基于手機QR碼車票的地鐵移動票務(wù)系統(tǒng)研究

雷定猷，賈莉

（中南大學 交通運輸工程學院，湖南 長沙，410004）

基于手機QR碼車票的地鐵移動票務(wù)系統(tǒng)研究

雷定猷，賈莉

（中南大學 交通運輸工程學院，湖南 長沙，410004）

為實現(xiàn)地鐵票務(wù)的移動化，分析現(xiàn)有移動票務(wù)形式和地鐵票務(wù)特點，提出采用QR碼作為地鐵車票信息媒介的地鐵移動票務(wù)方案，設(shè)計一個基于手機QR碼車票的地鐵移動票務(wù)系統(tǒng)，分析實現(xiàn)該系統(tǒng)所需的關(guān)鍵技術(shù)，并對系統(tǒng)進行仿真模擬測試。研究結(jié)果表明：此地鐵移動票務(wù)方案具有可行性，不僅能夠?qū)崿F(xiàn)地鐵票務(wù)的移動化，而且能夠降低地鐵自動售檢票系統(tǒng)的前期購置成本和后期維護成本、精簡車票流通業(yè)務(wù)和現(xiàn)金管理業(yè)務(wù)；手機QR碼車票具有安全性，可多次循環(huán)使用，不可偽造、不可冒用、不可多人同時使用，無需關(guān)聯(lián)乘客隱私；移動票務(wù)系統(tǒng)不僅能夠完成地鐵移動車票的自動售檢票功能，而且可向乘客提供地鐵增值服務(wù)和推送地鐵實時消息，給乘客提供優(yōu)質(zhì)便捷服務(wù)。

地鐵；移動票務(wù)；手機QR碼車票；移動票務(wù)系統(tǒng)；系統(tǒng)仿真

隨著智能手機和移動通信技術(shù)的迅速發(fā)展、移動支付業(yè)務(wù)的逐漸普及，以手機終端為載體的移動票務(wù)作為一種新型的無紙化、無卡化票務(wù)，成為票務(wù)發(fā)展的趨勢和國內(nèi)外研究的熱點。近年來，一些國家或地區(qū)對移動票務(wù)在公共交通領(lǐng)域的應(yīng)用進行了多種形式的探索與實踐［1-6］，國內(nèi)外研究者也進行了一系列相關(guān)研究［7-19］，如：進行了集中于移動票務(wù)載體形式的探索，并根據(jù)移動票務(wù)載體形式設(shè)計相應(yīng)的移動票務(wù)系統(tǒng)［7-10］；關(guān)注于移動票務(wù)驗證問題的探討，構(gòu)建票務(wù)驗證算法，分析對比離線、在線2種票務(wù)驗證方式，并提出2種驗證方式的適用范圍［11-12］；致力于移動票務(wù)安全問題的研究，提出用戶隱私保護策略、構(gòu)建系統(tǒng)安全交易協(xié)議［13-15］；從消費者心理學和行為學的視角，對用戶接受度進行理論研究和實證分析［16-19］等。當前研究主要依據(jù)公共交通領(lǐng)域票務(wù)的特性、科學技術(shù)發(fā)展的現(xiàn)狀和趨勢，進行移動票務(wù)載體的探索和移動票務(wù)系統(tǒng)的設(shè)計，完成移動票務(wù)的自動售檢票功能，具有普適性。雖然地鐵屬于公共交通運輸方式的一種，但地鐵系統(tǒng)中票務(wù)驗證方式和運費計算模式與常規(guī)公交不同，現(xiàn)有地鐵系統(tǒng)中廣泛應(yīng)用的自動售檢票系統(tǒng)（AFC系統(tǒng)）功能和結(jié)構(gòu)都具有一定的獨特性，而且基于磁卡或非接觸式IC卡的AFC系統(tǒng)建設(shè)成本較高、票務(wù)組織復雜，因此，研究適用于地鐵的移動票務(wù)解決方案和設(shè)計相應(yīng)的移動票務(wù)系統(tǒng)具有重要的現(xiàn)實意義。通過對國外案例和相關(guān)研究成果可知，以手機終端為載體的移動票務(wù)有多種形式的解決方案，包括基于手機短信（SMS或MMS）功能、基于手機NFC（near field communication）功能和基于手機定位功能等。基于手機短信的移動票務(wù)通常是一次性的，簡單、易用，適合乘車頻次不高的乘客［3］；基于手機定位功能的移動票務(wù)解決方案需要乘客在起訖點主動撥打固定電話［6］，具有一定的局限性。目前只有部分智能手機嵌入NFC功能的現(xiàn)狀制約NFC移動票務(wù)的推廣和使用。QR碼（quick response code）具有信息容量大、可靠性高、可表示漢字、譯碼質(zhì)量高、糾錯能力和保密防偽性強、能高速全方位識讀等特點［20］，已在公共交通、航空、影院等多個領(lǐng)域作票務(wù)憑證使用。本文作者選擇QR碼作為地鐵車票信息的媒介，開發(fā)地鐵票務(wù)手機客戶端作為地鐵QR碼車票的載體，實現(xiàn)地鐵票務(wù)的移動化；設(shè)計基于手機QR碼車票的地鐵移動票務(wù)系統(tǒng)（metro mobile ticketing system，簡稱MMT系統(tǒng)），分析實現(xiàn)該系統(tǒng)所需的關(guān)鍵技術(shù)，并對系統(tǒng)進行仿真模擬。

