陳青云，顧洋

(貴陽市城市軌道交通有限公司，貴陽550081)

基于集中式管理體系結(jié)構(gòu)的軌道交通自動售檢票系統(tǒng)

陳青云，顧洋

(貴陽市城市軌道交通有限公司，貴陽550081)

針對軌道交通線網(wǎng)規(guī)模的不斷擴大，傳統(tǒng)自動售檢票(AFC)系統(tǒng)存在系統(tǒng)功能重疊、數(shù)據(jù)過度冗余、資源利用率低、維護成本高、投資成本高等問題，設(shè)計一個基于集中式管理體系結(jié)構(gòu)的AFC系統(tǒng)。構(gòu)建系統(tǒng)的整體構(gòu)架、軟件構(gòu)架和物理構(gòu)架，并分析系統(tǒng)的設(shè)計原則。該系統(tǒng)能夠完成傳統(tǒng)軌道交通AFC系統(tǒng)的全部功能，并且可以減少系統(tǒng)的層級結(jié)構(gòu)、提高資源利用效率、降低投資成本，為實現(xiàn)軌道交通低碳運營、綠色運營提供支持。

軌道交通;自動售檢票系統(tǒng);結(jié)構(gòu)優(yōu)化;集中式管理

軌道交通自動售檢票系統(tǒng)(AFC)是軌道交通運營系統(tǒng)中的核心子系統(tǒng)，直接面向乘客，關(guān)系著軌道交通運營公司的票務(wù)收益。在軌道交通建設(shè)初期，由于網(wǎng)絡(luò)技術(shù)尚不成熟，網(wǎng)絡(luò)設(shè)備性能較差，傳統(tǒng)的5層票務(wù)結(jié)構(gòu)在軌道交通票務(wù)系統(tǒng)中發(fā)揮了重要作用，但隨著線網(wǎng)規(guī)模和業(yè)務(wù)的不斷擴大，各種新技術(shù)的不斷涌現(xiàn)，傳統(tǒng)的層次結(jié)構(gòu)使得建設(shè)投資成本越來越大、系統(tǒng)資源利用率越來越低、維護及管理也越來越復(fù)雜，已經(jīng)逐漸不適合現(xiàn)階段運營的需求。

目前，對于AFC系統(tǒng)的研究集中在改進系統(tǒng)通信網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)［12］、利用云技術(shù)改進系統(tǒng)構(gòu)架［34］、保護系統(tǒng)隱私等方面［5］。在改進現(xiàn)有軌道交通AFC系統(tǒng)構(gòu)架方面，南京地鐵提出了區(qū)域線路中心的方案［67］，北京地鐵［8］利用多線路共用線路中心的方案，這些方案均從減少線路中心的角度考慮，在一定程度上優(yōu)化了AFC系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)。本文從減少車站中心(SC)的角度出發(fā)，考慮數(shù)據(jù)的集中式處理，為軌道交通AFC系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)優(yōu)化提供新的思路。

1 傳統(tǒng)AFC系統(tǒng)

目前，軌道交通票務(wù)系統(tǒng)均可以分為5層構(gòu)架，如圖1所示。

圖1 傳統(tǒng)票務(wù)系統(tǒng)構(gòu)架示意Fig.1 Diagram of traditional ticketing system architecture

5層構(gòu)架從上到下依次為:AFC清分中心(ACC)、線路中心(LC)、車站中心(SC)、車站終端設(shè)備(SLE)、車票(Ticket)。最上層的ACC是整個AFC系統(tǒng)的核心，LC和SC是AFC系統(tǒng)中的核心后臺管理系統(tǒng)，分別負責(zé)對整條線路和整座車站的運營監(jiān)管。各層之間相互獨立，又逐級管理，能夠很好地完成軌道交通的票務(wù)功能需求，但也存在明顯的缺點，比如系統(tǒng)層次間功能的重疊，尤其是LC和SC之間的功能重疊較多，具體如下。

1)數(shù)據(jù)管理功能，LC和SC同樣具有數(shù)據(jù)采集、數(shù)據(jù)處理、數(shù)據(jù)保存等數(shù)據(jù)管理功能，只是管理范圍或?qū)臃讲煌?/p>

