倉青懷 國電南瑞科技股份有限公司 210061)

軌道交通AFC系統(tǒng)數(shù)據(jù)處理過程分析

倉青懷 國電南瑞科技股份有限公司 210061)

闡述確保軌道交通AFC系統(tǒng)數(shù)據(jù)收集和數(shù)據(jù)處理的安全、完整、準(zhǔn)確的重要性。詳細(xì)論述數(shù)據(jù)采集的數(shù)據(jù)類型和數(shù)據(jù)傳輸?shù)姆绞?，提出?yàn)證數(shù)據(jù)完整性及合法性的方法，針對(duì)數(shù)據(jù)的異常、遺漏、重復(fù)、延遲及偽造提出解決方案，對(duì)票卡交易序號(hào)、設(shè)備交易序號(hào)、設(shè)備交易累計(jì)、卡余額方案的原理及其可能出現(xiàn)的不連續(xù)原因進(jìn)行解析。

1 概述

軌道交通AFC系統(tǒng)采用三級(jí)組網(wǎng)、六層架構(gòu)，包含自動(dòng)售檢票清算管理中心系統(tǒng)(ACCS -Automatic Fare Collection Clearing Management Center System)、線路中央計(jì)算機(jī)管理中心(LC- Line Computer Management Center)、車站計(jì)算機(jī)管理系統(tǒng)(SC- Station Computer Management Center)、車站終端設(shè)備、車票讀寫器和票卡。從信息技術(shù)層面看，AFC系統(tǒng)也是一個(gè)數(shù)據(jù)處理系統(tǒng)，其數(shù)據(jù)流具有如圖1所示特點(diǎn)。

系統(tǒng)設(shè)備通過網(wǎng)絡(luò)將有關(guān)數(shù)據(jù)上傳到SC和LC，同時(shí)接受SC和LC的指令、系統(tǒng)參數(shù)及軟件更新等下傳數(shù)據(jù)。SC和LC對(duì)所收集的數(shù)據(jù)按類型及用途進(jìn)行實(shí)時(shí)或批量地處理，以滿足系統(tǒng)監(jiān)控、運(yùn)營管理及決策分析的需求，所以確保數(shù)據(jù)采集和處理過程的安全、完整、準(zhǔn)確尤為重要。

2 數(shù)據(jù)收集

2.1 數(shù)據(jù)類型

SC和LC所收集的數(shù)據(jù)主要包括設(shè)備狀態(tài)數(shù)據(jù)、設(shè)備寄存器數(shù)據(jù)、設(shè)備交易數(shù)據(jù)、收益及設(shè)備維護(hù)數(shù)據(jù)等。

2.1.1 設(shè)備狀態(tài)數(shù)據(jù)

包括設(shè)備運(yùn)行產(chǎn)生的所有運(yùn)作模式、操作模式、各部件狀態(tài)、報(bào)警及故障等數(shù)據(jù)。數(shù)據(jù)在設(shè)備狀態(tài)變化時(shí)上傳，及按照系統(tǒng)參數(shù)設(shè)置的查詢頻率或即時(shí)查詢?cè)O(shè)備的狀態(tài)數(shù)據(jù)。

2.1.2 設(shè)備寄存器數(shù)據(jù)

包括設(shè)備中不同票種在不同類型交易的金額及次數(shù)、現(xiàn)金模塊處理現(xiàn)金的金額及次數(shù)、車票模塊處理車票的張數(shù)、各種系統(tǒng)收益及維修統(tǒng)計(jì)等數(shù)據(jù)。數(shù)據(jù)按照系統(tǒng)參數(shù)設(shè)置的查詢頻率自動(dòng)進(jìn)行查詢，其頻率最高為1分鐘。同時(shí)，設(shè)備車票及收益處理監(jiān)控狀態(tài)變化時(shí)自動(dòng)上傳寄存器數(shù)據(jù)，例如設(shè)備登錄、注銷、錢箱及票箱更換等。

2.1.3 設(shè)備交易數(shù)據(jù)

包括各種車站設(shè)備對(duì)各種車票的賦值、發(fā)售、充值、扣值、進(jìn)出站、更新、替換、退款等各種交易類型的數(shù)據(jù)。

2.1.4 車站收益管理及設(shè)備維護(hù)管理數(shù)據(jù)

