邱華瑞 張 寧 徐 文 何鐵軍

(1.東南大學(xué)ITS工程研究中心 南京 210018;2.北京城建設(shè)計發(fā)展集團(tuán)股份有限公司 北京 100037)

城軌交通自動售檢票系統(tǒng)架構(gòu)體系研究

邱華瑞1張 寧1徐 文2何鐵軍1

(1.東南大學(xué)ITS工程研究中心 南京 210018;2.北京城建設(shè)計發(fā)展集團(tuán)股份有限公司 北京 100037)

討論城市軌道交通自動售檢票(AFC)系統(tǒng)的基本架構(gòu)及其體系的演變，認(rèn)為架構(gòu)設(shè)置是否合理不僅影響到AFC系統(tǒng)自身的發(fā)展，甚至?xí)Τ鞘熊壍澜煌芊耥樌麑崿F(xiàn)多線路網(wǎng)絡(luò)化高效運(yùn)營起到?jīng)Q定性作用。在目前常用的AFC系統(tǒng)層標(biāo)準(zhǔn)架構(gòu)體系的基礎(chǔ)上，綜合考慮城市軌道交通的不同運(yùn)營模式、管理體系、新技術(shù)引入、線路接入等因素，詳細(xì)分析基于合并線路中心與清分中心、多線路中心、區(qū)域中心以及設(shè)備嵌入層的多種AFC系統(tǒng)架構(gòu)體系，指出不同城市可以根據(jù)其自身特點與未來規(guī)劃靈活設(shè)置AFC系統(tǒng)架構(gòu)方案，為軌道交通的網(wǎng)絡(luò)化運(yùn)營與發(fā)展打好基礎(chǔ)。

城市軌道交通;自動售檢票;內(nèi)置型讀寫器;區(qū)域中心;多線路中心

1 自動售檢票系統(tǒng)概述

自動售檢票(automatic fare collection，AFC)系統(tǒng)是城市軌道交通的重要組成部分，為乘客提供便捷、高效、人性化的服務(wù)(如快捷簡易的售檢票過程、合理的聯(lián)網(wǎng)換乘收費(fèi)策略)，為運(yùn)營商提供車票制作、售票、檢票、財務(wù)、統(tǒng)計分析、審核等全過程及自動化的管理平臺［1］。

我國城市軌道交通的建設(shè)經(jīng)歷了從單線建設(shè)階段到多線建設(shè)階段、再到網(wǎng)絡(luò)化建設(shè)階段的過程，與之相對應(yīng)，AFC系統(tǒng)的建設(shè)經(jīng)歷了啟蒙階段到實踐階段、再到調(diào)整階段的發(fā)展歷程［2］。我國的AFC系統(tǒng)一般采用標(biāo)準(zhǔn)的五層構(gòu)架體系［3］，隨著國內(nèi)城市軌道交通的快速發(fā)展，智能化與網(wǎng)絡(luò)化的運(yùn)營時期已經(jīng)到來［4］。由于乘客對城市軌道交通服務(wù)需求的改變和運(yùn)營商運(yùn)營管理復(fù)雜程度的增大，對AFC系統(tǒng)的體系架構(gòu)也有了新的要求，衍生出了一些AFC系統(tǒng)架構(gòu)變體，包括北京多線共用AFC系統(tǒng)線路中心設(shè)計［5］、南京AFC系統(tǒng)區(qū)域中心探討［6］，以及 AFC業(yè)務(wù)內(nèi)置型讀寫器研究等［7－8］，但對其在 AFC 系統(tǒng)中的定位、組合模式、適用條件及改造方案缺乏系統(tǒng)的論述。因此，在AFC系統(tǒng)五層標(biāo)準(zhǔn)構(gòu)架的基礎(chǔ)上，應(yīng)根據(jù)城市自身交通地理條件、線網(wǎng)標(biāo)準(zhǔn)、線路設(shè)置、運(yùn)營管理需求、行政體系、政府政策等，對AFC系統(tǒng)進(jìn)行靈活的設(shè)置，選擇適合本地城市發(fā)展的AFC系統(tǒng)的體系架構(gòu)。下面首先介紹AFC系統(tǒng)的五層基本架構(gòu)，然后從功能定位、組合模式、適用及改造條件角度詳細(xì)論述合并線路中心與清分中心、多線路中心、區(qū)域中心等系統(tǒng)層面的變體形式，最后引入業(yè)務(wù)內(nèi)置型讀寫器對AFC系統(tǒng)基本架構(gòu)進(jìn)行設(shè)備層面的改變。

