軌道交通AFC系統數據處理過程分析

倉青懷 國電南瑞科技股份有限公司 210061)

軌道交通AFC系統數據處理過程分析

倉青懷 國電南瑞科技股份有限公司 210061)

闡述確保軌道交通AFC系統數據收集和數據處理的安全、完整、準確的重要性。詳細論述數據采集的數據類型和數據傳輸的方式，提出驗證數據完整性及合法性的方法，針對數據的異常、遺漏、重復、延遲及偽造提出解決方案，對票卡交易序號、設備交易序號、設備交易累計、卡余額方案的原理及其可能出現的不連續原因進行解析。

1 概述

軌道交通AFC系統采用三級組網、六層架構，包含自動售檢票清算管理中心系統(ACCS -Automatic Fare Collection Clearing Management Center System)、線路中央計算機管理中心(LC- Line Computer Management Center)、車站計算機管理系統(SC- Station Computer Management Center)、車站終端設備、車票讀寫器和票卡。從信息技術層面看，AFC系統也是一個數據處理系統，其數據流具有如圖1所示特點。

系統設備通過網絡將有關數據上傳到SC和LC，同時接受SC和LC的指令、系統參數及軟件更新等下傳數據。SC和LC對所收集的數據按類型及用途進行實時或批量地處理，以滿足系統監控、運營管理及決策分析的需求，所以確保數據采集和處理過程的安全、完整、準確尤為重要。

2 數據收集

2.1 數據類型

SC和LC所收集的數據主要包括設備狀態數據、設備寄存器數據、設備交易數據、收益及設備維護數據等。

2.1.1 設備狀態數據

包括設備運行產生的所有運作模式、操作模式、各部件狀態、報警及故障等數據。數據在設備狀態變化時上傳，及按照系統參數設置的查詢頻率或即時查詢設備的狀態數據。

2.1.2 設備寄存器數據

包括設備中不同票種在不同類型交易的金額及次數、現金模塊處理現金的金額及次數、車票模塊處理車票的張數、各種系統收益及維修統計等數據。數據按照系統參數設置的查詢頻率自動進行查詢，其頻率最高為1分鐘。同時，設備車票及收益處理監控狀態變化時自動上傳寄存器數據，例如設備登錄、注銷、錢箱及票箱更換等。

2.1.3 設備交易數據

包括各種車站設備對各種車票的賦值、發售、充值、扣值、進出站、更新、替換、退款等各種交易類型的數據。

2.1.4 車站收益管理及設備維護管理數據

包括設備班次審核、錢箱及票箱審核、車站收益核算、收益平衡及收益統計、設備維修管理日志及維修統計等數據。

2.2 數據傳輸方式

2.2.1 在線數據傳輸

LC在線采集系統設備所上傳的數據，車站設備通過SC上傳數據。在SC通信故障情況下，LC通過車站網絡直接采集車站設備的數據。

數據接收方在進行數據接收時，在確認成功接收前確保對數據已經成功保存，不會發生已確認成功接收，但又未成功保存，而導致數據丟失的現象。

如圖2所示，數據接收方通過返回應答給數據發送方，來確認其已經收到數據。數據發送方在收到應答后，停止對該數據的重發。若在規定的重發時間內沒有收到應答，將再次發送該數據。

2.2.2 離線數據傳輸

系統設備在與SC或LC通信中斷的情況下，工作在離線運行模式下。在該運行模式下，設備依據本地保存的系統參數運行，設備產生的交易數據將保存在本地的存儲介質上。當交易數據累積到無法再保存時，將自動轉為暫停服務模式，從而停止對外服務，不再產生新的交易數據，或刪除最不重要或最舊的數據。

此時，LC和SC通過備份介質（如移動硬盤）離線采集數據。先從數據來源節點將要傳輸的數據導出到備份介質上，再通過數據接收節點提供的本地數據傳輸接口，將需上傳的數據導入到數據接收節點。數據接收節點在導入數據時將對數據進行檢查，剔除重復數據。

