李道全

（北京城建設(shè)計發(fā)展集團(tuán)股份有限公司，北京100037）

0 引言

城市軌道交通自動售檢票系統(tǒng)（以下簡稱AFC系統(tǒng)）架構(gòu)體系包括：軌道交通清算管理中心、線路中心計算機(jī)系統(tǒng)、車站計算機(jī)系統(tǒng)、車站終端設(shè)備、非接觸式IC卡車票［1］。AFC系統(tǒng)是以先進(jìn)的集成技術(shù)、信息處理技術(shù)、自動控制技術(shù)、IC卡技術(shù)及安全保密技術(shù)為基礎(chǔ)的軌道交通自動收費(fèi)系統(tǒng)，其車站終端設(shè)備中配置了儲票箱、廢票箱、儲鈔箱、硬幣補(bǔ)充箱、硬幣找零箱、紙幣補(bǔ)充箱和紙幣找零箱，儲票箱滿足票卡發(fā)行需求［2］，錢箱滿足購票需求。

AFC系統(tǒng)票箱、錢箱信息主要包括如下內(nèi)容：

（1）儲票箱信息包括儲票箱ID、票箱內(nèi)車票張數(shù)、車票編號等內(nèi)容；

（2）廢票箱信息包括廢票箱ID、廢票箱內(nèi)車票張數(shù)、車票編號等內(nèi)容；

（3）儲鈔箱信息包括錢箱ID、錢箱內(nèi)錢數(shù)量、各種紙幣張數(shù)及數(shù)量等內(nèi)容；

（4）硬幣補(bǔ)充箱信息包括錢箱ID、錢箱內(nèi)錢數(shù)量、各種硬幣枚數(shù)及數(shù)量等內(nèi)容；

（5）硬幣找零箱信息包括錢箱ID、錢箱內(nèi)錢數(shù)量、各種硬幣枚數(shù)及數(shù)量等內(nèi)容；

（6）紙幣補(bǔ)充箱信息包括錢箱ID、錢箱內(nèi)錢數(shù)量、各種紙幣張數(shù)及數(shù)量等內(nèi)容；

（7）紙幣找零箱信息包括錢箱ID、錢箱內(nèi)錢數(shù)量、各種紙幣張數(shù)及數(shù)量等內(nèi)容。為滿足運(yùn)營需求，可通過設(shè)置電子標(biāo)簽、設(shè)置存儲單元兩種方式來獲取上述票箱、錢箱內(nèi)的信息。

1 設(shè)置電子標(biāo)簽

1．1 信息傳遞方案

電子標(biāo)簽，又叫智能標(biāo)簽，是物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)應(yīng)用之一。電子標(biāo)簽采用小型天線的非接觸式IC卡，其核心是采用了RFID射頻識別技術(shù)、存儲容量較小的芯片，具有智能讀寫及加密通信的能力。電子標(biāo)簽作為數(shù)據(jù)載體，能起到標(biāo)識識別、產(chǎn)品跟蹤、信息采集的作用。從全球角度來看，電子標(biāo)簽已經(jīng)在廣泛的領(lǐng)域內(nèi)得以應(yīng)用。

RFID系統(tǒng)在AFC系統(tǒng)中的應(yīng)用就是將電子標(biāo)簽的IC芯片和無線天線嵌入設(shè)備表面，電子標(biāo)簽中存儲有符合相關(guān)格式要求的電子數(shù)據(jù)。讀卡器［3］可無接觸地讀取并識別電子標(biāo)簽中所保存的電子數(shù)據(jù)，從而達(dá)到自動讀取RFID中所存儲信息的目的。信息傳遞方式如圖1所示。

1．2 系統(tǒng)結(jié)構(gòu)

圖1 信息傳遞結(jié)構(gòu)

一個完整、典型的RFID系統(tǒng)通常由下面4個模塊組成：標(biāo)簽、讀卡器、RFID中間件、應(yīng)用程序接口（API）。各模塊間的關(guān)系如圖2所示。

圖2 信息傳遞數(shù)據(jù)流

1．2．1 標(biāo)簽

標(biāo)簽由天線和芯片組成，天線在標(biāo)簽和讀卡器間傳遞射頻信號，芯片里面保存每個標(biāo)簽具有的唯一電子編碼和用戶數(shù)據(jù)。每個標(biāo)簽都有一個全球唯一的ID號碼——用戶號碼（UID），UID是在制作芯片時放在ROM中的，無法修改；用戶數(shù)據(jù)區(qū)是供用戶存放數(shù)據(jù)的，可以進(jìn)行讀寫、覆蓋、增加的操作。