2 AFC系統(tǒng)基本架構(gòu)

建設(shè)部在頒布的業(yè)內(nèi)規(guī)范GB/T 20907—2007《城市軌道交通自動售檢票系統(tǒng)技術(shù)條件》中，提出AFC系統(tǒng)組成的最新定義，即采用標(biāo)準(zhǔn)的五層構(gòu)架體系，其層次結(jié)構(gòu)是采用全封閉的運(yùn)行方式，以非接觸式IC卡為車票介質(zhì)，根據(jù)各層次設(shè)備和子系統(tǒng)各自的功能、管理職能和所處的位置進(jìn)行劃分。五層構(gòu)架體系是根據(jù)我國國情和城市發(fā)展現(xiàn)狀，綜合考慮了軌道交通建設(shè)和運(yùn)營的特點(如票種設(shè)置豐富、線路多而復(fù)雜、與城市一卡通兼容等)，具有一定的可伸縮性。

城市軌道交通AFC系統(tǒng)五層標(biāo)準(zhǔn)架構(gòu)體系由系統(tǒng)清結(jié)算中心(ACC)、線路中心 (LC)、車站中心(SC)、AFC設(shè)備(SLE)和票卡組成，其架構(gòu)體系如圖1所示。

1)清結(jié)算管理中心(ACC)。清結(jié)算中心作為整個AFC系統(tǒng)的頂層，主要是負(fù)責(zé)對地鐵線路之間、地鐵與城市一卡通系統(tǒng)之間的清分結(jié)算，對不同運(yùn)營實體(或線路)進(jìn)行管理，制定業(yè)務(wù)規(guī)程和票務(wù)規(guī)則，制作發(fā)行票卡，全面協(xié)調(diào)不同線路間的日常運(yùn)營。

圖1 AFC系統(tǒng)五層基本架構(gòu)

2)線路中心 (LC)。線路中心管理線路內(nèi)交易、客流、設(shè)備、票務(wù)等數(shù)據(jù)，負(fù)責(zé)本線路系統(tǒng)的AFC收費(fèi)數(shù)據(jù)、設(shè)備狀態(tài)數(shù)據(jù)、客流量數(shù)據(jù)的采集，生成報表以及對賬等。LC將收集的本線路數(shù)據(jù)上傳到清結(jié)算管理中心，接受清結(jié)算管理中心的命令與參數(shù)，并將其下發(fā)到各車站系統(tǒng);同時，LC也管理和下發(fā)線路級的命令及系統(tǒng)參數(shù)，完成本線路的票務(wù)管理，具備票卡的庫存管理和調(diào)配等功能。

3)車站中心(SC)。車站中心用來監(jiān)控和配置車站本地設(shè)備，采集本地車站設(shè)備數(shù)據(jù)，對車站的每一臺設(shè)備實施監(jiān)督、控制、參數(shù)化、數(shù)據(jù)采集和審計。SC接收LC的指令和參數(shù)，并下發(fā)到相應(yīng)的設(shè)備。同時，SC采集設(shè)備的交易、事件和審計數(shù)據(jù)，上傳到LC。

