關(guān)于軌道交通AFC終端設(shè)備模塊接口標(biāo)準(zhǔn)化的研究

王子強 瞿斌 周曉 徐高峻 張屹峻

摘 要 隨著上海地鐵AFC技術(shù)的高速發(fā)展，AFC終端設(shè)備的種類也日益繁多，但不同廠商開發(fā)同類設(shè)備模塊標(biāo)準(zhǔn)不一，使得模塊開發(fā)周期較長，模塊可重用性較低。為了減少同類模塊設(shè)備上層界面的開發(fā)周期、成本以及提高軟硬件后期修改和維護的便利性，統(tǒng)一各個廠商同類設(shè)備模塊通信的標(biāo)準(zhǔn)，實現(xiàn)終端設(shè)備模塊和上層應(yīng)用軟件的可互換具有重要意義。本文針對本課題主要研究AFC終端設(shè)備模塊通信標(biāo)準(zhǔn)化，設(shè)計和實現(xiàn)AFC系統(tǒng)終端設(shè)備的模塊軟件接口的標(biāo)準(zhǔn)統(tǒng)一提供一種研究方法，為軌道交通運營管理部門合理配置資源、提高管理效率提供理論支持。

關(guān)鍵詞 城市軌道交通 AFC 標(biāo)準(zhǔn)化

中圖分類號：U239.5 文獻(xiàn)標(biāo)識碼：A

0引言

軌道交通的運營管理機構(gòu)面臨如下問題：目前AFC終端設(shè)備模塊包括工控機、CF卡等逐步標(biāo)準(zhǔn)化，但是由于各模塊制造商較多，且設(shè)備與模塊之間 封閉性較高等原因，導(dǎo)致上層應(yīng)用軟件與各下接模塊如紙幣處理模塊、發(fā)卡模塊、阻擋機構(gòu)模塊等進(jìn)行串口通信的標(biāo)準(zhǔn)尚未統(tǒng)一。上層應(yīng)用軟件除處理業(yè)務(wù)邏輯外，對終端模塊的指令各廠商自行有其標(biāo)準(zhǔn)，使得上層應(yīng)用軟件無法統(tǒng)一等。如何縮短AFC模塊開發(fā)周期，提高模塊可重用性，減少同類模塊設(shè)備上層界面的開發(fā)周期、成本以及提高軟硬件后期修改和維護的便利性，統(tǒng)一各個廠商同類設(shè)備模塊通信的標(biāo)準(zhǔn)？上述問題都是擺在運營管理部門主管領(lǐng)導(dǎo)面前最為緊迫的問題。

軌道交通運營機構(gòu)需要建立全面的生產(chǎn)管理模式、統(tǒng)一規(guī)劃設(shè)備及關(guān)鍵模塊的標(biāo)準(zhǔn)規(guī)范管理體系，實現(xiàn)終端設(shè)備模塊和上層應(yīng)用軟件的互換， 避免重復(fù)投資和資源浪費。

1現(xiàn)狀及問題

在地鐵各專業(yè)系統(tǒng)中，AFC系統(tǒng)扮演著十分重要的角色，它不但為乘客提供自動售票和自動檢票服務(wù)，也為軌道交通運營公司的科學(xué)管理提供可靠的數(shù)據(jù)。它是現(xiàn)代軌道交通先進(jìn)性的重要體現(xiàn)。在通常意義上，AFC是英文Automatic Fare Collection的簡稱，即自動售檢票。許多人可能認(rèn)為自動售檢票系統(tǒng)僅僅是售票和檢票，僅僅是進(jìn)站和出站，從嚴(yán)格意義上來說，自動售檢票系統(tǒng)（AFC）是基于計算機。

