城市轨道交通自动售检票系统架构优化

曹家玉 林雪峰 李悦溪

（上海仪电物联技术股份有限公司 上海市 200233）

1 引言

轨道交通自动售检票（AFC，Automatic Fare Collection system）系统是轨道交通系统的核心子系统，是集计算机技术、信息收集和处理技术、机械制造于一体的自动化售票、检票系统，具有很强的智能化功能。这一系统在世界各国的城市轨道交通中得到了广泛的应用。

自动售检票系统最初是来自于国外，随着我国经济技术水平的发展，产品形式的多样化，科研水平的提高，我国的轨道交通AFC系统经历了从无到有的过程。它在改善乘车秩序，提高工作效率，提升企业管理水平和运输效率等方面起着巨大的作用。

随着轨道交通进入规模化运营、网络化运营之后，其路网结构、收费方式及业务管理的模式也在不断改变，因此AFC 系统架构也在不断发展和优化。

2 传统五层架构体系

2.1 传统五层架构的自动售检票系统

传统的自动售检票系统一般为五层架构，包括清分中心系统（ACC）、线路中央系统（LCC）、车站计算机系统（SC）、车站终端设备（SLE）和票卡。其系统架构如图1。

第一层：ACC（AFC Clearing Center，清分中心系统）是轨道交通票务清分的中央计算机系统，由生产系统和容灾备份系统组成，负责轨道交通全路网的票务管理、票卡发行与调配管理、地铁专用车票一卡通等换乘交易清算、路网运营模式监控，以及各类交易数据、客流数据的统计分析报表。

第二层：LCC（Line Central Computer，线路中央计算机系统）是指本线路的中央计算机系统，在总体机构中属于二级机构。LCC负责本线路的票务管理、设备运行的监控、数据审核、参数管理、安全管理、网络管理、故障自诊断等功能。

第三层：车站计算机系统SC（Station Computer），SC 为车站计算机系统，向上连接LCC，向下控制所有车站设备。它的功能主要包括：收集、统计运营数据、监控和数据采集，本站车票管理、现金管理等。

第四层：车站终端设备（SLE），由BOM、TVM、GATE 等终端设备组成，依据其不同设备类型完成相应的功能操作，如售票、进出站检票、票卡更新、车票回收等。

第五层：票卡，由单程票、储值票、公交卡、城市通卡等组成，记录车票的系统编号、安全信息、车票种类、个人信息、进、出站信息、金额、有效期、历史交易记录等信息，与车站现场设备共同完成自动售票、检票功能。

2.2 传统五层架构存在的问题

传统五层架构体系中各个层次相对独立，又逐级管理，能够很好的完成地铁票务业务功能。但是，随着地铁路网规模和业务的不断扩大，五层架构存在明显的问题。

（1）因路网规模的扩大而增加的各级节点，导致维护的难度和成本越来越高。

图1

图2

（2）采用逐级管理、分层数据存储的设计原则，存在非常大的资源浪费和数据冗余。

（3）数据传输效率不高，无法满足运营精细化管理对客流的实时性要求。

（4）作为基于脱机卡片钱包消费为基础涉及的信息化系统，越来越不适应移动支付业务在轨道交通自动售检票的应用需求。

2.3 基于多线路中央的五层架构体系

由于五层架构体系存在建设投入大、数据传输效率不高、数据冗余严重等特点，因此国内轨道交通企业纷纷开始对轨道交通自动售检票系统进行优化和创新。其中上海轨道交通最早进行了线路中央技术处理技术的研究，北京、深圳、苏州等城市纷纷开始建设多线路中央系统（MLC）。

图3

图4

图5

MLC 系统是多条AFC 系统的核心部分，是新型的AFC 线路中心，优化了LC 系统建设模式，打破了原有的每条AFC 线路单独建设独立线路中心的传统格局，实现了多条线路的车站层的统一管理，同时简化了线路与清分中心ACC 的接口，提升了系统的利用率和可管理性。MLC 系统的采用极大降低了AFC 建设、运营和维护的成本。按照10 条线规模估算，建设、运营和维护成本的5年可节约2 个亿，取得了良好的经济效益。另外，通过MLC 的主备中心系统的规划，可以极大提升系统的可靠性，确保应用和数据的安全。见图2。

3 基于融合技术的四层架构体系

对于实现了线路中央集中处理技术的5 层架构体系，架构层次没有改变，只是节约了建设和运维成本，但是从数据冗余和处理效率来看，没有本质性的变化。因此国内城市开始了进一步的研究和探索，提出了线路中央和清分中心融合的四层架构体系。