4)AFC設(shè)備(SLE)。AFC設(shè)備層包括閘機(jī)、半自動售票機(jī)、自動售票機(jī)、自動充值機(jī)、銀行圈存機(jī)、自助查詢機(jī)、移動支付設(shè)備和其他設(shè)備等。

5)票卡。五層架構(gòu)體系的底層為票卡層，它是乘客所持的車費(fèi)支付媒介，包括計次票、儲值票、單程票、員工票和其他車票等。

3 AFC系統(tǒng)架構(gòu)體系演變

隨著軌道交通線路網(wǎng)絡(luò)化的形成、新技術(shù)的引入以及國內(nèi)AFC系統(tǒng)運(yùn)營經(jīng)驗的積累，人們逐漸認(rèn)識到AFC系統(tǒng)五層基本架構(gòu)在不同運(yùn)營商所轄線路互聯(lián)互通、系統(tǒng)升級改造、資源高效利用上存在一定的局限性。許多原先建成AFC系統(tǒng)的城市為保證新線的順利接入，需對AFC系統(tǒng)進(jìn)行升級和改造;而新建AFC系統(tǒng)的城市也應(yīng)根據(jù)自身特點，在AFC系統(tǒng)基本架構(gòu)的基礎(chǔ)上做出相應(yīng)的調(diào)整，使系統(tǒng)的建設(shè)和運(yùn)營更具針對性和本地特色。

3.1 合并線路中心和清分中心

一些城市由于規(guī)模所限，其人口增長和交通需求有限，在近期和遠(yuǎn)期的軌道交通規(guī)劃中，所規(guī)劃的線路條數(shù)不多(一般少于10條)。由于運(yùn)營商單一、運(yùn)營的線路車站較少，清分結(jié)算壓力不大，所以可以本著經(jīng)濟(jì)、實用的原則，合并五層架構(gòu)中的線路中心層和清分中心，直接將所有車站接入清分中心，將原先線路中心的功能分配至清分中心和車站中心。合并后，清分中心除具備日常清結(jié)算、票務(wù)管理等功能外，還需對所有車站進(jìn)行管理和監(jiān)控;車站中心則需收集、處理、分析各類數(shù)據(jù)，并根據(jù)清算對賬規(guī)定和原則直接與清分中心進(jìn)行對賬。合并線路中心和清分中心的架構(gòu)模式使系統(tǒng)得到精簡，可在一定程度上提高系統(tǒng)運(yùn)營效率，節(jié)約建設(shè)、維護(hù)資金，減少線路的接口界面。合并線路中心和清分中心的AFC系統(tǒng)架構(gòu)模式如圖2所示。

圖2 合并線路中心與清分中心的AFC系統(tǒng)架構(gòu)

3.2 設(shè)置多線路中心

隨著軌道交通線網(wǎng)的不斷擴(kuò)大以及運(yùn)營經(jīng)驗的積累，許多城市軌道交通線路呈現(xiàn)多而復(fù)雜的特點，不少運(yùn)營商意識到如果在每條線路均設(shè)置LC，會造成投資和資源的較大浪費(fèi)。對于同一運(yùn)營商所轄的線路，可以為這幾條線路設(shè)置多線路中心(MLC)而不再單獨(dú)為每條線路設(shè)置線路中心，這幾條線路的AFC數(shù)據(jù)可直接上傳至多線路中心。

設(shè)置多線路中心的特點是實現(xiàn)了相同運(yùn)營商所轄線路的資源共享，使線路間的信息在ACC層以下得到處理。基于各個運(yùn)營商所轄多條線路構(gòu)成的MLC可以看成是一個小清分中心，能夠完成所轄線路內(nèi)運(yùn)營、票務(wù)、數(shù)據(jù)、清分、報表等管理，節(jié)約資源，提高效率，節(jié)省項目建設(shè)投資，并提高系統(tǒng)的經(jīng)濟(jì)效益與安全性。同時，ACC面對的是不同的運(yùn)營商，不再面對具體的線路，因此簡化了清分模型，減輕了清分負(fù)擔(dān)，有效緩解了ACC的工作壓力。為確保MLC所轄各自線路數(shù)據(jù)、責(zé)任的獨(dú)立性，需在SC層與MLC層之間為各線路設(shè)置AFC系統(tǒng)線路數(shù)據(jù)匯集節(jié)點。