2.2.3 在線數據恢復

當SC和LC通信中斷時， SC工作在“孤島”運行模式下，將繼續自動采集并保存數據。當通信恢復后會將所有數據自動上傳至LC。LC對所有上傳的數據進行重復性檢查，剔除重復記錄，保證數據不重復。

另一種在線數據恢復功能是數據接收方主動索取數據。例如：LC能夠從SC得到數據保存期內所需的數據。若LC發現數據缺失，可通過向SC主動索取數據的方式，促使SC再次發送其保存的數據。

LC在進行數據采集時，將檢查收到的數據是否是重復的數據，通過在數據庫表設置唯一主鍵的方式實現的。若數據重復，會發生因主鍵沖突插不進庫的情況，可有效剔除被重復發送的數據。

3 數據處理

系統對所收集的數據按類型及用途進行實時或批量地處理，以滿足運行、票務、財務、維修的需求。

為確保數據完整、準確、快速處理，至少對數據進行以下的處理：

1）驗證數據的完整性及合法性；

2）檢查數據的連續性；

3）保存數據，添加/更新相關的系統數據庫。

3.1 驗證數據的完整性及合法性

在傳輸數據時，對數據進行加密，以確保數據傳送過程的安全，并采用MAC驗證確保數據傳送的完整性，采用TAC驗證確保數據的合法性。

3.1.1 MAC驗證

報文來源正確性鑒別（MAC-Message Authentication Code）是一種判別報文來源是否正確，以及報文在發送途中是否被篡改的算法。發送方按規定的加密算法產生MAC，隨消息一起發往接收方；接收方在收到消息后，按相同的算法鑒別消息來源正確性。當且僅當鑒別結果正常時，才進行消息的業務處理。

3.1.2 TAC驗證

交易合法性驗證（TAC-Transaction Authentication Code）是一種類似于MAC驗證的判別報文完整性的算法。與MAC驗證的主要區別是：MAC驗證側重于通信層的報文傳輸完整性驗證，而TAC驗證則側重于應用層的交易合法性驗證，防止交易信息被偽造和篡改。交易記錄生成方按規定的加密算法產生TAC，隨交易記錄一起發送出去；在一些中間節點的轉發過程中，TAC保持不變。最終的交易接收方在收到消息后，按相同的算法鑒別交易信息的合法性。當且僅當鑒別結果正常時，才認為此交易記錄是合法的，繼而進行交易的業務處理。如果交易未通過TAC驗證，則被列為可疑交易，不參與正常的清算過程。

3.2 檢查數據的連續性

系統檢查各類數據的連續性，以防止數據的異常、遺漏、重復、延遲及偽造。對于累計性數據在發生前后數據異常情況時，如數值突變、回零等，則能及時處理；對于遺漏的數據，系統向設備查詢；對于延遲數據則即時進行數據統計及計算更新；對于重復及偽造數據則即時排除。其連續性的跟蹤方式如檢查票卡交易序號、設備交易序號、設備交易累計、卡余額等。

3.2.1 票卡交易序號

票卡在從廠商購買回來后，首先必須經過系統初始化后，才能使用。在初始化過程中，將對票卡內存儲區進行編碼，編碼過程中很重要的一步就是在票卡存儲空間中建立票卡錢包，而票卡交易序號與票卡錢包的操作是密切相關的。

初始化完成后，票卡交易序號被賦為0值，在票卡投入運營后，發生對票卡錢包操作時，設備將讀取此票卡交易序號的當前值，在對其值加一后寫入票卡中。票卡交易序號在票卡的生命周期內，始終為連續增長的。票卡交易序號滿足以下公式：

交易后票卡交易序號 = 交易前票卡交易序號 + 1

如圖3所示，票卡在進行出售、消費、充值和回收/退卡交易時，票卡交易序號都將加一，而在初始化過程中，如果是新卡初始化，則對票卡交易序號賦0值，如果是對回收卡的初始化，則只初始化其它數據項，而票卡交易序號則保持原有的數值。