从目前的情况看，线路中央一方面有很大部分业务功能与清分中心基本重复，另一方面有小部分功能由于管理架构的改变、数据线路局限性等原因而在实际中不再使用。因此，经过对原有五层架构中的清分中心和多线路中央系统进行业务上的整合和优化，可以对二者在基础IT 资源、系统功能和数据等方面进行深度的融合，形成新的路网融合清分中心系统。路网融合清分中心系统提供票务管理、运行模式管理、数据采集、性能监控、设备监控、故障管理、统计报表、票务清分、参数管理等各项功能。

因此，轨道交通系统的四层架构，包括路网融合清分中心系统、车站计算机系统、车站终端设备以及票卡。其架构体系如图3 所示。

四层架构体系中的路网融合清分中心系统基于云计算技术，在基础设施IaaS 层实现共建共享，在平台PaaS 层发布统一的数据库平台和数据交互平台，同时在软件SaaS 层对于线路中央和清分中心的业务进行归纳和整合。系统应用虚拟化技术、负载均衡技术和系统管理技术等，将系统的服务器、磁盘阵列等设备分别形成存储、数据库、通信处理、业务处理等资源池，统一外部接口，集中处理数据，具有资源层共享、平台层优化集中、应用层降耦配置、突出数据应用等优点。通过这种融合技术，可以进一步建设系统建设费用，减少数据冗余，同时可以有效的提升数据传输和处理的效率。

目前新建城市基本按照此架构建设AFC 系统，上海于2018 年建成融合平台，节约建设费用40%，提升数据处理速度2 倍以上。

4 基于“云”+“端”的三层架构体系

自2017 年以来，随着城市轨道交通的刷码过闸应用开启，票务支付方式日新月异，包括人脸识别、语音识别技术的应用、掌静脉过闸、刷脸过闸、银行卡过闸等方式层出不穷，这些支付方式的相对于传统的钱包脱机消费方式发生了巨大的变化，无一例外的都对于交易的实时性、在线性、安全性提出了很高的要求。传统的五层或四层架构体系需要经过巨大的变革代价才能满足新业务的发展，而且随着5G 技术的成熟、云计算技术的广泛应用，轨道交通自动售检票系统的新的变革已经非常迫切，因此提出了基于“云”+“端”的扁平化的自动售检票架构体系。其架构体系见图4。

“云”+“端”的自动售检票系统，采用的是三层的架构体系，

通过建立统一的票务中心系统云平台，在IaaS 层通过云计算技术进行网络、存储和计算资源的云化，并且将清分中心、线路中央系统和车站计算机系统的业务功能进行归纳和整合以后，以微服务的方式进行发布，同时对票务中心系统构建统一的数据中台，涵盖在线的流式数据处理、数仓应用以及历史的数据湖存储。“云”+“端”的自动售检票系统见图5。

通过建立“云”+“端”的三层AFC 架构，其优点包括如下：

4.1 大大提升数据处理的速度

通过“云”+“端”模式，减少了车站计算机和线路中央计算机的存储转发等环节，可以有效的减少交易在业务层面的延迟，确保交易的实时相应，将原先的交易相应速度以分钟计算变为毫秒级相应。一方面可以通过在线交易的验证，确保交易的安全性，同时实时的交易分析处理和客流统计，也可以给管理者提供更加及时的客流分析结果，提升运营管理的精细化程度。

4.2 降低建设运营成本，提高资源利用率，提升系统可靠性

通过车站计算机和线路中央计算机的裁剪，以及通过云管技术对于资源的调度和管理，可以有效降低建设和运营成本，同时基于微服务和分布式的软件架构设计，结合负载均衡和双活技术，可以确保系统的7*24 小时不间断运行，有效提高系统的运行可靠性。

4.3 提升业务快速的响应程度

“云”+“端”的架构模式，二期应用采用微服务发布，确保了新业务从需求、到设计、开发测试和发布的敏捷开发模式，彻底改变了传统的AFC 牵一发动全身的模式。从立项申请开始，到原型开发验证，再到发布上线，不需要对原有的系统进行大的改变，而只是需要以微服务的方式新增应用或对原有的关联业务进行优化和调整即可，极大的提升了业务的响应速度。

5 结语

随着轨道交通网络化运营的逐渐实现，随着底层基础的票卡形式、支付方式的智能化发展，以及对于数据分析和辅助决策的实时性的更高要求，AFC 系统的优化越来越受到有关部门的重视，本文分析了基于AFC 系统功能与非功能的需求，研究了AFC 系统的发展历史和优化方向，云计算在轨道交通系统中大量使用对AFC 系统的优化具有积极意义。