1．2．2 讀卡器

讀卡器是讀取（或?qū)懭耄?biāo)簽信息的設(shè)備，可設(shè)計為手持式或固定式。讀卡器對標(biāo)簽的操作有三類：

（1）識別：讀取 UID；

（2）讀?。鹤x取用戶數(shù)據(jù)；

（3）寫入：寫入用戶數(shù)據(jù)。

1．2．3 RFID中間件

RFID中間件是將底層RFID硬件和上層應(yīng)用操作終端結(jié)合在一起的粘合劑。雖然原則上中間件是橫向的軟件技術(shù)，但在RFID系統(tǒng)中，為使其更適用于AFC系統(tǒng)收費(fèi)領(lǐng)域，可要求RFID中間件針對AFC系統(tǒng)收費(fèi)領(lǐng)域進(jìn)行設(shè)計。

在RFID系統(tǒng)這種具體情況下，中間件除通常的功能外還有以下特定功能：

（1）使閱讀／寫入更加可靠；

（2）把數(shù)據(jù)通過讀卡器網(wǎng)絡(luò)推或拉到正確位置（類似路由器功能）；

（3）監(jiān)測和控制讀卡器；

（4）提供安全讀／寫操作；

（5）降低射頻干擾；

（6）處理標(biāo)簽型和讀卡器型事件；

（7）應(yīng)用通知；

（8）接收并且轉(zhuǎn)發(fā)來自應(yīng)用的中斷指令；

（9）給用戶提供異常告警。

1．3 終端設(shè)備上的RFID技術(shù)實(shí)現(xiàn)方案

AFC系統(tǒng)中的自動售票機(jī)（TVM）、半自動售票機(jī)（BOM）、自動檢票機(jī)（AG）的票箱（含廢票箱）具有物理規(guī)格相同、使用功能相同的特點(diǎn)，承擔(dān)在車站內(nèi)票卡循環(huán)使用甚至線路內(nèi)票卡循環(huán)使用的作用；此外，TVM中的錢箱（包括紙幣錢箱和硬幣錢箱）都利用RFID技術(shù)進(jìn)行編號管理，與車站計算機(jī)系統(tǒng)（SC）中的現(xiàn)金管理、收益管理等功能共同發(fā)揮重要的作用。在維修管理系統(tǒng)中，AFC設(shè)備中的重要部件也可以利用RFID的電子標(biāo)簽實(shí)現(xiàn)部件編號管理，有助于提高設(shè)備維護(hù)的效率。

1．3．1 RFID讀卡器設(shè)置方案

在TVM、BOM、AG中都可安裝RFID讀寫器，用于識別安裝于這些設(shè)備中票箱和錢箱編號，并將相應(yīng)的票卡編號、交易時間等信息與票箱、錢箱進(jìn)行關(guān)聯(lián)管理。RFID讀卡器安裝數(shù)量可根據(jù)設(shè)備中票箱、錢箱的數(shù)量而確定，AG中票箱RFID讀卡器安裝位置示意圖如圖3所示。

圖3 讀卡器安裝位置示意圖

RFID讀卡器可通過RS232與設(shè)備的主控單元相連，同時可接受主控單元的指令和控制，如圖4所示。

圖4 讀卡器連接

綜上，在儲票箱（或廢票箱、紙幣錢箱、硬幣錢箱）上安裝RFID作為儲票箱（或廢票箱、紙幣錢箱、硬幣錢箱）的電子ID，并將儲票箱內(nèi)存放的車票張數(shù)、每張車票的編號（或錢箱內(nèi)錢數(shù)量、各種紙幣張數(shù)及數(shù)量，或錢箱內(nèi)錢數(shù)量、各種硬幣枚數(shù)及數(shù)量）存放在RFID上，在車站票務(wù)室安裝讀取RFID的讀寫器以讀取RFID上存儲的信息。這種方案除需在每個儲票箱（或廢票箱、紙幣錢箱、硬幣錢箱）上安裝一個RFID外，還需在TVM、BOM及AG上安裝一個RFID讀寫器，以對RFID進(jìn)行讀寫。

1．3．2 信息獲取方案

在AFC系統(tǒng)中收益管理是指涉及票箱、錢箱更換，售票操作人員現(xiàn)金業(yè)務(wù)等方面的管理，目的是實(shí)現(xiàn)AFC系統(tǒng)內(nèi)票卡、現(xiàn)金、賬務(wù)的安全、正確使用和管理。收益管理中具體業(yè)務(wù)操作有以下幾類：

