基于物聯網的地鐵車站級AFC信息管理系統研究

周 琳 汪惠芬 劉婷婷

（南京理工大學機械工程學院，210094，南京∥第一作者，碩士研究生）

地鐵是城市交通的主要承載體，其運營效率關乎城市發展速度，是各行各業關注的焦點。與此同時，被稱為是繼計算機、互聯網之后世界信息產業第三次浪潮的“物聯網”也不斷占據人們的視野，它是對物體具有全面感知能力、對信息具有可靠傳送和智能處理能力的連接物體與物體的信息網絡，它將互聯網的用戶終端由個人電腦延伸到任何需要實時管理的物品，從而加強人與物的信息交流［1］，實現物理世界與信息世界的相互作用，提供實時感知、動態控制和信息反饋等服務，提高工作效率，節省操作成本。兩者的高速發展都以提高效率為目的。

目前，在地鐵運營管理中被廣泛采用自動售檢票（AFC）系統，是基于計算機、通信、網絡、自動控制等技術，實現售票、檢票、計費、收費、統計、清分、管理等全過程的自動化系統，一般可分為車票、車站終端設備、車站計算機（SC）系統、線路中央計算機（LC）系統和清分（ACC）系統5部分［2］。總體來說，對AFC系統的管理可分為票卡管理、賬務管理和運營維護管理3類，管理的主要對象分別為票箱（用于裝載票卡的容器）、錢箱（用于裝載紙幣和硬幣的容器）和設備（車站售檢票終端設備）。從物聯網的角度來看，這三者即為互聯的主體，因此，可以應用物聯網技術對票箱、錢箱和設備進行管理，使其直接與人交互，提高地鐵運營管理的效果和效率。

1 地鐵運營管理現狀分析

南京地鐵1號線也采用了AFC系統。然而，在實際應用過程中，出于信息安全等因素的考慮，AFC給運營管理所帶來的信息化僅普及至高層領導和管理層，對于車站現場的員工來說，仍是通過紙質文件、電話等傳統形式對AFC系統進行管理。經調研，總結出存在的具體問題如下。

1.1 錢箱、票箱管理

1）只有打開設備才可得知錢箱、票箱內部的錢數和卡數，工作人員需要根據經驗定時地前往相關設備進行檢查。工作效率低，對緊急情況的預見性和應對能力差，錯誤率高。

2）在運輸途中缺乏對錢箱、票箱進行必要的監控、追蹤，造成在途狀態的不可知。

3）通過紙質文件進行錢箱、票箱的庫存管理，使得庫存管理工作量大、效率低，特別是對于破損卡、丟失卡的統計。如圖1所示，只有在結束一天的工作之后才能獲得整條線路的總體破損卡、丟失卡情況，給及時申請補票配送工作（如圖2所示）帶來了麻煩。

圖1 常規票卡配送流程圖

圖2 突發情況票卡配送流程

1.2 乘客事務處理

1）手工報表使得統計工作加重，且造成了紙張資源的浪費；

2）處理過程完全通過工作人員的感知進行，難免造成處理失誤。

1.3 設備維修管理

1）巡檢工班對設備狀態的未知，導致維修人員的派遣、調度困難；

2）維修請求需從中央工班獲得，使得維修及時性受到限制；

3）維修工作由兩個部門配合完成，責任分散，使得維修效率低下；

4）維修人員到達現場的時間過長（30～60min）。

綜上所述，在地鐵AFC系統管理中存在信息化斷層的問題，即在設備層和執行層（SC層）之間缺乏信息通道，在執行層和計劃層（LC層和ACC層）之間缺乏有效交流。其根本原因在于SC層缺乏一個支撐地鐵AFC系統管理，實現錢箱、票箱、設備以及乘客事務實時交互的平臺。因此，如何構建該平臺以掌控錢箱、票箱的流轉過程，智能化乘客事務的處理過程，高效化設備的維修過程，值得關注。

2 基于物聯網的地鐵車站級AFC信息管理系統設計

針對目前南京地鐵存在的問題，可以利用物聯網全面感知、可靠傳送和智能處理的特征和功能構建基于物聯網的地鐵車站級AFC信息管理系統，在該系統平臺下，實時掌控錢箱、票箱的信息，高效化、無紙化乘客事務處理過程，實時了解設備狀態信息和維修過程信息，解決信息化斷層問題。

2.1 系統總體目標

本文所研究的信息系統是一個運行于車站級的信息交互平臺，以車站級作業人員與管理人員為應用對象，接收AFC計劃層信息、反饋設備層信息，修復信息化斷層問題。系統總體目標如下所述：

