中小規模城市軌道交通線網AFC系統整體解決方案

何躍齊 劉 洋 張 寧

(1. 北京城建設計發展集團股份有限公司 北京 100037；2. 東南大學智能運輸系統研究中心軌道交通研究所 南京 210096)

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中小規模城市軌道交通線網AFC系統整體解決方案

何躍齊1劉 洋2張 寧2

(1. 北京城建設計發展集團股份有限公司 北京 100037；2. 東南大學智能運輸系統研究中心軌道交通研究所 南京 210096)

論述中小規模城市線網AFC系統的建設和發展，認為傳統大城市AFC系統的建設模式存在著標準較高、資源利用不合理、靈活性差等問題，不適合經濟實力較弱、線網運營規模較小的中小規模城市。根據中小規模城市的線網規模和資源投入情況，分析線網AFC系統整體解決方案的要求，并從線網AFC系統資源共享、AFC系統架構比選、AFC系統互換性等多個角度提出線網AFC系統整體解決方案，以指導中小規模城市軌道交通AFC系統網絡的建設與運營。 關鍵詞 城市軌道交通；資源共享；AFC系統架構；互換性；中小規模城市

1 研究背景

軌道交通自動售檢票(automatic fare collection，AFC)系統是基于計算機、自動控制等技術實現購票、檢票、收費、統計分析等功能的自動化系統[1]。

隨著軌道交通建設的不斷發展，起步較早的北京、上海、廣州等城市逐步向網絡化發展?；诰W絡化運營特點，各大城市相繼研究并出臺了地方AFC系統標準規范，但由于大城市自身發展的高要求，AFC系統建設日趨復雜且標準較高，導致新投入建設的經濟、技術實力較弱的中小規模城市在AFC系統建設的經驗借鑒方面有很大的困難，而且針對中小規模城市線網AFC系統的建設模式和標準，之前也尚未進行專題研究。另外，大城市AFC系統在經歷反復改造的摸索發展過程后，其建設思路和系統架構基本穩定成熟，各線路一般獨立建設，采用標準5層系統架構[2-3](清分中心、線路中心、車站、設備層、票卡層)，這種建設模式雖然具有層次分明、安全性高、方便線路獨立運營等優點，但從中小規模城市軌道交通線網的角度來看，若每條線均設置線路中心，不但增加了中心級設備采購、應用軟件開發、維護等的費用，同時也需要增加電力、人力、用房等資源。由于各線路工期不一致，系統集成商所使用的技術不同，設備采用和系統實現方式差異很大，各線路集成商設備之間互不兼容，關鍵設備模塊不能互換，不僅需要為每條線路建立相應的運營維護團隊，而且在面對新線的并網運營和運營需求調整時，難以保障多家集成商的統一協調，導致系統的可擴展性、需求適應性差，不利于中小規模城市軌道交通的可持續發展。

針對以上問題，迫切需要根據中小規模城市的線網運營規模、資源投入、運營管理方式等特點，提出線網AFC系統的整體解決方案，并從第1條線路建設開始，長遠地指導中小規模城市軌道交通線網AFC系統的建設與運營。

2 中小規模城市線網AFC系統需求

本文所說的中小規模城市是指軌道交通近期規劃(未來10年內)建設規模不超過5條線路的城市。相對于大城市來說，中小規模城市線網規模較小、資源投入較少，其線網AFC系統的運營需求主要包括：系統的互聯互通，保障線路間的無障礙換乘；系統的統一運營和統一維修管理，實現運維人員靈活配置；系統技術、接口標準統一，滿足新線、延伸線的接入要求；線路間設備、關鍵模塊的互換，實現設備與關鍵模塊的調撥使用和及時更換。

基于網絡化運營需求，建成后的AFC系統應能收集和處理線網中的各類數據，制定線網AFC系統各類參數，實現運營、票務、維護的集中管理功能，并通過清分中心完成與城市公共交通一卡通公司之間的結算。因此，為建成與中小規模城市軌道交通建設、運營、發展相適應的線網AFC系統，提高軌道交通的資源利用率和管理水平，其整體解決方案主要包括以下3方面。

1) 線網運營。線網AFC系統整體解決方案應站在線網的角度，摒棄以往單線獨立建設的思路，提出解決線網建設、運營、維護等多方面問題的方案，并能通過研究形成開放的、統一的技術規范和接口條件，避免因運營需求調整導致線路、車站系統和設備的大量改造，保障AFC系統的可持續發展。