目前，不同線路接入多線路中心主要有兩種模式：

1)不同線路服務(wù)器統(tǒng)一集中管理。該模式僅需要對原先服務(wù)器進(jìn)行空間上的遷移、對原有通信網(wǎng)絡(luò)進(jìn)行改造，遷至多線路中心統(tǒng)一管理，從而節(jié)省投資和資源，提高管理效率。該模式可實現(xiàn)線路在物理上的接入，并未實現(xiàn)線路在邏輯上的接入，所以無需重新定義接口和各層功能分配，技術(shù)成熟且容易實現(xiàn)，費(fèi)用較為節(jié)省且工期短。

2)不同線路接入同一服務(wù)器。該模式實現(xiàn)了不同線路在邏輯上接入線路中心，能實現(xiàn)真正意義上的集中化管理，自動化程度和管理效率更高。對于這種演變模式，需要重新定義接口類型、多線路中心內(nèi)部的清分規(guī)則，設(shè)置各線路數(shù)據(jù)節(jié)點，同時對原有的對賬模式、監(jiān)控模式、權(quán)限設(shè)置等都需要做出一定程度的改變。該方式技術(shù)難度較大，花費(fèi)費(fèi)用較高且工期較長。

在線網(wǎng)中，設(shè)置多線路中心的AFC系統(tǒng)架構(gòu)如圖3所示。

圖3 設(shè)置多線路中心的AFC系統(tǒng)架構(gòu)

3.3 設(shè)置區(qū)域中心

區(qū)域中心(ZLC)是為面向軌道交通線網(wǎng)的區(qū)域化管理而提出的，旨在解決一定規(guī)模的線網(wǎng)內(nèi)相關(guān)線路獨(dú)立運(yùn)營所帶來的管理復(fù)雜、維修調(diào)配不便的問題，避免線網(wǎng)建設(shè)發(fā)展帶來的線路升級改造對運(yùn)營產(chǎn)生的影響，克服新老線路間接口不統(tǒng)一帶來的麻煩。

區(qū)域中心通過統(tǒng)一并標(biāo)準(zhǔn)化車站與中心的接口，允許不同線路和車站根據(jù)區(qū)域管理需求進(jìn)行接入，并預(yù)留一定的接入能力來滿足未來線路建設(shè)、改造的需求。在區(qū)域中心建設(shè)完成后，新建線路一般不再設(shè)置線路中心。區(qū)域中心的接入分為兩種情況：一種為線路層面的接入，屬于同一運(yùn)營商的線路接入共同的區(qū)域中心，區(qū)域中心對所屬線路車站進(jìn)行數(shù)據(jù)管理、報表統(tǒng)計及線路間的清分等，涉及數(shù)據(jù)層面的管理功能，類似于MLC;另一種為車站層面的接入，對于車站，區(qū)域中心按照區(qū)域管理的需求，通過合理整合資源，對就近接入的車站進(jìn)行應(yīng)用層面的靈活管理，如票務(wù)管理、日常運(yùn)營管理、維修管理等，而車站產(chǎn)生的各類數(shù)據(jù)需傳輸至所屬線路對應(yīng)區(qū)域中心的數(shù)據(jù)匯集節(jié)點，便于不同運(yùn)營商間的清分、ACC的對賬以及責(zé)任的追查。

