单轨交通票务系统创新优化研究

田 沃 王国霖 孙 嵘

(中铁工程设计咨询集团有限公司,北京 100055)

1 概述

城市轨道交通由一系列庞大的自动化和信息化系统以及各类基础设施组成。其中,包括信号、通信、自动售检票、乘客信息、视频监控、综合监控等生产系统,为满足运营管理的需要而建设的办公、物资、资产、生产等管理系统,也包括涵盖轨道、路基、高架结构、地下结构、隧道结构和管片等的基础设施,以及车辆、供变电和机电设备等。目前,我国单轨交通信息化、智能化建设即将步入快速发展阶段,单轨交通的建设模式、服务手段和经营方式等都面临变革。而票务系统作为实现轨道交通出行智慧化的关键所在,需要在实现进一步轻量化的同时,做到智慧化水平和服务质量的提升。

国内众多业内学者对城市轨道交通自动售检票系统(AFC)进行创新研究。杨承东等结合新形势下的轨道交通AFC 系统需求以及发展现状,提出AFC 精简化系统架构等技术发展趋势[1];张振杰针对济南地铁1 号线提出了基于人脸识别的全套AFC 系统解决方案,采用“Depth 深度活体(结构光)”方案,可支持百万级人脸库[2];景亮等对基于云平台的AFC 系统进行研究,对数据的计算、存储等流程进行云资源配置,有效降低AFC 系统建设采购及运营使用成本[3];张所斌等结合成都地铁运营需求,提出AFC 终端设备的移动化和轻量化方案,采用多种新型售检票设备,压缩设备制造和运维成本,为地铁售检票服务提供更多的设备选择[4],杨静等对新一代人工智能双目视觉闸机的应用可靠性进行研究,在大幅优化闸机尺寸的情况下,提高通行能力和反欺诈能力[5]。

以下从轻型跨座式单轨交通“降本增效”的建设需求出发,结合城轨票务系统的整体发展演变情况,从单程票“去卡化”、设备轻量化以及票检安检一体化3 个角度,对下一代智慧单轨交通票务系统的创新优化方向进行论述。

2 城市轨道交通票务系统的演变分析

城市轨道交通票务系统从诞生以来,大致经历了纸票人工售检票、纸票半自动售检票、一次性磁票自动售检票、可重复使用磁票自动售检票、接触式IC 卡自动售检票、非接触式IC 卡自动售检票,以及近几年迅猛发展的新一代“互联网+自动售检票”和生物识别无感自动检票等几个阶段。

票务系统的发展,离不开自动化、信息化的推动,近年来城市轨道交通票务系统从整体架构设计到乘客末端的支付方式,主要体现出了以下几个演变趋势。

(1)支付方式多元化

随着智能手机的普及以及生物识别技术的发展,乘车凭证已经从仅支持实体票卡演变为支持多种虚拟票卡,如二维码车票、NFC 虚拟卡、生物特征等。支付手段从现金支付演变为支持多种互联网支付,如微信、支付宝、银联云闪付等。由于对乘客、运营两方都带来了便利,互联网支付/过闸的比例自出现以来就一直在稳步攀升。同时生物识别“无感”过闸也在哈尔滨、济南、深圳、郑州、福州、太原等多个城市应用。

(2)系统整体架构优化

随着国内城市轨道交通网络化运营时期的到来,传统AFC 系统的五层架构已经在逐步进行灵活的调整和优化演变,以适应新的IT 系统架构技术发展。北京、上海、广州、深圳、成都等城市地铁逐步采用AFC多线路中心(MLC)或集中线路中心(CLC)取代单线路中心的方式,一定程度上提高了AFC 系统资源共享的范围。部分城市还尝试采用整合ACC 和LC 的方式进一步精简系统架构。随着互联网支付技术的广泛应用,互联网票务平台以及官方APP 也已成为AFC 系统新架构的重要功能组成部分。基于云平台打造的涵盖互联网票务平台、城市轨道交通APP 的新型“云上互联网+AFC”系统架构已初见端倪。

