城市軌道交通車票、車票讀寫器及終端設備控制系統技術發展的探討

李龍

【摘要】本文通過對城市軌道交通車票、讀寫器、終端設備主控單元（ECU）及終端設備架構的發展演變進行分析，并由此引出軌道交通AFC系統終端設備技術架構的變化趨勢及今后的變化預測，希望以此給正在進行AFC系統設計、開發、運營和維護的人士以啟示：如何根據業務需求的變化和技術的不斷進步選擇主流的設計方案和設備選型，以及未來如何對非主流設計的老系統進行改造和升級。

【關鍵詞】分布式;集中式;嵌入式;業務下移;系統架構;需求變化;技術發展

名詞解釋：

【AFC】Automatic Fare Collection（自動售檢票）;

【ARM】Advanced RISC Machines;

【ECU】Equipment Control Unit;

【SAM】Security Authentication Module;

【CPU】Central Processing Unit;

【NFC】Near Field Communication;

【Felica】SONY公司的非接觸IC卡技術標準和產品品牌;

【RF-SIM】深圳國民技術公司的2.4GHZ近場通信標準;

【PBOC3.0】The People's Bank of China《中國金融集成電路（IC）卡規范（V3.0）》;

【終端設備集中控制系統】是指除了錢幣處理模塊之外，售檢票終端設備中只有一個控制及數據處理系統來管控整個設備;

【終端設備分布式控制系統】是指除了錢幣處理模塊之外，售檢票終端設備中有一個主控系統（ECU）和若干個在主控系統協調管理下的分控系統（如：讀寫器、車票處理模塊、I/O控制模塊、電源管理模塊等）。

1.引言

在當今社會的公共服務領域，已經進入到一個以消費者利益為主導的時期，就軌道交通服務行業而言，運營商都要以大眾的服務需求和便利為出發點來提供相應的服務。因此，城市軌道交通中出現了IC卡車票（儲值卡），同時儲值卡還實現了城市公共交通甚至小額消費領域的“一卡通”。更進一步，手機支付也已經進入到城市公共交通領域，同時城市軌道交通中還出現了根據不同出行方式而推出的不同計費規則的車票（如計次票、日票、周票、月票和計次計時票等），以滿足不同市民出行乘坐軌道交通的需求，等等。

與此同時，當今世界IT技術飛速發展，主流IT技術和產品不斷進步和發展，以IT技術為核心的AFC系統不可避免地要受到影響，尤其是作為軌道交通AFC系統終端控制核心（ECU）和關鍵部件車票讀寫器以及車票。為了保證在建和未來建設的系統能夠既很好地滿足用戶需求，同時為運營商帶來建設和運營方面的好處，以及為將來可能進行的系統升級提供方便，參與軌道交通AFC系統設計、建設的人士有必要探討清楚未來軌道交通AFC系統的主流技術發展方向和技術選型方案。本文希望能夠在這方面給出一些啟示，并起到拋磚引玉的作用。

2.變化

2.1 車票的變化

第一代AFC系統，20世紀70年代開始在歐、美、日等國開始建造并投入運營，車票介質采用磁卡。其中許多系統至今還在運行，但功能簡單、性能低下，而且因為設備復雜、故障率高以及設備系統維護成本居高不下。

第二代AFC系統，車票介質采用IC卡。20世紀80年代末開始研發，部分車票（儲值票）為IC卡的AFC系統在歐、美、日等國家的部分軌道交通中試用。進入20世紀90年代，第二代AFC系統在中國等亞洲國家全面開始應用，部分發達國家的部分軌道交通線路也開始對第一代AFC系統進行改造升級。

如今，以IC卡作為車票的第二代AFC系統已經成為了當今全球主流的AFC系統，早期發達國家所建設的第一代AFC系統目前都在朝著第二代系統全面進行改造和升級。

對于20世紀80年代末開始研發的第二代AFC系統，在過去的幾十年中，其車票也發生了非常大的變化，從安全性方面來說，從最初的無安全保障機制的存儲型IC卡到具有簡單安全保障機制的邏輯加密IC卡，從邏輯加密IC卡再到具有雙向認證功能的安全等級較高的IC卡（即CPU卡）;從復雜性方面來說，IC卡也從小存儲容量的單一應用向大存儲容量的多應用方面發展;從IC卡標準方面來說，從最初的無國際標準，到目前普遍采用的國際標準ISO/IEC14443 Type A和ISO/IEC14443 Type B。IC卡標準的出現，對后來城市實現一卡通和各種IC卡應用系統之間的互聯互通奠定了基礎。