2) 精簡化。精簡化并非指系統功能的缺失，而是指在保障線網AFC系統正常運營的情況下，結合中小規模城市線網運營管理規模較小、資源投入較少等因素，高效利用各種資源，實現系統架構的精簡，降低建設、運營及維護成本。

3) 靈活性。線網AFC系統的整體解決方案應具備較好的靈活性，針對線網運營的不同階段，需實現新線和延長線接入容易、系統功能需求易于調整等功能，既要考慮支持已有的業務系統，又要考慮系統的擴展性、兼容性和保護前期投資等一系列問題，避免出現由于新線的并網運營和功能需求的調整導致整個AFC系統的大改。

3 整體解決方案

線網AFC系統的整體解決方案主要包括3方面：線網AFC系統資源共享、線網AFC系統架構比選及AFC系統互換性。

3.1 線網AFC系統資源共享

隨著線網規模的不斷擴大，AFC系統及設備的規模也在迅速增加，導致投資急劇增長。但由于中小規模城市在人力、財力、物力等方面的資源投入有限，需要對AFC系統的資源共享進行研究，從而有效利用各種資源，保證系統正常、高效運營。線網AFC系統資源共享主要分為線網AFC系統內部資源共享以及線網AFC系統與外部系統間的資源共享。

3.1.1 內部資源共享

傳統的AFC系統建設模式中若單獨設置線路中心，需配備專門的機構進行管理，并且由于多家集成商參與AFC系統建設，造成各線路功能軟件重復開發，使得各系統的可維護性大大降低，造成軟件功能升級困難。因此，為有效利用線網AFC系統內部資源，可從3方面考慮資源共享方案。

1) AFC系統架構各層級功能配置優化。由于標準5層架構中線路中心的功能定位模糊，可通過為多條線路合設線路中心或者取消線路中心層級，將線路中心的功能分配給清分中心和車站中心，這樣就在線路中心系統開發、設備采購、機房用地等方面節約工程投資。

2) 系統運營維護團隊資源共享。由于各線路集成商獨自開發、技術各異，導致AFC系統運營維護資源無法共享，可通過統一技術接口標準和規范，為全線網建立統一的票務管理中心、維護管理中心等，從而實現運營維護團隊資源的共享。

3) 換乘站資源共享。由于換乘線路建設期的差異，換乘站AFC系統及設備的配置應結合建設、運營、乘客等多方面因素，在條件允許的情況下，合理配置一套AFC系統及設備，實現換乘站資源共享，不僅能夠節省投資，而且方便后期的運營管理。

3.1.2 與外部系統間的資源共享

現代化軌道交通的高效運營需保證各個專業的協調配合，但由于各專業系統自成體系，且設備多種多樣，要實現系統之間的統一協調管理較為困難。因此，AFC系統需考慮與外部系統間的信息互通及部分通用性資源的共享，主要可從2方面考慮資源共享方案。

1) AFC系統信息資源的共享。在以往的軌道交通系統建設過程中，各專業系統獨立組網，難以實現信息互通和協調管理，然而，在網絡化運營的背景下，亟須高效利用各種信息資源，以提高運營管理水平。因此，AFC系統有必要實現綜合信息平臺的互聯，包括設備狀態及故障告警信息、客流數據信息、票務信息等各類信息的資源共享，以及智能化的輔助決策，提高運營服務質量和應急處理效率。

2) AFC系統與其他弱電系統的通用性資源共享，如用房資源、UPS電源等的共享。軌道交通部分系統單獨設置設備室、維修工區、UPS電源等，存在設備用房配置不合理、設備利用率低等問題，可根據中心和車站的設備用房面積、維修人員配置、電源應用需要等，通過AFC系統與其他弱電系統的設備用房合用(除票務室外)、維修工區合設、UPS電源整合等方式，集約利用系統設備用房、電源、維修等資源。

3.2 線網AFC系統架構比選

3.2.1 方案提出

目前，軌道交通AFC系統一般采用標準的5層架構體系，這種系統結構也已經被國內許多城市所采用，但隨著軌道交通的快速發展、運營需求的改變和運營管理難度的增加，衍生出一些新的AFC系統架構模式，包括北京多線共用AFC系統線路中心、南京地鐵區域線路中心[4]等。因此，應綜合考慮中小規模城市的交通狀況、線網標準、運營需求等因素，對AFC系統進行靈活的設置，選擇適合的AFC系統體系架構。