(3)乘车实名化

随着轨道交通行业的快速发展,客运量与日俱增,如何增强公共交通搭乘安全指数,保障市民通勤健康安全成为新的关注点。自2020 年新冠肺炎疫情以来,深圳、广州、长春、青岛等地通过多种形式,尝试实名制乘车,以确保地铁乘客信息可查询可追溯,实现对重点疑似人员行程轨迹有效跟踪,保障出行安全。

(4)车站票务服务智能化

随着票务系统的多元化发展,一方面,乘客的票务异常处理在由人工处理向线上APP 自助处理转变,乘客可在具备NFC 功能的手机上利用专用APP 自助处理乘车二维码、一卡通车票事务(如充值、行程查询、异常申诉等);另一方面,车站的票务服务在向智能化转变。如通过智能语音、乘客信息的可视化、人工智能等手段,可为乘客提供非现金票务、咨询、查询、导航、投诉实现信息咨询和引导等服务。

(5)互联互通需求

除上述几个主要演变以外,随着国内粤港澳大湾区、长三角、京津冀和成渝等城市群轨道交通的快速发展,还出现了跨区域的城市之间互联互通的现实需求。上海、广州、成都等地在不同交通制式间的互联互通均进行了尝试 。然而,由于高铁、城际、市域铁与城轨之间,建设及服务标准、运输组织、管理体系等方面存在差异,在跨制式之间实现互联互通和协同运输还存在较多问题。不同制式间票务系统如何实现互联互通,将成为未来一个重要研究方向。

3 单程票“去卡化”应用方案

3.1 单程票应用现状

国内城市轨道交通中单程票一般采用卡式或者TOKEN 式封装的小容量非接触式简易型集成电路(IC)卡,一次有效,进站验票,出站回收。为实现单程票的循环使用,AFC 终端设备配备了大量的单程票储票、发卡、回收机构,中心级还设置了票卡清洗设备、编码分拣等设备(见表1)。单程票卡的流通管理和相关硬件模块的维护,给轨道交通的日常运营带来大量工作。如果取消传统单程票,相应的硬件设备、占用的用房及设备空间均可减少,对于简化运营流程,减轻运营负担也具有积极意义。

表1 传统单程票处理机构/设备

3.2 单程票“去卡化”

(1)二维码虚拟车票

随着我国移动支付技术的发展,国内主要城市轨道交通均进行不同程度的AFC 系统改造。通过对自动售票机升级、建设城市轨道交通APP、与第三方移动支付服务商合作,实现移动支付购票;通过对自动检票机改造,加设二维码识别摄像头、人脸识别摄像头等设备,实现二维码识别和生物识别,进而形成以二维码支付为主、多种新型支付方式为辅的无卡支付方式。目前已开通轨道交通的39 个城市均实现了扫码过闸,包括官方APP、云闪付乘车码、支付宝乘车码、微信乘车码等。在部分城市,二维码大有取代传统单程票的趋势,例如深圳市传统单程票的使用比例已经降低至1%以下。

二维码过闸在安全性、便捷性、离线场景可用性等方面已较为完善。因此,单轨交通票务系统采用以二维码虚拟车票为主的单程票不存在技术问题。但是纸币和硬币作为法定货币,轨道交通运营单位不得拒收。因此,除基于互联网支付技术二维码以外,还需要考虑现金购票场景的需求。

(2)人脸单程票

2017 年,人脸识别开始引入铁路系统,并逐渐成为信息化时代大众出行不可或缺的工具[6]。目前,国内已有多个城市轨道交通在AFC 系统中对人脸识别技术进行不同程度的应用(均采用1:N人脸识别技术),流程大致为人脸数据建档并生成特征库-现场人脸图像摄取-与建档特征库对比3 个步骤[7]。然而,在人脸图像摄取过程中,存在环境不确定性(如光照)、人脸模式的多样性(如胡须、眼镜、发型变化等)、人脸塑性变形的不确定性(如表情变化、整容等)因素,同时人脸库N 的扩大会造成准确率下降。因此,现阶段对人脸识别技术的全面推广还存在一定困难。