（1）自動售票機(jī)補(bǔ)充找零硬幣；

（2）自動售票機(jī)錢箱更換；

（3）自動售票機(jī)錢箱清點(diǎn)；

（4）自動售票機(jī)票箱更換；

（5）自動售票機(jī)班次報告；

（6）自動售票機(jī)班次審核；

（7）半自動售票機(jī)班次核算；

（8）預(yù)賦值車票處理；

（9）自動檢票機(jī)票箱更換。

在這些業(yè)務(wù)操作中，自動售票機(jī)補(bǔ)充找零硬幣、自動售票機(jī)錢箱更換、自動售票機(jī)錢箱清點(diǎn)、自動售票機(jī)票箱更換、半自動售票機(jī)班次核算、TVM及AG票箱更換，可以充分利用RFID電子標(biāo)簽，將票箱、錢箱編號，票箱中的票卡數(shù)量，錢箱中的紙幣張數(shù)、硬幣枚數(shù)，連接于票務(wù)室工作站的讀寫器，RFID讀卡器通過天線發(fā)送一定頻率的射頻信號，當(dāng)設(shè)備上嵌入的標(biāo)簽進(jìn)入磁場時，就產(chǎn)生感應(yīng)電流從而獲得能量，以發(fā)送自身存儲的信息，被讀卡器讀取并解碼后送至計算機(jī)系統(tǒng)進(jìn)行相關(guān)流程處理。

通常讀卡器在讀取標(biāo)簽時給計算機(jī)系統(tǒng)傳遞三種信息：標(biāo)簽ID內(nèi)容、讀卡器自己的ID內(nèi)容和讀取標(biāo)簽的時間。通過獲取這個讀卡器中的信息，就可掌握票箱、錢箱上標(biāo)簽中的信息以及它是什么產(chǎn)品，然后根據(jù)時間數(shù)據(jù)跟蹤標(biāo)簽，即可隨時隨地了解票卡、錢箱及票箱等的信息，再與人工清點(diǎn)數(shù)目、系統(tǒng)交易數(shù)據(jù)統(tǒng)計數(shù)目進(jìn)行核對比較，能有效提高票卡、現(xiàn)金的管理應(yīng)用安全和管理效率。

2 設(shè)置存儲單元

2．1 存儲單元設(shè)置方案

儲票箱（包括廢票箱）上安裝有一個存儲單元，用于存放票箱電子ID、票箱內(nèi)車票張數(shù)、車票編號等信息，通過車票回收單元（TCU）或車票發(fā)售單元（TIM）模塊與設(shè)備主控單元進(jìn)行通信。設(shè)備主控單元通過串口與TCU或TIM模塊通信以存取儲票箱（包括廢票箱）上存儲單元中數(shù)據(jù)。

紙幣錢箱上安裝有一個存儲單元，用于存放紙幣錢箱電子ID、錢箱內(nèi)錢數(shù)量、各種紙幣張數(shù)及數(shù)量等信息，通過紙幣識別模塊（Bill Module）與設(shè)備主控單元進(jìn)行通信。設(shè)備主控單元通過串口與紙幣識別模塊通信以存取紙幣錢箱上存儲單元中數(shù)據(jù)。

硬幣錢箱上安裝有一個存儲單元，用于存放硬幣錢箱電子ID、錢箱內(nèi)錢數(shù)量、各種硬幣枚數(shù)及數(shù)量等信息，通過硬幣識別模塊（Coin Module）與設(shè)備主控單元進(jìn)行通信。設(shè)備主控單元通過串口與硬幣識別模塊通信以存取硬幣錢箱上存儲單元中數(shù)據(jù)。

2．2 信息獲取方案

在車站票務(wù)室計算機(jī)上安裝一套軟件，外加通過串口連接的車票回收單元（TCU）／車票發(fā)售單元（TIM）、紙幣識別模塊（Bill Module）、硬幣識別模塊（Coin Module）模塊與相應(yīng)的票箱、紙幣錢箱、硬幣錢箱相連，就能讀取票箱、紙幣錢箱、硬幣錢箱上存儲單元中存儲的相關(guān)數(shù)據(jù)。其連接方式如圖5所示。