2)運行管理功能，LC和SC同樣具有設(shè)備監(jiān)控、客流監(jiān)控、模式管理等運行管理功能，只是管理范圍不同。

3)運營管理功能，LC和SC同樣具有參數(shù)下載和參數(shù)維護等運營參數(shù)管理功能，只是管理范圍不同。

4)軟件管理功能，LC和SC同樣具有軟件下載和軟件管理功能，只是管理范圍不同。

5)收益管理功能，LC和SC同樣具有收益核算等收益管理功能，只是管理范圍不同。

6)車票管理功能，LC和SC同樣具有車票調(diào)配等車票管理功能，只是管理范圍不同。

7)維修管理功能，LC和SC同樣具有設(shè)備運轉(zhuǎn)監(jiān)控、故障統(tǒng)計等維修管理功能，只是管理范圍不同。

8)報表管理功能，LC和SC同樣具有數(shù)據(jù)統(tǒng)計、報表打印等報表管理功能，只是管理范圍不同。

9)系統(tǒng)維護功能，LC和SC同樣具有網(wǎng)絡(luò)管理、數(shù)據(jù)庫管理、系統(tǒng)運行狀態(tài)監(jiān)控、病毒防護、時鐘管理、日志管理等系統(tǒng)維護功能，只是管理范圍不同。

10)數(shù)據(jù)處理功能，LC和SC都對狀態(tài)數(shù)據(jù)、參數(shù)數(shù)據(jù)、軟件數(shù)據(jù)、事件數(shù)據(jù)、交易數(shù)據(jù)、收益數(shù)據(jù)、寄存器數(shù)據(jù)、報表數(shù)據(jù)等進行處理，只是數(shù)據(jù)處理的范圍不同。

通過分析可以看出，LC與SC之間在功能上具有很大的重合度，對于重合的功能，僅限于系統(tǒng)的管理范圍以及相應(yīng)的操作權(quán)限不同，對于后臺系統(tǒng)而言，功能實現(xiàn)方式基本相同。并且，除錢、票箱操作以及車站現(xiàn)金操作外，其他功能都已經(jīng)在LC覆蓋(對于錢、票箱操作及車站現(xiàn)金操作，LC只需要獲取相應(yīng)的操作數(shù)據(jù)和收益數(shù)據(jù)，無實際的輔助操作員操作功能)。LC與SC之間處理的數(shù)據(jù)基本都是相同的，除LC需要從ACC獲取對賬文件外，其他數(shù)據(jù)都僅限于LC獲取的數(shù)據(jù)范圍比SC大。

除了上面分析的LC和SC間業(yè)務(wù)功能重疊和數(shù)據(jù)處理范圍重疊外，傳統(tǒng)層級結(jié)構(gòu)還存在數(shù)據(jù)過度冗余、系統(tǒng)過度臃腫、資源利用率低、維護難度和成本較高等一系列問題。

2 AFC系統(tǒng)集中式管理體系結(jié)構(gòu)及其優(yōu)點

2.1 集中式管理體系結(jié)構(gòu)

針對現(xiàn)有AFC系統(tǒng)存在的問題，設(shè)計AFC系統(tǒng)集中式管理體系結(jié)構(gòu)時，同一條線路的所有終端機器都連接到該線路的通信服務(wù)器群上，數(shù)據(jù)從終端機器流向集中式管理系統(tǒng)，再從集中式管理系統(tǒng)流向ACC系統(tǒng)。設(shè)備連接通信服務(wù)器時，通過負載均衡控制自動切換到不同的通信服務(wù)器終端，避免了只能連接一個節(jié)點的數(shù)據(jù)壓力，減少單點故障，在系統(tǒng)結(jié)構(gòu)上便于擴展和維護，減少了維護多套系統(tǒng)的工作量。集中式管理體系結(jié)構(gòu)示意如圖2所示。

圖2 集中式管理體系結(jié)構(gòu)示意Fig.2 Diagram of Centralized management architecture

2.2 集中式管理體系結(jié)構(gòu)的優(yōu)點

1)減少重復(fù)系統(tǒng)功能，采用集中式管理系統(tǒng)可以減少30%的系統(tǒng)重復(fù)功能。

2)減少重復(fù)數(shù)據(jù)處理，采用集中式管理系統(tǒng)可以減少11%的數(shù)據(jù)重復(fù)處理。

3)減少狀態(tài)數(shù)據(jù)過濾，傳統(tǒng)構(gòu)架系統(tǒng)中每上傳一次狀態(tài)數(shù)據(jù)，便需更新一次SC數(shù)據(jù)庫，采用集中式管理系統(tǒng)可以減少70%的狀態(tài)數(shù)據(jù)更新。