從業(yè)務(wù)流程和技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)來看，國內(nèi)每個城市的 AFC系統(tǒng)都建立了自己的標(biāo)準(zhǔn)體系，該標(biāo)準(zhǔn)體系規(guī)范了交易數(shù)據(jù)、設(shè)備狀態(tài)數(shù)據(jù)、收益數(shù)據(jù)、寄存器數(shù)據(jù)和命令的結(jié)構(gòu)和編碼格式;還規(guī)范了每個層級的界面風(fēng)格、票卡結(jié)構(gòu)和密鑰體系。同時，在該技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)中也體現(xiàn)了地方的特色。

隨著上海地鐵AFC技術(shù)的高速發(fā)展，AFC終端設(shè)備的種類也日益繁多，但不同廠商開發(fā)同類設(shè)備模塊標(biāo)準(zhǔn)不一，使得模塊開發(fā)周期較長，模塊可重用性較低。為了減少同類模塊設(shè)備上層界面的開發(fā)周期、成本以及提高軟硬件后期修改和維護的便利性，統(tǒng)一各個廠商同類設(shè)備模塊通信的標(biāo)準(zhǔn)，實現(xiàn)終端設(shè)備模塊和上層應(yīng)用軟件的可互換具有重要意義。

目前上海軌道交通AFC終端設(shè)備模塊包括工控機、CF卡等逐步標(biāo)準(zhǔn)化，但是由于各模塊制造商較多，且設(shè)備與模塊之間封閉性較高等原因，導(dǎo)致上位機與各下接模塊如紙幣處理模塊、發(fā)卡模塊、阻擋機構(gòu)模塊等進(jìn)行串口通信的標(biāo)準(zhǔn)尚未統(tǒng)一。上層應(yīng)用軟件除處理業(yè)務(wù)邏輯外，對終端模塊的指令各廠商自行有其標(biāo)準(zhǔn)，使得上位機應(yīng)用軟件無法統(tǒng)一。

2解決思路

依據(jù)國家《城市軌道交通自動售檢票（AFC）系統(tǒng)工程質(zhì)量驗收規(guī)范》和《上海市工程建設(shè)規(guī)范 城市軌道交通自動售檢票系統(tǒng)通用技術(shù)規(guī)范》，同時，執(zhí)行上海市最新頒布的《上海市工程建設(shè)規(guī)范 城市軌道交通自動售檢票系統(tǒng)（AFC）檢測規(guī)程》。其相關(guān)規(guī)范與規(guī)程明確了AFC系統(tǒng)建設(shè)中的標(biāo)準(zhǔn)、規(guī)范、檢測內(nèi)容、方法和判據(jù)。解決思路主要體現(xiàn)在以下三個方面：

2.1實現(xiàn)不同廠商模塊之間可互換

同一類設(shè)備即使廠商、型號不同，各主要模塊經(jīng)簡易配置后可互相替換。

2.2實現(xiàn)不同廠商上層應(yīng)用軟件可互換

同一類設(shè)備即使廠商、型號不同，上層應(yīng)用軟件經(jīng)簡易配置后可互相替換。

2.3實現(xiàn)嵌入式Linux操作系統(tǒng)不同設(shè)備可互換

設(shè)備工控機即使廠商不同，經(jīng)使用已灌裝的通用Linux操作系統(tǒng)的CF卡后即可使用。

可行性方面，上海軌道交通在2005年實現(xiàn)“一票換乘”時，已完成制定了詳細(xì)的系統(tǒng)標(biāo)準(zhǔn)。十年以來，在系統(tǒng)建設(shè)與設(shè)備的設(shè)計研發(fā)時，都基本遵循這個統(tǒng)一的標(biāo)準(zhǔn)，系統(tǒng)和設(shè)備可以互相兼容;關(guān)鍵模塊基本國產(chǎn)化，除了部分紙幣處理模塊外，模塊控制板基本國內(nèi)廠商生產(chǎn)與制造，基本可以修改模塊的控制板程序，既可定制控制板與上位機的接口。近年來隨著全國地鐵建設(shè)和開通里程增加，為了運營和維護的方便，都在積極做標(biāo)準(zhǔn)化，尤其終端設(shè)備的標(biāo)準(zhǔn)化和國產(chǎn)化。由此可見，本課題研究的可行性方面已具備良好的基礎(chǔ)與條件。

