雙頻集成電路卡在地鐵自動售檢票系統中的應用*

于 航 馮進峰

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

現有的地鐵自動售檢票(AFC)系統所使用的車票介質全部是基于高頻射頻標簽(以下簡稱為HF RFID)技術的集成電路(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。當城市地鐵線路聯網運營且超過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據完成清分的。

1 雙頻IC卡技術分析

超高頻射頻標簽(以下簡稱為UHF RFID)技術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領域應用以外，UHF RFID和高速長距離閱讀器的新進展為其在AFC系統中的應用提供了可行性。

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，能夠準確捕捉乘客的進站行為。UHF部分可用于車票的遠程監控管理，通過AFC系統的后臺程序將HF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有AFC系統的操作沒有區別;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的物理信息建立關聯。物理信息可以是卡的物理卡號，也可以是在未授權條件下不能更改的唯一的特殊標志信息。建立關聯是保證AFC后臺系統和清分中心能夠將AFC設備上傳的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信息(這是一張卡產生的兩組相關信息)，便于后續處理。

基于UHF車票技術的AFC系統的清分中心，不再依靠清分模型，取而代之的是借助UHF車票的遠距離閱讀能力，通過AFC系統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系統加入UHF車票的支持，需要在現有AFC系統上增加UHF讀卡器和相應的接入設備。清分中心實現精確清分，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系統設計

2.1 讀卡器布局

收集乘客的乘車路線信息需要AFC系統與列車配合，不斷記錄車廂內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)。現以天津地鐵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定在約1.8 m，實現全車廂空間覆蓋。

圖1 車廂內讀卡器布局

讀卡器讀卡半徑可以根據車廂寬度適度調整，但盡量不要超過2 m(雖然半徑大可以減少讀卡器數量)。因IC卡車票本身受環境因素影響，其讀寫距離通常不會超過2 m，讀卡器讀卡半徑設置過大可能會出現“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盡量小，以減少同一張UHF車票被相鄰讀卡器重復讀取的概率。

2.2 通信計算機設備布局

列車內安裝通信計算機，用于管理讀卡器和處理讀卡器收集的信息，使用無線網絡與站臺AFC系統實現列車停站時的數據上傳。通信計算機和無線網絡設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，以減少干擾(見圖2)。

圖2 通信計算機及網絡設備布局

站臺AFC系統無線接入點(AP)安裝在站臺的中央，同時兼顧上下行列車的無線網絡接入。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的相互干擾，也可使設備安裝數量最少。

2.3 車票監控

AFC系統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間信息即可，不需要實時記錄乘客在車站或車廂內的移動信息。所以，為了減少數據處理量、系統容錯難度以及其它無線系統的干擾，AFC系統的UHF讀卡器應始終是關閉的，只在列車行駛進入區間后才被打開，數據讀取完畢后立即關閉。

當列車完全進入區間后，列車上的UHF讀卡器打開，開始記錄車廂內乘客身上所攜帶的UHF車票信息。UHF讀卡器需要連續2次(也可以是更多次，應根據容錯等級設定)依次對讀卡范圍內UHF車票信息進行記錄，間隔數秒后(此時停止讀卡，間隔時間需根據區間內最長錯車時間設定)，再次重復記錄2次(同間隔前讀取次數)。對UHF車票進行多次重復記錄的目的同樣是為了防止列車在區間內錯車時，誤讀對方車廂內的車票信息。插入讀取間隔可以保證即使最壞情況下，讀取對方車廂內UHF車票數據最多也只有讀取次數的一半。UHF車票信息重復記錄完成后，讀卡器立即關閉，于此同時車票數據上傳至通信計算機。

通信計算機根據讀卡器上傳的數據，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據全部丟棄，以減少UHF數據上傳和處理的壓力。

2.4 清分數據的實現

通信計算機使用無線網絡在列車停站時與站臺AFC無線系統實現短時通信。當通信計算機發現車站內的AFC無線網絡后，隨即登入無線網絡，將本次區間內收集的UHF車票信息數據上傳至當前站的車站計算機，如果之前有未上傳的數據則繼續上傳。車站計算機在完成數據校驗后，將數據上傳至線路中心，再轉至清分中心。

AFC系統通過不斷地收集UHF車票信息，使每位持票乘客途經的車站區間都被記錄下來。清分中心獲得這些數據后就可以將每張車票途徑的線路清楚地描述出來。通過數據收集，清分中心已經獲得了UHF車票在各區間被閱讀的信息，即持票乘客經過的各區間信息，將這些信息有序地結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IC卡車票的物理信息關聯，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，就構成了完整的一組“乘車(換乘)路線清分數據集合”(之所以這樣稱呼，因為相比現有的清分數據集合，這組數據包含了更豐富的乘車路線信息)。清分中心可以根據這組數據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)路線數據清分完成，首先要建立一個清分算法原則:區間信息在清分過程中視為普通區間信息，普通區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間信息，必要區間信息不可丟失(這是出于保證整組清分數據的完整性要求的)。區間信息產生是需要符合換乘路線途徑區間邏輯的，不符合邏輯的區間信息必須被丟棄并查明來源。對區間信息沒有設置到達清分中心的順序要求和嚴格的時間要求，只要邏輯條件滿足即使是缺少幾個普通區間信息也是可以完成清分任務的。

圖3 乘車(換乘)路線

然后，建立區間信息對照表，將各區間歸屬的線路標記出來，用于計算清分比例。表1的數據系根據圖3的線路關系設定。

表1 區間信息對照表

乘客從A站購買單程票進站，即產生了兩個必要區間信息，索引號為“1”;乘客經過換乘站D和G站換乘到達J站，途徑依次為A－B區間、B－C區間、C－D區間、D －G區間和J－G 區間，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間信息，其索引號為“9”。

清分中心收到這組數據后就清楚地了解乘客的乘車路線，并可啟動清分了。這組數據共有8個索引號構成，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個區間，途徑線路2有1個區間，途徑線路3有2個區間。由于區間權值都為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 結語

通過引入雙頻IC卡技術，AFC系統清分中心可以實現精確清分，這必然會成為未來的發展趨勢。另外，它對乘客行為的監控，同樣可以起到至關重要的作用。當在車站內的乘客密集區域建立UHF車票的閱讀覆蓋區后，AFC系統將可以實時監控到乘客在車站內的行為。比如:可以發現有人長時間在某個位置停留，進入到工作區域或危險區域等。車站與列車實現同步聯網后，還可以實現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應用案例與應用開拓分析［C］∥中國電子學會通信學分會.第八屆中國國際RFID技術及應用高級研討會暨電子標簽應用成果展覽會論文集.北京:［出版者不詳］，2009:84.