城市轨道交通自动售检票系统读写器技术的发展与标准化

范 巍

(中铁第四勘察设计院集团有限公司通信信号研究设计处，430063，武汉//高级工程师)

IC 卡读写器(以下简为“读写器”)是城市轨道交通自动售检票(AFC)系统现场终端设备的重要组成部分，负责对票卡进行读写和信息认证，完成相关票务处理流程，是AFC 系统完成交易数据处理的核心部件。多年以来，传统的读写器设计理念停留在单一化体系模式，不同供货商之间设备兼容性很差，而新线路、新应用的引入往往伴随着既有线的改造，造成投资和运营成本的巨大浪费和重复建设。

随着城市轨道交通网络化运营的需求日趋凸现，将读写器按照线网级应用进行标准化设计和开发，从根本上解决不同供货商设备的互通、互换，以及AFC 设备如何灵活地适应不断发展的新票种、新业务、新应用等问题，是当前AFC 业界的一个普遍思路。笔者将在回顾我国轨道交通读写器技术发展的基础上，结合武汉、长沙、昆明等城市轨道交通线网级读写器的设计经验，重点论述读写器标准化设计和应用的意义，标准化的现状和特点，以及线网级读写器设计中业务处理范围划分等方面的内容。

1 读写器技术发展的主要阶段

我国城市轨道交通读写器的研制，与2000年以来非接触式IC 卡制式AFC 系统在国内的大规模建设和应用紧密联系。伴随着AFC 系统的发展和变化，读写器不断演变和改进。一般来说，读写器的技术发展可总结为3 个阶段。

(1)分离式模块阶段。这一阶段是城市轨道交通读写器较原始阶段，主要特点是主板与I/O(输入/输出)板、射频电路板分立，甚至仅仅是“主板+天线”的形式。SAM(安全存取模块)卡插槽数量少，SAM 控制电路简单，硬件平台以8 位MCU(微控制单元)为主，软件平台基于单一的体系环境需求设计，基本不具备对新业务、新应用的扩展能力。由于无法适应AFC 系统的快速发展，这一阶段的读写器迅速被更新、取代。

(2)纯驱动型阶段。2004—2010年可大致作为读写器的纯驱动型阶段，其在硬件上已集成为一个独立的嵌入式模块，处理能力得到大幅增强，通常采用32 位芯片，SAM 卡插槽数量大为增加，达到4～6 个，支持的票卡介质一般为逻辑加密卡;在软件功能设计上，读写器仅处理卡协议，完成与卡片的数据交换及与上位机的数据传输，与卡规划和卡业务相关的处理由上位机完成。这一设计决定了当AFC 系统新的业务需求产生变化时，不可避免地要对读写器和上位机设备进行改造。例如，2007年深圳地铁为支持A 型CPU 卡和适应新的卡种应用，2009年武汉地铁为兼容“武汉通”卡及满足线网运营的要求，2010年重庆地铁为兼容”重庆城市通”卡和手机支付业务，以及解决后续线路网络化运营问题，都对线网内AFC 设备和读写器进行了较大规模的改造和软件升级。

(3)标准化阶段。2010年以来，先期进行轨道交通建设的各主要城市都不同程度地经历了由于新线路开通、城市通卡引入及新票种新业务引入而造成的对既有线路AFC 系统的升级改造，从而引发对研发线网读写器(或称“标准读写器”，俗称“大读写器”)的重视;新建轨道交通的城市也将其作为一个重要的经验教训，并在进行第一条轨道交通线路建设时，就提出采用线网级读写器的要求。在这一时期，许多城市根据自身特点、不同的项目需求和对线网级读写器的理解及构想进行了读写器的研发，形成了设计理念不尽相同、各具特色的读写器地方标准。而这一时期票卡介质的发展也在客观上推动了读写器的技术进步，2008年M1 卡安全算法遭破解后，各城市基本上都增加了读写器对CPU 卡的读写功能;2012年以来金融IC 卡和NFC(近场通信)手机支付应用的迅速发展，使各城市纷纷对读写器开发提出了相应的要求。

2 传统读写器的局限

传统读写器的特点主要表现为单线路、单运营商、单集成商/设备商的单一化结构体系模式，读写器通常集成于各AFC 系统终端设备中，采用与卡规划设计应用、系统业务完全无关的纯驱动型设计方式。随着城市轨道交通的发展，运营线路不断增多，卡业务、卡应用的范围也不断扩大。2003年之后，各城市相继开始 AFC 清分中心(ACC)系统的规划和建设，AFC 系统由传统的四层架构演变为五层架构(清分中心—线路中央计算机—车站计算机—车站现场设备—车票)，原来各自进行的票卡、读写器规划设计和管理工作，逐渐交由ACC 统一完成。

在新的网络化运营需求和AFC 系统结构体系下，传统纯驱动型的读写器设计模式存在以下问题:

(1)票卡的数据结构规划、密钥安全设计、票卡应用、读写器安全等资料将向线网内参与建设的所有集成商/设备商开放，AFC 系统的安全风险加大。

(2)集成商/设备商根据自身设备特点进行读写器开发，与上位机的软硬件接口各不相同，无法通用;新线设备设计须与既有线进行兼容性开发或对其改造，ACC 业务的统一规划和管理难以进行。

