城市轨道交通自动售检票系统物联网技术应用研究

李道全

（北京城建设计发展集团股份有限公司，北京 100037）

摘要：随着技术的不断发展和运营需求的增加，城市轨道交通实现物联网已不是远景而是现实。现以实践经历为范例，根据工作经验和心得体会，介绍自动售检票系统终端设备中储票箱、废票箱、储钞箱、硬币补充箱、硬币找零箱、纸币补充箱和纸币找零箱等物联网技术应用情况，对后续新线路的建设和研究具有重要的指导意义和参考价值。

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关键词 ：轨道交通；自动售检票系统；物联网技术；应用

0引言

城市轨道交通自动售检票系统（以下简称AFC系统）架构体系包括：轨道交通清算管理中心、线路中心计算机系统、车站计算机系统、车站终端设备、非接触式IC卡车票［1］。AFC系统是以先进的集成技术、信息处理技术、自动控制技术、IC卡技术及安全保密技术为基础的轨道交通自动收费系统，其车站终端设备中配置了储票箱、废票箱、储钞箱、硬币补充箱、硬币找零箱、纸币补充箱和纸币找零箱，储票箱满足票卡发行需求［2］，钱箱满足购票需求。

AFC系统票箱、钱箱信息主要包括如下内容：

（1） 储票箱信息包括储票箱ID、票箱内车票张数、车票编号等内容；

（2） 废票箱信息包括废票箱ID、废票箱内车票张数、车票编号等内容；

（3） 储钞箱信息包括钱箱ID、钱箱内钱数量、各种纸币张数及数量等内容；

（4） 硬币补充箱信息包括钱箱ID、钱箱内钱数量、各种硬币枚数及数量等内容；

（5） 硬币找零箱信息包括钱箱ID、钱箱内钱数量、各种硬币枚数及数量等内容；

（6） 纸币补充箱信息包括钱箱ID、钱箱内钱数量、各种纸币张数及数量等内容；

（7） 纸币找零箱信息包括钱箱ID、钱箱内钱数量、各种纸币张数及数量等内容。为满足运营需求，可通过设置电子标签、设置存储单元两种方式来获取上述票箱、钱箱内的信息。

1设置电子标签

1.1信息传递方案

电子标签，又叫智能标签，是物联网技术应用之一。电子标签采用小型天线的非接触式IC卡，其核心是采用了RFID射频识别技术、存储容量较小的芯片，具有智能读写及加密通信的能力。电子标签作为数据载体，能起到标识识别、产品跟踪、信息采集的作用。从全球角度来看，电子标签已经在广泛的领域内得以应用。

RFID系统在AFC系统中的应用就是将电子标签的IC芯片和无线天线嵌入设备表面，电子标签中存储有符合相关格式要求的电子数据。读卡器［3］可无接触地读取并识别电子标签中所保存的电子数据，从而达到自动读取RFID中所存储信息的目的。信息传递方式如图1所示。

1.2系统结构

一个完整、典型的RFID系统通常由下面4个模块组成：标

注：（1） 读卡器通过天线发送出一定频率的射频信号；（2） 当标签进入磁场时，就产生感应电流从而获得能量；（3） 发送出自身存储的信息；（4） 读卡器读取并解码后送至计算机系统进行相关流程处理。

签、读卡器、RFID中间件、应用程序接口（API）。各模块间的关系如图2所示。

1.2.1标签

标签由天线和芯片组成，天线在标签和读卡器间传递射频信号，芯片里面保存每个标签具有的唯一电子编码和用户数据。每个标签都有一个全球唯一的ID号码——用户号码（UID），UID是在制作芯片时放在ROM中的，无法修改；用户数据区是供用户存放数据的，可以进行读写、覆盖、增加的操作。

1.2.2读卡器

读卡器是读取（或写入）标签信息的设备，可设计为手持式或固定式。读卡器对标签的操作有三类：

（1） 识别：读取UID；

（2） 读取：读取用户数据；

（3） 写入：写入用户数据。

1.2.3RFID中间件

RFID中间件是将底层RFID硬件和上层应用操作终端结合在一起的粘合剂。虽然原则上中间件是横向的软件技术，但在RFID系统中，为使其更适用于AFC系统收费领域，可要求RFID中间件针对AFC系统收费领域进行设计。