通過標(biāo)準(zhǔn)化AFC終端設(shè)備核心模塊接口，將在軌道交通運營管理精細(xì)度方面得到明顯加強：

（1）填補AFC行業(yè)模塊通信標(biāo)準(zhǔn)缺失的空白;（2）填補AFC行業(yè)通用上位機軟件缺失的空白;（3）填補AFC行業(yè)通用嵌入式Linux操作系統(tǒng)缺失的空白。

3研究目標(biāo)

3.1形成關(guān)于AFC終端設(shè)備模塊通信標(biāo)準(zhǔn)

研究分析AFC系統(tǒng)終端設(shè)備（包含自動售票機和自動檢票機）的各種硬件模塊，并為每個模塊定義詳細(xì)的對外通信標(biāo)準(zhǔn)，標(biāo)準(zhǔn)需具有通用性，能較好的適應(yīng)各種硬件模塊。

標(biāo)準(zhǔn)需包含通信報文的格式、命令與應(yīng)答集（如阻擋機構(gòu)開啟關(guān)閉、硬幣口開啟關(guān)閉等命令）、各模塊的工作狀態(tài)（包含故障狀態(tài)）等。

3.2設(shè)計實現(xiàn)符合上?，F(xiàn)行標(biāo)準(zhǔn)的通用上層應(yīng)用驗證軟件

設(shè)計適配于自動售票機與自動檢票機的上層應(yīng)用軟件，需滿足該設(shè)備基本功能要求如阻擋機構(gòu)開啟關(guān)閉、發(fā)售測試車票等功能，并具有功能參數(shù)設(shè)置及查詢模塊工作狀態(tài)、唯一標(biāo)識碼、工作時間、使用次數(shù)等功能。

考察二者的兼容性和該標(biāo)準(zhǔn)的可行性，根據(jù)應(yīng)用情況形成相關(guān)報告。

3.3設(shè)計實現(xiàn)符合上?，F(xiàn)行標(biāo)準(zhǔn)的通用嵌入式Linux操作系統(tǒng)

該操作系統(tǒng)可通用于自動售票機和自動檢票機，適配該設(shè)備的通用上層應(yīng)用軟件及其硬件。

考察二者的兼容性和該標(biāo)準(zhǔn)的可行性，根據(jù)應(yīng)用情況形成相關(guān)報告。

4解決方案

AFC終端設(shè)備模塊通信標(biāo)準(zhǔn)化，形成一套模塊通信標(biāo)準(zhǔn)化接口，在此基礎(chǔ)上對上層應(yīng)用軟件及其使用的嵌入式Linux操作系統(tǒng)進(jìn)行統(tǒng)一定制，設(shè)計和實現(xiàn)AFC系統(tǒng)終端設(shè)備的模塊軟件接口的標(biāo)準(zhǔn)統(tǒng)一，并在此基礎(chǔ)上設(shè)計一套通用的設(shè)備上層應(yīng)用軟件及其搭載的操作系統(tǒng)，實現(xiàn)對各個設(shè)備供貨商提供設(shè)備的控制。

4.1 AFC終端設(shè)備模塊接口標(biāo)準(zhǔn)化

AFC終端設(shè)備模塊接口標(biāo)準(zhǔn)化，從內(nèi)容上可劃分為三大部分，本別是：“通信方式”、“報文格式”、“關(guān)鍵模塊標(biāo)準(zhǔn)命令及應(yīng)答”，基本涵蓋了AFC終端設(shè)備核心模塊通信標(biāo)準(zhǔn)化所必須涵蓋的主要部分。通過以上標(biāo)準(zhǔn)化過程，實現(xiàn)相同硬件模塊、相同設(shè)計功能、相同應(yīng)用場景的部件與上位控制軟件的“松耦合”，從而避免了從前由于不同廠商的部件無法互相替換的問題，從而具備了“兼容性”，解決了核心部件備品備件的資源分類配置、廠商服務(wù)變化等現(xiàn)實問題。