深圳市軌道交通一期工程于2004年建成投入運營，最初的車票采用符合SONY公司Felica標準的IC卡（包括儲值卡和單程票），2008年系統改造后引入了符合ISO/IEC14443Type A標準的車票（包括儲值卡、單程票、次票、日期票等），2010年二期系統上線后又引入了符合RF-SIM標準的手機支付工具作為新型的儲值票，同時在二期系統上線前對一期AFC系統進行了局部改造（更換讀寫器）。目前是多種標準的車票同時在系統中使用，而且符合PBOC3.0Q標準的各商業銀行IC卡正在試用階段。

2.2 軌道交通IC卡讀寫器平臺的變化

對于第一代AFC系統，車票讀寫器因為只是磁信息的識取和擦寫，控制邏輯極為簡單，因此讀寫頭基本是專用的編解碼ASIC芯片直接通過TTL電平的數據通信線與控制系統聯接，進行簡單的數據交換。

第二代AFC系統出現以后，直到2000年以前，IC卡車票讀寫器基本以8位的8051單片機為核心組成的硬件平臺，實現對不同指令集的IC卡車票的識別、數據讀寫和安全認證，這個期間的車票讀寫器開始增加了對車票合法性進行安全甄別的安全認證模組（SAM）。

進入21世紀，AFC設備供應商開始將32位的ARM處理器引入到車票讀寫器中，以ARM為核心的硬件平臺的出現，大大提升了車票讀寫器的性能。

如今，以32位ARM處理器為核心，配備較大存儲容量，SAM卡“無限”可擴展，支持實時多任務操作系統的硬件平臺已經在軌道交通車票讀寫器中開始應用，而且已經成為了未來技術發展的主流。

可以預見在不久的將來，以32位ARM處理器為核心，高主頻（200MHZ以上），大存儲容量（1G Byte以上），具有豐富的外部接口擴展，SAM卡“無限”可擴展的讀寫器硬件平臺，最終將完全取代軌道交通終端設備中的ECU硬件平臺，并接管ECU系統中的全部業務。

深圳地鐵一期工程因為設計上要兼容香港八達通卡，因此一期工程讀寫器采用了SONY公司的RC-S441，其核心芯片為專用芯片，集成了Motorola的6800處理器、安全模組等，因為其無法兼容ISO/IEC14443標準的車票，不支持NFC標準，且無法擴展SAM卡和2.4GHZ手機讀寫模塊（RF-SIM標準），因此，在深圳地鐵二期，集成商開發了一款以32位ARM9為基礎平臺的車票讀寫器，該讀寫器可支持ISO/IEC14443 Type A/Type B標準、Felica標準、NFC標準、RF-SIM標準、PBOC3.0Q標準，支持嵌入式Linux操作系統，自帶并支持各種外擴接口，SAM卡“無限”可擴展等，該款讀寫器是目前世界上性能最高、功能最全、支持標準最多、擴展性最好的軌道交通車票讀寫器。

2.3 IC卡讀寫器天線的變化

早期的讀寫器均采用讀寫器上安裝的射頻ASIC芯片通過射頻饋線直接驅動印制板天線的方案，這種情況下天線電路板上無需電源饋電，被稱作無源天線。

由于射頻饋線過長容易造成信號衰減，同時也容易受到設備內其它數字信號的高次諧波信號的干擾，因此，無源天線與讀寫器的安裝距離受到了極大限制，這對于終端設備越來越緊湊的設計十分不利。因此，近年來芯片廠商開發了用于有源天線的ASIC芯片，有源天線是將射頻ASIC芯片安裝在天線印制板上，天線板與讀寫器之間的數據交換通過數字通信來完成，這樣就避免了射頻信號長距離傳送造成的衰減和受到其它諧波信號的干擾，從而解決了讀寫器與天線板距離過長所帶來的問題。