4)減少交易數(shù)據(jù)傳輸時延，傳統(tǒng)構(gòu)架系統(tǒng)中SLE的每筆交易數(shù)據(jù)傳輸?shù)絊C需要3～5 min，SC再上傳到LC需要5～10 min，采用集中式管理系統(tǒng)，SLE傳輸?shù)絃C只需要4～6 min，每筆交易數(shù)據(jù)可以減少4～9 min。

5)減少建設(shè)成本，從圖2中可以看出，采用集中式管理體系結(jié)構(gòu)可以大大減少系統(tǒng)的建設(shè)成本，以總共24座車站的一條線路為例，傳統(tǒng)5層構(gòu)架需24臺車站服務(wù)器，采用集中式管理系統(tǒng)后只需保留8臺服務(wù)器，并且可以集中放置在同一個設(shè)備房中。

3 集中式管理體系結(jié)構(gòu)AFC系統(tǒng)總體構(gòu)架

3.1系統(tǒng)總體設(shè)計

后臺系統(tǒng)根據(jù)所處的不同層次，提供不同程度的業(yè)務(wù)功能和開放接口，主要有以下4點。

1)數(shù)據(jù)交換服務(wù)器(DSS)主要作為LC與ACC的數(shù)據(jù)交換橋梁，完成LC和ACC之間的數(shù)據(jù)交換，主要作用有穩(wěn)定LC與外部節(jié)點的通信模式，由DSS實現(xiàn)不同ACC之間的通信規(guī)范要求;保護LC系統(tǒng)，屏蔽ACC系統(tǒng)的訪問影響以及鏈路故障，保證LC系統(tǒng)的穩(wěn)定。

2)所有的后臺系統(tǒng)都是基于統(tǒng)一的AFC Plat框架構(gòu)建的。在此框架基礎(chǔ)上，實現(xiàn)了多個業(yè)務(wù)模塊的封裝，同時對外提供響應(yīng)調(diào)用的接口。

3)各層系統(tǒng)都分為前臺操作管理平臺(WS)和后臺系統(tǒng)兩部分，前后臺采用C/S架構(gòu)設(shè)計。所有的后臺業(yè)務(wù)都通過WS展現(xiàn)，同時WS為操作員提供多種業(yè)務(wù)操作界面。

4)各系統(tǒng)(包括前后臺系統(tǒng))之間通過內(nèi)網(wǎng)防火墻進行網(wǎng)絡(luò)隔離，以保證各模塊的數(shù)據(jù)訪問安全性。

3.2 軟件構(gòu)架設(shè)計

3.2.1 后臺系統(tǒng)結(jié)構(gòu)

后臺系統(tǒng)的邏輯結(jié)構(gòu)如圖3所示。系統(tǒng)平臺的主要邏輯結(jié)構(gòu)可定義為以下3層。

1)資源層:該層模塊對平臺所使用的系統(tǒng)環(huán)境進行統(tǒng)一管理，并在模塊統(tǒng)一接口的實現(xiàn)基礎(chǔ)上，滿足聯(lián)機系統(tǒng)在不同資源環(huán)境下都能夠正常運轉(zhuǎn)的要求。

2)交換層:交換層即通信中間層，該層模塊可滿足聯(lián)機交易平臺的交換功能，交換層在資源管理的基礎(chǔ)上實現(xiàn)系統(tǒng)對聯(lián)機報文的轉(zhuǎn)發(fā)及外部節(jié)點的連接，同時負責(zé)報文在系統(tǒng)內(nèi)部的通信和轉(zhuǎn)接。

