智慧地铁站终端设备新功能的探讨研究

2020-01-17董淳

自动化与仪表 2020年8期

董淳

（中国机房设施工程有限公司，天津300061）

地铁已成为城市居民出行不可或缺的公共交通工具。地铁站务作为地铁车站设备运营、乘客服务的主体，目前主要通过工作站的运营监控界面和人工巡站等方式处理站务日常工作。近年来，如何基于工业互联网、大数据、人工智能等新技术，构建地铁智慧运营平台，已成为地铁站务智慧应用的研究热点。目前国内针对地铁生产系统应用工作开展了较多研究，但对移动站务管理系统研究较少，相应的配套方案还不够完善，本文探讨了智慧地铁车站移动站务管理系统的设计思路[1]。

1 需求分析

天津市轨道交通AFC 系统非接触IC 卡读写器（以下简称读写器）为重要的单元设备，非接触IC 卡读写器是一个功能独立的，具备在安全认证模块的配合下，在其读写范围内对天津轨道交通非接触IC卡车票（包括由天津地铁发行的单程类车票和储值类车票，天津城市一卡通有限公司发行的城市卡以及京津冀一卡通卡）、二维码车票、以及手机NFC 虚拟化车票以及金融IC 卡（PPOC3.0）完成车票交易的整体功能统一的软、硬件综合体。本文所描述的读写器包括AFC 系统设备、站级设备所使用的读写器、便携式检/验票机等[2]。

读写器由天线、控制板、SAM 卡、读写器软件组成。控制板包括微程序控制器、射频电路、接口单元、存储器和电源模块等。读写器控制板应包括以下功能：车票读写功能；车票安全功能；获取运营模式功能；获取解析参数、履历模式、黑名单功能；IC卡业务逻辑处理功能；向ECU 主程序提供接口功能；生成UD 数据功能；内部接口功能；软件在线更新功能。

2 功能描述

读写器在软件功能上完全满足目前天津轨道交通网络化运行的车站容量规模设计，并随着轨道交通线路和车站的延伸，通过参数配置来满足线网扩展的要求。在满足天津轨道交通有关标准及规范的前提下，尽可能提高读写器对轨道交通一票通及一卡通读写速度和读写操作的可靠性。当读写器出现异常情况时，上位设备可通过状态检查及时了解读写器异常状态，以保证互联设备即时获取相关故障信息[3]。

读写器采用32 位CPU、嵌入式Linux 操作系统。运算速度能满足轨道交通对车票的典型交易时间。存储器与内存有足够的容量，用以运行操作系统、应用程序和保存与票卡有关的参数文件。读写器可独立实现票卡交易流程，可以支持ACC 统一下发交易流程处理模块，以实现对票务规则的修改，而无需修改和配置任何硬件和其他软件。

读写器具备与安全认证模块（SAM）之间的数据传输接口和能力。

读写器和车票（包括线网系统中正在使用的票卡和在建线路采购的票卡）具有良好匹配的天线品质因素和工作频率，保证乘客所持非接触车票以任何角度、任何划动速度进入有效读写区域，均可完成可靠的、高效、安全的读写操作。

读写器有效读写范围（车票距离天线平面的垂直距离），卡式票为0～8 cm，读写器能够充分适应轨道交通AFC 系统要求交易速度快的特点，车票的典型交易（含安全认证、过程文件处理、钱包文件处理、交易数据产生、TAC 码生成等）时间小于300 ms。

读写器采用嵌入式安装，其安装位置及外形应与设备的整体设计相协调，最大限度地方便乘客和操作员使用。其表面光滑无毛边，不能对使用人员造成伤害。读写器内部结构紧凑，能够耐受地铁环境下的温度、湿度、震动、电磁干扰，手机、列车等电子电气设备的使用不会对其造成影响。

读写器能够保证读写操作的可靠性，能够避免在掉电、车票划动不当等情况造成数据丢失、票卡损坏等现象。

读写器符合ISO/IEC 14443 TYPE A/B 标准，支持如下：Mifare®Ultra Light、Mifare®S50S70、Mifare®PRO CPU 卡、PBOC2.0 CPU 卡、PBOC 3.0 CPU卡和双界面CPU 卡等IC 票卡。