包括設(shè)備班次審核、錢箱及票箱審核、車站收益核算、收益平衡及收益統(tǒng)計(jì)、設(shè)備維修管理日志及維修統(tǒng)計(jì)等數(shù)據(jù)。

2.2 數(shù)據(jù)傳輸方式

2.2.1 在線數(shù)據(jù)傳輸

LC在線采集系統(tǒng)設(shè)備所上傳的數(shù)據(jù)，車站設(shè)備通過SC上傳數(shù)據(jù)。在SC通信故障情況下，LC通過車站網(wǎng)絡(luò)直接采集車站設(shè)備的數(shù)據(jù)。

數(shù)據(jù)接收方在進(jìn)行數(shù)據(jù)接收時(shí)，在確認(rèn)成功接收前確保對(duì)數(shù)據(jù)已經(jīng)成功保存，不會(huì)發(fā)生已確認(rèn)成功接收，但又未成功保存，而導(dǎo)致數(shù)據(jù)丟失的現(xiàn)象。

如圖2所示，數(shù)據(jù)接收方通過返回應(yīng)答給數(shù)據(jù)發(fā)送方，來確認(rèn)其已經(jīng)收到數(shù)據(jù)。數(shù)據(jù)發(fā)送方在收到應(yīng)答后，停止對(duì)該數(shù)據(jù)的重發(fā)。若在規(guī)定的重發(fā)時(shí)間內(nèi)沒有收到應(yīng)答，將再次發(fā)送該數(shù)據(jù)。

2.2.2 離線數(shù)據(jù)傳輸

系統(tǒng)設(shè)備在與SC或LC通信中斷的情況下，工作在離線運(yùn)行模式下。在該運(yùn)行模式下，設(shè)備依據(jù)本地保存的系統(tǒng)參數(shù)運(yùn)行，設(shè)備產(chǎn)生的交易數(shù)據(jù)將保存在本地的存儲(chǔ)介質(zhì)上。當(dāng)交易數(shù)據(jù)累積到無法再保存時(shí)，將自動(dòng)轉(zhuǎn)為暫停服務(wù)模式，從而停止對(duì)外服務(wù)，不再產(chǎn)生新的交易數(shù)據(jù)，或刪除最不重要或最舊的數(shù)據(jù)。

此時(shí)，LC和SC通過備份介質(zhì)（如移動(dòng)硬盤）離線采集數(shù)據(jù)。先從數(shù)據(jù)來源節(jié)點(diǎn)將要傳輸?shù)臄?shù)據(jù)導(dǎo)出到備份介質(zhì)上，再通過數(shù)據(jù)接收節(jié)點(diǎn)提供的本地?cái)?shù)據(jù)傳輸接口，將需上傳的數(shù)據(jù)導(dǎo)入到數(shù)據(jù)接收節(jié)點(diǎn)。數(shù)據(jù)接收節(jié)點(diǎn)在導(dǎo)入數(shù)據(jù)時(shí)將對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行檢查，剔除重復(fù)數(shù)據(jù)。

2.2.3 在線數(shù)據(jù)恢復(fù)

當(dāng)SC和LC通信中斷時(shí)， SC工作在“孤島”運(yùn)行模式下，將繼續(xù)自動(dòng)采集并保存數(shù)據(jù)。當(dāng)通信恢復(fù)后會(huì)將所有數(shù)據(jù)自動(dòng)上傳至LC。LC對(duì)所有上傳的數(shù)據(jù)進(jìn)行重復(fù)性檢查，剔除重復(fù)記錄，保證數(shù)據(jù)不重復(fù)。

另一種在線數(shù)據(jù)恢復(fù)功能是數(shù)據(jù)接收方主動(dòng)索取數(shù)據(jù)。例如：LC能夠從SC得到數(shù)據(jù)保存期內(nèi)所需的數(shù)據(jù)。若LC發(fā)現(xiàn)數(shù)據(jù)缺失，可通過向SC主動(dòng)索取數(shù)據(jù)的方式，促使SC再次發(fā)送其保存的數(shù)據(jù)。

