城市軌道交通自動售檢票系統讀寫器技術的發展與標準化

范 巍

(中鐵第四勘察設計院集團有限公司通信信號研究設計處，430063，武漢//高級工程師)

IC 卡讀寫器(以下簡為“讀寫器”)是城市軌道交通自動售檢票(AFC)系統現場終端設備的重要組成部分，負責對票卡進行讀寫和信息認證，完成相關票務處理流程，是AFC 系統完成交易數據處理的核心部件。多年以來，傳統的讀寫器設計理念停留在單一化體系模式，不同供貨商之間設備兼容性很差，而新線路、新應用的引入往往伴隨著既有線的改造，造成投資和運營成本的巨大浪費和重復建設。

隨著城市軌道交通網絡化運營的需求日趨凸現，將讀寫器按照線網級應用進行標準化設計和開發，從根本上解決不同供貨商設備的互通、互換，以及AFC 設備如何靈活地適應不斷發展的新票種、新業務、新應用等問題，是當前AFC 業界的一個普遍思路。筆者將在回顧我國軌道交通讀寫器技術發展的基礎上，結合武漢、長沙、昆明等城市軌道交通線網級讀寫器的設計經驗，重點論述讀寫器標準化設計和應用的意義，標準化的現狀和特點，以及線網級讀寫器設計中業務處理范圍劃分等方面的內容。

1 讀寫器技術發展的主要階段

我國城市軌道交通讀寫器的研制，與2000年以來非接觸式IC 卡制式AFC 系統在國內的大規模建設和應用緊密聯系。伴隨著AFC 系統的發展和變化，讀寫器不斷演變和改進。一般來說，讀寫器的技術發展可總結為3 個階段。

(1)分離式模塊階段。這一階段是城市軌道交通讀寫器較原始階段，主要特點是主板與I/O(輸入/輸出)板、射頻電路板分立，甚至僅僅是“主板+天線”的形式。SAM(安全存取模塊)卡插槽數量少，SAM 控制電路簡單，硬件平臺以8 位MCU(微控制單元)為主，軟件平臺基于單一的體系環境需求設計，基本不具備對新業務、新應用的擴展能力。由于無法適應AFC 系統的快速發展，這一階段的讀寫器迅速被更新、取代。

(2)純驅動型階段。2004—2010年可大致作為讀寫器的純驅動型階段，其在硬件上已集成為一個獨立的嵌入式模塊，處理能力得到大幅增強，通常采用32 位芯片，SAM 卡插槽數量大為增加，達到4～6 個，支持的票卡介質一般為邏輯加密卡;在軟件功能設計上，讀寫器僅處理卡協議，完成與卡片的數據交換及與上位機的數據傳輸，與卡規劃和卡業務相關的處理由上位機完成。這一設計決定了當AFC 系統新的業務需求產生變化時，不可避免地要對讀寫器和上位機設備進行改造。例如，2007年深圳地鐵為支持A 型CPU 卡和適應新的卡種應用，2009年武漢地鐵為兼容“武漢通”卡及滿足線網運營的要求，2010年重慶地鐵為兼容”重慶城市通”卡和手機支付業務，以及解決后續線路網絡化運營問題，都對線網內AFC 設備和讀寫器進行了較大規模的改造和軟件升級。

(3)標準化階段。2010年以來，先期進行軌道交通建設的各主要城市都不同程度地經歷了由于新線路開通、城市通卡引入及新票種新業務引入而造成的對既有線路AFC 系統的升級改造，從而引發對研發線網讀寫器(或稱“標準讀寫器”，俗稱“大讀寫器”)的重視;新建軌道交通的城市也將其作為一個重要的經驗教訓，并在進行第一條軌道交通線路建設時，就提出采用線網級讀寫器的要求。在這一時期，許多城市根據自身特點、不同的項目需求和對線網級讀寫器的理解及構想進行了讀寫器的研發，形成了設計理念不盡相同、各具特色的讀寫器地方標準。而這一時期票卡介質的發展也在客觀上推動了讀寫器的技術進步，2008年M1 卡安全算法遭破解后，各城市基本上都增加了讀寫器對CPU 卡的讀寫功能;2012年以來金融IC 卡和NFC(近場通信)手機支付應用的迅速發展，使各城市紛紛對讀寫器開發提出了相應的要求。

2 傳統讀寫器的局限

傳統讀寫器的特點主要表現為單線路、單運營商、單集成商/設備商的單一化結構體系模式，讀寫器通常集成于各AFC 系統終端設備中，采用與卡規劃設計應用、系統業務完全無關的純驅動型設計方式。隨著城市軌道交通的發展，運營線路不斷增多，卡業務、卡應用的范圍也不斷擴大。2003年之后，各城市相繼開始 AFC 清分中心(ACC)系統的規劃和建設，AFC 系統由傳統的四層架構演變為五層架構(清分中心—線路中央計算機—車站計算機—車站現場設備—車票)，原來各自進行的票卡、讀寫器規劃設計和管理工作，逐漸交由ACC 統一完成。

在新的網絡化運營需求和AFC 系統結構體系下，傳統純驅動型的讀寫器設計模式存在以下問題:

(1)票卡的數據結構規劃、密鑰安全設計、票卡應用、讀寫器安全等資料將向線網內參與建設的所有集成商/設備商開放，AFC 系統的安全風險加大。

(2)集成商/設備商根據自身設備特點進行讀寫器開發，與上位機的軟硬件接口各不相同，無法通用;新線設備設計須與既有線進行兼容性開發或對其改造，ACC 業務的統一規劃和管理難以進行。

