双频集成电路卡在地铁自动售检票系统中的应用*

于 航 冯进峰

(1.天津理工大学自动化学院，300222，天津;2.天津市地下铁道运营公司，300222，天津∥第一作者，讲师)

现有的地铁自动售检票(AFC)系统所使用的车票介质全部是基于高频射频标签(以下简称为HF RFID)技术的集成电路(IC)卡，因受读写距离的限制，仅能在乘客进出站时进行有效性检查。当城市地铁线路联网运营且超过1个换乘点时，各线路间就需要清分中心来帮助各线路的运营商公平地清算车票收入，或至少清算客流。现今的清分中心普遍采用的清分算法是基于客流概率模型，根据乘客换乘概率进行清算。这就不可避免地与乘客实际乘坐途经的线路有所差异，特别是在新增线路后，清分模型需要适时调整以保证清分的公平性。即便是再接近实际的清分模型也是属于模糊清分范畴，因为不是基于乘客的真实乘车路线数据完成清分的。

1 双频IC卡技术分析

超高频射频标签(以下简称为UHF RFID)技术在近年来有了长足的进步，除了在原有物流和库存管理的传统领域应用以外，UHF RFID和高速长距离阅读器的新进展为其在AFC系统中的应用提供了可行性。

双频卡车票是同时包含HF RFID和UHF RFID的IC卡车票。它同时具有两种RFID的技术特性，而且可以独立在各自频段下工作，互不干扰。双频卡的HF部分可用在自动售票机售票和闸机进出站检票处理上，因为AFC系统需要在乘客进出站时对车票进行必要的处理，但这必须在乘客有明确的进站行为(即通常认为是持车票乘客刷卡通过闸机)后才能进行。HF RFID车票的有效读写距离可以固定且可以精确定位，能够准确捕捉乘客的进站行为。UHF部分可用于车票的远程监控管理，通过AFC系统的后台程序将HF和UHF信息合并，即完成车票的全程管理。HF车票的使用操作与现有AFC系统的操作没有区别;UHF车票的操作需要通过特定的UHF读卡器将UHF车票的信息阅读出来，这部分信息通常是只读的。

双频卡车票在进入AFC系统使用前，必须将同一张IC卡车票中的HF和UHF的物理信息建立关联。物理信息可以是卡的物理卡号，也可以是在未授权条件下不能更改的唯一的特殊标志信息。建立关联是保证AFC后台系统和清分中心能够将AFC设备上传的HF车票信息与UHF读卡器上传的UHF车票信息合并为一组相关信息(这是一张卡产生的两组相关信息)，便于后续处理。

基于UHF车票技术的AFC系统的清分中心，不再依靠清分模型，取而代之的是借助UHF车票的远距离阅读能力，通过AFC系统不断收集乘客实际的乘车路线，然后清分中心按实际乘车路线进行精确清分。AFC系统加入UHF车票的支持，需要在现有AFC系统上增加UHF读卡器和相应的接入设备。清分中心实现精确清分，必须建立能够处理HF和UHF混合车票信息的清分算法。

2 使用双频IC卡车票的AFC系统设计

2.1 读卡器布局

收集乘客的乘车路线信息需要AFC系统与列车配合，不断记录车厢内UHF车票的信息。在列车上加装UHF频段的读卡器，读写范围需要覆盖列车的所有乘客车厢空间(见图1)。现以天津地铁1号线列车为例，每列车安装8个读卡器，每个读卡器的读卡半径范围设定在约1.8 m，实现全车厢空间覆盖。

图1 车厢内读卡器布局

读卡器读卡半径可以根据车厢宽度适度调整，但尽量不要超过2 m(虽然半径大可以减少读卡器数量)。因IC卡车票本身受环境因素影响，其读写距离通常不会超过2 m，读卡器读卡半径设置过大可能会出现“覆盖空洞”;另一个原因是为减少列车在错车时，误读取对方列车内的UHF车票信息(虽然这概率很小)。

相邻UHF读卡器的重叠读卡范围应尽量小，以减少同一张UHF车票被相邻读卡器重复读取的概率。

2.2 通信计算机设备布局

列车内安装通信计算机，用于管理读卡器和处理读卡器收集的信息，使用无线网络与站台AFC系统实现列车停站时的数据上传。通信计算机和无线网络设备适宜安装在列车的中央位置，目的是避开列车上的其它无线系统，以减少干扰(见图2)。

图2 通信计算机及网络设备布局

站台AFC系统无线接入点(AP)安装在站台的中央，同时兼顾上下行列车的无线网络接入。这样做的好处是可以有效降低AP的覆盖功率，减少与站台无线通信系统的相互干扰，也可使设备安装数量最少。

2.3 车票监控

AFC系统在为清分中心收集乘客乘车路线时，只需要记录乘客进出站和乘客乘车区间信息即可，不需要实时记录乘客在车站或车厢内的移动信息。所以，为了减少数据处理量、系统容错难度以及其它无线系统的干扰，AFC系统的UHF读卡器应始终是关闭的，只在列车行驶进入区间后才被打开，数据读取完毕后立即关闭。