通過對票卡交易序號的連續性處理，在進行票務分析時，就能通過票卡交易序號對卡的流通過程進行全程跟蹤。雖然通過票卡交易的時間也能對票卡交易過程進行分析，但由于系統中的大部分設備是允許脫機運行的，交易的時間是從終端設備內部時鐘獲取的，由于終端設備時鐘精度可能參差不齊，經常會出現誤差，也不可能進行頻繁的時鐘同步，故通過交易時間來跟蹤票卡的運營是不準確的。而引入票卡交易序號后，則可以較好的解決這一問題。

另一方面，如果在通過票卡交易序號對交易數據進行連續性檢查時，如果出現某張票卡的交易序號不連續，則可以認為存在以下幾種可能：

1）票卡交易未上傳

對于某一張卡來說，設備上傳交易的時間是可能是無序的，即先發生交易的設備可能比后發生交易的設備后上傳數據，造成票卡交易序號較大的交易比票卡交易序號較小的交易先上傳。

對于卡交易未上傳的情況，如果在保障設備都能順利上傳數據的情況下，不連續的情況將在相對當前日期的前一段時間內（如系統要求設備在7天內上傳數據）得到消除，即7天前系統內各卡的交易序號將連續，但不能要求當前卡交易序號必須連續，因為這種連續性是有一定滯后的。

2）卡交易丟失

如果終端設備上存儲的交易數據出現丟失的情況，在該設備上發生交易而交易未上傳的卡將出現卡交易序號不連續的現象。

如果某卡當前交易序號與當前連續的交易序號相差較大，且交易發生的時間也相差較大，則基本可判定該卡的交易出現丟失。

3）交易重復上傳

如果設備重復上傳交易記錄，則會出現卡交易序號重復的情況。如果出現交易重復，系統將丟棄這些交易記錄。

4）卡交易不合法

如果出現偽造交易或設備由于故障寫錯了卡或交易記錄時，卡交易序號將不連續。如果卡交易序號出現重復或跳躍性增長或減少時，將此卡加入黑名單，控制其使用，或與持卡人聯系后收回卡后進行分析，以防止錯誤的擴大化。

卡交易序號也可使系統統計票卡內錢包使用次數的工作得到簡化，因為卡交易序號的最大值即卡錢包的操作次數。對于系統資金的稽核具有很好的輔助作用。

3.2.2 設備交易序號

設備交易序號是由設備進行維護的不斷增長的序列號，每發生一次交易，此交易序號將被加一。設備交易序號的初始化是在設備投入運營前被置0值的。

設備交易序號足以下公式：

交易后設備交易序號 = 交易前設備交易序號 + 1

同通過交易時間來跟蹤票卡流通過程會出現不準確的情況一樣，通過交易時間來跟蹤終端設備交易過程也會出現不準確的情況，而通過引入設備交易序號，即可較好地解決這一問題，連續的設備交易序號，在一定程度上反映了設備在連續正常工作。

在以下幾種情況下可能會出現設備交易序號不連續的情況：

1）設備交易丟失

設備中存儲的數據由于故障而丟失時，設備交易序號將不連續。在確認該設備上的數據已全部上傳后而發現缺失了部分序號（同時設備交易累計不連續）時，即可判定該設備出現交易丟失，將通過其它方式進行數據的恢復。

2）設備交易重復

當設備重復發送交易記錄時，設備交易序號會出現重復，系統在接收到重復交易后將會丟棄這些記錄。

3）設備被完全初始化

設備因故障進行維修（如更換存儲器）后，重新初始化時將會清除設備交易序號。

4）設備異?；蚪灰撞缓戏?/p>

如果設備處理票卡出現錯誤、交易為偽造交易或數據傳輸錯誤這些情況時，設備交易序號將不連續。

設備交易序號是對設備交易進行稽核的一種手段，通過對其連續性的分析可對系統內設備的運營情況進行很好的監督，及時發現和糾正設備異常。

3.2.3 設備交易累計

設備交易累計是終端設備對票卡錢包增加或減少額度的歷史累計值。對于單一消費終端，累計值為發生交易的票卡錢包的扣款額的累計，通常為負值；對于單一充值類終端，累計值為發生交易的票卡錢包增加額的累計，通常為正值；對于既可消費又可充值的終端，累計值則可正可負。