(3)由于业务处理由上位机而不是读写器完成，当要求引入新的卡标准(如兼容Type A、B、C)、卡类型(如逻辑加密卡发展为CPU 卡)、卡业务(如城市通卡、市民卡、金融IC 卡、手机支付等)时，必须进行现场设备的软件升级甚至改造，新增投资和运营影响都较大。

随着我国第一批城市轨道交通线网的逐渐形成，纯驱动型读写器无法适应新业务和线网化运营的弊端日趋凸显，对读写器和现场设备的改造工程频繁发生。因此，进行标准化、独立化和通用化的线网级读写器设计，是读写器技术发展的整体趋势。

3 线网读写器的标准化

目前，我国各主要城市在轨道交通建设中已普遍要求采用线网读写器，并不同程度地制定了地方性标准或企业标准。由于各地标准制定的时间跨度和工程特点的差异，其在软硬件设计、性能要求、业务处理范围、接口实现方式等方面的规定不尽相同，但总体而言，一个典型的线网读写器设计应具备以下基本特征:

(1)嵌入式独立模块化设计，对上位机采用标准的软硬件接口设计。硬件接口可选用RS-232、USB、Ethernet 等接口标准。软件接口可进行标准API(应用程序接口)设计，或定义标准数据报文调用命令。

(2)支持13.56 MHz 下所有类型的被动非接触式通信方式和协议，可读写符合ISO/IEC 14443 标准的 TYPE A 和 TYPE B 卡(个别应支持 A、B、C)，以及符合PBOC 3.0 标准的金融IC 卡。

(3)读写器软件应采用层次性的开发方法，在业务功能的设计上，与卡规划和卡业务相关的处理应尽可能交由读写器完成。

(4)读写器硬件应采用32 位微处理器，支持嵌入式操作系统;支持多SAM 卡应用(4 个以上，多至8 个);程序存储空间与交易记录空间不低于256 MB，程序运行空间不低于128 MB。

4 线网读写器的业务处理

线网读写器设计的核心在于业务处理功能的划分，它是决定读写器标准化、独立化和通用化程度的重要因素，也是线网读写器的标志性特征。纵观我国城市轨道交通的发展历程，读写器业务处理范围的逐渐扩大和功能的不断增强，既得益于微处理器和数据存储技术的发展为其功能扩展提供的硬件支持，更主要的是由轨道交通AFC 系统应用环境、业务种类的复杂化和多样性对线网读写器的客观需求决定的。一般来说，这些需求包括:①支持新票种(或新卡型)的引入;②适应票卡数据结构升级;③支持各种终端设备应用;④支持多线路、多运营商应用;⑤满足业务安全性需求;⑥满足ACC 统一规划及运营需求。因此，在多线路(多运营商)的轨道交通AFC 系统体系下，为实现读写器的标准化、独立化和通用化，其业务处理必须包含与票卡规划、票卡设计相关的所有功能，以及尽可能多地包含与运营处理相关的功能，其相应地将这些业务从上位机的软件设计中剥离。

目前比较典型的线网读写器业务处理划分模式为:将有关卡运营有效性判断和交易参数生成的主要部分保留在上位机完成(核心的是对票价表和名单、降级模式等处理的保留)，其他业务功能均在读写器内部完成。这一模式下，票价方案和名单参数等仍需在终端设备上部署实施，由此带来的主要问题是当ACC 希望就线网整体进行票价调整时，理论上必须针对各条线路的多种设备进行调试。在下发名单、降级模式时也存在类似问题。

武汉、长沙等城市近年来设计、使用的读写器，对业务处理的全面下移进行了进一步尝试。读写器将各类业务进行封装，提供相应的通信报文供上位机主控程序调用;全部交易处理在读写器内部完成，上位机只根据报文的调用返回值和回传数据结构进行通行逻辑控制，从而最大程度地实现了读写器的独立性和通用性，形成所谓的全功能线网读写器。读写器负责完成的处理包括:①KEY、MAC 计算处理;②卡恢复流程处理;③应用数据映射卡物理地址读写;④卡基本有效性判断和卡运营有效性判断;⑤卡应用数据读写逻辑处理(包含容错处理);⑥交易数据的组织;⑦交易逻辑判断;⑧票价计算处理;⑨降级模式的处理。

5 展望

城市轨道交通AFC 系统读写器经过十几年的演变和改进，从分离式模块阶段、纯驱动型阶段发展到线网级标准化阶段，读写器的标准化、独立化和通用化，是实现AFC 系统线网化运营的重要技术手段。读写器技术标准是城市轨道交通AFC 系统技术标准中不可或缺的重要组成部分，直接影响其他标准组成部分的制定;技术标准中对于读写器业务处理功能的划分，实现与卡规划和卡业务相关处理的要求，成为标志线网读写器的显著特征。

展望线网读写器未来的发展，在业务和功能实现方面，处理商业银行发行的符合PBOC 3.0 标准的金融IC 卡和NFC 手机支付应用，将是线网读写器的一个重要发展方向，并将成为线网读写器的必备功能;在软硬件设计上，已形成成熟标准的城市将稳步发展和更新，而新建轨道交通的城市，必将要求读写器在最大程度上实现标准化、独立化和通用化。业务应用的丰富、功能实现的下移和硬件能力的强化，是读写器发展的必然趋势。

［1］陈凤敏，赵晓蓉，居理，等.城市轨道交通自动售检票系统工程质量验收规范［S］.北京:中国计划出版社，2006.