读写器能够实现二维码车票及手机NFC 虚拟化车票以及金融IC 卡（PPOC3.0）的读写。

读写器满足天津互联网智能支付技术相关技术规定。

读写器技术方案能够满足天津轨道交通AFC系统相关技术标准的要求。

读写器能够支持联乘优惠、累计优惠等优惠方式，并支持相应优惠方式下对票卡的操作。

读写器支持对计程、计次、计时、区域、区段、周期、往返、团体票等票种的操作。

读写器设备全面实现既有的清分系统参数，具备参数扩充调整能力。

读写器能够完全执行ACC 下发的AFC 运营参数、黑名单参数、模式履历参数，按照AFC 技术标准规定的参数管理模式进行统一的参数管理。

读写器能够完全实现AFC 技术标准中的车票参数、系统控制参数、票价参数、日历时间段参数、路网拓扑参数、优惠参数，并对每个参数规定的每个字段都予以充分落实。在读写器项目执行过程中，提供针对每个参数的独立测试报告，并由清分系统检验。

读写器完全符合AFC 技术标准规定的黑名单管理模式，具备黑名单自动接收和下发机制，黑名单可在运营时段下发，且下发时须做到设备不离线、不影响正线运营。

读写器需实现AFC 技术标准定义的所有运营模式，并在测试完成后提供针对每个运营模式的测试报告，并由清分系统检验。

读写器的数据审核机制需要包括交易生成审计、交易上传审计、车票回收审计、日终对账审计、寄存器审计等。

读写器在软件架构设计时建立一套完整可行的交易生成审核机制，能保证交易生成、交易上传的准确性。读写器交易审计需要与清分系统互相配合使用，能确保清分系统能实时监控每个读写器的交易生成和上传情况。

在单程票审计方面，单程票出站交易生成和上传需要与单程票回收数量能互相审计。

读写器设备具备独立的读写器操作日志处理系统。

读写器具备独立的票卡操作日志，并有与之对应的日志处理系统。操作日志与交易记录能相辅相成。

读写器具备独立的通信地址，可直接从清分系统对读写器进行管理，如执行参数版本查询、参数下载，操作日志调阅，交易生成和上传情况检查等操作。

3 硬件架构设计

3.1 微程序处理器

微程序处理器采用工业级32 位ARM 体系处理器，采用嵌入式Linux 操作系统，支持交易程序内置，具有复位和电源监控电路以及独立看门狗电路。读写器程序运行空间采用随机读写存储器DRAM，容量128 MB。读写器系统、程序、数据存储空间采用板载Nand Flash 存储，存储空间256 MB。系统预留SD 卡接口，可通过该SD 卡接口对读写器系统、TP软件、参数等进行离线升级。关键数据存储采用非易失性存储器FERAM，数据保持寿命支持10 年，8 KB FERAM。读写器具备硬件加密计算模块，支持DES、3DES、RSA/SHA-1、SCB2、SM2/SM3 等算法。

3.2 RF 模块

读写器支持2 路RF 模块，模块选用NXP 公司的CLRC663 芯片。该芯片支持13.56 MHz 频段的ISO/IEC 14443 TYPE A/B 标准和和FeliCa 标准。射频载波频率为13.56 MHz±7 kHz。 CLRC663 是高度集成的收发器芯片，用于13.56 MHz 的非接触式通讯。读写器选用外置天线，天线采用特征阻抗为50 Ω 的同轴电缆与读写器相连，接口为SMA 接口。

3.3 天线

读写器具备两条天线，可同时工作，也可以在两条天线之间切换工作。具有抗金属环境及其它电磁信号干扰的设计，以保证在地铁设备环境中的良好工作性能；两条天线在满足最小安装间距为500 mm 时，不产生相互影响。读写器有效读写范围为卡式0～100 mm（车票与天线平面距离），在设备表面，读写范围为卡式0～60 mm（车票与设备表面距离）。

3.4 SAM 卡接口

读写器设备具备8 个SAM 卡，安装SAM 卡无需拆换电路板。 SAM 卡插座符合GSM11.11 标准。SAM 卡通讯速率可同时支持不同通信速率的SAM卡，支持PPS 设置（可在9600、38400、115200 bps 之间选择切换），支持高速SAM 卡通讯（≥312 Kbps）。

4 软件设计

读写器采用嵌入式Linux 系统，版本为3.14.43。并在此系统上开发驱动、函数库、和应用程序。应用软件采用C/C++语言开发，编译器选用ARM-LINUX-GCC，代码只采用标准的ANSI 函数库和POSIX函数库，具有很强的可移植性。 Linux 下的设备驱动程序负责将操作系统的请求传输转化为特定物理设备控制器能够理解的命令，通过读写硬件寄存器实现对硬件设备的控制。在读写器中，NAND FLASH 和eMMC FLASH 采用模块设备驱动，网络接口采用网络设备驱动。此类驱动为嵌入式Linux自带，无需自行开发。为确保未来票卡处理程序的通用性，保证该处理软件可由ACC 作为统一软件下发给读写器，需要使用动态库对硬件差异进行屏蔽，封装出统一的接口。