4.1.1通信方式

標(biāo)準(zhǔn)化設(shè)計內(nèi)容：通訊接口（硬件）、波特率、數(shù)據(jù)位、奇偶校驗位、開始/停止位、數(shù)據(jù)流控制方式以及報文數(shù)據(jù)格式等。

4.1.2報文格式

針對通信報文的報文格式進(jìn)行標(biāo)準(zhǔn)化設(shè)計，包括：開始/結(jié)束標(biāo)志（STX/ETX）、轉(zhuǎn)義字符（ESC）、命令幀報文格式。其中，命令幀報文格式定義了在指令報文開始到結(jié)束的中間部分所有字段及數(shù)據(jù)內(nèi)容對所有控制字符（0x02，0x03，0x10）前增加轉(zhuǎn)義字符，包括：數(shù)據(jù)長度、命令數(shù)據(jù)、校驗。

4.1.3關(guān)鍵模塊命令及應(yīng)答

設(shè)計關(guān)鍵硬件模塊的標(biāo)準(zhǔn)命令及其應(yīng)答，包括命令碼及應(yīng)答代碼定義、具體命令及應(yīng)答兩大部分。

命令碼及應(yīng)答代碼定義：命令種類及定義;命令代碼定義;自發(fā)事件代碼定義;具體命令及應(yīng)答：關(guān)鍵設(shè)備模塊控制及信息交互的具體命令定義標(biāo)準(zhǔn)化，以通訊控制模塊為例，見圖1。

4.2 AFC終端設(shè)備工控機的通用嵌入式Linux操作系統(tǒng)

本次標(biāo)準(zhǔn)化研究中，針對AFC終端設(shè)備硬件Linux操作系統(tǒng)，進(jìn)行了標(biāo)準(zhǔn)化定制。定制系統(tǒng)是根據(jù)地鐵AFC業(yè)務(wù)特點及業(yè)務(wù)需求設(shè)計裁剪的一款高安全、高穩(wěn)定性、自主可控、高度定制的標(biāo)準(zhǔn)化工控定制操作系統(tǒng)?；趚86的工控機平臺，并針對X86平臺Linux系統(tǒng)的內(nèi)核和核外進(jìn)行定制。并通過增加、完善客戶AFC終端設(shè)備系統(tǒng)及項目對客戶端應(yīng)用所需的包括外設(shè)驅(qū)動和應(yīng)用功能庫，逐步構(gòu)建而形成的一個符合地鐵AFC業(yè)務(wù)需求工控定制系統(tǒng)。標(biāo)準(zhǔn)化定制系統(tǒng)是完全針對軌道交通領(lǐng)域的自動檢票系統(tǒng)所需從內(nèi)核到核外完全重新構(gòu)建的，完全支持AFC終端設(shè)備系統(tǒng)對多串口設(shè)備、多顯示、系統(tǒng)大小限制等功能需求。

標(biāo)準(zhǔn)化Linux操作系統(tǒng)具備以下優(yōu)勢：

4.2.1硬件支持豐富

支持X86、兆芯平臺的主機;支持多個工控機廠商產(chǎn)品;支持工控機多顯、多顯卡等各類外設(shè)、功能要求。

4.2.2全國產(chǎn)化支持

支持并提供多種基于國產(chǎn)化CPU的全國產(chǎn)化自主可控主機和外設(shè)解決方案;支持并提供以銀河麒麟操作系統(tǒng)為核心的全國產(chǎn)化自主可控軟件解決方案。

