基于物联网的地铁车站级AFC信息管理系统研究

2013-09-25汪惠芬刘婷婷

城市轨道交通研究 2013年2期

周琳汪惠芬刘婷婷

（南京理工大学机械工程学院，210094，南京∥第一作者，硕士研究生）

地铁是城市交通的主要承载体，其运营效率关乎城市发展速度，是各行各业关注的焦点。与此同时，被称为是继计算机、互联网之后世界信息产业第三次浪潮的“物联网”也不断占据人们的视野，它是对物体具有全面感知能力、对信息具有可靠传送和智能处理能力的连接物体与物体的信息网络，它将互联网的用户终端由个人电脑延伸到任何需要实时管理的物品，从而加强人与物的信息交流［1］，实现物理世界与信息世界的相互作用，提供实时感知、动态控制和信息反馈等服务，提高工作效率，节省操作成本。两者的高速发展都以提高效率为目的。

目前，在地铁运营管理中被广泛采用自动售检票（AFC）系统，是基于计算机、通信、网络、自动控制等技术，实现售票、检票、计费、收费、统计、清分、管理等全过程的自动化系统，一般可分为车票、车站终端设备、车站计算机（SC）系统、线路中央计算机（LC）系统和清分（ACC）系统5部分［2］。总体来说，对AFC系统的管理可分为票卡管理、账务管理和运营维护管理3类，管理的主要对象分别为票箱（用于装载票卡的容器）、钱箱（用于装载纸币和硬币的容器）和设备（车站售检票终端设备）。从物联网的角度来看，这三者即为互联的主体，因此，可以应用物联网技术对票箱、钱箱和设备进行管理，使其直接与人交互，提高地铁运营管理的效果和效率。

1 地铁运营管理现状分析

南京地铁1号线也采用了AFC系统。然而，在实际应用过程中，出于信息安全等因素的考虑，AFC给运营管理所带来的信息化仅普及至高层领导和管理层，对于车站现场的员工来说，仍是通过纸质文件、电话等传统形式对AFC系统进行管理。经调研，总结出存在的具体问题如下。

1.1 钱箱、票箱管理

1）只有打开设备才可得知钱箱、票箱内部的钱数和卡数，工作人员需要根据经验定时地前往相关设备进行检查。工作效率低，对紧急情况的预见性和应对能力差，错误率高。

2）在运输途中缺乏对钱箱、票箱进行必要的监控、追踪，造成在途状态的不可知。

3）通过纸质文件进行钱箱、票箱的库存管理，使得库存管理工作量大、效率低，特别是对于破损卡、丢失卡的统计。如图1所示，只有在结束一天的工作之后才能获得整条线路的总体破损卡、丢失卡情况，给及时申请补票配送工作（如图2所示）带来了麻烦。

图1 常规票卡配送流程图

图2 突发情况票卡配送流程

1.2 乘客事务处理

1）手工报表使得统计工作加重，且造成了纸张资源的浪费；

2）处理过程完全通过工作人员的感知进行，难免造成处理失误。

1.3 设备维修管理

1）巡检工班对设备状态的未知，导致维修人员的派遣、调度困难；

2）维修请求需从中央工班获得，使得维修及时性受到限制；

3）维修工作由两个部门配合完成，责任分散，使得维修效率低下；

4）维修人员到达现场的时间过长（30～60min）。

综上所述，在地铁AFC系统管理中存在信息化断层的问题，即在设备层和执行层（SC层）之间缺乏信息通道，在执行层和计划层（LC层和ACC层）之间缺乏有效交流。其根本原因在于SC层缺乏一个支撑地铁AFC系统管理，实现钱箱、票箱、设备以及乘客事务实时交互的平台。因此，如何构建该平台以掌控钱箱、票箱的流转过程，智能化乘客事务的处理过程，高效化设备的维修过程，值得关注。

2 基于物联网的地铁车站级AFC信息管理系统设计

针对目前南京地铁存在的问题，可以利用物联网全面感知、可靠传送和智能处理的特征和功能构建基于物联网的地铁车站级AFC信息管理系统，在该系统平台下，实时掌控钱箱、票箱的信息，高效化、无纸化乘客事务处理过程，实时了解设备状态信息和维修过程信息，解决信息化断层问题。