多天線讀寫器：隨著終端設備功能的日益增強，單臺終端需要配置多個讀寫器的情況越來越多（如軌道交通的進、出站雙向檢票機，一臺設備需要配備3個讀寫器），為了降低設備主控軟件的復雜性及降低設備成本，通過在一個讀寫器上擴展一個或多個有源天線的方案開始應用，從而避免了單臺終端設備安裝多個讀寫器及多個讀寫器并行工作時的程序處理時間“沖撞”的問題。

2.4 讀寫器業務的變化

80年代末，IC卡車票剛剛開始在軌道交通應用時，讀寫器的業務較為簡單，僅支持種類極少的IC卡指令。

隨著邏輯加密IC卡的推出，讀寫器中增加了保證交易安全的SAM卡，因此讀寫器在業務上增加了SAM卡的認證處理。

隨著IC卡功能的增強和安全性要求的提高，讀寫器增加了來自ECU的IC卡處理宏指令（即對于IC卡指令的各種組合的應用）的解釋與執行，同時實現SAM卡與車票的雙向認證。

隨著AFC業務的復雜性增加，尤其是采用CPU卡作為車票之后，IC卡的命令執行時間在延長，同時車票讀寫器與ECU和SAM之間的交互信息大幅增加，為保證終端設備交易速度不下降，在系統設計上開始將部分終端設備ECU的業務下移至讀寫器。

未來，很可能出現讀寫器單元全面接管終端設備ECU業務的情況，這時，ECU的地位將受到挑戰，甚至被取代。

3.讀寫器軟、硬件的變化對終端設備系統架構的影響

20世紀70年代末至90年代初，AFC終端讀寫器曾流行兩種架構：1）車票讀寫模塊嵌入到主控X86平臺中，在PCI總線上擴展出車票讀寫模塊，此讀寫模塊中無處理器;2）車票讀寫模塊嵌入現場總線控制平臺（如STD總線系統、CAN BUS系統、LONWORKS系統、PROFIBUS系統等），在現場總線上擴展出車票讀寫器模塊，此讀寫模塊中含有簡單的處理器，而處理器的主要作用是與總線控制器進行數據通信。這是因為當時車票較為簡單（如磁卡車票或簡單IC卡車票），因此AFC系統對車票讀寫器的性能和安全性均要求不高，讀寫器本身及讀寫器與主控系統之間的交互內容均較為簡單。

進入90年代，隨著IC卡技術的飛速發展，IC卡作為軌道交通車票迅速被各地軌道交通運營商所接受，并且其儲值卡應用也迅速擴展至軌道交通以外的其他行業領域，成為了城市一卡通儲值卡，因此，對軌道交通儲值卡應用的安全性和多應用提出了前所未有的要求，從而導致讀寫器業務的復雜性較之前大幅提高，需要配置高性能的讀寫器才能滿足應用要求。這個階段的讀寫器需要配置保證交易安全的專用模塊（SAM），讀寫模塊既要與ECU通信，同時也要與SAM進行通信（對車票的真偽進行鑒別）。讀寫器開始向智能化方向發展，即配置了具有較高性能的微處理器，并且讀寫器從總線上獨立出來，作為ECU前端一個相對獨立的處理模塊，通過串型接口與ECU進行數據交換。