3)應(yīng)用層:該層模塊和系統(tǒng)的業(yè)務(wù)處理密不可分，應(yīng)用層將聯(lián)機交易處理劃分為不同的處理階段并提供相應(yīng)的控制接口，方便第三方開發(fā)使用人員能夠簡單、高效地進行業(yè)務(wù)擴展和實現(xiàn)基本業(yè)務(wù)。應(yīng)用層內(nèi)部又細分為業(yè)務(wù)邏輯實現(xiàn)層和業(yè)務(wù)入口層，其中，業(yè)務(wù)邏輯實現(xiàn)層以業(yè)務(wù)模塊為單位，借助底層的資源實現(xiàn)各模塊的業(yè)務(wù)流程;業(yè)務(wù)入口層則作為聯(lián)機交易和定時任務(wù)的入口，負責(zé)交易的調(diào)用、檢查以及相關(guān)應(yīng)用協(xié)議的定義。

圖3 集中式體系結(jié)構(gòu)后臺軟件構(gòu)架Fig.3 Background software architecture of centralized architecture

3.2.2 后臺系統(tǒng)進程

系統(tǒng)的所有聯(lián)機實時處理都是由系統(tǒng)后臺進程組協(xié)同進行的，每個進程都有各自的處理功能，同時進程之間有機結(jié)合、共同維持系統(tǒng)的有效運轉(zhuǎn)并執(zhí)行聯(lián)機處理任務(wù)。系統(tǒng)后臺處理進程的設(shè)計實現(xiàn)是整個系統(tǒng)各項設(shè)計功能實現(xiàn)的基本條件。

系統(tǒng)后臺處理進程的連接通過UNIX的IPC標(biāo)準進程通信機制實現(xiàn)，包括用于對進程狀態(tài)進行控制的軟中斷機制、進程間進行信息傳遞的消息隊列機制、子進程創(chuàng)建的數(shù)據(jù)環(huán)境復(fù)制機制、資源互斥管理的信號量機制、命名管道機制等，以上機制是標(biāo)準UNIX的成熟技術(shù)，是系統(tǒng)后臺安全、持續(xù)、高效運轉(zhuǎn)的可靠保證。系統(tǒng)的進程結(jié)構(gòu)如圖4所示。

3.3 物理構(gòu)架設(shè)計

具體系統(tǒng)部署方案如圖5所示。在LC系統(tǒng)中，所有的服務(wù)器都要有備份節(jié)點(歷史服務(wù)器可以考慮不需要備份節(jié)點)，以保證當(dāng)出現(xiàn)單點故障時，能夠盡快啟動備份服務(wù)器。

LC系統(tǒng)的業(yè)務(wù)服務(wù)器分為以下3種:

1)LC01:聯(lián)機交易服務(wù)器，該服務(wù)器負責(zé)處理所有的實時數(shù)據(jù)交互請求，DSS和SC在與LC進行通信時，都要首先與LC01建立通信連接;

2)LC02:定時任務(wù)服務(wù)器。該服務(wù)器主要負責(zé)處理LC系統(tǒng)內(nèi)部的所有定時任務(wù);

3)LC03:用于訪問歷史數(shù)據(jù)。

圖4 集中式體系結(jié)構(gòu)系統(tǒng)進程結(jié)構(gòu)Fig.4 Process structure diagram of the centralized architecture System

圖5 集中式體系結(jié)構(gòu)后臺系統(tǒng)物理構(gòu)架Fig.5 Physical architecture of the background system of the centralized architecture

LC01、LC02訪問共同的數(shù)據(jù)文件目錄。該目錄可以通過網(wǎng)絡(luò)文件系統(tǒng)(NFS)方式建立網(wǎng)絡(luò)數(shù)據(jù)共享，進而支持兩臺服務(wù)器同時對數(shù)據(jù)文件的訪問。

LC的數(shù)據(jù)庫系統(tǒng)(DB01和DB02)通過高可用性(HA)方式關(guān)聯(lián)，數(shù)據(jù)庫文件(控制文件、數(shù)據(jù)文件和日志文件)都保存在存儲設(shè)備中。DB01和DB02只負責(zé)啟動和管理數(shù)據(jù)庫系統(tǒng)。

4 系統(tǒng)設(shè)計原則

4.1 規(guī)范性原則

在系統(tǒng)設(shè)計、建設(shè)過程中，需要嚴格遵循相關(guān)的技術(shù)標(biāo)準和業(yè)務(wù)要求，具體包括:城市軌道交通業(yè)務(wù)規(guī)范、城市軌道交通技術(shù)規(guī)范、系統(tǒng)功能需求。