1　手機QR碼車票原理分析

地鐵手機QR碼車票為使用手機QR碼代替?zhèn)鹘y(tǒng)票卡作為地鐵的乘車憑證，地鐵票務(wù)手機客戶端為QR碼車票的載體，通過第三方支付方式的接入給QR碼車票充值，使車票可循環(huán)重復使用。QR碼車票生成和使用流程如下：

1） 乘客下載安裝車票手機客戶端，通過客戶端申請車票。

2） 服務(wù)端生成原始車票信息，對信息進行加密和數(shù)字簽名后發(fā)送給客戶端。

3） 客戶端利用QR碼技術(shù)對加密數(shù)據(jù)進行圖像編碼，生成QR碼圖像形式的車票，并在客戶端中存儲、顯示，供乘客乘車使用。

4） 乘客乘坐地鐵時，在安裝QR碼識讀設(shè)備的自動閘機處對車票進行驗證，若驗證成功，則閘機放行并將車票數(shù)據(jù)、閘機編號、時間戳等車票交易數(shù)據(jù)傳送給服務(wù)端，否則，閘機發(fā)出驗證出錯提示。

5） 服務(wù)端存儲車票交易數(shù)據(jù)，根據(jù)車票的進出站信息進行計費、扣款等操作，并將乘車扣費信息推送給客戶端供乘客確認。

2　系統(tǒng)設(shè)計

2.1系統(tǒng)總體架構(gòu)設(shè)計

MMT系統(tǒng)總體架構(gòu)設(shè)計如圖1所示，包含售票及服務(wù)子系統(tǒng)（ticketing & service subsystem，即T&S子系統(tǒng)）和檢票及管理子系統(tǒng)（checking & management subsystem，即 C&M 子系統(tǒng)），實現(xiàn)功能主要包括：手機QR碼車票的自動售票、檢票、充值、查詢，地鐵票務(wù)的統(tǒng)計、清分；地鐵票務(wù)系統(tǒng)的運營、管理以及向乘客提供增值服務(wù)等。C&M子系統(tǒng)處于地鐵內(nèi)網(wǎng)，使用專用傳輸網(wǎng)絡(luò)進行通信傳輸；T&S子系統(tǒng)處于地鐵外網(wǎng)，通過網(wǎng)關(guān)與C&M子系統(tǒng)相連，共享存儲系統(tǒng)和車票數(shù)據(jù)源。

2.2售票及服務(wù)子系統(tǒng)設(shè)計

T&S子系統(tǒng)主要負責處理車票生成、充值等車票相關(guān)業(yè)務(wù)；向乘客提供乘車線路、地面換乘、乘車記錄、地鐵周邊等地鐵查詢服務(wù)。在乘客乘車時，可向乘客推送前方到站、客流預警、緊急警報、乘車確認等實時信息；可定位乘車客戶端位置，獲得地鐵線網(wǎng)實時客流分布，為地鐵運營調(diào)整提供決策支持。

T&S子系統(tǒng)具有多樣終端、并發(fā)操作、海量實時數(shù)據(jù)、安全性要求高等特點，采用C-S-WS架構(gòu)（mobile client-server-websocket server架構(gòu)）和 MVC（modelview-control）設(shè)計模式，實現(xiàn)查詢-反饋、訂閱-發(fā)布、服務(wù)器廣播3種消息模式，架構(gòu)設(shè)計如圖2所示。車票手機客戶端實現(xiàn)人機交互，網(wǎng)絡(luò)交互，客戶端數(shù)據(jù)分析、處理、傳輸和持久化等操作，在不同移動終端操作平臺上開發(fā)實現(xiàn)。服務(wù)端實現(xiàn)與客戶端的交互和對數(shù)據(jù)的處理：控制層對客戶端請求數(shù)據(jù)進行處理和整理，將指令加工后發(fā)送給對應(yīng)的業(yè)務(wù)邏輯模塊，并對數(shù)據(jù)回包進行過濾和透傳；數(shù)據(jù)源根據(jù)設(shè)計的數(shù)據(jù)字典和存儲規(guī)范將數(shù)據(jù)存儲在數(shù)據(jù)庫中，通過服務(wù)端的控制層對數(shù)據(jù)進行調(diào)用和處理。車票客戶端與服務(wù)端之間可進行實時雙向通信，在乘客乘車時，向乘客推送實時消息。