(3)由于業務處理由上位機而不是讀寫器完成，當要求引入新的卡標準(如兼容Type A、B、C)、卡類型(如邏輯加密卡發展為CPU 卡)、卡業務(如城市通卡、市民卡、金融IC 卡、手機支付等)時，必須進行現場設備的軟件升級甚至改造，新增投資和運營影響都較大。

隨著我國第一批城市軌道交通線網的逐漸形成，純驅動型讀寫器無法適應新業務和線網化運營的弊端日趨凸顯，對讀寫器和現場設備的改造工程頻繁發生。因此，進行標準化、獨立化和通用化的線網級讀寫器設計，是讀寫器技術發展的整體趨勢。

3 線網讀寫器的標準化

目前，我國各主要城市在軌道交通建設中已普遍要求采用線網讀寫器，并不同程度地制定了地方性標準或企業標準。由于各地標準制定的時間跨度和工程特點的差異，其在軟硬件設計、性能要求、業務處理范圍、接口實現方式等方面的規定不盡相同，但總體而言，一個典型的線網讀寫器設計應具備以下基本特征:

(1)嵌入式獨立模塊化設計，對上位機采用標準的軟硬件接口設計。硬件接口可選用RS-232、USB、Ethernet 等接口標準。軟件接口可進行標準API(應用程序接口)設計，或定義標準數據報文調用命令。

(2)支持13.56 MHz 下所有類型的被動非接觸式通信方式和協議，可讀寫符合ISO/IEC 14443 標準的 TYPE A 和 TYPE B 卡(個別應支持 A、B、C)，以及符合PBOC 3.0 標準的金融IC 卡。

(3)讀寫器軟件應采用層次性的開發方法，在業務功能的設計上，與卡規劃和卡業務相關的處理應盡可能交由讀寫器完成。

(4)讀寫器硬件應采用32 位微處理器，支持嵌入式操作系統;支持多SAM 卡應用(4 個以上，多至8 個);程序存儲空間與交易記錄空間不低于256 MB，程序運行空間不低于128 MB。

4 線網讀寫器的業務處理

線網讀寫器設計的核心在于業務處理功能的劃分，它是決定讀寫器標準化、獨立化和通用化程度的重要因素，也是線網讀寫器的標志性特征。縱觀我國城市軌道交通的發展歷程，讀寫器業務處理范圍的逐漸擴大和功能的不斷增強，既得益于微處理器和數據存儲技術的發展為其功能擴展提供的硬件支持，更主要的是由軌道交通AFC 系統應用環境、業務種類的復雜化和多樣性對線網讀寫器的客觀需求決定的。一般來說，這些需求包括:①支持新票種(或新卡型)的引入;②適應票卡數據結構升級;③支持各種終端設備應用;④支持多線路、多運營商應用;⑤滿足業務安全性需求;⑥滿足ACC 統一規劃及運營需求。因此，在多線路(多運營商)的軌道交通AFC 系統體系下，為實現讀寫器的標準化、獨立化和通用化，其業務處理必須包含與票卡規劃、票卡設計相關的所有功能，以及盡可能多地包含與運營處理相關的功能，其相應地將這些業務從上位機的軟件設計中剝離。

目前比較典型的線網讀寫器業務處理劃分模式為:將有關卡運營有效性判斷和交易參數生成的主要部分保留在上位機完成(核心的是對票價表和名單、降級模式等處理的保留)，其他業務功能均在讀寫器內部完成。這一模式下，票價方案和名單參數等仍需在終端設備上部署實施，由此帶來的主要問題是當ACC 希望就線網整體進行票價調整時，理論上必須針對各條線路的多種設備進行調試。在下發名單、降級模式時也存在類似問題。

武漢、長沙等城市近年來設計、使用的讀寫器，對業務處理的全面下移進行了進一步嘗試。讀寫器將各類業務進行封裝，提供相應的通信報文供上位機主控程序調用;全部交易處理在讀寫器內部完成，上位機只根據報文的調用返回值和回傳數據結構進行通行邏輯控制，從而最大程度地實現了讀寫器的獨立性和通用性，形成所謂的全功能線網讀寫器。讀寫器負責完成的處理包括:①KEY、MAC 計算處理;②卡恢復流程處理;③應用數據映射卡物理地址讀寫;④卡基本有效性判斷和卡運營有效性判斷;⑤卡應用數據讀寫邏輯處理(包含容錯處理);⑥交易數據的組織;⑦交易邏輯判斷;⑧票價計算處理;⑨降級模式的處理。

5 展望

城市軌道交通AFC 系統讀寫器經過十幾年的演變和改進，從分離式模塊階段、純驅動型階段發展到線網級標準化階段，讀寫器的標準化、獨立化和通用化，是實現AFC 系統線網化運營的重要技術手段。讀寫器技術標準是城市軌道交通AFC 系統技術標準中不可或缺的重要組成部分，直接影響其他標準組成部分的制定;技術標準中對于讀寫器業務處理功能的劃分，實現與卡規劃和卡業務相關處理的要求，成為標志線網讀寫器的顯著特征。

展望線網讀寫器未來的發展，在業務和功能實現方面，處理商業銀行發行的符合PBOC 3.0 標準的金融IC 卡和NFC 手機支付應用，將是線網讀寫器的一個重要發展方向，并將成為線網讀寫器的必備功能;在軟硬件設計上，已形成成熟標準的城市將穩步發展和更新，而新建軌道交通的城市，必將要求讀寫器在最大程度上實現標準化、獨立化和通用化。業務應用的豐富、功能實現的下移和硬件能力的強化，是讀寫器發展的必然趨勢。

［1］陳鳳敏，趙曉蓉，居理，等.城市軌道交通自動售檢票系統工程質量驗收規范［S］.北京:中國計劃出版社，2006.