進入21世紀，隨著城市一卡通業務和軌道交通售檢票業務的日益復雜化所帶來的新的需求：1）安全性要求進一步提高;2）票卡業務越來越復雜（如：儲值卡用途越來越廣、應用越來越多）;3）車票種類越來越多（各種標準的卡在系統中混用，不同業務規則的車票在系統中同時存在，新興的支付工具推出，等等）;4）不同的應用系統之間的互聯互通（如：不同的卡應用系統之間的互聯互通，不同城市一卡通之間互聯互通，金融IC卡在軌道交通中的應用，等等）;5）聯機業務的推出（如終端聯機在線進行儲值卡充值等）。以上均對終端設備讀寫器提出了新的更高要求：a）標準兼容性要求大幅提升;b）性能要求大幅提高（滿足復雜業務處理需要）;c）安全性要求大幅提高（實現高等級的安全認證，如：非對稱加解密算法的引入）;d）讀寫器與ECU之間的信息交互量大幅提升;e）業務變化越來越快、越來越頻繁，讀寫器軟件要求實現在線遠程自動升級，等等。為滿足上述需要：1）需要大幅提升讀寫器硬件平臺以解決性能問題;2）需要調整終端設備軟件架構：將終端設備ECU處理的業務下移至讀寫器，以減輕終端設備ECU與讀寫器之間的交互壓力;3）提升讀寫器的多應用擴展能力（即SAM卡數量可“無限”擴展）;4）實現軟件的遠程自動升級功能，等等。另外，隨著讀寫器業務的日益復雜化，原來的讀寫器軟件單任務（軟件單線程）處理機制難以滿足要求（編程難度大、編程周期長、軟件調試和維護困難等），需要采用多任務（多線程）的軟件處理機制來滿足要求。隨著讀寫器硬件平臺性能的大幅提升以及實施多任務的操作系統的可選擇，這種愿望成為了可能。目前一些廠商開發的以ARM為平臺的讀寫器，其能夠承載各種多任務的實時操作系統，如：嵌入式Linux、μCLinux、μC/OS-Ⅱ、VxWorks、WinCE、VRTX、CMX、Threadx等。未來硬件配置高，軟件處理能能力強大的讀寫器將得到廣泛應用。

4.未來預測

未來的讀寫器及終端設備架構：隨著目前以ARM系統平臺為基礎的讀寫器的硬件資源的不斷豐富，配置的不斷提升，以及操作系統功能的日益完善，軟件處理能力的日益增強，現有的終端設備ECU業務逐漸下移至讀寫器，以及有源天線的應用，可以預見：未來的終端設備讀寫器將不僅僅實現車票讀寫的功能，完全可能取代現有的終端設備主控單元（ECU），將終端設備的所有業務處理及車票讀寫功能集于一身，從而簡化終端設備的硬件架構，減少終端設備內部模塊之間通信環節，將分布式系統變為集中控制系統，從而降低終端設備的軟件復雜性，提升設備的整體性能和可靠性，降低系統建設成本和未來的維護維修成本。

未來預測：以ARM平臺系統為基礎的讀寫器有可能全面接管終端設備ECU的業務，并取代目前普遍流行的ECU之X86平臺系統。相反，目前X86平臺也在朝著小型化（高集成度、低功耗）方向發展，例如Intel新發布的凌動架構的全新低功耗 CPU（凌動 S1200 系列），未來完全有可能把現有的ECU業務和讀寫器業務全部集中到一個X86控制系統中來完成，從而取代讀寫器。以上兩種趨勢都將導致終端設備的技術架構發生變化，即從現在的終端設備分布式系統變成為集中式系統，這樣，在AFC系統的演變過程中，終端設備系統架構就經歷了由集中式到分布式，再從分布式到集中式的一個循環。

對未來更為大膽的預測：隨著云技術的發展，AFC系統是否會出現新的系統架構？目前有些城市（如深圳市）已經實現了手機的在線“空中”充值，未來如果各電信運營商將持手機乘坐軌道交通的乘客的漫游信息提交給軌道交通運營商，由其計算出準確資費（真實路徑），恐怕眼下的AFC系統將會面目全非，至少收費模式將發生改變：乘客刷手機進出、站僅僅是門禁控制，乘車計費和扣費將在后臺進行，采用手機預付費方式或信用方式，無手機者則購票進、出站。

設想如果未來生物識別技術的發展實現了人員自動識別，又會給AFC系統帶來什么變化呢？這也是值得期待的。

5.啟示

AFC系統會隨著業務發展的需要而改變，同時也會隨著支付技術的發展而改變，這是不以軌道交通運營商的主觀意志為轉移的，因此，在新的AFC系統設計和建設過程中選擇主流終端技術和預留足夠的擴展能力是至關重要的。此外，對于城市軌道交通目前已經出現的變化（包括業務變化和新的技術解決方案的推出），各運營商要引起足夠個重視與關注，因為這些變化可能會導致對已有AFC系統進行改造和升級。