圖1　MMT系統(tǒng)總體架構(gòu)Fig. 1　MMT system overall structure

圖2　售票及服務(wù)子系統(tǒng)MVC設(shè)計架構(gòu)Fig. 2　MVC design scheme of ticketing & service subsystem

2.3檢票及管理子系統(tǒng)設(shè)計

C&M子系統(tǒng)完成對QR碼車票的檢驗和MMT系統(tǒng)的管理，通過在現(xiàn)有AFC系統(tǒng)基礎(chǔ)上改進實現(xiàn)：撤除售票系統(tǒng)、改進檢票設(shè)備和變更交易流程等。

2.3.1識讀裝置選型及檢票設(shè)備設(shè)計

在C&M子系統(tǒng)中，仍采用自動閘機對手機QR碼車票進行檢驗。在現(xiàn)有AFC系統(tǒng)的自動閘機上進行改進，撤除 IC卡讀寫裝置和單程票回收裝置，通過RS-232串口將QR碼識讀裝置連接到閘機的工業(yè)控制計算機上，其結(jié)構(gòu)如圖3所示。QR碼車票識讀裝置的工作環(huán)境為地鐵車站，識讀介質(zhì)為手機屏幕，并要求快速識讀以保證乘客快速通過，所以，本系統(tǒng)選擇可以識讀手機屏幕、掃描速度快、掃描景深小、首讀率高、自動對焦的攝像式二維條碼識讀裝置［21］。

QR 碼識讀裝置對車票圖像進行采集、處理、譯碼后，將信息輸出到工控機；工控機根據(jù)車票類型進行相應(yīng)業(yè)務(wù)邏輯處理，根據(jù)處理結(jié)果調(diào)用相關(guān)設(shè)備部件的API函數(shù)執(zhí)行相應(yīng)指令；同時，工控機對交易數(shù)據(jù)進行緩存，并將交易數(shù)據(jù)實時傳輸給路網(wǎng)計算機系統(tǒng)（clearing computer system，CC系統(tǒng)）和定時傳輸給車站計算機系統(tǒng)（station computer system，SC系統(tǒng)）。

2.3.2檢票交易流程設(shè)計

QR碼車票只能進行讀操作，需要檢票閘機與CC系統(tǒng)協(xié)同完成車票驗證、費率計算、交易生成、乘車結(jié)算等一系列檢票交易處理流程。檢票閘機僅對車票進行驗證，根據(jù)處理結(jié)果調(diào)用相應(yīng)設(shè)備接口，同時將生成的交易數(shù)據(jù)實時上行傳輸給CC系統(tǒng)；CC系統(tǒng)結(jié)合車票的進、出站交易數(shù)據(jù)進行費率計算，將交易數(shù)據(jù)及計算結(jié)果保存到車票數(shù)據(jù)庫中，并將當次乘車及扣費信息通過消息推送方式發(fā)送到車票客戶端供乘客核查、確認。若車票進出站交易數(shù)據(jù)錯誤，則無法進行費率計算，系統(tǒng)將車票加入黑名單并將車票錯誤信息推送至車票客戶端，提示乘客到地鐵車站服務(wù)中心進行解鎖、更新。此車票驗證方式和后端計費模式使手機QR碼車票能夠像傳統(tǒng)地鐵票卡一樣充值和循環(huán)使用。

圖3　自動閘機系統(tǒng)結(jié)構(gòu)Fig. 3　Architecture of automatic gate system

3　系統(tǒng)關(guān)鍵技術(shù)

3.1車票客戶端與服務(wù)端實時通信技術(shù)

T&S子系統(tǒng)基于WebSocket協(xié)議，分別在車票客戶端和服務(wù)端開發(fā)實現(xiàn)WebSocket功能，實現(xiàn)車票客戶端與服務(wù)端之間的實時雙向通信。