在RFID系统这种具体情况下，中间件除通常的功能外还有以下特定功能：

（1） 使阅读/写入更加可靠；

（2） 把数据通过读卡器网络推或拉到正确位置（类似路由器功能）；

（3） 监测和控制读卡器；

（4） 提供安全读/写操作；

（5） 降低射频干扰；

（6） 处理标签型和读卡器型事件；

（7） 应用通知；

（8） 接收并且转发来自应用的中断指令；

（9） 给用户提供异常告警。

1.3终端设备上的RFID技术实现方案

AFC系统中的自动售票机（TVM）、半自动售票机（BOM）、自动检票机（AG）的票箱（含废票箱）具有物理规格相同、使用功能相同的特点，承担在车站内票卡循环使用甚至线路内票卡循环使用的作用；此外，TVM中的钱箱（包括纸币钱箱和硬币钱箱）都利用RFID技术进行编号管理，与车站计算机系统（SC）中的现金管理、收益管理等功能共同发挥重要的作用。在维修管理系统中，AFC设备中的重要部件也可以利用RFID的电子标签实现部件编号管理，有助于提高设备维护的效率。

1.3.1RFID读卡器设置方案

在TVM、BOM、AG中都可安装RFID读写器，用于识别安装于这些设备中票箱和钱箱编号，并将相应的票卡编号、交易时间等信息与票箱、钱箱进行关联管理。RFID读卡器安装数量可根据设备中票箱、钱箱的数量而确定，AG中票箱RFID读卡器安装位置示意图如图3所示。

RFID读卡器可通过RS232与设备的主控单元相连，同时可接受主控单元的指令和控制，如图4所示。

综上，在储票箱（或废票箱、纸币钱箱、硬币钱箱）上安装RFID作为储票箱（或废票箱、纸币钱箱、硬币钱箱）的电子ID，并将储票箱内存放的车票张数、每张车票的编号（或钱箱内钱数量、各种纸币张数及数量，或钱箱内钱数量、各种硬币枚数及数量）存放在RFID上，在车站票务室安装读取RFID的读写器以读取RFID上存储的信息。这种方案除需在每个储票箱（或废票箱、纸币钱箱、硬币钱箱）上安装一个RFID外，还需在TVM、BOM及AG上安装一个RFID读写器，以对RFID进行读写。

1.3.2信息获取方案

在AFC系统中收益管理是指涉及票箱、钱箱更换，售票操作人员现金业务等方面的管理，目的是实现AFC系统内票卡、现金、账务的安全、正确使用和管理。收益管理中具体业务操作有以下几类：

（1） 自动售票机补充找零硬币；

（2） 自动售票机钱箱更换；

（3） 自动售票机钱箱清点；

（4） 自动售票机票箱更换；

（5） 自动售票机班次报告；

（6） 自动售票机班次审核；

（7） 半自动售票机班次核算；

（8） 预赋值车票处理；

（9） 自动检票机票箱更换。

在这些业务操作中，自动售票机补充找零硬币、自动售票机钱箱更换、自动售票机钱箱清点、自动售票机票箱更换、半自动售票机班次核算、TVM及AG票箱更换，可以充分利用RFID电子标签，将票箱、钱箱编号，票箱中的票卡数量，钱箱中的纸币张数、硬币枚数，连接于票务室工作站的读写器，RFID读卡器通过天线发送一定频率的射频信号，当设备上嵌入的标签进入磁场时，就产生感应电流从而获得能量，以发送自身存储的信息，被读卡器读取并解码后送至计算机系统进行相关流程处理。

通常读卡器在读取标签时给计算机系统传递三种信息：标签ID内容、读卡器自己的ID内容和读取标签的时间。通过获取这个读卡器中的信息，就可掌握票箱、钱箱上标签中的信息以及它是什么产品，然后根据时间数据跟踪标签，即可随时随地了解票卡、钱箱及票箱等的信息，再与人工清点数目、系统交易数据统计数目进行核对比较，能有效提高票卡、现金的管理应用安全和管理效率。

2设置存储单元

2.1存储单元设置方案

储票箱（包括废票箱）上安装有一个存储单元，用于存放票箱电子ID、票箱内车票张数、车票编号等信息，通过车票回收单元（TCU）或车票发售单元（TIM）模块与设备主控单元进行通信。设备主控单元通过串口与TCU或TIM模块通信以存取储票箱（包括废票箱）上存储单元中数据。

