侯培國，馬 燦，張航飛，嚴(yán) 晨

基于RFID技術(shù)的智能軌道交通票務(wù)系統(tǒng)設(shè)計研究

侯培國，馬 燦，張航飛，嚴(yán) 晨

（燕山大學(xué)電氣工程學(xué)院，河北秦皇島 066004）

隨著城市軌道交通客流量的增加，軌道交通承載的交通壓力越來越大，如今迅猛發(fā)展的物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)可為解決軌道交通出行提供新思路，現(xiàn)提出基于射頻識別（radio frequency identification，RFID）技術(shù)的智能軌道交通票務(wù)系統(tǒng)設(shè)計研究。本系統(tǒng)主要由嵌有RFID標(biāo)簽的交通卡、進站系統(tǒng)、里程記錄系統(tǒng)和出站系統(tǒng)構(gòu)成，與數(shù)據(jù)庫大數(shù)據(jù)完美結(jié)合可以為乘客乘車提供便利，同時完善軌道交通收費的合理性。為了提高RFID閱讀器識別標(biāo)簽的效率提出一種基于動態(tài)幀時隙的防碰撞算法，通過動態(tài)調(diào)整幀長達到標(biāo)簽被快速識別的效果，來提高整個城軌交通系統(tǒng)的效率，緩解人們的出行壓力。

射頻識別；軌道交通；票務(wù)系統(tǒng)；標(biāo)簽防碰撞

1 新型軌道交通系統(tǒng)設(shè)計背景

隨著交通需求的快速增長，城市道路交通擁堵日益嚴(yán)重，為了緩解道路交通擁擠，地鐵、快軌等軌道交通成為滿足人們運輸需求的主要途徑之一。2016年末，中國大陸地區(qū)共30個城市開通城軌交通運營，共計133條線路，運營線路總長4 152.8 km，全年累計完成客運量160.9億人次，可見城軌交通在城市發(fā)展和城市交通中的作用越發(fā)顯著[1]。軌道交通的交通卡大多采用電子儲值卡和電子單次卡，目前這兩種卡均為集成電路卡，由IC芯片和感應(yīng)天線組成，完全封在PVC卡中[2]。然而，傳統(tǒng)的進出站刷卡方式存在一些缺點，例如：進出站時乘客必須手持交通卡在閘機的感應(yīng)處近距離感應(yīng)才可以進出閘門，對于行李多的乘客會極其不便；經(jīng)?？吹杰壍澜煌ㄜ囌镜氖燮笨诨驒z票設(shè)備前排起長隊；單次卡乘客必須經(jīng)歷站點信息選擇的復(fù)雜程序等，這些都給乘坐軌道交通出行的人們帶來了不便，也與軌道交通這種現(xiàn)代化出行方式不相符?，F(xiàn)提出基于RFID技術(shù)的智能軌道交通票務(wù)系統(tǒng)設(shè)計研究，以解決上述存在的諸多問題。

2 系統(tǒng)設(shè)計構(gòu)架

基于RFID技術(shù)的智能軌道交通票務(wù)系統(tǒng)是由嵌有RFID標(biāo)簽[3-4]的交通卡、進站系統(tǒng)、里程記錄系統(tǒng)和出站系統(tǒng)構(gòu)成，其中，進站系統(tǒng)由進站門禁上位機、進站門禁RFID讀寫器、進站門閘、數(shù)據(jù)庫構(gòu)成；里程記錄系統(tǒng)由軌道交通運輸車、車廂RFID讀寫器、車廂上位機和數(shù)據(jù)庫構(gòu)成；出站系統(tǒng)由出站門禁上位機、出站門禁RFID讀寫器、出站報警模塊、出站門閘、結(jié)算模塊、數(shù)據(jù)庫構(gòu)成，整個系統(tǒng)結(jié)構(gòu)如圖1所示。

圖1 系統(tǒng)結(jié)構(gòu)

其中，1為儲值卡進站口；2為單次卡進站口；3為進站門閘；4為進站門禁RFID讀寫器；5為單次卡取卡處；6為車廂RFID讀寫器；7為軌道交通運輸車；8為出站門禁RFID讀寫器；9為出站報警模塊；10為出站門閘。