WebSocket客戶端偵聽、接收實時消息，基于Webkit開發(fā)實現(xiàn)。乘客進站驗票時，服務(wù)端獲得客戶端進站消息，服務(wù)端檢測該客戶端的連接狀態(tài)，若該客戶端與服務(wù)端的socket處在連接中，則將WebSocket服務(wù)器的 URL通過 JavaScript腳本形式返回給客戶端；否則，在服務(wù)端捕獲到此客戶端心跳消息后，再進行此操作。客戶端調(diào)用V8引擎對JavaScript腳本進行解析，調(diào)用構(gòu)造回調(diào)函數(shù)constructorCallback創(chuàng)建1 個WebSocket對象，調(diào)用connect操作完成與服務(wù)端的Websocket握手，將客戶端與服務(wù)器之間的普通連接升級為Websocket連接。在建立Websocket握手的過程中，客戶端單獨創(chuàng)建 1個異步讀取數(shù)據(jù)線程AsyncReadSocketThread用于讀寫數(shù)據(jù)，通過調(diào)用select函數(shù)檢測socket狀態(tài)，調(diào)用socket API發(fā)送數(shù)據(jù)和接收服務(wù)端推送數(shù)據(jù)。

WebSocket服務(wù)端創(chuàng)建、觸發(fā)實時消息，基于Java WebSocket JSR356規(guī)范開發(fā)實現(xiàn)。主要通過部署服務(wù)端URI空間和繼承javax.websocket.Endpoint類、調(diào)用Websocket 服務(wù)器 API實現(xiàn)服務(wù)端的 WebSocket功能。服務(wù)端接收并解析車票客戶端連接請求，獲取客戶端版本信息，然后進行相應(yīng)處理，將創(chuàng)建WebSocket連接的報文返回給客戶端，完成與客戶端的WebSocket握手。服務(wù)端采用多線程技術(shù)管理Websocket連接，并且創(chuàng)建連接池類WebSocketSessionPool，給每個連接分配唯一的sessionID，并調(diào)用onOpen（ ）和onClose（ ）等方法觸發(fā)打開和關(guān)閉連接，實現(xiàn)車票客戶端連接的自動管理。服務(wù)端設(shè)置消息推送緩沖池和實時數(shù)據(jù)庫管理人工錄入并接收采集到的需要實時發(fā)布的消息。實時數(shù)據(jù)庫通過觸器調(diào)用、遍歷得到相應(yīng)會話，調(diào)用session.getBasicRemote（ ）.send（ ）函數(shù)將封裝成WebSocket幀的更新數(shù)據(jù)實時推送給相應(yīng)客戶端。

3.2車票客戶端與服務(wù)端安全通信模型

為了確保 T&S子系統(tǒng)中車票客戶端與服務(wù)端的通信安全，設(shè)計了基于3DES加密算法、ECC橢圓曲線加密算法和簽名算法的通信安全模型∏。3DES加密算法用來對消息數(shù)據(jù)進行加解密。ECC加密算法用于客戶端與服務(wù)端之間交換密鑰和對消息進行數(shù)字簽名與驗證。

3.2.1安全通信模型

安全通信模型∏為

安全通信模型包含8個基本算法：ECC密鑰生成算法GE，ECC加密算法EE，ECC解密算法DE，ECC簽名算法SE，ECC驗證算法VE，3DES密鑰生成算法GD，3DES加密算法ED和3DES解密算法DD。

其中，需使用 7個主要全局參數(shù)：q=2233，為有限域GF（q）的大??；FR∈GF（ q）；a和b，即有限域GF（q）上橢圓曲線E：y2+xy=x3+ax2+b（modq）中的參數(shù)；G=（xG，yG），為E上基點，xG，yG∈GF（ q）；n為素數(shù)，為G的階；h=#E（GF（q））/n，表示余因子。

3.2.2安全通信方案

安全通信方案包括3種模式：首次通信模式、普通通信模式和WebSocket通信模式。

1） 首次通信模式中，車票客戶端首次啟動，生成客戶端密鑰，并與服務(wù)端交換密鑰。

系統(tǒng)初始化：服務(wù)端生成公共參數(shù)q，F(xiàn)R，a，b，G，n，h和服務(wù)端公鑰對（dS，QS）：。

Step 1：車票客戶端首次啟動，向服務(wù)端發(fā)送鏈接請求。

Step 2：服務(wù)端返回公鑰QS，公共參數(shù)q，F(xiàn)R，a，b，G，n，h和驗證碼c0。

Step 4：服務(wù)端用私鑰dS解密得密鑰K和公鑰QC：；用 QC對簽名進行驗證VE（Sign， QC）='True'or'False'。若驗證通過，則生成客戶端唯一身份標識CRID，加密簽名后返回給客戶端；否則，返回“驗證失敗”。