单轨交通具有中低运量的特性,较低的客流总量及客流密度对于人脸识别系统有着比地铁更好的适应性,除了面向注册常乘客的1:N人脸识别无感过闸应用以外(人脸账户票),还可推行面向普通乘客的人脸单程票应用。

人脸单程票以乘客脸部特征作为单次乘车凭证,乘客在自动售票机或者APP 进行人脸图像录入并支付成功后,可实现单次刷脸乘车的虚拟单程票,具有一次购买、一次使用的特点,可支持现金支付及互联网支付,解决了二维码单程票无法采用现金支付的弊端。人脸单程票使用流程见图1。

图1 人脸单程票使用流程

(3)可识读证件单程票

可识读证件单程票是指将身份证作为单程票的信息载体,通过网络或现场设备购票,将身份信息与购票信息绑定,使乘客可以刷可识读证件过闸乘车。

我国铁路部门早于2011 年6 月份便开始在京津城际、京沪高铁采用身份证进出站功能,最终于2020 年4 月29 日实现内地高铁和城际铁路电子客票全覆盖。目前,国内所有高铁和城际铁路均已取消检票机的纸质票检票机构,身份证等可识读证件乘车是唯一的乘车方式。随着铁路部门对于身份证乘车的推行,以及铁路技术、线网的进一步发展,会有越来越多的居民选择搭乘高铁或动车,也将因此熟悉身份证乘车这一出行方式。

综上所述,可识读证件乘车技术亦已成熟,且在相关领域有所应用,部分人群已经具有使用经验,因此单轨交通中只需进行合理引导,即可使乘客接受这一乘车方式。可识读证件单程票使用流程见图2。

图2 身份证单程票使用流程

(4)二维码纸质单程票

二维码纸质单程票是指在自动售票机内加设纸质二维码车票打印机,使乘客可以通过人工或自动售票机购买纸质二维码车票,其购票流程与传统方案完全一致,区别仅是乘客拿到的单程票由IC 卡变成了纸质二维码。二维码纸票的检票方式与电子二维码车票一致,均为扫码过闸,无需回收,仅是支付方式不同。

(5)数字货币单程票

国内央行发行的数字货币 DCEP 已开始在深圳、雄安、成都、苏州4 个试点进行测试。数字货币具有与人民币纸币相同的法律效应,且支持双离线交易(在介质和受理终端都离线的情况下完成交易)[8],并可通过交易完成之后的延期请款来完成闭环交易。因此,数字货币是一种可实现快速的身份核实和支付业务的技术方案,适用于轨道交通乘车付费检票的场景。未来城市轨道交通AFC 系统有望成为央行数字货币落地应用的平台。

沿着小商河曲折的河道向上游走，发现小商河自西南方向先向北流，在距桥200米的上游向东折去，减缓了水势后才穿桥而过，因此，小商桥的桥墩避开了汹涌波涛的冲击，从而保证了桥的主拱基础稳定。所以，一千多年来，桥身和桥面虽有损坏，但小商桥的主体部分拱券和桥墩却从未进行过大修。

3.3 可行性分析

当前我国居民对于以二维码支付为主的移动支付并不陌生,而且以二维码取代相关票据的模式在其它城市轨道交通或其它消费(电影票、门票等)模式中得到了大量的应用。因此,推荐将二维码虚拟车票作为单轨交通主要单程票。

人脸单程票、可识读证件单程票、二维码纸质单程票以及数字货币单程票则可作为二维码虚拟车票的补充,解决现金购票等场景的需求。其中,可识读证件单程票,适用于不同意个人生物识别信息被采集、使用,同时又无其他乘车手段的乘客;二维码纸质单程票方案则更适合用于处理补票、设备异常等场景下的票务管理需求。

