城市轨道交通自动售检票系统物联网技术应用研究

2015-12-21李道全

机电信息 2015年27期

李道全

（北京城建设计发展集团股份有限公司，北京100037）

0 引言

城市轨道交通自动售检票系统（以下简称AFC系统）架构体系包括：轨道交通清算管理中心、线路中心计算机系统、车站计算机系统、车站终端设备、非接触式IC卡车票［1］。AFC系统是以先进的集成技术、信息处理技术、自动控制技术、IC卡技术及安全保密技术为基础的轨道交通自动收费系统，其车站终端设备中配置了储票箱、废票箱、储钞箱、硬币补充箱、硬币找零箱、纸币补充箱和纸币找零箱，储票箱满足票卡发行需求［2］，钱箱满足购票需求。

AFC系统票箱、钱箱信息主要包括如下内容：

（1）储票箱信息包括储票箱ID、票箱内车票张数、车票编号等内容；

（2）废票箱信息包括废票箱ID、废票箱内车票张数、车票编号等内容；

（3）储钞箱信息包括钱箱ID、钱箱内钱数量、各种纸币张数及数量等内容；

（4）硬币补充箱信息包括钱箱ID、钱箱内钱数量、各种硬币枚数及数量等内容；

（5）硬币找零箱信息包括钱箱ID、钱箱内钱数量、各种硬币枚数及数量等内容；

（6）纸币补充箱信息包括钱箱ID、钱箱内钱数量、各种纸币张数及数量等内容；

（7）纸币找零箱信息包括钱箱ID、钱箱内钱数量、各种纸币张数及数量等内容。为满足运营需求，可通过设置电子标签、设置存储单元两种方式来获取上述票箱、钱箱内的信息。

1 设置电子标签

1．1 信息传递方案

电子标签，又叫智能标签，是物联网技术应用之一。电子标签采用小型天线的非接触式IC卡，其核心是采用了RFID射频识别技术、存储容量较小的芯片，具有智能读写及加密通信的能力。电子标签作为数据载体，能起到标识识别、产品跟踪、信息采集的作用。从全球角度来看，电子标签已经在广泛的领域内得以应用。

RFID系统在AFC系统中的应用就是将电子标签的IC芯片和无线天线嵌入设备表面，电子标签中存储有符合相关格式要求的电子数据。读卡器［3］可无接触地读取并识别电子标签中所保存的电子数据，从而达到自动读取RFID中所存储信息的目的。信息传递方式如图1所示。

1．2 系统结构

图1 信息传递结构

一个完整、典型的RFID系统通常由下面4个模块组成：标签、读卡器、RFID中间件、应用程序接口（API）。各模块间的关系如图2所示。

图2 信息传递数据流

1．2．1 标签

标签由天线和芯片组成，天线在标签和读卡器间传递射频信号，芯片里面保存每个标签具有的唯一电子编码和用户数据。每个标签都有一个全球唯一的ID号码——用户号码（UID），UID是在制作芯片时放在ROM中的，无法修改；用户数据区是供用户存放数据的，可以进行读写、覆盖、增加的操作。

1．2．2 读卡器

读卡器是读取（或写入）标签信息的设备，可设计为手持式或固定式。读卡器对标签的操作有三类：

（1）识别：读取 UID；

（2）读取：读取用户数据；

（3）写入：写入用户数据。

1．2．3 RFID中间件

RFID中间件是将底层RFID硬件和上层应用操作终端结合在一起的粘合剂。虽然原则上中间件是横向的软件技术，但在RFID系统中，为使其更适用于AFC系统收费领域，可要求RFID中间件针对AFC系统收费领域进行设计。

在RFID系统这种具体情况下，中间件除通常的功能外还有以下特定功能：

（1）使阅读／写入更加可靠；

（2）把数据通过读卡器网络推或拉到正确位置（类似路由器功能）；

（3）监测和控制读卡器；

（4）提供安全读／写操作；

（5）降低射频干扰；

（6）处理标签型和读卡器型事件；

（7）应用通知；

（8）接收并且转发来自应用的中断指令；

（9）给用户提供异常告警。

1．3 终端设备上的RFID技术实现方案

AFC系统中的自动售票机（TVM）、半自动售票机（BOM）、自动检票机（AG）的票箱（含废票箱）具有物理规格相同、使用功能相同的特点，承担在车站内票卡循环使用甚至线路内票卡循环使用的作用；此外，TVM中的钱箱（包括纸币钱箱和硬币钱箱）都利用RFID技术进行编号管理，与车站计算机系统（SC）中的现金管理、收益管理等功能共同发挥重要的作用。在维修管理系统中，AFC设备中的重要部件也可以利用RFID的电子标签实现部件编号管理，有助于提高设备维护的效率。

1．3．1 RFID读卡器设置方案

在TVM、BOM、AG中都可安装RFID读写器，用于识别安装于这些设备中票箱和钱箱编号，并将相应的票卡编号、交易时间等信息与票箱、钱箱进行关联管理。RFID读卡器安装数量可根据设备中票箱、钱箱的数量而确定，AG中票箱RFID读卡器安装位置示意图如图3所示。