2.1 設(shè)計原則

本軌道交通票務(wù)系統(tǒng)設(shè)計目標(biāo)是為乘客出行提供一個更加方便快捷，安全可靠的軌道交通系統(tǒng)[5-6]，與傳統(tǒng)票務(wù)系統(tǒng)相比，將RFID技術(shù)充分應(yīng)用于城軌交通會帶來很多優(yōu)勢：

1）乘客進出站時無需手持交通卡，只需將交通卡隨身攜帶就能被快速識別，方便乘客乘車；

2）乘客每到一個站點，車廂內(nèi)部的RFID讀寫器都會給內(nèi)嵌RFID標(biāo)簽的交通卡寫入本站點信息，方便繳費時實際里程的計算；

3）使臨時乘客解決了進行乘車站點信息選擇的困難，從而節(jié)省了大量時間，同時增加了真實里程記錄系統(tǒng)，把常用的入口繳費轉(zhuǎn)為出口繳費，使乘客乘車更加方便快捷；

4）嚴(yán)格的門禁系統(tǒng)，有效避免乘客逃票出站，使軌道交通的管理系統(tǒng)更加完善；

5）可以實時獲取到每個站點的準(zhǔn)確客流量信息，為軌道交通管理部門提供大數(shù)據(jù)支持，有效引流，緩解交通壓力等。

2.2 交通卡設(shè)計

該系統(tǒng)中的所有交通卡均內(nèi)嵌RFID標(biāo)簽，標(biāo)簽上的信息由對應(yīng)的讀寫器讀取或?qū)懭隱7]。

2.3 進站系統(tǒng)設(shè)計

進站系統(tǒng)由進站門禁上位機、進站門禁RFID讀寫器、進站門閘、數(shù)據(jù)庫構(gòu)成；內(nèi)嵌RFID標(biāo)簽的交通卡與進站門禁RFID讀寫器無線連接，進站門禁RFID讀寫器的輸出端與進站門禁上位機連接，進站門禁上位機的輸出端分別與數(shù)據(jù)庫、進站門閘通過數(shù)據(jù)線連接，電池模塊與進站門禁上位機連接為進站系統(tǒng)提供電能；進站門禁RFID讀寫器對內(nèi)嵌RFID標(biāo)簽的交通卡寫入出發(fā)站信息[8]，并通過進站門禁上位機將寫有進站信息的交通卡數(shù)據(jù)傳輸至數(shù)據(jù)庫。進站系統(tǒng)結(jié)構(gòu)如圖2所示。

圖2 進站系統(tǒng)結(jié)構(gòu)

2.4 里程記錄系統(tǒng)設(shè)計

里程記錄系統(tǒng)由軌道交通運輸車、車廂RFID讀寫器、車廂上位機和數(shù)據(jù)庫構(gòu)成；在每節(jié)車廂中均安裝車廂RFID讀寫器，內(nèi)嵌RFID標(biāo)簽的交通卡與車廂RFID讀寫器無線連接，車廂RFID讀寫器的輸出端與車廂上位機相連，車廂上位機與數(shù)據(jù)庫相連，電池模塊與車廂上位機連接為里程記錄系統(tǒng)提供電能；車廂RFID讀寫器對內(nèi)嵌RFID標(biāo)簽的交通卡寫入站點信息，并通過車廂上位機將寫入站點信息的交通卡數(shù)據(jù)傳輸至數(shù)據(jù)庫中。里程記錄系統(tǒng)結(jié)構(gòu)如圖3所示。

圖3 里程記錄系統(tǒng)結(jié)構(gòu)