Step 5：客戶端驗證消息，驗證成功后解密消息，將CRID存入客戶端；否則返回“驗證失敗”。

2） 普通通信模式與 WebSocket通信模式建立連接的方式不同，但安全通信方案相同。

客戶端向服務(wù)端發(fā)送消息：客戶端加密消息MC：對進行簽名；將發(fā)給服務(wù)端。服務(wù)端收到消息驗證簽名，若驗證成功，則解密消息；否則，返回發(fā)送失敗信息。

服務(wù)端向客戶端推送消息：服務(wù)端加密消息MP：進行簽名，然后，將發(fā)給客戶端?？蛻舳私邮障Ⅱ炞C簽名VE（SignP，QS）='True'or'False'，若驗證成功，則解密消息，讀取并顯示信息內(nèi)容；否則，返回推送失敗信息。

3.3檢票交易數(shù)據(jù)傳輸方案

現(xiàn)有 AFC系統(tǒng)中的檢票閘機可離線獨立完成檢票交易處理流程，然后，將檢票交易數(shù)據(jù)實時或集中逐級上傳至SC系統(tǒng)、LC系統(tǒng)、CC系統(tǒng)，用于數(shù)據(jù)存儲、備份、收益核對和清分結(jié)算等。MMT系統(tǒng)的檢票交易數(shù)據(jù)需要實時傳輸至CC系統(tǒng)，進行費率計算、乘車結(jié)算，并將交易信息推送至乘客手機客戶端供乘客確認；同時，也需要將檢票交易數(shù)據(jù)在各級系統(tǒng)中進行存儲、備份，以供核對。因此，本系統(tǒng)采用實時傳輸和集中傳輸相結(jié)合的方案上行傳輸檢票交易數(shù)據(jù)。

檢票交易數(shù)據(jù)實時傳輸具有傳輸量大、傳輸頻率高、實時性要求高等特點，采用基于分布式對象計算的CORBA（the common object request broker architecture，公共對象請求代理體系結(jié)構(gòu)）實現(xiàn)。閘機產(chǎn)生原始交易數(shù)據(jù)后，通過延遲同步通信方式，將數(shù)據(jù)實時傳輸給CC系統(tǒng)進行處理。

檢票交易數(shù)據(jù)集中傳輸具有傳輸量大、傳輸頻次少、正確性要求高等特點，采用文件傳輸方式（file transfer protocol，F(xiàn)TP）實現(xiàn)。閘機產(chǎn)生原始交易數(shù)據(jù)后進行緩存，按固定間隔時間將數(shù)據(jù)傳輸至SC系統(tǒng)；SC系統(tǒng)接收交易數(shù)據(jù)，將交易數(shù)據(jù)打包，按規(guī)定間隔時間上傳至LC系統(tǒng)；LC系統(tǒng)根據(jù)CC系統(tǒng)需求對數(shù)據(jù)進行拆包、處理、再打包后上傳至CC系統(tǒng)。各層系統(tǒng)分別對交易數(shù)據(jù)進行相應(yīng)存儲、審核、處理，完成相關(guān)業(yè)務(wù)，并對原始數(shù)據(jù)和處理數(shù)據(jù)進行備份。

4　系統(tǒng)仿真測試

根據(jù)系統(tǒng)設(shè)計方案，在實驗室環(huán)境下對系統(tǒng)主要功能進行模擬仿真，對QR碼車票生成、車票識讀、車票信息安全、車票顯示方案、手機客戶端與服務(wù)端實時雙向通信等功能點進行測試和分析，驗證系統(tǒng)的可行性、有效性和安全性。其中，車票手機客戶端用Objective-C語言編碼，在 IOS6.1平臺上開發(fā)實現(xiàn)。QR碼編解碼通過調(diào)用GB/T 18284—2000標準提供的動態(tài)鏈接庫實現(xiàn)；QR碼識讀裝置選用CMOS成像式、分辨率為 640×480，識讀景深為 0～450 mm，支持RS232接口的嵌入式二維碼識讀器。為了簡化乘客使用流程、保護乘客個人隱私，無需乘客注冊信息和關(guān)聯(lián)手機號碼，車票僅與客戶端關(guān)聯(lián)。