LC在進(jìn)行數(shù)據(jù)采集時(shí)，將檢查收到的數(shù)據(jù)是否是重復(fù)的數(shù)據(jù)，通過在數(shù)據(jù)庫表設(shè)置唯一主鍵的方式實(shí)現(xiàn)的。若數(shù)據(jù)重復(fù)，會(huì)發(fā)生因主鍵沖突插不進(jìn)庫的情況，可有效剔除被重復(fù)發(fā)送的數(shù)據(jù)。

3 數(shù)據(jù)處理

系統(tǒng)對(duì)所收集的數(shù)據(jù)按類型及用途進(jìn)行實(shí)時(shí)或批量地處理，以滿足運(yùn)行、票務(wù)、財(cái)務(wù)、維修的需求。

為確保數(shù)據(jù)完整、準(zhǔn)確、快速處理，至少對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行以下的處理：

1）驗(yàn)證數(shù)據(jù)的完整性及合法性；

2）檢查數(shù)據(jù)的連續(xù)性；

3）保存數(shù)據(jù)，添加/更新相關(guān)的系統(tǒng)數(shù)據(jù)庫。

3.1 驗(yàn)證數(shù)據(jù)的完整性及合法性

在傳輸數(shù)據(jù)時(shí)，對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行加密，以確保數(shù)據(jù)傳送過程的安全，并采用MAC驗(yàn)證確保數(shù)據(jù)傳送的完整性，采用TAC驗(yàn)證確保數(shù)據(jù)的合法性。

3.1.1 MAC驗(yàn)證

報(bào)文來源正確性鑒別（MAC-Message Authentication Code）是一種判別報(bào)文來源是否正確，以及報(bào)文在發(fā)送途中是否被篡改的算法。發(fā)送方按規(guī)定的加密算法產(chǎn)生MAC，隨消息一起發(fā)往接收方；接收方在收到消息后，按相同的算法鑒別消息來源正確性。當(dāng)且僅當(dāng)鑒別結(jié)果正常時(shí)，才進(jìn)行消息的業(yè)務(wù)處理。

3.1.2 TAC驗(yàn)證

交易合法性驗(yàn)證（TAC-Transaction Authentication Code）是一種類似于MAC驗(yàn)證的判別報(bào)文完整性的算法。與MAC驗(yàn)證的主要區(qū)別是：MAC驗(yàn)證側(cè)重于通信層的報(bào)文傳輸完整性驗(yàn)證，而TAC驗(yàn)證則側(cè)重于應(yīng)用層的交易合法性驗(yàn)證，防止交易信息被偽造和篡改。交易記錄生成方按規(guī)定的加密算法產(chǎn)生TAC，隨交易記錄一起發(fā)送出去；在一些中間節(jié)點(diǎn)的轉(zhuǎn)發(fā)過程中，TAC保持不變。最終的交易接收方在收到消息后，按相同的算法鑒別交易信息的合法性。當(dāng)且僅當(dāng)鑒別結(jié)果正常時(shí)，才認(rèn)為此交易記錄是合法的，繼而進(jìn)行交易的業(yè)務(wù)處理。如果交易未通過TAC驗(yàn)證，則被列為可疑交易，不參與正常的清算過程。

3.2 檢查數(shù)據(jù)的連續(xù)性

系統(tǒng)檢查各類數(shù)據(jù)的連續(xù)性，以防止數(shù)據(jù)的異常、遺漏、重復(fù)、延遲及偽造。對(duì)于累計(jì)性數(shù)據(jù)在發(fā)生前后數(shù)據(jù)異常情況時(shí)，如數(shù)值突變、回零等，則能及時(shí)處理；對(duì)于遺漏的數(shù)據(jù)，系統(tǒng)向設(shè)備查詢；對(duì)于延遲數(shù)據(jù)則即時(shí)進(jìn)行數(shù)據(jù)統(tǒng)計(jì)及計(jì)算更新；對(duì)于重復(fù)及偽造數(shù)據(jù)則即時(shí)排除。其連續(xù)性的跟蹤方式如檢查票卡交易序號(hào)、設(shè)備交易序號(hào)、設(shè)備交易累計(jì)、卡余額等。

3.2.1 票卡交易序號(hào)