2.5 出站系統(tǒng)設(shè)計

出站系統(tǒng)由出站門禁上位機、出站門禁RFID讀寫器、出站報警模塊、出站門閘、結(jié)算模塊、數(shù)據(jù)庫構(gòu)成；內(nèi)嵌RFID標(biāo)簽的交通卡與出站門禁RFID讀寫器無線連接，出站門禁RFID讀寫器的輸出端與出站門禁上位機連接，出站門禁上位機的輸出端分別與出站門閘和出站報警模塊通過數(shù)據(jù)線連接，出站門禁上位機與數(shù)據(jù)庫、結(jié)算模塊互通連接，電池模塊與出站門禁上位機連接為出站系統(tǒng)提供電能；出站門禁RFID讀寫器讀取內(nèi)嵌RFID標(biāo)簽的交通卡的信息，并通過出站門禁上位機獲取數(shù)據(jù)庫中關(guān)于該張交通卡的數(shù)據(jù)，出站門禁RFID讀寫器結(jié)合數(shù)據(jù)庫中的信息通過出站門禁上位機和結(jié)算模塊對出站門閘或出站報警模塊進行控制。出站系統(tǒng)結(jié)構(gòu)如圖4所示。

圖4 出站系統(tǒng)結(jié)構(gòu)

2.6 系統(tǒng)工作流程

整個系統(tǒng)工作流程如圖5所示，其中交通卡分為電子儲值卡和電子單次卡。

圖5 系統(tǒng)流程

1）乘客使用電子儲值卡時，乘客攜帶嵌有RFID標(biāo)簽的電子儲值卡進入進站系統(tǒng)中儲值卡進站口的進站門閘口處，進站門禁RFID讀寫器對該乘客的電子儲值卡寫入進站信息，同時打開進站門閘，乘客進站上車。上車后，每當(dāng)?shù)竭_一個站點，車廂RFID讀寫器均會發(fā)射一定頻率的射頻信號，該乘客的電子儲值卡上的RFID標(biāo)簽產(chǎn)生感應(yīng)電流，獲得能量被激活，之后車廂RFID讀寫器將本站點信息寫入該乘客帶有RFID標(biāo)簽的電子儲值卡中，同時更改數(shù)據(jù)庫中的數(shù)據(jù)信息并保存。下車出站時，乘客可直接進入出站系統(tǒng)中出站門閘的閘口處，出站門禁RFID讀寫器讀取該乘客電子儲值卡的信息，結(jié)合車廂上位機傳給數(shù)據(jù)庫的關(guān)于該卡的里程信息，利用出站門禁上位機和結(jié)算模塊對該電子儲值卡進行自動扣費，扣費后卡內(nèi)的RFID標(biāo)簽自行滅活，出站門禁上位機打開出站門閘，乘客出站。如果出站門禁RFID讀寫器讀取到該卡余額不足以扣除本次費用時，出站門閘保持關(guān)閉狀態(tài)，并控制報警模塊報警，以便讓乘客迅速回到車站充值處充值成功后再繳費出站。

2）乘客使用電子單次卡時，乘客進入進站系統(tǒng)中的單次卡進站口領(lǐng)取單次卡后到達進站門閘閘口處，進站門禁RFID讀寫器對該乘客的單次卡寫入進站信息，同時打開進站門閘，乘客進站上車。上車后，每當(dāng)?shù)竭_一個站點，車廂RFID讀寫器均會發(fā)射一定頻率的射頻信號，該乘客的單次卡上的RFID標(biāo)簽產(chǎn)生感應(yīng)電流，獲得能量被激活，之后車廂RFID讀寫器將本站點信息寫入該乘客帶有RFID標(biāo)簽的單次卡中，同時更改數(shù)據(jù)進行繳費，繳費后，乘客可直接進入出站系統(tǒng)中出站門閘的閘口處，將單次卡插庫中的數(shù)據(jù)信息并保存。乘客下車出站時，乘客要先進入單次卡的繳費區(qū)按照實際里程進入出站門閘的檢測區(qū)域，當(dāng)出站門閘處的出站門禁RFID讀寫器讀取到嵌入已支付成功的RFID標(biāo)簽的單次卡時，門禁上位機控制出站門閘打開，并清空該單次卡中的所有里程信息，且出站同時對單次卡進行回收。如果出站門禁RFID讀寫器讀取到未繳費的單次卡時，門禁上位機控制出站門閘保持關(guān)閉狀態(tài)，并控制報警模塊報警提醒乘客繳費成功后再出站。