4.2.3系統(tǒng)穩(wěn)定、安全、精巧

系統(tǒng)支持安全漏洞的長時間維護;操作系統(tǒng)針對業(yè)務(wù)場景需求量身定制，沒有任何冗余后臺;支持7x24小時無人值守連續(xù)穩(wěn)定運行。

4.2.4強大的圖形支持

提供強大、豐富的圖形開發(fā)支持;提供便捷的顯示操作接口。

AFC終端設(shè)備標(biāo)準(zhǔn)定制操作系統(tǒng)，定制修改的主要內(nèi)容包括：

（1）定制系統(tǒng)增加專用于工控嵌入式領(lǐng)域的內(nèi)核;（2）內(nèi)核增加對SM750的驅(qū)動支持;（3）內(nèi)核對SM750+intel雙顯卡，在擴展顯示上做了兼容修改;（4）內(nèi)核對x86 J1900 CPU 電源管理相關(guān)BUG進(jìn)行了修復(fù);（5）內(nèi)核增加對兆芯平臺系列CPU和VIA芯片集的支持;（6）內(nèi)核增加對盛博工控機8250-16c554串口卡的支持;（7）內(nèi)核增加對申通LOGO的支持;（8）顯示增加多顯設(shè)備的翻轉(zhuǎn)、分辨率、左右屏的功能;（9）顯示增加多顯示設(shè)備的關(guān)閉鼠標(biāo)圖標(biāo)、關(guān)閉休眠的功能;（10）定制系統(tǒng)增加自動啟動業(yè)務(wù)應(yīng)用接口的服務(wù);（11）定制系統(tǒng)增加網(wǎng)絡(luò)喚醒功能模塊;（12）定制系統(tǒng)增加AFC硬件終端系統(tǒng)所需所有特殊庫文件;（13）定制系統(tǒng)增加對申通LOGO開關(guān)機顯示支持;（14）定制系統(tǒng)ISO兼容對各個工控機BIOS系統(tǒng)啟動要求;（15）定制系統(tǒng)ISO增加對工控類操作系統(tǒng)的安裝界面支持。

5結(jié)論

通過本次課題研究，實現(xiàn)終端設(shè)備關(guān)鍵模塊與上位機接口的統(tǒng)一，為實現(xiàn)不同集成商、不同供應(yīng)商產(chǎn)品之間的互換起到了決定因素。隨著地鐵AFC業(yè)務(wù)的高速發(fā)展，AFC終端設(shè)備的種類也日益繁多，不同廠商開發(fā)同類設(shè)備模塊標(biāo)準(zhǔn)不一，使得模塊開發(fā)周期較長，模塊可重用性較低。通過本課題的研究成果，為減少同類模塊設(shè)備上層應(yīng)用的開發(fā)周期、成本以及提高軟硬件后期修改和維護的便利性，統(tǒng)一各個廠商同類設(shè)備模塊通信的標(biāo)準(zhǔn)，實現(xiàn)終端設(shè)備模塊可互換具有重要的指導(dǎo)、借鑒意義

作者簡介：王子強（1965.7-）男，漢族，浙江紹興人，本科，上海申通地鐵集團有限公司運管中心高級工程師，研究方向： 軌道交通自動售檢票技術(shù);瞿斌（1975.8-）男，漢族，上海人，本科，上海申通地鐵集團有限公司運管中心工程師，研究方向：軌道交通自動售檢票技術(shù);周曉（1977.12-）男，漢族，上海人，上海申通地鐵集團有限公司運管中心高級工程師，研究方向：軌道交通自動售檢票技術(shù);徐高峻（1981.11-）男，漢族，浙江紹興人，本科，上海申通地鐵集團有限公司運管中心高級工程師，研究方向：軌道交通自動售檢票技術(shù);張屹峻（1985.1-）男，回族，上海人，上海申通地鐵集團有限公司運管中心工程師，研究方向：軌道交通自動售檢票技術(shù)。

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