區(qū)域中心的設(shè)置使得原先的運(yùn)營管理模式向區(qū)域管理模式過渡，與之相對應(yīng)，原有的清分管理、運(yùn)營管理、票務(wù)管理、收益管理、維修管理、數(shù)據(jù)管理、報表管理等的功能定義、數(shù)據(jù)格式、管理主體都需做出相應(yīng)變動，因此該演變模式還需要統(tǒng)一并標(biāo)準(zhǔn)化車站與中心的接口，同時設(shè)置數(shù)據(jù)匯集節(jié)點。值得注意的是，如果城市軌道交通線網(wǎng)在最初規(guī)劃時沒有考慮設(shè)置區(qū)域中心，在未統(tǒng)一技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)的情況下，當(dāng)后期不同線路接入?yún)^(qū)域中心時，調(diào)整難度就會較大。

在線網(wǎng)高速擴(kuò)張的形勢下，根據(jù)線網(wǎng)規(guī)劃，選擇合理的地點建設(shè)區(qū)域中心，通過實現(xiàn)接口的標(biāo)準(zhǔn)化，對就近接入的車站進(jìn)行靈活管理，可以節(jié)約日常運(yùn)管管理費(fèi)用，提高運(yùn)營效率，并保證了后續(xù)線路建設(shè)和改造的便捷、順利，降低建設(shè)成本。在線網(wǎng)中，設(shè)置區(qū)域中心的AFC系統(tǒng)架構(gòu)如圖4所示。

圖4 設(shè)置區(qū)域中心的AFC系統(tǒng)架構(gòu)

AFC系統(tǒng)標(biāo)準(zhǔn)五層架構(gòu)體系及上述幾種演變形式具有較好的伸縮性，可根據(jù)各個城市軌道交通功能需求、運(yùn)營狀況以及行政體系的不同而做相應(yīng)的組合，滿足不同城市軌道交通運(yùn)營的特殊需求。總體而言，上述的AFC系統(tǒng)架構(gòu)體系都屬于系統(tǒng)層面的變體形式。

3.4 引入業(yè)務(wù)內(nèi)置型讀寫器

城市軌道交通AFC系統(tǒng)的票務(wù)處理是一個十分復(fù)雜的過程，其中票卡(通常為IC卡)讀寫設(shè)備發(fā)揮著極其重要的作用。在采用上述各種AFC系統(tǒng)架構(gòu)體系的過程中，當(dāng)票卡處理流程需要調(diào)整時，不同類型的讀寫器產(chǎn)品提供的接口并不一樣，這給AFC系統(tǒng)升級改造帶來很大困難，使得票卡處理程序的變更升級工作量大，程序調(diào)試、測試工作繁雜。業(yè)務(wù)內(nèi)置型票卡讀寫器(功能型IC卡讀寫器)的開發(fā)與應(yīng)用，使以上問題得到了有效解決，并能夠與上述各種AFC系統(tǒng)架構(gòu)進(jìn)行組合。

業(yè)務(wù)內(nèi)置型票卡讀寫器將AFC系統(tǒng)業(yè)務(wù)規(guī)則以及票卡處理流程內(nèi)置于票卡讀寫器內(nèi)，是結(jié)合城市軌道交通AFC業(yè)務(wù)而發(fā)展起來的IC卡讀寫器。在AFC系統(tǒng)構(gòu)架體系中，設(shè)備層與票卡層之間添加了業(yè)務(wù)內(nèi)置型票卡讀寫器層，主要是為了在城市軌道交通網(wǎng)絡(luò)化運(yùn)營的過程中，兼容不同線路承包商的IC卡讀寫器產(chǎn)品，通過統(tǒng)一費(fèi)率計算、統(tǒng)一票卡處理流程、應(yīng)用軟件交互等，使運(yùn)營商在地鐵票卡更新、票卡結(jié)構(gòu)變更或系統(tǒng)軟件升級時，能夠解決接口不統(tǒng)一的問題，輕松實現(xiàn)系統(tǒng)升級與維護(hù)。實現(xiàn)上述目標(biāo)的關(guān)鍵是運(yùn)營部門能夠掌握其中的關(guān)鍵技術(shù)點，如票卡處理流程等?；跇I(yè)務(wù)內(nèi)置型票卡讀寫器的AFC系統(tǒng)架構(gòu)體系如圖5所示。