目前,人脸单程票仅在贵阳、太原等小部分城市地铁进行试用,远不及人脸账户票的应用普及程度;纸质单程票则主要在小运量的有轨电车及旅游轨道交通中应用,城轨中仅在太原地铁应用,并没有完全替代传统卡式单程票,仅在一定程度上减少了对卡式单程票的依赖。据调查,至2021 年6 月,太原地铁2 号线传统卡式单程票使用率为30%;纸质二维码单程票使用率为4.6%,人脸单程票使用比例为1.4%,二者使用率占所有单程票的1/6。不难看出,两种车票的使用便捷性与传统单程票并无太大差异,能否进一步扩大应用比例主要受限于推广力度以及培养乘客使用习惯。

综上,在支持传统储值类车票的基础上,单轨交通AFC 系统采用上述方案对单程票进行“去卡化”优化设计,可在提供完善功能的同时,达到降低建设维护成本的目的。

4 售检票设备轻量化方案

在车站空间受限的情况下,车站终端设备的轻量、精巧化设计,可在一定程度上节省车站空间,进一步提高站厅空间利用率,也给建筑带来更多方案优化的空间。

(1)自动售票设备

在“互联网+”支付普及的推动下,城市轨道交通自动售检票系统的设计理念曾从“大而全”转为“移动化”和“轻量化”。随着支付及过闸方式的多样化,传统单程票卡以及现金支付的使用率越来越低,自动售票类设备的使用需求不断降低,大部分中低运量单轨车站往往仅部署少量多功能自动售票机即可满足使用需求。伴随互联网支付应运而生,仅支持互联网支付功能具备“轻量化”特点的互联网售/取票机的存在意义已经不大。目前北京、深圳等地已经出现新建线路建设不再采购新的售票机,而是选择将既有线存量售票机搬迁利用。因此,对于未来的中低运量单轨交通而言,自动售票类设备需求有限,宜采用类型单一,功能完善的设备。

(2)自动检票设备

第一代闸机采用三杆式通道门,无通行逻辑控制功能,乘客体验差,通过能力低,不便携带大件行李,目前已经很少采用。

第二代闸机采用剪式门或拍打门,采用对射传感器阵列和内部智能识别系统对乘客的通行行为进行识别[9],可以防止夹人、防止尾随逃票等现象发生。然而,第二代闸机对射传感器需要分布在闸门前后一定范围内,造成闸机体积较大(长度一般为1.8～2 m)。

随着人工智能技术的迅猛发展,闸机通行逻辑控制技术也迎来了新一轮技术变革。新一代闸机基于计算机视觉技术,依靠顶置的双目视觉传感器,可无遮挡的检测到视野范围内的所有物体并计算出该物体的位置和形状轮廓,可监测多个有效目标的运动,进而控制通行逻辑。由于摆脱了传统阵列传感器的束缚,同时采用拍打门,设备长度可大幅减少,宽度也可进一步降低。同时得益于深度图像传感器的应用,双目视觉闸机能精确识别并追踪通道内的行人和行李,可有效提高通行效率和反欺诈能力,提升乘客的通行体验。

目前,最新一代闸机已经在北京、重庆等部分地铁车站进行了应用。北京5 号线东单站设置40 通道采用双目视觉传感器的闸机,重庆国博站设置了38 通道。设备长度不超过1.2 m,对乘客连续追踪的最小队列间距小于10 cm,实测最快情况下闸机通过速度达到60 人/min,设备运营可用性达99.8%,其可靠性指标符合行业要求。

综上所述,单轨交通应积极采用新型闸机,可有效降低设备空间占用率,有助于土建方案的进一步优化。

5 票检安检一体化应用

轨道交通常规安检主要包括物检、人检两部分,并采取“逢包必检、逢人必查”的常态化安检形式。其中物检以通道式X 光行李检查机为主,液体/固体爆炸物探测器为辅,人检主要通过式金属探测门及手持式金属探测器对乘客进行检查。由于通道式X 光行李检查机通行率较低,安检点通常成为乘客进站的瓶颈而被诟病[10]。实际上,轨道交通日常通勤乘客出行率占比最高,且这些乘客安全性相对较高,对此类“常规旅客”每次乘车都进行常规的物检是一种资源浪费。因此,如何对“常乘客”适当简化安检快速进站,提升人民群众出行效率及体验,是亟待解决的问题。

