地鐵AFC系統(tǒng)“互聯(lián)網(wǎng)+”技術(shù)應(yīng)用研究與實(shí)踐

展宗思

摘 要：地鐵自動售檢票（AFC）系統(tǒng)是基于計算機(jī)、通信、網(wǎng)絡(luò)、自動控制等技術(shù)，實(shí)現(xiàn)售票、檢票、計費(fèi)、收費(fèi)、統(tǒng)計、清分、管理等全過程自動化的系統(tǒng)。隨著手機(jī)二維碼、互聯(lián)網(wǎng)電子支付的全面普及和云計算技術(shù)的蓬勃發(fā)展，AFC 系統(tǒng)業(yè)務(wù)模式朝著更加信息化、智能化的方向發(fā)展。文章以西安地鐵為例，介紹其將地鐵AFC 系統(tǒng)與“互聯(lián)網(wǎng) +”技術(shù)相結(jié)合，以手機(jī)二維碼為載體，建立掃碼過閘和多元化電子支付新業(yè)務(wù)模式的項目實(shí)踐，并對該項目的技術(shù)實(shí)現(xiàn)手段、優(yōu)勢及實(shí)施成果進(jìn)行分析，以期為“互聯(lián)網(wǎng) +”技術(shù)在地鐵行業(yè)中的應(yīng)用及“智慧地鐵”的建設(shè)提供借鑒和參考。

關(guān)鍵詞：地鐵;AFC系統(tǒng);互聯(lián)網(wǎng)+;手機(jī)二維碼;第三方電子支付;云計算平臺

中圖分類號：U29-39

近年來，隨著互聯(lián)網(wǎng)技術(shù)的高速發(fā)展，以手機(jī)二維碼為載體的支付寶、微信等第三方電子支付方式在各個領(lǐng)域得到推廣應(yīng)用[1]。在地鐵運(yùn)營中，將“互聯(lián)網(wǎng)+”技術(shù)與地鐵AFC系統(tǒng)相結(jié)合，建立使用手機(jī)虛擬憑證直接進(jìn)出站和電子支付的新業(yè)務(wù)模式，已成為控制運(yùn)營成本、提升服務(wù)質(zhì)量、建設(shè)“智慧地鐵”研究的新方向[2-5]。本文以西安市軌道交通集團(tuán)有限公司（以下簡稱“西安地鐵”）為例，介紹其圍繞建設(shè)“智慧地鐵”目標(biāo)，引入手機(jī)二維碼、第三方電子支付（支付寶、微信、銀聯(lián)等）等“互聯(lián)網(wǎng)+”技術(shù)對既有線路AFC系統(tǒng)進(jìn)行功能改造的項目實(shí)踐。實(shí)踐證明，該項目在較短周期內(nèi)實(shí)現(xiàn)了以手機(jī)二維碼掃碼過閘和多元化電子支付為特征的新業(yè)務(wù)模式，從根本上解決了車站購票/充值排隊時間長、實(shí)體錢票使用成本高等一系列問題，提升了乘客的出行體驗。

1 項目簡介

2017年9月，西安地鐵響應(yīng)西安市政府建設(shè)“智慧城市”的號召，正式啟動了AFC系統(tǒng)“互聯(lián)網(wǎng)+”技術(shù)應(yīng)用項目。

西安地鐵AFC系統(tǒng)“互聯(lián)網(wǎng)+”技術(shù)應(yīng)用項目遵循“整體布局，分步推進(jìn)”的原則，分為2期實(shí)施。一期階段，項目人員從西安地鐵運(yùn)營現(xiàn)狀及乘客使用需求出發(fā)，對硬件平臺架構(gòu)、終端性能和業(yè)務(wù)規(guī)則等方面進(jìn)行了整體設(shè)計;在實(shí)驗室環(huán)境進(jìn)行了大量實(shí)驗和測試，驗證了技術(shù)方案和現(xiàn)場實(shí)施方案的可行性;對既有線路AFC系統(tǒng)部分自動檢票機(jī)（以下簡稱“閘機(jī)”）進(jìn)行了輕量化改造，搭建了多元化支付平臺，采取一系列行之有效的技術(shù)手段，實(shí)現(xiàn)了手機(jī)二維碼掃碼過閘功能，并解決了系統(tǒng)兼容性、網(wǎng)絡(luò)安全性等問題。二期階段，項目人員在一期成果的基礎(chǔ)上進(jìn)行了迭代優(yōu)化和延伸，將手機(jī)二維碼掃碼過閘業(yè)務(wù)與AFC系統(tǒng)深度融合，實(shí)行集中化的數(shù)據(jù)處理、統(tǒng)計、清分和結(jié)算;建設(shè)自主發(fā)碼平臺，新增票務(wù)中心電子支付業(yè)務(wù)，升級多元化支付平臺的軟、硬件，使得系統(tǒng)功能和性能均達(dá)到了全面推廣應(yīng)用的要求。