結合中小規模城市線網運營規模和資源投入狀況，提出3種AFC系統架構方案，分別是標準5層架構(方案1)、設置多線路中心(方案2)、合并線路中心和清分中心(方案3)，各方案具體系統架構圖可參考文獻[5]中所示，本文不再贅述。

1) 標準5層架構。清分中心(AFC clearing center，ACC)主要負責對線路之間以及與一卡通公司之間的清分結算，制定票務規則，發行票卡，全面協調各線路之間的日常運營管理。線路中心(line center，LC)與ACC進行對賬并接收ACC的命令和參數，將其下發到各車站系統，完成本線路的票務管理等。此方案具有層次分明、功能清晰等優點，在各大城市AFC系統建設過程中應用廣泛。然而，不少運營商意識到如果在每條線路都設置LC，會造成資源的浪費，且此方案接口類型多而復雜，導致運營維護成本高、升級和擴展工作量大。

2) 設置多線路中心。ACC依然是線網AFC系統的控制管理中心，需對各多線路中心進行統一協調管理。多線路中心(multi-line center，MLC)是多條線路的共用管理中心，各線路的車站中心(station center，SC)通過數據匯聚設備與MLC相連接。MLC向ACC上傳交易數據并與ACC進行對賬，同時，它將各線路車站的管理職能和數據匯總傳輸職能整合起來，提高了線路之間的協調配合效率，避免了線路中心的重復建設，但需制定ACC與MLC以及MLC與車站之間的接口標準，以保障后續線路車站的接入。

3) 合并線路中心與清分中心。合并線路中心后的ACC是全線網的控制管理中心和中央數據處理系統，采取集中管理模式，負責獲取線網所有交易數據，同時負責各車站的運營管理、對賬等，各線路的車站中心通過數據匯聚設備直接與ACC相連接。SC負責實時監控本地設備、上傳運營數據、接收ACC的指令并與ACC進行對賬。在此方案中，原線路中心的功能被分配至清分中心和車站中心，精簡了系統架構，減少了線路層級的接口，從而大大減少建設成本，還可實現與運營維護團隊的資源共享，若能統一ACC與車站之間的接口標準，則后續線路接入較為容易。

3.2.2 方案對比

以上3種方案各有特點，其優缺點對比見表1。

表1 線網AFC系統架構各方案特點比較

3.2.3 綜合比選

在分析上述3種系統架構方案特點的基礎上，采用專家調研法及層次分析法[6-7]對3種方案進行綜合比較，根據專家意見，在影響AFC系統方案選擇的眾多因素中，可靠性、經濟性、高效性、靈活性的影響較大，且它們之間相互獨立，適合用于指標評價。綜上，建立了AFC系統架構方案評價指標體系，如圖1所示。

結合層次分析模型，由相關專家根據經驗和判斷對同一層次指標的相對重要性和相對優越性進行打分，并根據1～9標度法進行比較和賦值(以下判別矩陣中，aij表示要素i相對于要素j的比較結果，其值較大，則表明要素i相對于要素j越重要或越優越，1表示同等重要或優越)，準則層、指標層各因素的相對重要性比較打分數值分別見表2～3，方案層各指標的相對優越性比較打分數值見表4。

圖1 線網AFC系統架構方案評價層次分析模型

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表3 指標層各因素的相對重要性比較打分數值

表4 方案層各指標的相對優越性比較打分數值

注：表2、表3、表4中的變量含義參見圖1。

因此，結合3種AFC系統架構方案特點，通過專家對準則層、指標層的各指標相對重要性及方案指標相對優越性的打分數值情況，計算各方案對目標層的權重分配系數向量后，可得3種方案的最優排序是d3>d2>d1，推薦采用方案3。方案3不僅能夠滿足中小規模城市線網AFC系統的統一運營維修管理、新線和延伸線的方便接入等需求，而且能夠為每條線路節省LC系統投資約1 000萬元人民幣、LC設備用房面積約150 m2、UPS供電約10 kW，以及減少相應的運維人員，然而ACC系統的建設僅需在傳統投資基礎上增加500萬元左右(系統投資參照近幾年的AFC系統招標情況)。綜上，方案3合并線路中心和清分中心的AFC系統架構方案，具有良好的應用價值。