票卡在從廠商購買回來后，首先必須經(jīng)過系統(tǒng)初始化后，才能使用。在初始化過程中，將對(duì)票卡內(nèi)存儲(chǔ)區(qū)進(jìn)行編碼，編碼過程中很重要的一步就是在票卡存儲(chǔ)空間中建立票卡錢包，而票卡交易序號(hào)與票卡錢包的操作是密切相關(guān)的。

初始化完成后，票卡交易序號(hào)被賦為0值，在票卡投入運(yùn)營后，發(fā)生對(duì)票卡錢包操作時(shí)，設(shè)備將讀取此票卡交易序號(hào)的當(dāng)前值，在對(duì)其值加一后寫入票卡中。票卡交易序號(hào)在票卡的生命周期內(nèi)，始終為連續(xù)增長的。票卡交易序號(hào)滿足以下公式：

交易后票卡交易序號(hào) = 交易前票卡交易序號(hào) + 1

如圖3所示，票卡在進(jìn)行出售、消費(fèi)、充值和回收/退卡交易時(shí)，票卡交易序號(hào)都將加一，而在初始化過程中，如果是新卡初始化，則對(duì)票卡交易序號(hào)賦0值，如果是對(duì)回收卡的初始化，則只初始化其它數(shù)據(jù)項(xiàng)，而票卡交易序號(hào)則保持原有的數(shù)值。

通過對(duì)票卡交易序號(hào)的連續(xù)性處理，在進(jìn)行票務(wù)分析時(shí)，就能通過票卡交易序號(hào)對(duì)卡的流通過程進(jìn)行全程跟蹤。雖然通過票卡交易的時(shí)間也能對(duì)票卡交易過程進(jìn)行分析，但由于系統(tǒng)中的大部分設(shè)備是允許脫機(jī)運(yùn)行的，交易的時(shí)間是從終端設(shè)備內(nèi)部時(shí)鐘獲取的，由于終端設(shè)備時(shí)鐘精度可能參差不齊，經(jīng)常會(huì)出現(xiàn)誤差，也不可能進(jìn)行頻繁的時(shí)鐘同步，故通過交易時(shí)間來跟蹤票卡的運(yùn)營是不準(zhǔn)確的。而引入票卡交易序號(hào)后，則可以較好的解決這一問題。

另一方面，如果在通過票卡交易序號(hào)對(duì)交易數(shù)據(jù)進(jìn)行連續(xù)性檢查時(shí)，如果出現(xiàn)某張票卡的交易序號(hào)不連續(xù)，則可以認(rèn)為存在以下幾種可能：

1）票卡交易未上傳

對(duì)于某一張卡來說，設(shè)備上傳交易的時(shí)間是可能是無序的，即先發(fā)生交易的設(shè)備可能比后發(fā)生交易的設(shè)備后上傳數(shù)據(jù)，造成票卡交易序號(hào)較大的交易比票卡交易序號(hào)較小的交易先上傳。

對(duì)于卡交易未上傳的情況，如果在保障設(shè)備都能順利上傳數(shù)據(jù)的情況下，不連續(xù)的情況將在相對(duì)當(dāng)前日期的前一段時(shí)間內(nèi)（如系統(tǒng)要求設(shè)備在7天內(nèi)上傳數(shù)據(jù)）得到消除，即7天前系統(tǒng)內(nèi)各卡的交易序號(hào)將連續(xù)，但不能要求當(dāng)前卡交易序號(hào)必須連續(xù)，因?yàn)檫@種連續(xù)性是有一定滯后的。

2）卡交易丟失

如果終端設(shè)備上存儲(chǔ)的交易數(shù)據(jù)出現(xiàn)丟失的情況，在該設(shè)備上發(fā)生交易而交易未上傳的卡將出現(xiàn)卡交易序號(hào)不連續(xù)的現(xiàn)象。

如果某卡當(dāng)前交易序號(hào)與當(dāng)前連續(xù)的交易序號(hào)相差較大，且交易發(fā)生的時(shí)間也相差較大，則基本可判定該卡的交易出現(xiàn)丟失。

3）交易重復(fù)上傳

如果設(shè)備重復(fù)上傳交易記錄，則會(huì)出現(xiàn)卡交易序號(hào)重復(fù)的情況。如果出現(xiàn)交易重復(fù)，系統(tǒng)將丟棄這些交易記錄。