經(jīng)過2個階段的實(shí)施工作，西安地鐵全線網(wǎng)車站內(nèi)的所有閘機(jī)和票務(wù)中心均完成了功能改造，兼具了手機(jī)二維碼掃碼過閘和多元化電子支付的功能，西安地鐵AFC系統(tǒng)“互聯(lián)網(wǎng)+”技術(shù)應(yīng)用得以落地，西安地鐵“智慧化”建設(shè)由此邁出了關(guān)鍵一步。

2 技術(shù)實(shí)現(xiàn)手段

作為西安地鐵在“互聯(lián)網(wǎng)+”技術(shù)應(yīng)用領(lǐng)域的一項重大探索，地鐵AFC系統(tǒng)“互聯(lián)網(wǎng)+”技術(shù)應(yīng)用項目涉及以下6項具有代表性的技術(shù)手段。

2.1 自主發(fā)碼+多種第三方電子支付方式

西安地鐵參考《交通一卡通二維碼支付技術(shù)規(guī)范》（JT/T 1179-2018）定義的組織結(jié)構(gòu)，設(shè)計了獨(dú)立的手機(jī)二維碼數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)，如表1所示;并建設(shè)了自主發(fā)碼平臺，既可保證發(fā)碼權(quán)利掌握在西安地鐵手中，也可解決跨渠道交易數(shù)據(jù)匹配的問題。此外，自發(fā)碼數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)中預(yù)留了個性化定義字段，對第三方電子支付渠道更加開放、友好[6-7]。

在支付方式和入口方面，西安地鐵提供了西安地鐵官方應(yīng)用程序（APP）、支付寶APP、微信小程序、銀聯(lián)云閃付APP 4個入口，并分別支持支付寶、微信和銀聯(lián)支付方式。尤其在西安地鐵官方APP中，兼容了上述3 種支付方式，乘客可按自身需求選擇開通和自由切換。

2.2 閘機(jī)掃描+票務(wù)中心終端輔助

西安地鐵對閘機(jī)進(jìn)行了外部和內(nèi)部改造，在閘機(jī)外部端蓋上加裝二維碼掃描器，并改造閘機(jī)內(nèi)部的主控板，在主控板中安裝運(yùn)行二維碼處理程序，以實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)讀取、密鑰驗簽、扇門控制、交易數(shù)據(jù)本機(jī)存儲及上傳的功能。

西安地鐵對票務(wù)中心終端進(jìn)行了軟、硬件改造，為其加裝了手機(jī)二維碼手持式掃槍，用于讀取手機(jī)二維碼（或手動輸入電話號碼），以查詢乘客交易信息，對異常交易進(jìn)行補(bǔ)登處理，并支持實(shí)體票卡補(bǔ)票、單程票售票、一卡通充值電子化支付等功能。

2.3 閘機(jī)離線運(yùn)行 + 手機(jī)離線發(fā)碼機(jī)制

西安地鐵閘機(jī)和手機(jī)發(fā)碼均支持離線降級運(yùn)行機(jī)制，以保證現(xiàn)場網(wǎng)絡(luò)異常時不影響正常業(yè)務(wù)功能。

（1）網(wǎng)絡(luò)正常時，閘機(jī)保持在線運(yùn)行。網(wǎng)絡(luò)異常時，閘機(jī)離線機(jī)制可自動切換到本地密鑰進(jìn)行合法性驗證，保證手機(jī)二維碼掃碼過閘業(yè)務(wù)不受影響，并能正常生成離線交易數(shù)據(jù)，存儲在本機(jī)中;待閘機(jī)網(wǎng)絡(luò)恢復(fù)后，再將交易數(shù)據(jù)補(bǔ)傳至本地前置平臺。

（2）手機(jī)在線發(fā)碼機(jī)制對現(xiàn)場網(wǎng)絡(luò)條件的依賴性過高，常出現(xiàn)由于乘客手機(jī)信號不穩(wěn)定而無法生成二維碼的情況，大大影響乘客的通過效率和使用體驗。而手機(jī)離線發(fā)碼機(jī)制能夠支持手機(jī)在離線條件下生成離線二維碼（默認(rèn)20次，可設(shè)置）。這樣既解決了乘客使用手機(jī)二維碼過閘時受外界網(wǎng)絡(luò)環(huán)境影響的問題，也通過設(shè)定離線碼次數(shù)的方式有效控制了由于大量離線數(shù)據(jù)導(dǎo)致票款流失過多的風(fēng)險[8-9]。