图3 读卡器安装位置示意图

RFID读卡器可通过RS232与设备的主控单元相连，同时可接受主控单元的指令和控制，如图4所示。

图4 读卡器连接

综上，在储票箱（或废票箱、纸币钱箱、硬币钱箱）上安装RFID作为储票箱（或废票箱、纸币钱箱、硬币钱箱）的电子ID，并将储票箱内存放的车票张数、每张车票的编号（或钱箱内钱数量、各种纸币张数及数量，或钱箱内钱数量、各种硬币枚数及数量）存放在RFID上，在车站票务室安装读取RFID的读写器以读取RFID上存储的信息。这种方案除需在每个储票箱（或废票箱、纸币钱箱、硬币钱箱）上安装一个RFID外，还需在TVM、BOM及AG上安装一个RFID读写器，以对RFID进行读写。

1．3．2 信息获取方案

在AFC系统中收益管理是指涉及票箱、钱箱更换，售票操作人员现金业务等方面的管理，目的是实现AFC系统内票卡、现金、账务的安全、正确使用和管理。收益管理中具体业务操作有以下几类：

（1）自动售票机补充找零硬币；

（2）自动售票机钱箱更换；

（3）自动售票机钱箱清点；

（4）自动售票机票箱更换；

（5）自动售票机班次报告；

（6）自动售票机班次审核；

（7）半自动售票机班次核算；

（8）预赋值车票处理；

（9）自动检票机票箱更换。

在这些业务操作中，自动售票机补充找零硬币、自动售票机钱箱更换、自动售票机钱箱清点、自动售票机票箱更换、半自动售票机班次核算、TVM及AG票箱更换，可以充分利用RFID电子标签，将票箱、钱箱编号，票箱中的票卡数量，钱箱中的纸币张数、硬币枚数，连接于票务室工作站的读写器，RFID读卡器通过天线发送一定频率的射频信号，当设备上嵌入的标签进入磁场时，就产生感应电流从而获得能量，以发送自身存储的信息，被读卡器读取并解码后送至计算机系统进行相关流程处理。

通常读卡器在读取标签时给计算机系统传递三种信息：标签ID内容、读卡器自己的ID内容和读取标签的时间。通过获取这个读卡器中的信息，就可掌握票箱、钱箱上标签中的信息以及它是什么产品，然后根据时间数据跟踪标签，即可随时随地了解票卡、钱箱及票箱等的信息，再与人工清点数目、系统交易数据统计数目进行核对比较，能有效提高票卡、现金的管理应用安全和管理效率。

2 设置存储单元

2．1 存储单元设置方案

储票箱（包括废票箱）上安装有一个存储单元，用于存放票箱电子ID、票箱内车票张数、车票编号等信息，通过车票回收单元（TCU）或车票发售单元（TIM）模块与设备主控单元进行通信。设备主控单元通过串口与TCU或TIM模块通信以存取储票箱（包括废票箱）上存储单元中数据。

纸币钱箱上安装有一个存储单元，用于存放纸币钱箱电子ID、钱箱内钱数量、各种纸币张数及数量等信息，通过纸币识别模块（Bill Module）与设备主控单元进行通信。设备主控单元通过串口与纸币识别模块通信以存取纸币钱箱上存储单元中数据。

硬币钱箱上安装有一个存储单元，用于存放硬币钱箱电子ID、钱箱内钱数量、各种硬币枚数及数量等信息，通过硬币识别模块（Coin Module）与设备主控单元进行通信。设备主控单元通过串口与硬币识别模块通信以存取硬币钱箱上存储单元中数据。

2．2 信息获取方案

在车站票务室计算机上安装一套软件，外加通过串口连接的车票回收单元（TCU）／车票发售单元（TIM）、纸币识别模块（Bill Module）、硬币识别模块（Coin Module）模块与相应的票箱、纸币钱箱、硬币钱箱相连，就能读取票箱、纸币钱箱、硬币钱箱上存储单元中存储的相关数据。其连接方式如图5所示。

图5 连接方式

如果票箱、纸币钱箱、硬币钱箱供货商能够开放其存储单元的存取协议，在车站票务室计算机上安装票箱、纸币钱箱、硬币钱箱对应的数据通信转接头后，则连接方式可以简化，如图6所示。

图6 简化的连接方式

3 推荐方案

综上，上述两种方案均可实现钱箱、票箱信息获取，同时结合目前AFC系统中的TVM、BOM、AG设备的票箱（含废票箱）或钱箱上均配置了电子标签RFID，只要在TVM、BOM、AG终端设备配置基础上增加电子标签RFID读取／存储的读卡器，同时在票务室计算机上连接能读取电子标签RFID的读写器，按票务处理流程内置的标准化读写器在地铁自动售检票系统中的应用要求［4］就可满足运营需求，因此推荐采用方案一——设置电子标签。