纸币钱箱上安装有一个存储单元，用于存放纸币钱箱电子ID、钱箱内钱数量、各种纸币张数及数量等信息，通过纸币识别模块（Bill Module）与设备主控单元进行通信。设备主控单元通过串口与纸币识别模块通信以存取纸币钱箱上存储单元中数据。

硬币钱箱上安装有一个存储单元，用于存放硬币钱箱电子ID、钱箱内钱数量、各种硬币枚数及数量等信息，通过硬币识别模块（Coin Module）与设备主控单元进行通信。设备主控单元通过串口与硬币识别模块通信以存取硬币钱箱上存储单元中数据。

2.2信息获取方案

在车站票务室计算机上安装一套软件，外加通过串口连接的车票回收单元（TCU）/车票发售单元（TIM）、纸币识别模块（Bill Module）、硬币识别模块（Coin Module）模块与相应的票箱、纸币钱箱、硬币钱箱相连，就能读取票箱、纸币钱箱、硬币钱箱上存储单元中存储的相关数据。其连接方式如图5所示。

如果票箱、纸币钱箱、硬币钱箱供货商能够开放其存储单元的存取协议，在车站票务室计算机上安装票箱、纸币钱箱、硬币钱箱对应的数据通信转接头后，则连接方式可以简化，如图6所示。

3推荐方案

综上，上述两种方案均可实现钱箱、票箱信息获取，同时结合目前AFC系统中的TVM、BOM、AG设备的票箱（含废票箱）或钱箱上均配置了电子标签RFID，只要在TVM、BOM、AG终端设备配置基础上增加电子标签RFID读取/存储的读卡器，同时在票务室计算机上连接能读取电子标签RFID的读写器，按票务处理流程内置的标准化读写器在地铁自动售检票系统中的应用要求［4］就可满足运营需求，因此推荐采用方案一——设置电子标签。

4RFID面临的安全问题

RFID面临的安全问题：不仅仅表现为RFID产品的成本极大地限制了RFID的处理能力和安全加密措施，而且RFID技术本身就包含了比计算机和网络中更多和更容易泄密的不安全节点。一般地，RFID在安全缺陷方面除了与计算机网络有相同之处外，还包括以下三种不同的安全缺陷类型：

4.1标签本身的访问缺陷

由于标签本身的成本相对较低，承包商一般不会加大力度对其精心开发，因此标签本身很难具备足以保证其安全的能力，这样就面临了较大安全隐患——非法用户可以利用读卡器直接与标签进行通信。这样，就可以很容易地获取标签内所存数据信息。而对于读写式标签，还面临数据被改写的风险。

4.2通信链路上的安全问题

RFID的数据通信链路是无线通信链路，与有线连接不一样，无线传输的信号本身是开放的，这就给非法用户的侦听带来了可乘之机。

4.3读写器内部的安全风险

在读写器中，除了中间件被用来完成数据的遴选、时间过滤和管理之外，只能提供用户业务接口，而难以提供能够让用户自行提升安全性能的接口。

5解决措施

可从如下两方面着手来杜绝上述安全缺陷：

（1） 要求系统集成商针对标签本身的安全性加大力度、精心开发；

（2） 在AFC系统运营中，可通过加强管理来确保安全。

6结语

随着我国各大城市日益加快城市轨道交通的建设步伐，为满足网络化运营需求，在轨道交通线网AFC系统中实施物联网技术十分必要，可起到事半功倍的效果，实现信息、人力、物力等方面的资源共享，达到网络化建设目标。因此，本文所述对城市轨道交通AFC系统的建设和研究具有重要的指导意义和参考价值。

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参考文献］

［1］邱华瑞，张宁，徐文，等.城轨交通自动售检票系统架构体系研究［J］.都市快轨交通，2014，27（2）： 86-89.

［2］康崇皓.轨道交通自动售检票系统票卡发行方案探讨［J］.铁道通信信号，2010，46（12）： 42-44.

［3］康欢.读写器射频一致性自动测试系统平台的研究与实现［D］.北京：北京交通大学，2014.

［4］袁东.票务处理流程内置的标准化读写器在地铁自动售检票系统中的应用［J］.通信与广播电视，2010（2）： 38-41，51.

收稿日期：2015-09-06

作者简介：李道全（1973—），男，北京人，高级工程师，研究方向：城市轨道交通。