2.4 本地前置平臺+多元化支付云平臺

西安地鐵采用本地前置平臺和多元化支付云平臺相結(jié)合的布署方案，既承載實(shí)時性要求較高的本地業(yè)務(wù)，又兼顧互聯(lián)網(wǎng)支付和APP等云業(yè)務(wù)[10-11]。

本地前置平臺部署在西安地鐵控制中心，用于實(shí)現(xiàn)AFC系統(tǒng)與互聯(lián)網(wǎng)之間的安全訪問。本地前置平臺通過互聯(lián)網(wǎng)與云平臺連通，除具備本地業(yè)務(wù)功能（如防復(fù)用、行程控制、交易數(shù)據(jù)暫存等）外，還負(fù)責(zé)接收、轉(zhuǎn)發(fā)和應(yīng)答終端設(shè)備的電子支付請求。

多元化支付云平臺部署于阿里云上，用于收集來自本地前置平臺的進(jìn)、出站交易數(shù)據(jù)，對進(jìn)、出站交易進(jìn)行行程匹配，計算乘車費(fèi)用，生成交易訂單，并將訂單提交第三方支付機(jī)構(gòu)，發(fā)起扣費(fèi)申請，并在扣費(fèi)成功后通過APP向乘客推送扣費(fèi)結(jié)果。

2.5 防復(fù)用+行程控制

西安地鐵采用防復(fù)用和行程控制雙重驗證機(jī)制，規(guī)避乘客在乘車行程中的手機(jī)二維碼復(fù)用、誤用和進(jìn)出站次序判斷困難等問題。防復(fù)用和行程控制流程如圖1所示。

乘客使用手機(jī)二維碼過閘時，閘機(jī)掃碼讀取數(shù)據(jù)并將其上傳給工控機(jī)程序。工控機(jī)程序?qū)?shù)據(jù)進(jìn)行合法性驗證（如數(shù)據(jù)格式、密鑰等）后，向本地前置平臺發(fā)起線網(wǎng)防復(fù)用驗證。

防復(fù)用驗證規(guī)則如下。

（1）本地前置平臺查詢交易數(shù)據(jù)庫中是否存在該乘客二維碼的同類行程（進(jìn)站或出站）交易記錄，若不存在，則向閘機(jī)返回驗證通過信息，閘機(jī)開閘;否則，向閘機(jī)返回驗證不通過信息，閘機(jī)不開閘。

（2）正常情況下，閘機(jī)在100 ms內(nèi)可收到本地前置平臺返回的防復(fù)用驗證結(jié)果。若閘機(jī)在100 ms內(nèi)未收到驗證結(jié)果，則視為請求超時，自動降級為閘機(jī)防復(fù)用。閘機(jī)防復(fù)用時，閘機(jī)查詢本機(jī)交易數(shù)據(jù)庫中是否存在該乘客二維碼的交易記錄，若不存在，則開閘;否則，不開閘。

防復(fù)用驗證保證了手機(jī)二維碼的唯一性要求，行程控制保證了交易數(shù)據(jù)成對的原則，兩者結(jié)合便可以實(shí)現(xiàn)票務(wù)規(guī)則所要求的“一人一碼刷一次，一進(jìn)一出成一對”的目標(biāo)。

2.6 交易融對 + 補(bǔ)登措施

西安地鐵采用對進(jìn)、出站交易進(jìn)行后臺匹配融對和計費(fèi)的方式，并支持票務(wù)中心和APP的補(bǔ)登處理措施。

乘客使用手機(jī)二維碼進(jìn)、出閘機(jī)時，閘機(jī)所產(chǎn)生的進(jìn)站交易會優(yōu)先于出站交易上傳至本地前置平臺。本地前置平臺將收到的進(jìn)站交易數(shù)據(jù)入庫暫存，待出站交易完成后統(tǒng)一上傳至多元化支付云平臺，多元化支付云平臺收到出站交易后將其與進(jìn)站交易進(jìn)行匹配融對。若融對成功，則向APP后臺提起扣費(fèi)請求;否則，在當(dāng)日運(yùn)營結(jié)束后對該交易進(jìn)行集中融對處理。交易匹配融對規(guī)則示例如表2所示。