4.2 安全性原則

后臺系統(tǒng)需要提供多層次的安全保障機制，以保證在每個環(huán)節(jié)上的操作安全、網(wǎng)絡(luò)安全、數(shù)據(jù)安全、存儲安全及業(yè)務(wù)安全。

1)操作安全:系統(tǒng)提供多種操作權(quán)限控制，需要根據(jù)運營和管理人員不同的工作崗位，提供不同范圍的訪問和操作界面。

2)網(wǎng)絡(luò)安全:需要設(shè)定相對隔離的網(wǎng)絡(luò)區(qū)域，并根據(jù)各層系統(tǒng)的功能特點選擇性地開放主機和網(wǎng)絡(luò)訪問端口，以保證網(wǎng)絡(luò)環(huán)境的安全性并提高系統(tǒng)的抗攻擊能力。

3)數(shù)據(jù)安全:對于不同類型的數(shù)據(jù)分別采用相應(yīng)的數(shù)據(jù)加密機制，特別是涉及用戶隱私的敏感信息，需要采用多層次的、嚴格的數(shù)據(jù)訪問控制限制。

4)存儲安全:需要進行各類數(shù)據(jù)的獨

立存儲，保證本地數(shù)據(jù)冗余備份，具備異地防災(zāi)備份處理機制，保證數(shù)據(jù)的可恢復(fù)性。5)業(yè)務(wù)安全:需要設(shè)計完備的后臺業(yè)務(wù)處理機制，保證數(shù)據(jù)處理、參數(shù)軟件管理、票款結(jié)算業(yè)務(wù)等相關(guān)各類操作的安全。

4.3 可靠性原則

AFC后臺系統(tǒng)是整個系統(tǒng)的中樞系統(tǒng)，承擔(dān)重要的運營管理功能，需要從多個方面保證系統(tǒng)相關(guān)業(yè)務(wù)的穩(wěn)定性和可靠性。

1)需要具備較強的系統(tǒng)并發(fā)處理性能，能夠經(jīng)受來自外部多種類型節(jié)點的大并發(fā)量處理請求，并滿足交易處理速度要求。

2)應(yīng)具備系統(tǒng)關(guān)鍵點的備份，避免單點故障，同時具備系統(tǒng)擴展性，可以根據(jù)系統(tǒng)運行壓力情況進行動態(tài)的負載均衡處理。

3)應(yīng)具備完善的系統(tǒng)內(nèi)部－外部接口，提供較強的系統(tǒng)集成能力和擴展能力，滿足后期不斷增加的系統(tǒng)功能擴展和接口擴展的需要。

4)應(yīng)具備異常檢測機制，保證隨時跟蹤可疑、異常交易和系統(tǒng)事件，保證用戶的使用可靠性。

4.4 創(chuàng)新性原則

作為一個專業(yè)化的信息系統(tǒng)平臺，AFC后臺系統(tǒng)應(yīng)具備良好的系統(tǒng)擴展性和業(yè)務(wù)創(chuàng)新性，以滿足在軌道交通領(lǐng)域的發(fā)展需要。

1)應(yīng)用創(chuàng)新:不斷跟蹤市場發(fā)展的特點以及用戶使用操作的需要，設(shè)計便捷多樣的系統(tǒng)功能，結(jié)合專有的業(yè)務(wù)場景，形成不可替代的運營管理平臺。

2)設(shè)計創(chuàng)新:靈活的系統(tǒng)耦合度，根據(jù)系統(tǒng)性能及業(yè)務(wù)需要，提供統(tǒng)一、可視化、便捷的系統(tǒng)配置界面，以便隨時調(diào)整。

3)結(jié)構(gòu)創(chuàng)新:在系統(tǒng)架構(gòu)設(shè)計方面，支持水平擴展，輕松支持后續(xù)業(yè)務(wù)增長的需要。

5 風(fēng)險評估和控制

5.1 存在的風(fēng)險

目前AFC集中式管理系統(tǒng)并未有過實際的應(yīng)用，除了傳統(tǒng)AFC構(gòu)架存在一定的優(yōu)勢之外，集中式管理系統(tǒng)自身也存在一定的風(fēng)險，比如當(dāng)LC與車站網(wǎng)絡(luò)發(fā)生中斷或集中式管理系統(tǒng)服務(wù)器發(fā)生故障的情況下，則參數(shù)下發(fā)、報表打印、客流監(jiān)視、設(shè)備監(jiān)控等均不能使用，除此之外，系統(tǒng)其他運營條件不受影響。