（1）實現票箱、錢箱的實時跟蹤、自動出入庫管理，提高票務、賬務管理的安全性和信息化水平；

（2）實現乘客事務的無紙化處理，以便于查詢和統計分析，提高工作效率；

（3）實現各設備運行情況及維修進程對巡檢工班的可視化，提高維修效率；

（4）實現員工管理信息化，以便隨時查閱員工狀況，并且將員工ID綁定于每一項操作，便于責任到人，提高工作積極性；

（5）通過該系統的實施，提高管理水平，加大信息共享、實時控制的力度。

2.2 系統體系結構

物聯網的經典體系架構為感知層、傳輸層和應用層3層結構。文獻［4］提出了應用于礦山物聯網的感知層、解析層、傳輸層、處理層和應用層的5層結構。同樣考慮到地鐵AFC系統管理具有覆蓋范圍廣、信息量大、采集點多的特點，為了減緩傳輸層的壓力，保證信息傳遞的可靠性和安全性，在感知層和傳輸層之間增加了解析層，用于篩選感知層采集到的信息，按需傳送給傳輸層；在傳輸層和應用層之間增加了數據庫層，用于存放、處理數據信息，控制信息的訪問。最終將地鐵車站級AFC信息管理系統的物聯網結構體系劃分為感知層、解析層、傳輸層、數據庫層和應用層5層結構，如圖3所示。

圖3 基于物聯網的地鐵車站級AFC信息管理系統結構

（1）感知層：識別物體、采集信息，是物聯網的基礎支撐層。本系統主要采用物聯網最基本的關鍵技術——RFID（無線射頻識別，通常由電子標簽、讀寫器和信息處理系統組成）技術實現。通過RFID標簽讀寫器［5］，結合植入的產品電子代碼（EPC）、嵌入式系統等，通過射頻信號自動識別目標對象——錢箱、票箱中RFID標簽內的相應信息，實現物體識別、位置識別和路徑識別，完成數據采集和設備控制任務。本系統的RFID標簽選用了錢箱、票箱以及員工卡自身攜帶的用于識別對象ID的RFID標簽，將其功能擴展，實現感知，其原理如圖4所示。

（2）解析層：包括讀寫器接口、數據接口和EPC中間件服務器。通過讀寫器接口接收感知層實時采集的數據，利用EPC中間件服務器對信息進行修復、篩選和解碼，并通過數據接口將有用的信息上傳。重復的信息被屏蔽刪除，降低了信息包裹丟失的概率，減輕了上層對信息的解析壓力，提高了傳輸速度。

圖4 RFID原理系統

（3）傳輸層：實現數據的接入和傳輸，解決以傳感網絡為代表的末梢網絡與骨干網絡的接入問題，達到組網控制和信息匯集的目的。通過互聯網、局域網等將感知層獲取的信息進行傳輸和處理，即通過該層將數據信息發送到數據服務器。

（4）數據庫層：對被篩選過并傳輸至該層的數據信息進行分類、存儲、查詢、上傳，供應用層提取、統計、分析和處理，并將指令信息反饋回設備。此外，可通過訪問控制實現不同用戶對該層數據調用時的權限控制，保證系統的數據安全。

（5）應用層：通過各種應用服務器，結合行業需求，融合行業專業技術，實現廣泛智能化。對于地鐵車站級AFC信息管理系統，主要通過各種應用服務終端實現對數據的收集、統計、分析和處理，獲得能反映地鐵運營管理狀況的信息，并在此基礎上做出相應的反饋，實現實時管理和及時控制。

2.3 系統功能模塊

基于物聯網的地鐵車站級AFC信息管理系統由錢箱管理、票箱管理、乘客事物管理、設備管理和數據管理5大模塊組成，各模塊實現功能如圖5所示。

圖5 基于物聯網的地鐵車站級AFC信息管理系統功能圖

2.3.1 錢箱管理

錢箱管理模塊主要負責錢箱的預警、靜態監控、動態追蹤、庫存管理以及信息管理。對于一個站點而言，錢箱主要分布在自動售票機（TVM）、票務處理機（BOM）、倉庫以及途中，涉及更換提醒、出入庫管理以及在途追蹤3個問題。利用標識錢箱身份的RFID標簽的讀寫功能，將錢箱的狀態信息寫入，并通過RFID讀寫器實時地獲取這些信息后傳輸到AFC信息管理系統中，通過系統的統計、分析、處理，最終獲得該錢箱的管理特征和信息。

（1）對于安置在設備中的錢箱，通過設備觸發RFID讀寫器，讀寫器將變更信息如錢箱中的錢數、錢箱的更換信息等寫入RFID標簽中，AFC信息管理系統通過觸發讀寫器定時獲取標簽中的信息。通過設置更換臨界值，可實現更換提醒，達到錢箱靜態監控的目的。

（2）對于安置在倉庫中的錢箱，在倉庫出入口處安置RFID讀寫器［6］，并將其設置成自動觸發。每當錢箱出入庫時，讀寫器讀取該錢箱RFID標簽中的信息，并上傳至系統，實現自動出入庫管理。

