雙頻集成電路卡在地鐵自動售檢票系統(tǒng)中的應(yīng)用*

于 航 馮進峰

(1.天津理工大學(xué)自動化學(xué)院，300222，天津;2.天津市地下鐵道運營公司，300222，天津∥第一作者，講師)

現(xiàn)有的地鐵自動售檢票(AFC)系統(tǒng)所使用的車票介質(zhì)全部是基于高頻射頻標(biāo)簽(以下簡稱為HF RFID)技術(shù)的集成電路(IC)卡，因受讀寫距離的限制，僅能在乘客進出站時進行有效性檢查。當(dāng)城市地鐵線路聯(lián)網(wǎng)運營且超過1個換乘點時，各線路間就需要清分中心來幫助各線路的運營商公平地清算車票收入，或至少清算客流。現(xiàn)今的清分中心普遍采用的清分算法是基于客流概率模型，根據(jù)乘客換乘概率進行清算。這就不可避免地與乘客實際乘坐途經(jīng)的線路有所差異，特別是在新增線路后，清分模型需要適時調(diào)整以保證清分的公平性。即便是再接近實際的清分模型也是屬于模糊清分范疇，因為不是基于乘客的真實乘車路線數(shù)據(jù)完成清分的。

1 雙頻IC卡技術(shù)分析

超高頻射頻標(biāo)簽(以下簡稱為UHF RFID)技術(shù)在近年來有了長足的進步，除了在原有物流和庫存管理的傳統(tǒng)領(lǐng)域應(yīng)用以外，UHF RFID和高速長距離閱讀器的新進展為其在AFC系統(tǒng)中的應(yīng)用提供了可行性。

雙頻卡車票是同時包含HF RFID和UHF RFID的IC卡車票。它同時具有兩種RFID的技術(shù)特性，而且可以獨立在各自頻段下工作，互不干擾。雙頻卡的HF部分可用在自動售票機售票和閘機進出站檢票處理上，因為AFC系統(tǒng)需要在乘客進出站時對車票進行必要的處理，但這必須在乘客有明確的進站行為(即通常認(rèn)為是持車票乘客刷卡通過閘機)后才能進行。HF RFID車票的有效讀寫距離可以固定且可以精確定位，能夠準(zhǔn)確捕捉乘客的進站行為。UHF部分可用于車票的遠(yuǎn)程監(jiān)控管理，通過AFC系統(tǒng)的后臺程序?qū)F和UHF信息合并，即完成車票的全程管理。HF車票的使用操作與現(xiàn)有AFC系統(tǒng)的操作沒有區(qū)別;UHF車票的操作需要通過特定的UHF讀卡器將UHF車票的信息閱讀出來，這部分信息通常是只讀的。

雙頻卡車票在進入AFC系統(tǒng)使用前，必須將同一張IC卡車票中的HF和UHF的物理信息建立關(guān)聯(lián)。物理信息可以是卡的物理卡號，也可以是在未授權(quán)條件下不能更改的唯一的特殊標(biāo)志信息。建立關(guān)聯(lián)是保證AFC后臺系統(tǒng)和清分中心能夠?qū)FC設(shè)備上傳的HF車票信息與UHF讀卡器上傳的UHF車票信息合并為一組相關(guān)信息(這是一張卡產(chǎn)生的兩組相關(guān)信息)，便于后續(xù)處理。

基于UHF車票技術(shù)的AFC系統(tǒng)的清分中心，不再依靠清分模型，取而代之的是借助UHF車票的遠(yuǎn)距離閱讀能力，通過AFC系統(tǒng)不斷收集乘客實際的乘車路線，然后清分中心按實際乘車路線進行精確清分。AFC系統(tǒng)加入UHF車票的支持，需要在現(xiàn)有AFC系統(tǒng)上增加UHF讀卡器和相應(yīng)的接入設(shè)備。清分中心實現(xiàn)精確清分，必須建立能夠處理HF和UHF混合車票信息的清分算法。

2 使用雙頻IC卡車票的AFC系統(tǒng)設(shè)計

2.1 讀卡器布局

收集乘客的乘車路線信息需要AFC系統(tǒng)與列車配合，不斷記錄車廂內(nèi)UHF車票的信息。在列車上加裝UHF頻段的讀卡器，讀寫范圍需要覆蓋列車的所有乘客車廂空間(見圖1)?，F(xiàn)以天津地鐵1號線列車為例，每列車安裝8個讀卡器，每個讀卡器的讀卡半徑范圍設(shè)定在約1.8 m，實現(xiàn)全車廂空間覆蓋。