当列车完全进入区间后，列车上的UHF读卡器打开，开始记录车厢内乘客身上所携带的UHF车票信息。UHF读卡器需要连续2次(也可以是更多次，应根据容错等级设定)依次对读卡范围内UHF车票信息进行记录，间隔数秒后(此时停止读卡，间隔时间需根据区间内最长错车时间设定)，再次重复记录2次(同间隔前读取次数)。对UHF车票进行多次重复记录的目的同样是为了防止列车在区间内错车时，误读对方车厢内的车票信息。插入读取间隔可以保证即使最坏情况下，读取对方车厢内UHF车票数据最多也只有读取次数的一半。UHF车票信息重复记录完成后，读卡器立即关闭，于此同时车票数据上传至通信计算机。

通信计算机根据读卡器上传的数据，将具有4次(或更多次)阅读记录的UHF车票信息筛选出来，其余不满足要求的数据全部丢弃，以减少UHF数据上传和处理的压力。

2.4 清分数据的实现

通信计算机使用无线网络在列车停站时与站台AFC无线系统实现短时通信。当通信计算机发现车站内的AFC无线网络后，随即登入无线网络，将本次区间内收集的UHF车票信息数据上传至当前站的车站计算机，如果之前有未上传的数据则继续上传。车站计算机在完成数据校验后，将数据上传至线路中心，再转至清分中心。

AFC系统通过不断地收集UHF车票信息，使每位持票乘客途经的车站区间都被记录下来。清分中心获得这些数据后就可以将每张车票途径的线路清楚地描述出来。通过数据收集，清分中心已经获得了UHF车票在各区间被阅读的信息，即持票乘客经过的各区间信息，将这些信息有序地结合起来就可以清楚地描述出持票乘客的乘车(换乘)路径了。再根据IC卡车票的物理信息关联，将自动售票机上传的售票信息(仅对于单程票)和闸机上传的进出站信息拼合在一起，就构成了完整的一组“乘车(换乘)路线清分数据集合”(之所以这样称呼，因为相比现有的清分数据集合，这组数据包含了更丰富的乘车路线信息)。清分中心可以根据这组数据精确地将车费清分给各条线路的运营商。

如图3所示，乘客从A站购买单程票进站乘车，从J站出站离开，途中经过换乘站D和G，全程车费是4元。为使清分中心能将这位乘客的乘车(换乘)路线数据清分完成，首先要建立一个清分算法原则:区间信息在清分过程中视为普通区间信息，普通区间信息在逻辑条件满足的前提下可以丢失;自动售票机出售单程票，闸机进站和出站检票在清分过程中视为必要区间信息，必要区间信息不可丢失(这是出于保证整组清分数据的完整性要求的)。区间信息产生是需要符合换乘路线途径区间逻辑的，不符合逻辑的区间信息必须被丢弃并查明来源。对区间信息没有设置到达清分中心的顺序要求和严格的时间要求，只要逻辑条件满足即使是缺少几个普通区间信息也是可以完成清分任务的。

图3 乘车(换乘)路线

然后，建立区间信息对照表，将各区间归属的线路标记出来，用于计算清分比例。表1的数据系根据图3的线路关系设定。

表1 区间信息对照表

乘客从A站购买单程票进站，即产生了两个必要区间信息，索引号为“1”;乘客经过换乘站D和G站换乘到达J站，途径依次为A－B区间、B－C区间、C－D区间、D －G区间和J－G 区间，索引号依次为“2”、“3”、“4”、“7”和“11”;最后乘客在 J站出站，由出站闸机生成最后一个必要区间信息，其索引号为“9”。

清分中心收到这组数据后就清楚地了解乘客的乘车路线，并可启动清分了。这组数据共有8个索引号构成，分别是“1”、“1”、“2”、“3”、“4”、“7”、“11”、“9”。通过查表1，乘客途径线路1有5个区间，途径线路2有1个区间，途径线路3有2个区间。由于区间权值都为1，三条线路的清分比例为5∶1∶2，车费为4元。

最终线路1清分得车费2.5元，线路2清分得车费0.5元，线路3清分得车费1元。

3 结语

通过引入双频IC卡技术，AFC系统清分中心可以实现精确清分，这必然会成为未来的发展趋势。另外，它对乘客行为的监控，同样可以起到至关重要的作用。当在车站内的乘客密集区域建立UHF车票的阅读覆盖区后，AFC系统将可以实时监控到乘客在车站内的行为。比如:可以发现有人长时间在某个位置停留，进入到工作区域或危险区域等。车站与列车实现同步联网后，还可以实现对特定票卡的无缝追踪，这对日益提高的公共安全要求可以起到辅助的促进作用。

［1］Mohaisen M，Yoon H.Radio transmission performance of EPC global Gen-2 RFID system［J］.IEEE Advanced Communication Technology，2008(10):84.

［2］武岳山.RFID应用案例与应用开拓分析［C］∥中国电子学会通信学分会.第八届中国国际RFID技术及应用高级研讨会暨电子标签应用成果展览会论文集.北京:［出版者不详］，2009:84.