（3）對于在途的錢箱，為了保證其安全可控，可在沿途設置必要數量的RFID讀寫器，當錢箱經過這些特定區域時，讀寫器自動觸發，自動獲取錢箱信息，從而達到動態追蹤的目的。

2.3.2 票箱管理

票箱管理同錢箱管理基本類似，區別在于票箱多了一個分布地——閘機。閘機用于回收車票，與TVM、BOM中的票箱功能剛好相反，因此在考慮票箱更換時，需要考慮閘機中的票箱情況。另外，票箱的信息化管理可以更好地統計和預測車票丟失或損壞的情況，便于站點預測性地向上級提出補票申請，上級也可根據統計曲線提早制定車票生產計劃。

2.3.3 乘客事物管理

乘客事物管理模塊主要負責乘客事務的電子錄入，在解決乘客事物時系統根據數據庫能夠智能化地給出解決方法，減輕了員工的工作強度和難度，并在減少出錯率的同時方便了數據統計，是實現地鐵運營管理全數字化不可忽視的一方面。

2.3.4 設備管理

設備管理模塊主要負責設備基本信息的管理、設備狀態監控、設備維修報警以及設備維修過程管理。事實上，AFC系統已經囊括了設備狀態管理，但是，出于對系統安全的考慮，目前由AFC系統提供的設備信息僅向管理層開放，巡檢工班只有接到上級電話時才能知曉設備情況，這必然會耽誤設備維修的時機，給乘客出行帶來麻煩。該模塊即為解決此問題而設計，通過與AFC系統的交互，獲知設備狀態信息，直接面向維修工班，以便其第一時間前往現場進行維修，為地鐵的高效運營提供技術支撐。

2.3.5 數據管理

數據管理模塊主要負責提供人員信息的管理、文檔管理以及系統管理。對于文檔管理，即將數據集中管理，無需登錄相應的管理模塊便可查看和打印各類常規報表，瀏覽和下載公司電子化的制度、手冊。

2.4 系統應用的網絡結構

系統構建時必須因地制宜。地鐵的運營管理覆蓋范圍廣，從中心到線路到站點，是一個分布廣泛又統一管理的整體，因此，在建設系統時，必須綜合考慮各線路、各站點之間信息的聯通與統一。根據圖6所示的網絡結構，每個站點均建設有與圖中“車站1系統網絡結構”相同的網絡環境。車站控制室負責本站點的信息管理，并通過地鐵系統光傳送網（OTN）［7］與上層控制中心進行通訊，一方面實時上傳必要的運營信息、及時發送請求，另一方面接收AFC系統服務器中相關信息和上層決策指令，形成一個開環的網絡，最大程度地發揮物聯網的作用，最終達到信息共享、實時控制、提高效率的目的，實現整個地鐵運營管理過程中信息、資源的共享和整合。

3 結語

基于物聯網的地鐵車站級AFC信息管理系統是在綜合應用計算機技術、網絡技術、多媒體技術的基礎上，再利用RFID技術等物聯網關鍵技術，將關乎地鐵高效運營的票卡管理流程、賬務管理流程和運營維護流程集于一體的綜合系統。通過RFID技術，實現對錢箱票箱的實時監控、在途跟蹤以及自動出入庫管理；通過信息化手段，實現乘客事物管理的無紙化和智能化；通過系統集成，實現設備維修管理的及時性和針對性，最終達到地鐵運營管理過程中信息共享和實時控制的目的，為地鐵全數字化奠定基礎。

總之，在物聯網不斷盛行的當今社會，建設基于物聯網的地鐵車站級AFC信息管理系統符合地鐵運營管理的需要，符合國家信息產業建設的需要，符合時代發展的需要。

圖6 基于物聯網的地鐵車站級AFC信息管理系統網絡結構

［1］胡向東.物聯網研究與發展綜述［J］.數字通信，2010（4）：20.

［2］許立新，陸斌.“城市軌道交通自動售檢票系統”國家標準解讀［J］.通信與廣播電視，2006（1）：31.

［3］邵威，李莉.感知中國——我國物聯網發展路徑研究［J］.中國科技信息，2009（24）：330.

［4］解海東，李松林，王春雷，等.基于物聯網的智能礦山體系研究［J］.工礦自動化，2011（3）：64.

［5］趙會群，肖慧彬，馬宇健.一種安全RFID后臺網絡設計方法研究［J］.計算機應用研究，2009（2）：21.

［6］謝勇，王紅衛.基于物聯網的自動入庫管理系統及其應用研究［J］.物流技術，2007，26（4）：93.

［7］許立新，張衛寧.網絡技術在南京地鐵AFC系統中的應用［J］.通信與廣播電視，2006（1）：25.