4）卡交易不合法

如果出現(xiàn)偽造交易或設(shè)備由于故障寫錯(cuò)了卡或交易記錄時(shí)，卡交易序號(hào)將不連續(xù)。如果卡交易序號(hào)出現(xiàn)重復(fù)或跳躍性增長或減少時(shí)，將此卡加入黑名單，控制其使用，或與持卡人聯(lián)系后收回卡后進(jìn)行分析，以防止錯(cuò)誤的擴(kuò)大化。

卡交易序號(hào)也可使系統(tǒng)統(tǒng)計(jì)票卡內(nèi)錢包使用次數(shù)的工作得到簡化，因?yàn)榭ń灰仔蛱?hào)的最大值即卡錢包的操作次數(shù)。對(duì)于系統(tǒng)資金的稽核具有很好的輔助作用。

3.2.2 設(shè)備交易序號(hào)

設(shè)備交易序號(hào)是由設(shè)備進(jìn)行維護(hù)的不斷增長的序列號(hào)，每發(fā)生一次交易，此交易序號(hào)將被加一。設(shè)備交易序號(hào)的初始化是在設(shè)備投入運(yùn)營前被置0值的。

設(shè)備交易序號(hào)足以下公式：

交易后設(shè)備交易序號(hào) = 交易前設(shè)備交易序號(hào) + 1

同通過交易時(shí)間來跟蹤票卡流通過程會(huì)出現(xiàn)不準(zhǔn)確的情況一樣，通過交易時(shí)間來跟蹤終端設(shè)備交易過程也會(huì)出現(xiàn)不準(zhǔn)確的情況，而通過引入設(shè)備交易序號(hào)，即可較好地解決這一問題，連續(xù)的設(shè)備交易序號(hào)，在一定程度上反映了設(shè)備在連續(xù)正常工作。

在以下幾種情況下可能會(huì)出現(xiàn)設(shè)備交易序號(hào)不連續(xù)的情況：

1）設(shè)備交易丟失

設(shè)備中存儲(chǔ)的數(shù)據(jù)由于故障而丟失時(shí)，設(shè)備交易序號(hào)將不連續(xù)。在確認(rèn)該設(shè)備上的數(shù)據(jù)已全部上傳后而發(fā)現(xiàn)缺失了部分序號(hào)（同時(shí)設(shè)備交易累計(jì)不連續(xù)）時(shí)，即可判定該設(shè)備出現(xiàn)交易丟失，將通過其它方式進(jìn)行數(shù)據(jù)的恢復(fù)。

2）設(shè)備交易重復(fù)

當(dāng)設(shè)備重復(fù)發(fā)送交易記錄時(shí)，設(shè)備交易序號(hào)會(huì)出現(xiàn)重復(fù)，系統(tǒng)在接收到重復(fù)交易后將會(huì)丟棄這些記錄。

3）設(shè)備被完全初始化

設(shè)備因故障進(jìn)行維修（如更換存儲(chǔ)器）后，重新初始化時(shí)將會(huì)清除設(shè)備交易序號(hào)。

4）設(shè)備異?；蚪灰撞缓戏?/p>

如果設(shè)備處理票卡出現(xiàn)錯(cuò)誤、交易為偽造交易或數(shù)據(jù)傳輸錯(cuò)誤這些情況時(shí)，設(shè)備交易序號(hào)將不連續(xù)。

設(shè)備交易序號(hào)是對(duì)設(shè)備交易進(jìn)行稽核的一種手段，通過對(duì)其連續(xù)性的分析可對(duì)系統(tǒng)內(nèi)設(shè)備的運(yùn)營情況進(jìn)行很好的監(jiān)督，及時(shí)發(fā)現(xiàn)和糾正設(shè)備異常。

3.2.3 設(shè)備交易累計(jì)

設(shè)備交易累計(jì)是終端設(shè)備對(duì)票卡錢包增加或減少額度的歷史累計(jì)值。對(duì)于單一消費(fèi)終端，累計(jì)值為發(fā)生交易的票卡錢包的扣款額的累計(jì)，通常為負(fù)值；對(duì)于單一充值類終端，累計(jì)值為發(fā)生交易的票卡錢包增加額的累計(jì)，通常為正值；對(duì)于既可消費(fèi)又可充值的終端，累計(jì)值則可正可負(fù)。