圖5 連接方式

如果票箱、紙幣錢箱、硬幣錢箱供貨商能夠開放其存儲單元的存取協(xié)議，在車站票務(wù)室計算機(jī)上安裝票箱、紙幣錢箱、硬幣錢箱對應(yīng)的數(shù)據(jù)通信轉(zhuǎn)接頭后，則連接方式可以簡化，如圖6所示。

圖6 簡化的連接方式

3 推薦方案

綜上，上述兩種方案均可實(shí)現(xiàn)錢箱、票箱信息獲取，同時結(jié)合目前AFC系統(tǒng)中的TVM、BOM、AG設(shè)備的票箱（含廢票箱）或錢箱上均配置了電子標(biāo)簽RFID，只要在TVM、BOM、AG終端設(shè)備配置基礎(chǔ)上增加電子標(biāo)簽RFID讀?。鎯Φ淖x卡器，同時在票務(wù)室計算機(jī)上連接能讀取電子標(biāo)簽RFID的讀寫器，按票務(wù)處理流程內(nèi)置的標(biāo)準(zhǔn)化讀寫器在地鐵自動售檢票系統(tǒng)中的應(yīng)用要求［4］就可滿足運(yùn)營需求，因此推薦采用方案一——設(shè)置電子標(biāo)簽。

4 RFID面臨的安全問題

RFID面臨的安全問題：不僅僅表現(xiàn)為RFID產(chǎn)品的成本極大地限制了RFID的處理能力和安全加密措施，而且RFID技術(shù)本身就包含了比計算機(jī)和網(wǎng)絡(luò)中更多和更容易泄密的不安全節(jié)點(diǎn)。一般地，RFID在安全缺陷方面除了與計算機(jī)網(wǎng)絡(luò)有相同之處外，還包括以下三種不同的安全缺陷類型：

4．1 標(biāo)簽本身的訪問缺陷

由于標(biāo)簽本身的成本相對較低，承包商一般不會加大力度對其精心開發(fā)，因此標(biāo)簽本身很難具備足以保證其安全的能力，這樣就面臨了較大安全隱患——非法用戶可以利用讀卡器直接與標(biāo)簽進(jìn)行通信。這樣，就可以很容易地獲取標(biāo)簽內(nèi)所存數(shù)據(jù)信息。而對于讀寫式標(biāo)簽，還面臨數(shù)據(jù)被改寫的風(fēng)險。

4．2 通信鏈路上的安全問題

RFID的數(shù)據(jù)通信鏈路是無線通信鏈路，與有線連接不一樣，無線傳輸?shù)男盘柋旧硎情_放的，這就給非法用戶的偵聽帶來了可乘之機(jī)。

4．3 讀寫器內(nèi)部的安全風(fēng)險

在讀寫器中，除了中間件被用來完成數(shù)據(jù)的遴選、時間過濾和管理之外，只能提供用戶業(yè)務(wù)接口，而難以提供能夠讓用戶自行提升安全性能的接口。

5 解決措施

可從如下兩方面著手來杜絕上述安全缺陷：

（1）要求系統(tǒng)集成商針對標(biāo)簽本身的安全性加大力度、精心開發(fā)；

（2）在AFC系統(tǒng)運(yùn)營中，可通過加強(qiáng)管理來確保安全。

6 結(jié)語

隨著我國各大城市日益加快城市軌道交通的建設(shè)步伐，為滿足網(wǎng)絡(luò)化運(yùn)營需求，在軌道交通線網(wǎng)AFC系統(tǒng)中實(shí)施物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)十分必要，可起到事半功倍的效果，實(shí)現(xiàn)信息、人力、物力等方面的資源共享，達(dá)到網(wǎng)絡(luò)化建設(shè)目標(biāo)。因此，本文所述對城市軌道交通AFC系統(tǒng)的建設(shè)和研究具有重要的指導(dǎo)意義和參考價值。

［1］邱華瑞，張寧，徐文，等．城軌交通自動售檢票系統(tǒng)架構(gòu)體系研究［J］．都市快軌交通，2014，27（2）：86－89．

［2］康崇皓．軌道交通自動售檢票系統(tǒng)票卡發(fā)行方案探討［J］．鐵道通信信號，2010，46（12）：42－44．

［3］康歡．讀寫器射頻一致性自動測試系統(tǒng)平臺的研究與實(shí)現(xiàn)［D］．北京：北京交通大學(xué)，2014．

［4］袁東．票務(wù)處理流程內(nèi)置的標(biāo)準(zhǔn)化讀寫器在地鐵自動售檢票系統(tǒng)中的應(yīng)用［J］．通信與廣播電視，2010（2）：38－41，51．