4.1車票生成與車票信息安全測試

系統(tǒng)服務(wù)端生成原始QR碼車票信息，車票包含：車票性質(zhì)（ticket type，TT）、車票編號（ticket number，TN）、客戶端唯一身份（unique identity，UI）、車票發(fā)售時間（selling time，ST）和車票有效期（validity period，VP）等信息，結(jié)構(gòu)格式為：TT‖TN‖UI‖ST‖VP（“‖”表示連接符），長度為43 byte。乘客手機車票客戶端界面如圖4所示，服務(wù)端生成的車票明文數(shù)據(jù)如圖5所示。

圖4　乘客手機車票客戶端界面Fig. 4　Ticketing client interfaces on passengers’ mobile phone

系統(tǒng)采用加密技術(shù)對QR碼車票進行深層加密防偽，使用先加密再簽名后編碼方案，即在服務(wù)端先用56位3DES加密算法對車票原始信息進行加密，再用160位ECC簽名算法對密文進行簽名，將加密簽名后的數(shù)據(jù)傳輸給客戶端經(jīng)QR編碼生成QR碼圖像在客戶端車票頁面顯示，供乘客乘車使用。加密簽名后的車票密文數(shù)據(jù)如圖6所示，編碼后的QR碼車票如圖4（c）所示。

系統(tǒng)中對車票進行加密和簽名的密鑰保密程度高，由服務(wù)端生成，僅在系統(tǒng)內(nèi)部分發(fā)，由服務(wù)端和閘機等地鐵移動票務(wù)設(shè)備使用，增強車票數(shù)據(jù)破譯難度和確保車票數(shù)據(jù)不被偽造；服務(wù)端將加密簽名后的車票數(shù)據(jù)傳輸給客戶端時，需根據(jù)安全通信模型對密文數(shù)據(jù)進行再次加密簽名，確保數(shù)據(jù)在網(wǎng)絡(luò)傳輸中的安全性和可靠性；車票只有通過解密程序才能識讀，確保車票信息不被非法識讀。車票被非本系統(tǒng)識讀裝置識讀得到的數(shù)據(jù)如圖7所示，測試結(jié)果表明本車票生成、加密、傳輸方案能確保車票信息的安全性。

4.2車票識讀與車票顯示方案測試

根據(jù)車票數(shù)據(jù)容量，本系統(tǒng)選擇符號規(guī)格為 45 ?！?5模的QR碼符號版本7-H表示車票；并根據(jù)QR碼符號的模塊像素顯示，生成6種QR碼車票客戶端顯示方案，其中3種方案如圖8所示。隨機選取某市地鐵5個地下車站和5個高架車站，在站廳光線環(huán)境下，對QR碼車票進行識讀時間和識讀率測試，測試結(jié)果如圖9所示。從圖9可見：當QR碼采用3像素/模以上方案顯示時，QR碼車票的識讀率為100%；當QR碼采用4像素/模以上方案顯示時，QR碼車票的平均識讀時間小于200 ms/次。

圖5　車票明文數(shù)據(jù)示例Fig. 5　Example of plaintext data of ticket

圖6　車票密文數(shù)據(jù)示例Fig. 6　Example of ciphertext data of ticket

圖7　車票非法識讀測試結(jié)果示例Fig. 7　Example of test result of reading ticket illegally

現(xiàn)有AFC系統(tǒng)票卡應(yīng)用標準為：非接觸式IC卡儲值票的讀寫時間不大于300 ms/次，非接觸式IC卡單程票的讀寫時間不大于200 ms/次。為了確保車票的識讀率和車票快速驗證，并結(jié)合Iphone手機屏幕尺寸和分辨率，本系統(tǒng)QR碼車票采用版本7-H的符號表示方案和4像素/模的符號顯示方案。

圖8　QR碼車票顯示方案Fig. 8　Display schemes of QR code tickets

圖9　QR碼車票識讀測試結(jié)果Fig. 9　Test results of reading QR code tickets

4.3客戶端與服務(wù)端實時通信模擬

本仿真系統(tǒng)分別在車票客戶端和服務(wù)端進行WebSocket功能開發(fā)，并對車票客戶端與服務(wù)端建立WebSocket連接進行實時通信的過程進行模擬，驗證客戶端與服務(wù)端實時通信的可行性。先向服務(wù)端發(fā)送車票進站信息模擬乘客驗票進站，服務(wù)端獲得客戶端進站消息，將客戶端與服務(wù)端之間的普通通信連接升級為 Websocket連接；當客戶端與服務(wù)端建立Websocket連接時，可在服務(wù)端創(chuàng)建消息實時推送給客戶端；再向服務(wù)端發(fā)送車票出站信息模擬乘客驗票出站，服務(wù)端根據(jù)車票進出站數(shù)據(jù)進行計費結(jié)算，將乘車信息實時發(fā)送給客戶端；點擊“我知道了”按鈕，觸發(fā)onClose（ ）方法關(guān)閉Websocket連接，結(jié)束客戶端與服務(wù)端實時雙向通信。