圖1 車廂內(nèi)讀卡器布局

讀卡器讀卡半徑可以根據(jù)車廂寬度適度調(diào)整，但盡量不要超過2 m(雖然半徑大可以減少讀卡器數(shù)量)。因IC卡車票本身受環(huán)境因素影響，其讀寫距離通常不會超過2 m，讀卡器讀卡半徑設(shè)置過大可能會出現(xiàn)“覆蓋空洞”;另一個原因是為減少列車在錯車時，誤讀取對方列車內(nèi)的UHF車票信息(雖然這概率很小)。

相鄰UHF讀卡器的重疊讀卡范圍應(yīng)盡量小，以減少同一張UHF車票被相鄰讀卡器重復(fù)讀取的概率。

2.2 通信計算機設(shè)備布局

列車內(nèi)安裝通信計算機，用于管理讀卡器和處理讀卡器收集的信息，使用無線網(wǎng)絡(luò)與站臺AFC系統(tǒng)實現(xiàn)列車停站時的數(shù)據(jù)上傳。通信計算機和無線網(wǎng)絡(luò)設(shè)備適宜安裝在列車的中央位置，目的是避開列車上的其它無線系統(tǒng)，以減少干擾(見圖2)。

圖2 通信計算機及網(wǎng)絡(luò)設(shè)備布局

站臺AFC系統(tǒng)無線接入點(AP)安裝在站臺的中央，同時兼顧上下行列車的無線網(wǎng)絡(luò)接入。這樣做的好處是可以有效降低AP的覆蓋功率，減少與站臺無線通信系統(tǒng)的相互干擾，也可使設(shè)備安裝數(shù)量最少。

2.3 車票監(jiān)控

AFC系統(tǒng)在為清分中心收集乘客乘車路線時，只需要記錄乘客進出站和乘客乘車區(qū)間信息即可，不需要實時記錄乘客在車站或車廂內(nèi)的移動信息。所以，為了減少數(shù)據(jù)處理量、系統(tǒng)容錯難度以及其它無線系統(tǒng)的干擾，AFC系統(tǒng)的UHF讀卡器應(yīng)始終是關(guān)閉的，只在列車行駛進入?yún)^(qū)間后才被打開，數(shù)據(jù)讀取完畢后立即關(guān)閉。

當(dāng)列車完全進入?yún)^(qū)間后，列車上的UHF讀卡器打開，開始記錄車廂內(nèi)乘客身上所攜帶的UHF車票信息。UHF讀卡器需要連續(xù)2次(也可以是更多次，應(yīng)根據(jù)容錯等級設(shè)定)依次對讀卡范圍內(nèi)UHF車票信息進行記錄，間隔數(shù)秒后(此時停止讀卡，間隔時間需根據(jù)區(qū)間內(nèi)最長錯車時間設(shè)定)，再次重復(fù)記錄2次(同間隔前讀取次數(shù))。對UHF車票進行多次重復(fù)記錄的目的同樣是為了防止列車在區(qū)間內(nèi)錯車時，誤讀對方車廂內(nèi)的車票信息。插入讀取間隔可以保證即使最壞情況下，讀取對方車廂內(nèi)UHF車票數(shù)據(jù)最多也只有讀取次數(shù)的一半。UHF車票信息重復(fù)記錄完成后，讀卡器立即關(guān)閉，于此同時車票數(shù)據(jù)上傳至通信計算機。

通信計算機根據(jù)讀卡器上傳的數(shù)據(jù)，將具有4次(或更多次)閱讀記錄的UHF車票信息篩選出來，其余不滿足要求的數(shù)據(jù)全部丟棄，以減少UHF數(shù)據(jù)上傳和處理的壓力。

2.4 清分?jǐn)?shù)據(jù)的實現(xiàn)

通信計算機使用無線網(wǎng)絡(luò)在列車停站時與站臺AFC無線系統(tǒng)實現(xiàn)短時通信。當(dāng)通信計算機發(fā)現(xiàn)車站內(nèi)的AFC無線網(wǎng)絡(luò)后，隨即登入無線網(wǎng)絡(luò)，將本次區(qū)間內(nèi)收集的UHF車票信息數(shù)據(jù)上傳至當(dāng)前站的車站計算機，如果之前有未上傳的數(shù)據(jù)則繼續(xù)上傳。車站計算機在完成數(shù)據(jù)校驗后，將數(shù)據(jù)上傳至線路中心，再轉(zhuǎn)至清分中心。

