

（1）要求系統(tǒng)集成商針對(duì)標(biāo)簽本身的安全性加大力度、精心開發(fā)；

（2）在AFC系統(tǒng)運(yùn)營(yíng)中，可通過加強(qiáng)管理來確保安全。

6 結(jié)語(yǔ)

隨著我國(guó)各大城市日益加快城市軌道交通的建設(shè)步伐，為滿足網(wǎng)絡(luò)化運(yùn)營(yíng)需求，在軌道交通線網(wǎng)AFC系統(tǒng)中實(shí)施物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)十分必要，可起到事半功倍的效果，實(shí)現(xiàn)信息、人力、物力等方面的資源共享，達(dá)到網(wǎng)絡(luò)化建設(shè)目標(biāo)。因此，本文所述對(duì)城市軌道交通AFC系統(tǒng)的建設(shè)和研究具有重要的指導(dǎo)意義和參考價(jià)值。

［1］邱華瑞，張寧，徐文，等．城軌交通自動(dòng)售檢票系統(tǒng)架構(gòu)體系研究［J］．都市快軌交通，2014，27（2）：86－89．

［2］康崇皓．軌道交通自動(dòng)售檢票系統(tǒng)票卡發(fā)行方案探討［J］．鐵道通信信號(hào)，2010，46（12）：42－44．

［3］康歡．讀寫器射頻一致性自動(dòng)測(cè)試系統(tǒng)平臺(tái)的研究與實(shí)現(xiàn)［D］．北京：北京交通大學(xué)，2014．

［4］袁東．票務(wù)處理流程內(nèi)置的標(biāo)準(zhǔn)化讀寫器在地鐵自動(dòng)售檢票系統(tǒng)中的應(yīng)用［J］．通信與廣播電視，2010（2）：38－41，51．