由于地鐵列車處于移動狀態(tài)，車票客戶端實時位置與客戶端顯示位置將會出現(xiàn)誤差。我國 2G移動網(wǎng)絡(luò)提供上行/下行數(shù)據(jù)傳輸速率分別為 2.7 kb/s和9.6 kb/s，3G移動網(wǎng)絡(luò)提供上行/下行數(shù)據(jù)傳輸速率至少分別為384 kb/s和2.8 Mb/s，地鐵列車技術(shù)速度為47 km/h左右。在2G和3G網(wǎng)絡(luò)環(huán)境下，客戶端的位置誤差不影響服務(wù)端向客戶端實時推送前方車站出口提示、線路換乘、地面公交換乘、車站周邊地圖等與客戶端位置相關(guān)的信息；服務(wù)端也可向客戶端實時推送乘車確認信息、地鐵客流預警、地鐵運營動態(tài)等與客戶端位置無關(guān)的信息；車票的服務(wù)端計費方式可確保車票不被他人冒用和不被多人同時使用。

5　結(jié)論

1） 基于QR碼、加解密、數(shù)字簽名、WebSocket 和CORBA等技術(shù)，在現(xiàn)有地鐵AFC系統(tǒng)的基礎(chǔ)上，設(shè)計了一個地鐵移動票務(wù)方案和地鐵移動票務(wù)系統(tǒng)（MMT系統(tǒng)）。MMT系統(tǒng)采用QR碼作為車票信息媒介，開發(fā)手機客戶端作為QR碼車票載體，設(shè)計前后端協(xié)同檢票交易方案，實現(xiàn)了地鐵票務(wù)的移動化。在實驗室環(huán)境下，對MMT系統(tǒng)主要功能進行了仿真測試，驗證了該系統(tǒng)的可行性和有效性。

2） 該方案中的QR碼車票具有保密、可重復使用、不關(guān)聯(lián)乘客隱私、不可偽造、不可冒用、不可多人同時使用等特點，確保車票的安全性；MMT系統(tǒng)不僅實現(xiàn)了地鐵票務(wù)的移動化，而且可向乘客提供地鐵增值服務(wù)和發(fā)布地鐵實時消息，方便乘客制定乘車計劃。

3） 本文僅對MMT系統(tǒng)的主要功能進行了仿真模擬，且MMT系統(tǒng)車票手機客戶端開發(fā)是基于移動終端平臺開發(fā)的原生應(yīng)用程序。下一步研究工作是對MMT系統(tǒng)進行進一步開發(fā)；并基于支持 HTML5，CSS3和JavaScript的手機瀏覽器開發(fā)地鐵車票應(yīng)用，使一次開發(fā)的車票應(yīng)用能夠適用于不同的移動終端平臺和設(shè)備。

［1］ CHEN Y Y， CHEN C L， JAN J K. A mobile ticket system based on personal trusted device［J］. Wireless Personal Communications， 2007， 40（4）： 569-578.

［2］ LEHMUSKOSKI K. Mobile ticketing takes off in Helsinki［J］. Public Transport International， 2007， 56（1）： 30-31.

［3］ DEKKERS J， RIETVELD P. Electronic ticketing in public transport： A field study in a rural area［J］. Journal of Intelligent Transportation Systems： Technology， Planning，and Operations，2007， 11（2）： 69-78.

［4］ JAKUBAUSKAS G. Improvement of urban passenger transport ticketing systems by deploying intelligent transport systems［J］. Transport， 2006， 21（4）： 252-259.

［5］ FORD R. Britain GRAPPLES with main line smart ticketing［J］. Railway Gazette International， 2007， 163（1）： 30-31.

［6］ BOHM A， MURTZ B， SOMMER C， et al. Location-based ticketing in public transport［C］//Intelligent Transportation Systems. Piscataway： IEEE Computer Society， 2005： 837-840.

［7］ FERREIRAMC， NOVOAMH， DIASTG， etal. A proposal for a public transport ticketing solution based on customer’s mobile devices［C］//FREIRE S J， PINHO S J， COSTA A， etal. Amsterdam： Elsevier， 2014： 232-241.

［8］ FINZGAR L， TREBAR M. Use of NFC and QR code identification in an electronic ticket system for public transport［C］//ROZICN， BEGUSICD. Software，Telecommunications and Computer Networks. New York： IEEE Communications Society， 2011： 1-6.