將RFID技術(shù)應(yīng)用到軌道交通票務(wù)系統(tǒng)中，在大客流情況下傳統(tǒng)進出站時難免會遇到閱讀器讀取人卡不對應(yīng)的情況，造成秩序混亂，但本系統(tǒng)針對此問題對閱讀器讀取準(zhǔn)標(biāo)簽進行了優(yōu)化，閱讀器會通過自動調(diào)整信號的發(fā)射功率來改變閱讀器的通信范圍，更精準(zhǔn)地捕獲準(zhǔn)標(biāo)簽，從而提高準(zhǔn)標(biāo)簽的識別效率，有效避免上述情況的發(fā)生。

3 系統(tǒng)設(shè)計優(yōu)勢

相對于傳統(tǒng)系統(tǒng)，本系統(tǒng)旨在將RFID技術(shù)應(yīng)用到軌道交通的票務(wù)系統(tǒng)中，來提高乘客乘車的便利性及繳費的合理性，也為物聯(lián)網(wǎng)的發(fā)展提供大數(shù)據(jù)支持。

1）對于單次卡乘客，傳統(tǒng)系統(tǒng)中乘客進站前均是先進行站點信息的選擇，必須確定好自己的出站點，繳納相應(yīng)的費用后才可以刷卡進站，而此行為有可能會對乘客的旅程造成不便，比如，乘客進站后有可能會改變自己的路線，不在自己最初選擇的出站點出站，這樣乘客起初繳費買的單次卡中的金額就有可能不夠自己出站金額的要求，此時乘客還需自行補票再出站，造成了時間延誤和一些不必要的麻煩；另一種可能是出站時起初繳費買的單次卡中的金額還會有剩余，這時也有可能造成乘客的財產(chǎn)損失。本系統(tǒng)為了避免上述現(xiàn)象的發(fā)生，利用RFID相關(guān)技術(shù)把軌道交通票務(wù)系統(tǒng)做了一些改進，即將本系統(tǒng)中的單次卡進站口、里程記錄系統(tǒng)、單次卡繳費出口、數(shù)據(jù)庫等完美結(jié)合有效解決上述弊端：此系統(tǒng)把單次卡乘客的入口繳費改為了出口繳費，無儲值卡的臨時乘客只需在單次卡進站口處取卡并進站，此處會省去進出站信息的選擇和入口繳費環(huán)節(jié)，攜嵌有RFID標(biāo)簽的單次卡進入后，每到達一站點，里程記錄系統(tǒng)中的車廂RFID讀寫器均會對單次卡寫入到達站點信息，出站時根據(jù)乘客所經(jīng)過的所有站點計算出實際里程進行收費，繳費成功的單次卡被滅活，通過出站門禁收卡并出站，此過程中單次卡乘客無需擔(dān)心中途自己改變目的地所帶來的困擾，同時也會節(jié)省乘客的旅途時間。

2）解決交通系統(tǒng)存在的部分漏洞。目前軌道交通系統(tǒng)中的AFC里程記錄系統(tǒng)僅僅利用起點到終點的距離來計算乘客乘車的費用，忽略了中間換乘的一些信息，這樣的收費制度致使某些乘客產(chǎn)生了一些不道德的小心思，例如：一乘客從A站出發(fā)送朋友到D站，途徑B、C兩站點，規(guī)定從A站到達D站按現(xiàn)有里程系統(tǒng)收費是5元，推算出A-D、出站、進站、D-A整個來回自己要花費10元，但該乘客為了節(jié)省一些費用，將朋友送到D站后，自己并不出站，而是按原路返回A站再出站，此時按目前軌道交通里程記錄系統(tǒng)的計費規(guī)則只是記錄到了該乘客從A站口進站，再從A站口出站（但該乘客實際路程是A-B-C-D-C-B-A），此過程只需按最低票價收費3元，因此按此情況，目前收費系統(tǒng)并不完全合理，存在一些漏洞。對于本設(shè)計系統(tǒng)提到的真實里程記錄系統(tǒng)，可檢測到上述乘客中途所到達的每個站點A-B-C-D-C-B-A，通過途徑的真實路程進行計費，這樣可以有效解決上述情景下的漏洞，使得軌道交通系統(tǒng)的收費更加合理化。

3）如今已進入物聯(lián)網(wǎng)、大數(shù)據(jù)時代，本設(shè)計由于增加了里程記錄系統(tǒng)，相關(guān)部門可以實時獲取每個站點的準(zhǔn)確客流量信息，即可獲取大數(shù)據(jù)支持，有效引流，緩解交通壓力。