若出現(xiàn)因交易數(shù)據(jù)上傳異常而導(dǎo)致“多進(jìn)”或“多出”的情況，則采取就“遠(yuǎn)”原則（“遠(yuǎn)”是指離出站時間最遠(yuǎn)的進(jìn)站）進(jìn)行匹配融對。

若乘客通過APP查詢信息發(fā)現(xiàn)因進(jìn)、出站缺失導(dǎo)致扣費(fèi)異常的情況，可通過票務(wù)中心人工干預(yù)或APP自助的方式補(bǔ)登交易，待補(bǔ)登交易生成并上傳后，后臺則完成正常的匹配融對和扣費(fèi)。

3 技術(shù)優(yōu)勢

與國內(nèi)其他城市地鐵相比，西安地鐵AFC系統(tǒng)“互聯(lián)網(wǎng)+”技術(shù)應(yīng)用項目采用的多項關(guān)鍵技術(shù)具有明顯優(yōu)勢，具體體現(xiàn)在以下幾方面[12-15]。

（1）與其他城市地鐵所采用的第三方二維碼、組合二維碼相比，西安地鐵自發(fā)碼技術(shù)的標(biāo)準(zhǔn)更規(guī)范，抗外界因素干擾能力更強(qiáng)，可實(shí)現(xiàn)跨支付渠道交易匹配。

（2）部分城市地鐵采用手機(jī)二維碼讀取+藍(lán)牙回寫數(shù)據(jù)的方式判斷手機(jī)二維碼復(fù)用和進(jìn)出站次序，而西安地鐵采用的防復(fù)用和行程控制機(jī)制無需乘客提前打開手機(jī)藍(lán)牙，因此乘客的過閘體驗更好，且乘客手機(jī)內(nèi)無需數(shù)據(jù)寫入，通過效率更高。

（3）閘機(jī)運(yùn)行、手機(jī)發(fā)碼雙離線機(jī)制保證了系統(tǒng)業(yè)務(wù)的可用性更高，乘客過閘時對網(wǎng)絡(luò)條件的要求更低。

（4）APP自助補(bǔ)登措施在一定程度上可減輕票務(wù)中心人工窗口的工作壓力，節(jié)約乘客排隊等候的時間。

西安地鐵AFC系統(tǒng)“互聯(lián)網(wǎng)+”技術(shù)應(yīng)用項目在國內(nèi)同行業(yè)中處于領(lǐng)先地位。2018年1月1日，一期全線網(wǎng)試點(diǎn)功能上線，上線時間先于北京、上海、廣州、深圳等一線城市; 2018年12月1日，二期全線網(wǎng)所有設(shè)備完成改造，上線運(yùn)行;截止2019年12月，采用手機(jī)二維碼過閘的乘客數(shù)量日均達(dá)到103萬人次，在所有票種中的占比為60%，此比例在行業(yè)內(nèi)首屈一指。

4 實(shí)施成果

西安地鐵AFC系統(tǒng)“互聯(lián)網(wǎng)+”技術(shù)應(yīng)用項目實(shí)施以來，使用手機(jī)二維碼過閘的乘客數(shù)量持續(xù)攀升，在很大程度上解決了車站排隊擁堵、現(xiàn)金處理繁雜等運(yùn)營難題，緩解了設(shè)備運(yùn)維壓力，為地鐵商業(yè)配套資源開發(fā)提供了有利平臺。

4.1 系統(tǒng)運(yùn)行及數(shù)據(jù)統(tǒng)計

自2018年1月項目試點(diǎn)功能上線以來，西安地鐵使用手機(jī)二維碼過閘的客流量持續(xù)攀升，如圖2所示。截至2019年12月底，手機(jī)二維碼過閘系統(tǒng)的注冊用戶卡超過2 600萬張，累計交易數(shù)量超過5.3億筆，累計交易金額近19億元。

4.2 票種分布結(jié)構(gòu)的變化

隨著乘客無卡化乘車習(xí)慣的形成，各票種的分布情況出現(xiàn)了結(jié)構(gòu)性變化。以2019年12月為例，實(shí)體單程票的使用率從2017年12月的23%下降至8%，降幅15%;西安城市一卡通（即長安通）從73%下降至32%，降幅41%。這2種車票使用率降低對應(yīng)的是手機(jī)二維碼使用率的提高，由此可知手機(jī)二維碼過閘非常受乘客歡迎。

4.3 運(yùn)營管理水平的提升

項目實(shí)施在一定程度上緩解了現(xiàn)金處理和排隊的壓力，減輕了終端設(shè)備票卡和現(xiàn)金處理模塊的工作量，同時也積累了部分線上數(shù)據(jù)資源。