AFC系統(tǒng)通過不斷地收集UHF車票信息，使每位持票乘客途經(jīng)的車站區(qū)間都被記錄下來。清分中心獲得這些數(shù)據(jù)后就可以將每張車票途徑的線路清楚地描述出來。通過數(shù)據(jù)收集，清分中心已經(jīng)獲得了UHF車票在各區(qū)間被閱讀的信息，即持票乘客經(jīng)過的各區(qū)間信息，將這些信息有序地結(jié)合起來就可以清楚地描述出持票乘客的乘車(換乘)路徑了。再根據(jù)IC卡車票的物理信息關(guān)聯(lián)，將自動售票機上傳的售票信息(僅對于單程票)和閘機上傳的進出站信息拼合在一起，就構(gòu)成了完整的一組“乘車(換乘)路線清分?jǐn)?shù)據(jù)集合”(之所以這樣稱呼，因為相比現(xiàn)有的清分?jǐn)?shù)據(jù)集合，這組數(shù)據(jù)包含了更豐富的乘車路線信息)。清分中心可以根據(jù)這組數(shù)據(jù)精確地將車費清分給各條線路的運營商。

如圖3所示，乘客從A站購買單程票進站乘車，從J站出站離開，途中經(jīng)過換乘站D和G，全程車費是4元。為使清分中心能將這位乘客的乘車(換乘)路線數(shù)據(jù)清分完成，首先要建立一個清分算法原則:區(qū)間信息在清分過程中視為普通區(qū)間信息，普通區(qū)間信息在邏輯條件滿足的前提下可以丟失;自動售票機出售單程票，閘機進站和出站檢票在清分過程中視為必要區(qū)間信息，必要區(qū)間信息不可丟失(這是出于保證整組清分?jǐn)?shù)據(jù)的完整性要求的)。區(qū)間信息產(chǎn)生是需要符合換乘路線途徑區(qū)間邏輯的，不符合邏輯的區(qū)間信息必須被丟棄并查明來源。對區(qū)間信息沒有設(shè)置到達(dá)清分中心的順序要求和嚴(yán)格的時間要求，只要邏輯條件滿足即使是缺少幾個普通區(qū)間信息也是可以完成清分任務(wù)的。

圖3 乘車(換乘)路線

然后，建立區(qū)間信息對照表，將各區(qū)間歸屬的線路標(biāo)記出來，用于計算清分比例。表1的數(shù)據(jù)系根據(jù)圖3的線路關(guān)系設(shè)定。

表1 區(qū)間信息對照表

乘客從A站購買單程票進站，即產(chǎn)生了兩個必要區(qū)間信息，索引號為“1”;乘客經(jīng)過換乘站D和G站換乘到達(dá)J站，途徑依次為A－B區(qū)間、B－C區(qū)間、C－D區(qū)間、D －G區(qū)間和J－G 區(qū)間，索引號依次為“2”、“3”、“4”、“7”和“11”;最后乘客在 J站出站，由出站閘機生成最后一個必要區(qū)間信息，其索引號為“9”。

清分中心收到這組數(shù)據(jù)后就清楚地了解乘客的乘車路線，并可啟動清分了。這組數(shù)據(jù)共有8個索引號構(gòu)成，分別是“1”、“1”、“2”、“3”、“4”、“7”、“11”、“9”。通過查表1，乘客途徑線路1有5個區(qū)間，途徑線路2有1個區(qū)間，途徑線路3有2個區(qū)間。由于區(qū)間權(quán)值都為1，三條線路的清分比例為5∶1∶2，車費為4元。

最終線路1清分得車費2.5元，線路2清分得車費0.5元，線路3清分得車費1元。

3 結(jié)語

通過引入雙頻IC卡技術(shù)，AFC系統(tǒng)清分中心可以實現(xiàn)精確清分，這必然會成為未來的發(fā)展趨勢。另外，它對乘客行為的監(jiān)控，同樣可以起到至關(guān)重要的作用。當(dāng)在車站內(nèi)的乘客密集區(qū)域建立UHF車票的閱讀覆蓋區(qū)后，AFC系統(tǒng)將可以實時監(jiān)控到乘客在車站內(nèi)的行為。比如:可以發(fā)現(xiàn)有人長時間在某個位置停留，進入到工作區(qū)域或危險區(qū)域等。車站與列車實現(xiàn)同步聯(lián)網(wǎng)后，還可以實現(xiàn)對特定票卡的無縫追蹤，這對日益提高的公共安全要求可以起到輔助的促進作用。

［1］Mohaisen M，Yoon H.Radio transmission performance of EPC global Gen-2 RFID system［J］.IEEE Advanced Communication Technology，2008(10):84.

［2］武岳山.RFID應(yīng)用案例與應(yīng)用開拓分析［C］∥中國電子學(xué)會通信學(xué)分會.第八屆中國國際RFID技術(shù)及應(yīng)用高級研討會暨電子標(biāo)簽應(yīng)用成果展覽會論文集.北京:［出版者不詳］，2009:84.