4 標(biāo)簽防碰撞算法

防碰撞是RFID系統(tǒng)研究的最為重要的問題之一。在RFID應(yīng)用中如果一個有效識別區(qū)域內(nèi)出現(xiàn)多個閱讀器或多個RFID標(biāo)簽就會出現(xiàn)相互干擾的問題，這就是RFID系統(tǒng)碰撞，后果導(dǎo)致讀寫器不能正常識別每個標(biāo)簽的信息，最終降低讀寫器的識別效率和識別速度[9]。因此，為了保證每個乘客嵌有RFID標(biāo)簽的交通卡均能夠被有效識別，系統(tǒng)必須采用一定的策略。通常將當(dāng)前解決多個標(biāo)簽碰撞的方法分為空分多路法、時分多路法、頻分多路和碼分多路法。其中時分多路法（time division multiple access，TDMA）由于其自身應(yīng)用簡單等特點是實現(xiàn)RFID系統(tǒng)的防碰撞機制最普遍的方法，它是按時間對通信帶寬進行分配的一種通信技術(shù)[10，11]。TDMA中，常用的多標(biāo)簽防碰撞算法分為兩種，一種是基于二進制樹的確定型算法，另一種是基于Aloha的統(tǒng)計型算法，由于后者實現(xiàn)相對簡單，沒有復(fù)雜的內(nèi)部電路，所以本交通票務(wù)系統(tǒng)采用基于Aloha的標(biāo)簽防碰撞算法[12]。

基于Aloha的標(biāo)簽防碰撞算法主要包括：純Aloha算法，時隙Aloha算法，幀時隙Aloha算法，動態(tài)幀時隙Aloha算法[13-15]。

4.1 純ALOHA算法

純Aloha算法原理最簡單，也最容易實現(xiàn)，其實現(xiàn)過程如下：當(dāng)標(biāo)簽進入讀寫器識別范圍內(nèi)，它主動將自身信息發(fā)送給讀寫器。在此過程中，若有其他標(biāo)簽也在與讀寫器通信，則會導(dǎo)致碰撞問題。如果讀寫器判斷通信過程中有碰撞的情況，則中斷與標(biāo)簽的通信過程，標(biāo)簽等待隨機長的一段時間后再與讀寫器通信。設(shè)標(biāo)簽一個數(shù)據(jù)幀的傳輸時間為，某標(biāo)簽數(shù)據(jù)傳輸開始于0時刻，則進行一次完整的傳輸過程要求在（0–）—（0+）的時間范圍內(nèi)沒有碰撞，整個傳輸過程需要該標(biāo)簽單獨占有信道至少兩個數(shù)據(jù)幀的時長，即至少為2。正是因為該算法碰撞周期為2，時間較長，所以其識別效率較低。

4.2 時隙ALOHA算法

時隙Aloha算法將信道分為若干等長的時隙，標(biāo)簽只能在時隙的分界處響應(yīng)，這樣即使發(fā)生碰撞也只能是完整碰撞，這樣標(biāo)簽單獨占有信道僅為，則吞吐率會比純Aloha提升，兩種算法每幀吞吐量對比圖如圖6所示。

可見其時隙Aloha算法的吞吐量約為純Aloha算法的2倍。

圖6 純Aloha和時隙Aloha算法吞吐量對比

4.3 幀時隙ALOHA算法

幀時隙Aloha算法是將幀引入進來，一個幀包含固定數(shù)目個時隙，標(biāo)簽在一幀內(nèi)只能隨機選擇一個時隙發(fā)送信息，這樣可以避免碰撞標(biāo)簽反復(fù)發(fā)送數(shù)據(jù)，從而提高系統(tǒng)效率。然而，幀長固定導(dǎo)致了如果每幀待識別標(biāo)簽數(shù)目明顯多于或者明顯小于幀長的時候，相應(yīng)的碰撞時隙或者空閑時隙明顯增加，系統(tǒng)吞吐率顯著下降，如圖7所示。

