盧利穎

（中國信息通信研究院，北京 100191）

1 概述

隨著國內(nèi)市場經(jīng)濟的發(fā)展、居民生活水平的提高，城市交通擁擠問題已成為阻礙城市發(fā)展的主要因素，而城市軌道交通的建設在一定程度上解決了這一難題。城市軌道交通主要包括地鐵和輕軌等，自動售檢票（Automatic Fare Collection，AFC）系統(tǒng)是城市軌道交通系統(tǒng)運營服務的核心子系統(tǒng)，該系統(tǒng)集計算機技術、機電一體化技術、模式識別技術等多種高新技術于一體，實現(xiàn)了城市軌道交通售票、檢票、計費、收費、統(tǒng)計、清分和管理等全過程的自動化，極大提高了軌道交通的服務水平和工作效率。

城市軌道交通AFC系統(tǒng)一般由5層架構組成，由上至下分別為清算管理中心系統(tǒng)（ACC）、線路中央計算機系統(tǒng)（LC）、車站計算機系統(tǒng)（SC）、車站終端設備（SLE）和車票。ACC系統(tǒng)一般設置在控制中心，負責軌道交通與一卡通間的清分對賬，負責軌道交通內(nèi)部各換乘線路間的清分對賬。LC系統(tǒng)一般設置在線路控制中心，負責線路內(nèi)部數(shù)據(jù)的收集與處理，制定和維護本線路系統(tǒng)參數(shù)，接收和下達清算管理中心系統(tǒng)指令。SC系統(tǒng)一般設置在車站的AFC設備室，對車站內(nèi)部所有AFC系統(tǒng)設備進行實時監(jiān)控，實現(xiàn)對車站AFC系統(tǒng)運營、票務、收益及維修的集中管理，上傳車站內(nèi)數(shù)據(jù)至LC系統(tǒng)以及下傳LC參數(shù)至終端設備。SE一般由自動售票機（TVM）、自動檢票機（AGM）等組成，可接受SC系統(tǒng)下發(fā)的系統(tǒng)運行參數(shù)、運行模式及黑名單等，向SC系統(tǒng)上傳原始交易數(shù)據(jù)和設備狀態(tài)信息。車票主要分為單程票、儲值票以及其他特殊票種。軌道交通線路AFC系統(tǒng)采用專用通信傳輸網(wǎng)實現(xiàn)ACC系統(tǒng)、LC系統(tǒng)、SC系統(tǒng)3級組網(wǎng)進行數(shù)據(jù)通信，各線路LC系統(tǒng)與ACC系統(tǒng)之間、ACC系統(tǒng)與一卡通系統(tǒng)之間采用標準開放的通信協(xié)議。

當前各城市已開通運營的軌道交通線路不斷增加，客流量及運營的負荷也在持續(xù)的增長，這使得城市軌道交通必須向著更高效、更智能的方向發(fā)展，以期給乘客帶來更舒適、便捷的體驗。

最近幾年，隨著物聯(lián)網(wǎng)技術的不斷成熟，物聯(lián)網(wǎng)業(yè)務迅猛發(fā)展，城市軌道交通物聯(lián)前景廣闊。物聯(lián)網(wǎng)技術將發(fā)揮更加完整且智能化的作用，將使城市軌道交通的應用場景更加數(shù)字化、信息化，可滿足軌道交通日益增長的應用場景使用需求[1]。

2 物聯(lián)網(wǎng)技術

自1999年提出物聯(lián)網(wǎng)概念至今，物聯(lián)網(wǎng)的發(fā)展經(jīng)歷了以下幾個概念的主要階段。階段一，M2M (Machine to Machine)概念階段的信息共享，即把所有物品通過射頻識別（Radio Frequency Identification，RFID）等信息傳感設備與互聯(lián)網(wǎng)連接起來，實現(xiàn)智能化識別和管理；階段二，M2M概念階段的萬物連接，將任何時間、任何地點的人與人之間的溝通連接，擴展到人與物、物與物之間的溝通連接；階段三，IoT (Internet of Things)概念階段的智慧應用，將物聯(lián)網(wǎng)技術應用到城市生活中的各種場景中，如智慧家居、智慧醫(yī)療、智慧物流、智慧交通等；階段四，IoE(Internet of Everything)概念階段的無限可能，這也是物聯(lián)網(wǎng)技術發(fā)展的最終愿景[2]。

物聯(lián)網(wǎng)體系的定義不一，各組織分層定義略有差異(ISO/ITU/ETSI等)[3]，從各行業(yè)的產(chǎn)業(yè)視角，物聯(lián)網(wǎng)技術的架構如圖1所示。