安检实名认证技术已在铁路车站安检中试点使用,根据2012 年在上海虹桥站测试结果,安检视频人脸识别采集率达到95%以上;正识率达到82%以上,漏识率控制在20%以内[12]。随着技术的发展,无论在判别速度还是准确度上,安检人脸识别系统都能够为安检验证员提供极大的参考和帮助。

对于单轨交通而言,在AFC 系统中应用的人脸识别技术,以及“可识读证件单程票”均是实现实名认证的有效手段。利用该技术,对符合标准的乘客进行身份识别,实现乘客无感快速票检(AFC+安检)的一体化方案将是最佳的解决途径。因此,在单轨交通车站可设置“安检票检”合一的快速通道,同时针对身份真实、安全系数高、且出行频繁的乘客构建一个“常乘客数据池”[13]。在车站利用AFC 系统的人脸识别、身份证等可识读证件闸机,对乘客身份进行识别,如验证乘客身份信息属于“常乘客”,则采用简化安检程序的手段。需要注意的是,简化安检程序,并不意味着没有安检。建议对这类“常乘客”至少采取“人检”的方式,近年来出现的一种新型安检票务融合设备可实现这一目标[14]。快速票检安检一体化流程见图3。

图3 快速票检安检一体化流程

上述安检方式释放了“常乘客”所消耗的安检资源,将有限的人力物力精准的应用于占比较少的黑/灰名单乘客重点检查,即可保证乘客的乘车、轨道交通运行的安全,又可解决安检速度慢的问题,达到了效率和安全的平衡。但是对于小型单轨车站而言,安检票检一体化需要单独划出独立的快速安检通道,还需要占用额外的空间,给公共区的设备布置带来了困难。针对此,可采用具备远程集中AI 辅助判图功能的智能安检设备[15],将判图工作站及判图安检员转移至线路集中判图区域,在现场设置报警设备,并保留少量安检员。集中判图发现违禁物品时可通过报警设备提示现场安检员进行检查。

目前,上海、广州、北京等很多城市的地铁都已开展快速安检新模式的相关尝试。上海地铁在全国首创了依托“大都会”APP 的快速安检模式,在试点车站受邀乘客可以无需安检,直接走快捷通道扫码检票进站。广州地铁试点实施了精准识别的分级安检,通过大数据分析手段对乘客进行精准分类,对具有良好出行信用的乘客提供快速安检服务。并基于人脸识别技术,尝试了人脸识别安检门以及票务安检一体机两种快速安检模式。北京地铁今年计划在部分地铁站试点基于实名乘客信用体系的“信用+地铁智慧安检”的安检新模式,实现乘客快速进站。此外,广州地铁还对安检集中智能辅助判图进行了试点应用,得益于AI 辅助,判图速度达到平均2.9 s/任务,节约人力约40%,X 光机速度可由0.2 m/s提升至0.3 m/s,提高了安检通过速率。

在单轨交通中,将具备实名验证功能的检票设备与安检进行一体化应用,是实现快速安检的有效途径,若与安检集中智能辅助判图技术结合,还可进一步减少对车站的空间占用,并节省人力资源。

6 结语

城市轨道交通票务系统已经基本完成了从单一化向多元化、从自动化向信息化的演进,下一步还将向智能化的方向发展。不难看出,票务系统是城市轨道交通新技术应用的前沿阵地,对于轻量化单轨交通来说,票务系统在大数据、互联网、人工智能等新技术融合的同时,还要设法从轻量化、集成化、便捷化角度出发,去解决实际面临的各项需求。