發(fā)生交易時(shí)，設(shè)備交易累計(jì)滿足以下公式：

交易后設(shè)備交易累計(jì) = 交易前設(shè)備交易累計(jì) + 增值額 或

交易后設(shè)備交易累計(jì) = 交易前設(shè)備交易累計(jì)－扣款額

通過對(duì)交易記錄的交易金額和設(shè)備交易累計(jì)這兩項(xiàng)數(shù)據(jù)的邏輯關(guān)系分析，可以對(duì)交易的合法性和正確性進(jìn)行稽核。當(dāng)某設(shè)備的連續(xù)兩筆交易（連續(xù)性通過設(shè)備交易序號(hào)的連續(xù)性來判斷）不滿足以上公式時(shí)，即可判定交易過程中出現(xiàn)異常，需進(jìn)一步分析錯(cuò)誤產(chǎn)生的原因，防止出現(xiàn)偽造交易或排除設(shè)備故障。

設(shè)備交易累計(jì)出現(xiàn)不連續(xù)的原因和相應(yīng)的處理方法與設(shè)備交易序號(hào)不連續(xù)出現(xiàn)的原因和處理一致。

3.2.4 卡余額

卡余額在票卡內(nèi)和系統(tǒng)內(nèi)都將保存，在正常情況下，卡余額滿足以下公式：

交易后卡余額=交易前卡余額 + 錢包變化額（增加時(shí)為正，減少時(shí)為負(fù)）

通過對(duì)交易記錄的交易金額和卡余額這兩項(xiàng)數(shù)據(jù)的邏輯關(guān)系分析，可以對(duì)交易的合法性和正確性進(jìn)行稽核。當(dāng)某票卡的連續(xù)兩筆交易（連續(xù)性通過票卡交易序號(hào)的連續(xù)性來判斷）不滿足以上公式時(shí)，即可判定交易過程中出現(xiàn)異常，需進(jìn)一步分析錯(cuò)誤產(chǎn)生的原因，防止出現(xiàn)偽造交易、排除設(shè)備或卡故障。

卡余額交易累計(jì)出現(xiàn)不連續(xù)的原因和相應(yīng)的處理方法與票卡交易序號(hào)不連續(xù)出現(xiàn)的原因和處理一致。

3.3 數(shù)據(jù)保存

系統(tǒng)即時(shí)保存所收集的數(shù)據(jù)，添加/更新相關(guān)的系統(tǒng)數(shù)據(jù)庫，并對(duì)原始數(shù)據(jù)不進(jìn)行任何修改或刪除。

4 結(jié)語

綜上所述，3種數(shù)據(jù)傳輸方式可以有效地確保數(shù)據(jù)采集過程的連續(xù)性；采用MAC驗(yàn)證可以有效地確保數(shù)據(jù)傳送的完整性，采用TAC驗(yàn)證可以有效地確保交易數(shù)據(jù)的合法性；綜合采用票卡交易序號(hào)、設(shè)備交易序號(hào)、設(shè)備交易累計(jì)、卡余額4種方案可以相互補(bǔ)充，互相驗(yàn)證，可以有效地解決數(shù)據(jù)的異常、遺漏、重復(fù)、延遲及偽造，確保數(shù)據(jù)的安全、完整、準(zhǔn)確。

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Data Processing Process Analysis of AFC System in Urban Rail Transit

Cang Qinghuai NARI Technology Development Co.,Ltd., Nanjing 210061

Ensure the data collection and processing of Automatic Fare Collection(AFC) system in urban rail transit security、integrality and legality is very important.The data types and the data transmission mode are described in detail.Solutions for validation the data integrality and legality are put forward,and solutions for the data abnormal,miss,repeat,delay and forged are also put forward.Principles of solutions of tickets trading serial number,equipment trading serial number,equipment trading grand total and tickets balance and the reason for discontinuity that may rise are analyzed.

10.3969/j.issn.1001-8972.2010.20.152

軌道交通；AFC系統(tǒng)；數(shù)據(jù)類型；傳輸方式；完整性；合法性；連續(xù)性

urban rail transit;AFC system;data types; transmission mode;integrality;legality;continuity