圖1 物聯(lián)網(wǎng)架構Fig.1 Architecture of IoT

物聯(lián)網(wǎng)架構主要包括感知層、網(wǎng)絡層和應用層。感知層由智能終端設備組成，網(wǎng)絡層又細分為接入層、匯聚層和核心交換層，應用層包括管理服務層和行業(yè)應用層。物聯(lián)網(wǎng)能夠支持更加豐富的業(yè)務種類、終端種類和服務種類[4]。

3 基于物聯(lián)網(wǎng)技術的AFC系統(tǒng)探討

3.1 感知層

基于物聯(lián)網(wǎng)技術的AFC系統(tǒng)終端設備層主要包括自動售票機TVM和自動檢票機AGM等，這些終端設備的關鍵技術包括傳感器、芯片模組和操作系統(tǒng)。

傳統(tǒng)的傳感器通過分立器件實現(xiàn)動作監(jiān)測，僅能做到察覺功能，基于物聯(lián)網(wǎng)的AFC系統(tǒng)中，車站內(nèi)的AFC終端設備通過安裝定制化的高集成、低功耗、智能化的傳感器，上層LC系統(tǒng)通過應用數(shù)據(jù)處理算法可實現(xiàn)對所轄車站內(nèi)所有TVM和AGM狀態(tài)及數(shù)據(jù)的動態(tài)監(jiān)測。

傳統(tǒng)的芯片模組主要包括分立微控制單元（Microcontroller Unit，MCU）和無線芯片，基于物聯(lián)網(wǎng)的AFC系統(tǒng)中，考慮車站空間限制對終端設備外形尺寸和數(shù)量有嚴格要求，TVM和AGM的芯片模組需要集成傳感器、MCU和無線通信模塊，以適應本系統(tǒng)高性能、低功耗、高集成和微型化的應用需求。

物聯(lián)網(wǎng)操作系統(tǒng)主要分為3類，傳統(tǒng)嵌入式操作系統(tǒng)、物聯(lián)網(wǎng)操作系統(tǒng)和桌面/手機操作系統(tǒng)，考慮AFC系統(tǒng)與其他設備專業(yè)系統(tǒng)有接口，為了滿足系統(tǒng)間交互的可靠性和互通性，基于物聯(lián)網(wǎng)的AFC系統(tǒng)推薦使用Windows/Android等操作系統(tǒng)，使得各設備專業(yè)間應用軟件架構趨于一致。

基于物聯(lián)網(wǎng)的AFC系統(tǒng)感知層如圖2所示。

圖2 基于物聯(lián)網(wǎng)的AFC系統(tǒng)感知層Fig.2 The perception layer of AFC system based on IoT

感知層能夠?qū)崿F(xiàn)對AFC系統(tǒng)自動檢票機和自動售票機的狀態(tài)監(jiān)控和數(shù)據(jù)采集，通過在設備中安裝集成傳感器、MCU、無線模塊、物聯(lián)網(wǎng)模塊套件，可以實時檢測AFC設備的運營數(shù)據(jù)及關鍵模塊的運行狀態(tài)，實現(xiàn)車站終端設備與上層系統(tǒng)間的上傳下達。

3.2 網(wǎng)絡層

基于物聯(lián)網(wǎng)的AFC系統(tǒng)的網(wǎng)絡層是實現(xiàn)ACC系統(tǒng)、LC系統(tǒng)、SC系統(tǒng)三級組網(wǎng)的關鍵，而網(wǎng)絡層的關鍵是物聯(lián)網(wǎng)接入技術。物聯(lián)網(wǎng)的網(wǎng)絡接入技術為低功耗廣域（LPWA）技術[5]，可劃分為3類：移動蜂窩技術、短距物聯(lián)接入和其他廣域技術[6]。移動蜂窩技術中，基于LTE的窄帶物聯(lián) 網(wǎng)（Narrow Band Internet of Things，NBIoT）/演進物聯(lián)網(wǎng)協(xié)議（Enhance Machine Type Communication，eMTC）是5G的 基 礎 技 術，5G的重要場景之一就是海量物聯(lián)[7-8]。短距物聯(lián)接入主要是IEEE提出的各類短距接入，2018年推出的802.11ah（Halow）為面向物聯(lián)網(wǎng)的WLAN技術標準。其他廣域技術是由各類技術聯(lián)盟提出的，主要代表有Sigfox和LoRa等[9-10]。

本文對以上幾種主要的物聯(lián)網(wǎng)低功耗廣域技術進行分析對比，如表1所示，給出更適合軌道交通AFC系統(tǒng)的物聯(lián)網(wǎng)網(wǎng)絡接入技術。