［9］ EKBERG J E， TAMRAKAR S. Mass transit ticketing with NFC mobile phones［C］//CHEN L Q， YUNG M， ZHU L H. Berlin：Springer， 2012： 48-65.

［10］ VIVES-GUASCHA， PAYERAS-CAPELLAM，MUT-PUIGSERVER M， etal. A secure e-ticketing scheme for mobile devices with near field communication （NFC） that includes exculpability and reusability［J］. IEICE Transactions，2010， E93-A（1）： 1-17.

［11］ TRIPATHI A， REDDYTSK， MADRIA S， et al. Algorithms for validating E-tickets in mobile computing environment［J］. Information Sciences， 2009， 179（11）： 1678-1693.

［12］ SKARICA D， BELANI H， IIIES S. Implementation and evaluation of mobile ticket validation systems for value-added services［C］//ROZICN， BEGUSICD. Software，Telecommunications and Computer Networks. New York： IEEE Communications Society， 2009： 260-264.

［13］ VIVES-GUASCH A， CASTELLA-ROCAJ， PAYERASCAPELLAM， et al. An electronic and secure automatic fare collection system with revocable anonymity for users［C］//PARDEDE E， TANIAR D， AWAN I. MoMM’10 Proceedings of the 8th International Conference on Advances in Mobile Computing and Multimedia. New York： Association for Computing Machinery， 2010： 387-392.

［14］ JORNS O， JUNG O， QUIRCHMAYR G. Transaction pseudonyms in mobile environments［J］. Journal in Computer Virology， 2007， 3（2）： 185-194.

［15］ CHEN C L. A PTD-based transaction protocol for public transportation［J］. International Journal of Communication Systems， 2008， 21（10）： 1019-1031.

［16］ RAMANEN J， RIIHIAHO S， ERKKILA M， et al. Users studies on mobile ticketing［C］//MARCUS A. Design， Users Experience and Usability： Theory， Methods， Tools and Practice. Berlin：Springer， 2011： 630-639.

［17］ MALLAT N， ROSSI M， TUUNAINEN V K， et al. An empirical investigation of mobile ticketing service adoption in public transportation［J］. Personal and Ubiquitous Computing， 2008，12（1）： 57-65.

［18］ CHENG Y H， HUANG T Y. High speed rail passengers’ mobile ticketing adoption［J］. Transportation Research Part C： Emerging Technologies， 2013， 30（5）： 143-160.

［19］ MALLAT N， ROSSI M， TUUNAINEN V K， et al. The impact of use context on mobile services acceptance： the case of mobile ticketing［J］. Information and Management， 2009， 46（3）：190-195.

［20］ 中國物品編碼中心. 二維條碼技術(shù)與應(yīng)用［M］. 北京： 中國計量出版社， 2007： 188-191. Article Numbering Center of China. Two-dimensional bar code technology and application［M］. Beijing： China Metrology Publishing House， 2007： 188-191.

［21］ FINANCIAL S. Assessing m-commerce opportunities［J］. Information System Management， 2004， 21（2）： 53-61.

（編輯 陳燦華）

Metro mobile ticketing system using QR code ticket on personal mobile terminal device

LEI Dingyou， JIA Li

（School of Traffic and Transport Engineering， Central South University， Changsha 410004， China）

In order to realize mobile ticketing in metro， the forms of the existing mobile ticketing and the characteristics of metro ticketing were analyzed， a mobile ticketing scheme using QR code as the medium of tickets was proposed and a metro mobile ticketing system was designed based on QR code tickets on personal mobile terminal devices. Then， several critical technologies and methods required for the system were analyzed and the system was simulated. The results show that the mobile ticketing scheme is feasible and can reduce the cost for streamline tickets distribution and cash management compared with the existing AFC system.Moreover， the QR code tickets in the designed scheme are safe and reusable， and it is unassociated with passengers’ privacy， and it is impossible to forge and it can’t be used by more than one passengers at the same time. The designed mobile ticketing system can not only realize mobile ticketing， but also provide value-added services and real-time information for passengers to arrange their travel plans.

metro； mobile ticketing； QR code ticket on personal mobile terminal device； mobile ticketing system； system simulation

U231+.92；TP302.1

A

1672-7207（2016）04-1406-08

10.11817/j.issn.1672-7207.2016.04.042

2015-04-20；

2015-06-03

國家自然科學基金資助項目（71371193，71501190）（Projects （71371193， 71501190） supported by the National Natural Science Foundation of China）

雷定猷，教授，博士生導師，從事交通運輸決策支持系統(tǒng)等研究；E-mail：ding@csu.edu.cn