2.1 系统总体目标

本文所研究的信息系统是一个运行于车站级的信息交互平台，以车站级作业人员与管理人员为应用对象，接收AFC计划层信息、反馈设备层信息，修复信息化断层问题。系统总体目标如下所述：

（1）实现票箱、钱箱的实时跟踪、自动出入库管理，提高票务、账务管理的安全性和信息化水平；

（2）实现乘客事务的无纸化处理，以便于查询和统计分析，提高工作效率；

（3）实现各设备运行情况及维修进程对巡检工班的可视化，提高维修效率；

（4）实现员工管理信息化，以便随时查阅员工状况，并且将员工ID绑定于每一项操作，便于责任到人，提高工作积极性；

（5）通过该系统的实施，提高管理水平，加大信息共享、实时控制的力度。

2.2 系统体系结构

物联网的经典体系架构为感知层、传输层和应用层3层结构。文献［4］提出了应用于矿山物联网的感知层、解析层、传输层、处理层和应用层的5层结构。同样考虑到地铁AFC系统管理具有覆盖范围广、信息量大、采集点多的特点，为了减缓传输层的压力，保证信息传递的可靠性和安全性，在感知层和传输层之间增加了解析层，用于筛选感知层采集到的信息，按需传送给传输层；在传输层和应用层之间增加了数据库层，用于存放、处理数据信息，控制信息的访问。最终将地铁车站级AFC信息管理系统的物联网结构体系划分为感知层、解析层、传输层、数据库层和应用层5层结构，如图3所示。

图3 基于物联网的地铁车站级AFC信息管理系统结构

（1）感知层：识别物体、采集信息，是物联网的基础支撑层。本系统主要采用物联网最基本的关键技术——RFID（无线射频识别，通常由电子标签、读写器和信息处理系统组成）技术实现。通过RFID标签读写器［5］，结合植入的产品电子代码（EPC）、嵌入式系统等，通过射频信号自动识别目标对象——钱箱、票箱中RFID标签内的相应信息，实现物体识别、位置识别和路径识别，完成数据采集和设备控制任务。本系统的RFID标签选用了钱箱、票箱以及员工卡自身携带的用于识别对象ID的RFID标签，将其功能扩展，实现感知，其原理如图4所示。

（2）解析层：包括读写器接口、数据接口和EPC中间件服务器。通过读写器接口接收感知层实时采集的数据，利用EPC中间件服务器对信息进行修复、筛选和解码，并通过数据接口将有用的信息上传。重复的信息被屏蔽删除，降低了信息包裹丢失的概率，减轻了上层对信息的解析压力，提高了传输速度。

图4 RFID原理系统

（3）传输层：实现数据的接入和传输，解决以传感网络为代表的末梢网络与骨干网络的接入问题，达到组网控制和信息汇集的目的。通过互联网、局域网等将感知层获取的信息进行传输和处理，即通过该层将数据信息发送到数据服务器。

（4）数据库层：对被筛选过并传输至该层的数据信息进行分类、存储、查询、上传，供应用层提取、统计、分析和处理，并将指令信息反馈回设备。此外，可通过访问控制实现不同用户对该层数据调用时的权限控制，保证系统的数据安全。

（5）应用层：通过各种应用服务器，结合行业需求，融合行业专业技术，实现广泛智能化。对于地铁车站级AFC信息管理系统，主要通过各种应用服务终端实现对数据的收集、统计、分析和处理，获得能反映地铁运营管理状况的信息，并在此基础上做出相应的反馈，实现实时管理和及时控制。

2.3 系统功能模块

基于物联网的地铁车站级AFC信息管理系统由钱箱管理、票箱管理、乘客事物管理、设备管理和数据管理5大模块组成，各模块实现功能如图5所示。

图5 基于物联网的地铁车站级AFC信息管理系统功能图

2.3.1 钱箱管理

钱箱管理模块主要负责钱箱的预警、静态监控、动态追踪、库存管理以及信息管理。对于一个站点而言，钱箱主要分布在自动售票机（TVM）、票务处理机（BOM）、仓库以及途中，涉及更换提醒、出入库管理以及在途追踪3个问题。利用标识钱箱身份的RFID标签的读写功能，将钱箱的状态信息写入，并通过RFID读写器实时地获取这些信息后传输到AFC信息管理系统中，通过系统的统计、分析、处理，最终获得该钱箱的管理特征和信息。