5.2 風(fēng)險控制

由于AFC集中式管理系統(tǒng)LC服務(wù)器為雙機或多機熱備，多機同時發(fā)生故障的可能性極小，并且在網(wǎng)絡(luò)方面，車站與中心之間為主備雙路網(wǎng)絡(luò)，雙網(wǎng)同時發(fā)生故障的可能性也很小，即便發(fā)生也可以在1～2 h內(nèi)解決。另外，數(shù)據(jù)在本地有7天或更長時間(可設(shè)置)的備份，網(wǎng)絡(luò)或故障恢復(fù)后，即可補傳，并且可以通過U盤實現(xiàn)參數(shù)和數(shù)據(jù)的導(dǎo)入和導(dǎo)出功能。

6 結(jié)語

本文在分析現(xiàn)有AFC系統(tǒng)的基礎(chǔ)上，設(shè)計了基于集中式管理體系結(jié)構(gòu)的新型AFC系統(tǒng)，分析基于集中式管理的AFC系統(tǒng)的體系結(jié)構(gòu)、系統(tǒng)設(shè)計原則，并給出系統(tǒng)的設(shè)計方案和物理構(gòu)架。

與傳統(tǒng)AFC系統(tǒng)相比，集中式管理AFC系統(tǒng)具有以下優(yōu)點:將重疊的功能合并，減少了AFC系統(tǒng)構(gòu)架層次，由LC直接統(tǒng)一管理本線路的所有設(shè)備，提升了系統(tǒng)的控制和管理效率，同時也提高了數(shù)據(jù)傳輸及對數(shù)據(jù)分析的效率，避免了數(shù)據(jù)在多層系統(tǒng)間的傳輸;去除了“線路－車站”兩層系統(tǒng)的冗余功能，同一線路的數(shù)據(jù)都在集中式系統(tǒng)中管理，減少了交易數(shù)據(jù)、收益數(shù)據(jù)在系統(tǒng)間轉(zhuǎn)發(fā)所產(chǎn)生的傳輸時延，使得數(shù)據(jù)統(tǒng)計、設(shè)備監(jiān)視、客流監(jiān)視更加實時化;集中式管理AFC系統(tǒng)只需在每座車站維護一臺通信前置機及中心維護一組集中式應(yīng)用服務(wù)器即可，大大減少了設(shè)備管理和維護的成本。

新的AFC構(gòu)架設(shè)計通過集中式管理方式，提高對終端設(shè)備和數(shù)據(jù)的管理能力，同時提高了系統(tǒng)擴展能力，但也引入了一定的問題和風(fēng)險，如何進行風(fēng)險的評估和控制，將成為進一步的研究方向。

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(編輯:王艷菊)

Designing Automatic Fare Collection System for Rail Transit by Using the Centralized Management Architecture

CHEN Qingyun，GU Yang
(Guiyang Urban Rail Transit Co.，Ltd.，Guiyang 550081)

W ith the rapid expansion of the rail transit network，the conventional automatic fare collection system(AFC)is facing challenges，including，but not limited to，overlapped system functions，redundant data，low resource utilization rates，as well as highmaintenance and investment cost.To solve these problems，a new automatic fare collection system is designed by using the centralized management architecture.Firstly，the overall framework of the system，software architecture and physical architecture are established，and the design principles of the system are analyzed.The system can fully implement the functions of the traditional rail transit AFC system，greatly reduce the hierarchical structure of the system，increase resource utilization rates and lower the investment cost simultaneously，which is helpful to achieve low-carbon and green operation of rail transit.

rail transit;automatic fare collection system;structure optimization;centralized management

U231.8

A

1672- 6073(2017)02- 0094- 05

10.3969/j.issn.1672 6073.2017.02.019

2016- 07 01

2017 01 04

陳青云，男，工學(xué)碩士，從事軌道交通弱電系統(tǒng)工程理論和技術(shù)的研究，shamaojuan@163.com