3.3 AFC系統互換性

由于AFC系統建設到后期運營時間跨度很大，且市場軟硬件模塊升級換代很快，若不實現AFC系統的互換性，則會出現后期運營成本高、系統維修難度大、升級改造工作量大等問題。因此，為提高中小規模城市AFC系統的投資經濟性、可維護性等，需進行系統互換性研究。

1) 系統功能模塊化研究。結合系統功能制定系統業務功能相關標準及實施規范，將系統功能劃分為運營監控管理模塊、對賬管理模塊、運營模式管理模塊、票卡庫存信息管理模塊等，研發滿足相關功能需求的系統標準應用軟件，并驗證其可實施性，從而實現系統的功能模塊化，有效控制后期運營成本，同時減少維護工作量。

2) 設備互換性研究。結合自動檢票機、自動售票機等車站設備的功能要求，制定設備功能、運行模式、接口的相關標準及實施規范，從而實現設備的互換，減少維護、升級、擴展費用，提高維護效率。

3) 關鍵模塊互換性研究。根據讀寫器軟件的交易流程，將讀寫器軟件接口內容模塊化，規范讀寫器軟件接口，避免多種軟件修改的風險；為使用頻率較大的部件制定統一的尺寸規格標準以及與設備之間的接口標準，保證關鍵硬件模塊損壞時能及時更換，從而實現關鍵模塊的互換性，降低系統升級維護的工作量和成本。

4 結語

隨著國內各城市軌道交通建設的大力推進，關于城市軌道交通線網AFC系統的建設越來越受到重視。中小規模城市軌道交通線網AFC系統的資源共享、系統架構精簡、系統互換性的實現，能夠很好地解決傳統AFC系統建設模式存在的投資浪費、運營管理難度大等問題，提高了系統資源的利用率和事件處理的響應速度，更加方便后續線路的接入及系統的需求調整和擴展，符合中小規模城市軌道交通的發展趨勢。同時，隨著中小規模城市線網AFC系統整體解決方案研究成果的進一步應用，還可為大城市的新線接入、既有線改造等方面提供一定的參考，有利于我國城市軌道交通AFC系統的可持續性發展。

[1] 潘攀，張寧，王健.城市軌道交通AFC系統參數管理[J].都市快軌交通,2015,28(3):12-15.

[2] 范巍. 城市軌道交通AFC系統線網讀寫器的標準與設計[J].都市快軌交通，2016，29(3)：110-113.

[3] 城市軌道交通自動售檢票系統技術條件:GB/T 20907—2007[S].北京:中國標準出版社,2007.

[4] 吳娟,徐鐘全,毛建.南京地鐵AFC區域線路中心的規劃

設計[J].鐵路通信信號工程技術,2012,9(5):63-65.

[5] 邱華瑞,張寧,徐文,等.城市軌道交通自動售檢票系統架構體系研究[J].都市快軌交通,2014,27(2):74-77.

[6] 常建娥,蔣太立.層次分析法確定權重的研究[J].武漢理工大學學報,2007,29(1):153-156.

[7] 李春好,孫永河,賈艷輝,等.變權層次分析法[J].系統工程理論與實踐,2010,30(4):723-731.

(編輯：王艷菊)

The Overall Solution of Networked AFC System of Urban Rail Transit for Small and Medium-sized Cities

He Yueqi1Liu Yang2Zhang Ning2

(1. Beijing Urban Construction Design & Development Group Co., Ltd., Beijing, 100037; 2. ITS Rail Transit Research Institute of Southeast University, Nanjing 210096)

The development of networked AFC system for small and medium-sized cities is discussed. The traditional way of establishing the AFC system follows a high standard, incurs irrational resource use, and has poor flexibility, which makes the conventional AFC system unsuitable for small and medium-sized cities. The requirements of an overall solution of networked AFC system for small and medium-sized cities are analyzed in line with the resource capacity of these cities. The overall solution is expounded from the aspects of resource sharing, architecture comparison, interchangeability of the networked AFC system, which is expected to provide guidance for small and medium-sized cities to develop and operate their urban rail transit AFC system networks.Key words: rail transit; resource sharing; AFC system architecture; equipment compatibility; small and medium-sized cities

10.3969/j.issn.1672-6073.2016.06.022

2016-05-15

2016-06-20

何躍齊，男，高級工程師，從事城市軌道交通弱電系統設計與研究，heyq@buedri.com

江蘇省科技廳產學研聯合創新資金—前瞻性聯合研究項目(BY2012197)

U231

A

1672-6073(2016)06-0110-04