4.3.1 減少零錢兌換及現(xiàn)金清點(diǎn)

西安地鐵各線路自動售票機(jī)購票時只接受1元硬幣及5元、10元面值的紙幣;充值時只接受10元整數(shù)倍面值的紙幣。從零錢兌換（以下簡稱“兌零”）數(shù)據(jù)對比看，2017年（二維碼閘機(jī)上線前）西安地鐵月均兌零436萬元，且節(jié)假日波動較大;而2019年（二維碼閘機(jī)上線后）月均兌零288萬元，較2017年下降約34%，且兌零量相對平穩(wěn)。

在現(xiàn)金清點(diǎn)方面，2017年12月，西安地鐵單程票日均銷售（包括自動售票機(jī)和票務(wù)中心）現(xiàn)金收入為103.2萬元;而2019年12月，該項收入為64.3萬元，日均減少了近40萬元，大幅降低了車站自動售票機(jī)現(xiàn)金加幣、補(bǔ)幣的壓力。現(xiàn)金收入減少也減輕了車站票務(wù)中心兌零、現(xiàn)金清點(diǎn)和解款的負(fù)擔(dān)。此外，對比傳統(tǒng)的收益管理模式，數(shù)字化票款管理具有嚴(yán)謹(jǐn)、準(zhǔn)確、及時等不可替代的優(yōu)點(diǎn)。

4.3.2 緩解排隊購票、充值的壓力

乘客可直接掃手機(jī)二維碼過閘，無須購買單程票，解決了在自動售票機(jī)前排隊購票的問題。同時，由于部分乘客選擇手機(jī)二維碼掃碼過閘的方式，因此乘客在票務(wù)中心排隊辦理城市一卡通充值、單程票購票、票卡異常處理和補(bǔ)票業(yè)務(wù)的情況也得以緩解。項目實(shí)施前后車站現(xiàn)場對比如圖3所示。

4.4 AFC 系統(tǒng)終端設(shè)備故障率下降

車票電子化有效緩解了自動售票機(jī)的售票充值壓力及閘機(jī)的單程票回收壓力，減少了對其核心模塊的使用和維護(hù)。項目實(shí)施以來，自動售票機(jī)的紙幣、硬幣、車票處理模塊及閘機(jī)的單程票回收模塊故障次數(shù)逐步減少，使用壽命得以延長，也在一定程度上減輕了維修人員的工作量。

4.5 APP 資源的積累和挖掘

利用第三方電子支付平臺覆蓋面廣、用戶黏性高、活躍度高等優(yōu)勢，可吸引線上用戶資源、分流線下實(shí)體票客流。西安地鐵官方APP除提供信息查詢、失物招領(lǐng)、愛心預(yù)約、地鐵咨詢等運(yùn)營服務(wù)核心功能之外，還引入了地鐵閱讀、地鐵故事、最西安等特色板塊，在乘客與企業(yè)間建立了初步的信賴，搭建了良好的溝通渠道。

在未來，西安地鐵還將豐富官方APP的功能，除為乘客提供智慧乘車、交通信息、便民服務(wù)等基礎(chǔ)服務(wù)外，還致力于滿足市民在生活、娛樂、購物等多方面的需求，著力將西安地鐵官方APP打造為市民輕生活平臺。西安地鐵還希望憑借其技術(shù)實(shí)力及專業(yè)營銷管理平臺，實(shí)現(xiàn)驅(qū)動地鐵經(jīng)濟(jì)發(fā)展、挖掘增值產(chǎn)業(yè)等目標(biāo)。

5 總結(jié)與展望

西安地鐵AFC系統(tǒng)“互聯(lián)網(wǎng)+”技術(shù)應(yīng)用項目上線后，使用人數(shù)持續(xù)增長，受到乘客信任和好評。自項目實(shí)施起至今，系統(tǒng)運(yùn)行安全穩(wěn)定，乘客過閘效率顯著提高，第三方電子支付渠道也趨于多樣化。作為西安地鐵“互聯(lián)網(wǎng)+”技術(shù)應(yīng)用的首項成果，該項目為西安的 “智慧地鐵”建設(shè)積累了實(shí)踐經(jīng)驗，培養(yǎng)了技術(shù)人才，也為其他城市地鐵“互聯(lián)網(wǎng)+”技術(shù)的應(yīng)用提供了借鑒和參考。

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收稿日期 2020-04-21

責(zé)任編輯 蘇靖棋