發生交易時，設備交易累計滿足以下公式：

交易后設備交易累計 = 交易前設備交易累計 + 增值額 或

交易后設備交易累計 = 交易前設備交易累計－扣款額

通過對交易記錄的交易金額和設備交易累計這兩項數據的邏輯關系分析，可以對交易的合法性和正確性進行稽核。當某設備的連續兩筆交易（連續性通過設備交易序號的連續性來判斷）不滿足以上公式時，即可判定交易過程中出現異常，需進一步分析錯誤產生的原因，防止出現偽造交易或排除設備故障。

設備交易累計出現不連續的原因和相應的處理方法與設備交易序號不連續出現的原因和處理一致。

3.2.4 卡余額

卡余額在票卡內和系統內都將保存，在正常情況下，卡余額滿足以下公式：

交易后卡余額=交易前卡余額 + 錢包變化額（增加時為正，減少時為負）

通過對交易記錄的交易金額和卡余額這兩項數據的邏輯關系分析，可以對交易的合法性和正確性進行稽核。當某票卡的連續兩筆交易（連續性通過票卡交易序號的連續性來判斷）不滿足以上公式時，即可判定交易過程中出現異常，需進一步分析錯誤產生的原因，防止出現偽造交易、排除設備或卡故障。

卡余額交易累計出現不連續的原因和相應的處理方法與票卡交易序號不連續出現的原因和處理一致。

3.3 數據保存

系統即時保存所收集的數據，添加/更新相關的系統數據庫，并對原始數據不進行任何修改或刪除。

4 結語

綜上所述，3種數據傳輸方式可以有效地確保數據采集過程的連續性；采用MAC驗證可以有效地確保數據傳送的完整性，采用TAC驗證可以有效地確保交易數據的合法性；綜合采用票卡交易序號、設備交易序號、設備交易累計、卡余額4種方案可以相互補充，互相驗證，可以有效地解決數據的異常、遺漏、重復、延遲及偽造，確保數據的安全、完整、準確。

[1]高朝暉，何鐵軍，張寧.軌道交通線網AFC系統黑名單管理[J].都市快軌交通.2010，23(1)：89-92.

[2]王健，張寧，毛建，等.南京地鐵AFC系統網絡化建設中面臨的問題初探[J].軌道交通.2006(9)：48-50.

[3]張寧，房堅，王健.南京地鐵AFC系統建設思路分析[J].金卡工程.2005(1)：59-61.

[4]申香梅，廖東玲.深圳地鐵自動售檢票系統方案[J].都市快軌交通.2000(1)：32-34.

[5]GB 50157―2003 地鐵設計規范[S].北京：中國計劃出版社.2003.

[6]重慶市軌道交通（集團）有限公司.重慶軌道交通六號線一期工程弱電系統設備采購及施工總承包工程招標文件[G].重慶.2010.

Data Processing Process Analysis of AFC System in Urban Rail Transit

Cang Qinghuai NARI Technology Development Co.,Ltd., Nanjing 210061

Ensure the data collection and processing of Automatic Fare Collection(AFC) system in urban rail transit security、integrality and legality is very important.The data types and the data transmission mode are described in detail.Solutions for validation the data integrality and legality are put forward,and solutions for the data abnormal,miss,repeat,delay and forged are also put forward.Principles of solutions of tickets trading serial number,equipment trading serial number,equipment trading grand total and tickets balance and the reason for discontinuity that may rise are analyzed.

10.3969/j.issn.1001-8972.2010.20.152

軌道交通；AFC系統；數據類型；傳輸方式；完整性；合法性；連續性

urban rail transit;AFC system;data types; transmission mode;integrality;legality;continuity