圖7 不同幀長下幀時隙Aloha算法仿真

從圖中可以看出，當(dāng)幀的長度等于標(biāo)簽數(shù)目時，系統(tǒng)的吞吐率最大。

4.4 動態(tài)幀時隙ALOHA算法

動態(tài)幀時隙Aloha算法是在通信時根據(jù)前一幀的讀取情況來動態(tài)改變下一幀的時隙個數(shù)，從而使系統(tǒng)吞吐率一直保持在較高的范圍。同等條件下，將幀時隙Aloha算法和動態(tài)幀時隙Aloha算法的識別過程的總時隙數(shù)和總吞吐率對比如圖8，圖9所示。其中，總時隙是決定系統(tǒng)效率的一個關(guān)鍵因素，完成所有標(biāo)簽識別時的總時隙數(shù)越少，系統(tǒng)性能越好。

圖8 幀時隙Aloha和動態(tài)幀時隙Aloha算法消耗總時隙對比

圖9 幀時隙Aloha和動態(tài)幀時隙Aloha算法總吞吐率對比

由圖8可知，在相同標(biāo)簽數(shù)目的情況下，動態(tài)幀時隙Aloha算法較之前算法所需時隙數(shù)大幅減??；圖9則體現(xiàn)出此算法吞吐率相對于傳統(tǒng)Aloha算法提高1倍并隨著標(biāo)簽數(shù)目的增加吞吐率可保持穩(wěn)定。對于標(biāo)簽識別效率，應(yīng)用傳統(tǒng)防碰撞算法不僅吞吐率低，而且識別標(biāo)簽時間，長速度慢，大大降低了系統(tǒng)的性能。所以本系統(tǒng)采用動態(tài)幀時隙Aloha算法解決標(biāo)簽之間的防碰撞問題，提高標(biāo)簽的識別效率，使整個智能軌道交通系統(tǒng)的門禁以及票務(wù)系統(tǒng)工作更加高效合理。

5 總結(jié)

本系統(tǒng)將RFID技術(shù)應(yīng)用到軌道交通票務(wù)系統(tǒng)中，將進站系統(tǒng)、里程記錄系統(tǒng)、出站系統(tǒng)及其數(shù)據(jù)庫大數(shù)據(jù)完美結(jié)合，能夠達到按乘客經(jīng)過所有站點的真實里程進行收費，更加完善軌道交通收費的合理性；將單次卡乘客的入口繳費改為出口繳費，省去站點信息選擇環(huán)節(jié)，既為乘客提供了便利，又節(jié)省其旅途時間；由于乘客較多難免會遇到標(biāo)簽碰撞問題，經(jīng)過對4種基本標(biāo)簽防碰撞算法的對比研究，本系統(tǒng)采用動態(tài)幀時隙Aloha算法解決相關(guān)問題，使整個軌道交通系統(tǒng)更具實用價值。

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（編輯：郝京紅）

Design and Investigation of Intelligent Rail Transit Ticketing System Based on RFID Technology

HOU Peiguo, MA Can, ZHANG Hangfei, YAN Chen

(Institute of Electrical Engineering, Yanshan University, Qinhuangdao, Hebei 066004)

Currently, traffic pressure is increasing due to the increase of urban rail transit passenger volume. The rapid development of the Internet of Things technology can provide a new method of solving the problem of rail transit. This paper proposes the design of an intelligent rail transit ticketing system based on the RFID technology. This system is mainly composed of labels embedded with Radio Frequency Identification (RFID), an entry system, a mileage recording system, and an outbound system, which can provide convenience for passengers and improve the rationality of charge. In addition, this paper presents an anti-collision algorithm based on a dynamic frame slot to improve the efficiency of tag identification. A tag can be identified effectively by dynamically adjusting frame length to improve the efficiency of the entire rail system and alleviate traffic pressure.

RFID; urban railway system; ticketing system; anti-collision algorithm

10.3969/j.issn.1672-6073.2018.05.014

TN791

A

1672-6073(2018)05-0069-07

2017-09-10

2017-11-06

侯培國，男，教授，博士生導(dǎo)師，主要從事物聯(lián)網(wǎng)在智能交通、立體倉儲的應(yīng)用，pghou@ysu.edu.cn

國家自然科學(xué)基金資助項目（61601400）