（1）对于安置在设备中的钱箱，通过设备触发RFID读写器，读写器将变更信息如钱箱中的钱数、钱箱的更换信息等写入RFID标签中，AFC信息管理系统通过触发读写器定时获取标签中的信息。通过设置更换临界值，可实现更换提醒，达到钱箱静态监控的目的。

（2）对于安置在仓库中的钱箱，在仓库出入口处安置RFID读写器［6］，并将其设置成自动触发。每当钱箱出入库时，读写器读取该钱箱RFID标签中的信息，并上传至系统，实现自动出入库管理。

（3）对于在途的钱箱，为了保证其安全可控，可在沿途设置必要数量的RFID读写器，当钱箱经过这些特定区域时，读写器自动触发，自动获取钱箱信息，从而达到动态追踪的目的。

2.3.2 票箱管理

票箱管理同钱箱管理基本类似，区别在于票箱多了一个分布地——闸机。闸机用于回收车票，与TVM、BOM中的票箱功能刚好相反，因此在考虑票箱更换时，需要考虑闸机中的票箱情况。另外，票箱的信息化管理可以更好地统计和预测车票丢失或损坏的情况，便于站点预测性地向上级提出补票申请，上级也可根据统计曲线提早制定车票生产计划。

2.3.3 乘客事物管理

乘客事物管理模块主要负责乘客事务的电子录入，在解决乘客事物时系统根据数据库能够智能化地给出解决方法，减轻了员工的工作强度和难度，并在减少出错率的同时方便了数据统计，是实现地铁运营管理全数字化不可忽视的一方面。

2.3.4 设备管理

设备管理模块主要负责设备基本信息的管理、设备状态监控、设备维修报警以及设备维修过程管理。事实上，AFC系统已经囊括了设备状态管理，但是，出于对系统安全的考虑，目前由AFC系统提供的设备信息仅向管理层开放，巡检工班只有接到上级电话时才能知晓设备情况，这必然会耽误设备维修的时机，给乘客出行带来麻烦。该模块即为解决此问题而设计，通过与AFC系统的交互，获知设备状态信息，直接面向维修工班，以便其第一时间前往现场进行维修，为地铁的高效运营提供技术支撑。

2.3.5 数据管理

数据管理模块主要负责提供人员信息的管理、文档管理以及系统管理。对于文档管理，即将数据集中管理，无需登录相应的管理模块便可查看和打印各类常规报表，浏览和下载公司电子化的制度、手册。

2.4 系统应用的网络结构

系统构建时必须因地制宜。地铁的运营管理覆盖范围广，从中心到线路到站点，是一个分布广泛又统一管理的整体，因此，在建设系统时，必须综合考虑各线路、各站点之间信息的联通与统一。根据图6所示的网络结构，每个站点均建设有与图中“车站1系统网络结构”相同的网络环境。车站控制室负责本站点的信息管理，并通过地铁系统光传送网（OTN）［7］与上层控制中心进行通讯，一方面实时上传必要的运营信息、及时发送请求，另一方面接收AFC系统服务器中相关信息和上层决策指令，形成一个开环的网络，最大程度地发挥物联网的作用，最终达到信息共享、实时控制、提高效率的目的，实现整个地铁运营管理过程中信息、资源的共享和整合。

3 结语

基于物联网的地铁车站级AFC信息管理系统是在综合应用计算机技术、网络技术、多媒体技术的基础上，再利用RFID技术等物联网关键技术，将关乎地铁高效运营的票卡管理流程、账务管理流程和运营维护流程集于一体的综合系统。通过RFID技术，实现对钱箱票箱的实时监控、在途跟踪以及自动出入库管理；通过信息化手段，实现乘客事物管理的无纸化和智能化；通过系统集成，实现设备维修管理的及时性和针对性，最终达到地铁运营管理过程中信息共享和实时控制的目的，为地铁全数字化奠定基础。

总之，在物联网不断盛行的当今社会，建设基于物联网的地铁车站级AFC信息管理系统符合地铁运营管理的需要，符合国家信息产业建设的需要，符合时代发展的需要。