圖5 引入業(yè)務(wù)內(nèi)置讀寫器的AFC系統(tǒng)架構(gòu)

設(shè)置內(nèi)置型票卡讀寫器層的AFC系統(tǒng)架構(gòu)體系在本質(zhì)上屬于設(shè)備層面的變體形式，其特點是：實現(xiàn)全線網(wǎng)業(yè)務(wù)統(tǒng)一化、兼容化;全處理過程封裝于讀寫器內(nèi)部，保證交易數(shù)據(jù)的安全;初期建設(shè)成本略高，但后續(xù)維護(hù)與升級費(fèi)用低;技術(shù)要求相對復(fù)雜。

4 結(jié)語

隨著我國大規(guī)模地開展城市軌道交通的建設(shè)，以及城市軌道交通網(wǎng)絡(luò)化運(yùn)營時代的到來，網(wǎng)絡(luò)化運(yùn)營發(fā)展與本地化運(yùn)營特色的需求對標(biāo)準(zhǔn)五層架構(gòu)體系的AFC系統(tǒng)提出了新的要求。筆者在AFC系統(tǒng)的五層標(biāo)準(zhǔn)架構(gòu)體系的基礎(chǔ)上，分析了合并線路中心與清分中心、設(shè)置多線路中心和區(qū)域中心等標(biāo)準(zhǔn)架構(gòu)體系的演變形式、各自的功能特點及適應(yīng)場合。最后，考慮網(wǎng)絡(luò)化運(yùn)營所帶來的不同線路承包商的介入，提出了嵌入讀寫器層的AFC體系架構(gòu)。靈活的AFC體系架構(gòu)設(shè)置可以適應(yīng)不同城市軌道交通發(fā)展的需求，更好地滿足新線建設(shè)和網(wǎng)絡(luò)化運(yùn)營的要求。

［1］鄧先平，陳鳳敏.中國城市軌道交通AFC系統(tǒng)的現(xiàn)狀及發(fā)展［J］.都市快軌交通，2005，18(3)：18 －21.

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［4］范巍.清分中心系統(tǒng)的功能定位及自動售檢票系統(tǒng)標(biāo)準(zhǔn)制定［J］.城市軌道交通研究，2010，13(3)：1 －4.

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Research of Architecture on Rail Transit’s AFC System

Qiu Huarui1Zhang Ning1Xu Wen2He Tiejun1
(1.ITS Research Center of MOE，Southeast University，Nanjing 210096;2.Beijing Urban Construction Design＆Development Group Co.，Ltd.，Beijing 100037)

The basic framework and system evolution history of automatic fare collection(AFC)system in urban rail transit was discussed.Rationality of the AFC design not only affects the AFC system’s development，but also decides the AFC network’s operation.AFC system’s five layers stan dard architecture was introduced in this paper first.The factors of different operation mode，management system，new technology and the lines on rail transit were taken into account in a comprehensive way;several structures of AFC system which are based on merging ACC and Line Center，multiple Line Center，Zone Center and DeviceNet were analyzed in detail.AFC system in different cities could be designed flexibly according to their own characteristic and future planning，which lays some foundations for their rail transit’s network opera-tion and development.

rail transit;AFC;Inlaid Reader-Writer;zone centre;multiline centre

U293.22

A

1672－6073(2014)02－0086－04

10.3969/j.issn.1672 －6073.2014.02.021

2013－04－08

2013－08－14

邱華瑞，男，碩士研究生，從事軌道交通機(jī)電工程研究，qiuhuarui12@163.com

工程項目：南京地鐵建設(shè)有限責(zé)任公司項目(8550140042)

(

郭 潔)