表1 LPWA技術對比Fab.1 Comparison of LPWA technologies

通過對比和分析以上4種物聯(lián)網(wǎng)接入技術，針對城市軌道交通AFC系統(tǒng)應用及系統(tǒng)設備的特點，即AFC系統(tǒng)應以可靠性、安全性、可維護性為原則保證系統(tǒng)數(shù)據(jù)的完整性、保密性、真實性，因此工作于運營商授權頻段的NB-IoT和eMTC更適用，通過調(diào)研當前國內(nèi)各廠家物聯(lián)網(wǎng)設備、終端（芯片和模組）的開發(fā)情況，主流廠家均支持NB-IoT芯片。因此，本文推薦基于LTE的NB-IoT網(wǎng)絡接入?yún)f(xié)議。

3.3 應用層—基于平臺

基于物聯(lián)網(wǎng)的AFC系統(tǒng)推薦采用基于平臺的應用開發(fā)模式，也就是將傳統(tǒng)物聯(lián)網(wǎng)架構的應用層再細分為平臺層和應用層。

平臺層的終端側(cè)面向各類不同的終端設備，屏蔽底層接入設備的差異性，為上層應用抽象出統(tǒng)一的設備接入和管理能力；平臺層的應用側(cè)面向應用服務，提供應用開發(fā)所需的PaaS（Platform as a Service）能力，加速業(yè)務應用的開發(fā)和創(chuàng)新。平臺層能夠解耦感知層和應用層，構建終端和應用之間的透明通信通道，起到承上啟下的樞紐作用。

平臺層的功能邏輯分類如圖3所示。其中，連接管理平臺提供對于物聯(lián)網(wǎng)卡的卡管理、業(yè)務計費等功能；設備管理平臺用于提供設備的接入與控制，為不同類型的設備提供統(tǒng)一的管控；應用支撐平臺是面向開發(fā)者提供應用開發(fā)所需的PaaS能力；數(shù)據(jù)分析平臺利用包括人工智能、機器學習在內(nèi)的數(shù)據(jù)分析工具，實現(xiàn)對設備行為的建模，提供數(shù)據(jù)分析服務；業(yè)務應用平臺是面向最終用戶提供的應用服務。

圖3 平臺層邏輯分類Fig.3 Logical classification of the platform layer

根據(jù)軌道交通AFC系統(tǒng)的應用需求，應用層主要劃分為設備管理、票務管理、收益清分、客流統(tǒng)計、智能維修等系統(tǒng)應用。除這些基本的應用場景外，基于物聯(lián)網(wǎng)技術的AFC系統(tǒng)可擴展出許多更智能、更高效的應用場景，例如設備數(shù)量優(yōu)化應用，通過對線路所轄車站內(nèi)AFC終端設備的實時監(jiān)控，以及對車站客流、運營數(shù)據(jù)的實時分析和提前預測，應用層下達指令至感知層各車站設備的開關模塊，可實現(xiàn)對不同時段下設備開放數(shù)量的及時優(yōu)化，從而實現(xiàn)系統(tǒng)的節(jié)能管理。

基于物聯(lián)網(wǎng)的城市軌道交通AFC系統(tǒng)的基本架構如圖4所示。

圖4 基于物聯(lián)網(wǎng)的AFC系統(tǒng)架構Fig.4 AFC system architecture based on IoT

4 結語

本文在概述物聯(lián)網(wǎng)技術的基礎上，分析并探討了基于物聯(lián)網(wǎng)的城市軌道交通自動售檢票系統(tǒng)的感知層、網(wǎng)絡層和應用層的關鍵技術。AFC系統(tǒng)的感知層終端設備需要集成傳感器、MCU和無線模塊等，網(wǎng)絡層設計應用基于LTE的NB-IoT網(wǎng)絡接入?yún)f(xié)議，平臺層主要包括連接管理、設備管理、應用支撐和數(shù)據(jù)分析等邏輯功能，應用層主要包括票務管理、收益清分、客流統(tǒng)計、設備管理、智能維修等應用場景，并給出了基于物聯(lián)網(wǎng)的AFC系統(tǒng)架構。目前，物聯(lián)網(wǎng)技術與軌道交通的融合正處于探索階段，雖然具有一些不確定性，但是不可否認的是，物聯(lián)網(wǎng)技術將為城市軌道交通帶來智能化、自動化和全過程、全系統(tǒng)的全新升級，可以幫助運營單位建立起高效且智能的管理體系，從而為乘客打造出更舒適、更便捷、更智能的出行體驗。