關于軌道交通AFC終端設備模塊接口標準化的研究

王子強 瞿斌 周曉 徐高峻 張屹峻

摘 要 隨著上海地鐵AFC技術的高速發展，AFC終端設備的種類也日益繁多，但不同廠商開發同類設備模塊標準不一，使得模塊開發周期較長，模塊可重用性較低。為了減少同類模塊設備上層界面的開發周期、成本以及提高軟硬件后期修改和維護的便利性，統一各個廠商同類設備模塊通信的標準，實現終端設備模塊和上層應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終端設備模塊通信標準化，設計和實現AFC系統終端設備的模塊軟件接口的標準統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。

關鍵詞 城市軌道交通 AFC 標準化

中圖分類號：U239.5 文獻標識碼：A

0引言

軌道交通的運營管理機構面臨如下問題：目前AFC終端設備模塊包括工控機、CF卡等逐步標準化，但是由于各模塊制造商較多，且設備與模塊之間 封閉性較高等原因，導致上層應用軟件與各下接模塊如紙幣處理模塊、發卡模塊、阻擋機構模塊等進行串口通信的標準尚未統一。上層應用軟件除處理業務邏輯外，對終端模塊的指令各廠商自行有其標準，使得上層應用軟件無法統一等。如何縮短AFC模塊開發周期，提高模塊可重用性，減少同類模塊設備上層界面的開發周期、成本以及提高軟硬件后期修改和維護的便利性，統一各個廠商同類設備模塊通信的標準？上述問題都是擺在運營管理部門主管領導面前最為緊迫的問題。

軌道交通運營機構需要建立全面的生產管理模式、統一規劃設備及關鍵模塊的標準規范管理體系，實現終端設備模塊和上層應用軟件的互換， 避免重復投資和資源浪費。

1現狀及問題

在地鐵各專業系統中，AFC系統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，也為軌道交通運營公司的科學管理提供可靠的數據。它是現代軌道交通先進性的重要體現。在通常意義上，AFC是英文Automatic Fare Collection的簡稱，即自動售檢票。許多人可能認為自動售檢票系統僅僅是售票和檢票，僅僅是進站和出站，從嚴格意義上來說，自動售檢票系統（AFC）是基于計算機。

從業務流程和技術標準來看，國內每個城市的 AFC系統都建立了自己的標準體系，該標準體系規范了交易數據、設備狀態數據、收益數據、寄存器數據和命令的結構和編碼格式;還規范了每個層級的界面風格、票卡結構和密鑰體系。同時，在該技術標準中也體現了地方的特色。

隨著上海地鐵AFC技術的高速發展，AFC終端設備的種類也日益繁多，但不同廠商開發同類設備模塊標準不一，使得模塊開發周期較長，模塊可重用性較低。為了減少同類模塊設備上層界面的開發周期、成本以及提高軟硬件后期修改和維護的便利性，統一各個廠商同類設備模塊通信的標準，實現終端設備模塊和上層應用軟件的可互換具有重要意義。

目前上海軌道交通AFC終端設備模塊包括工控機、CF卡等逐步標準化，但是由于各模塊制造商較多，且設備與模塊之間封閉性較高等原因，導致上位機與各下接模塊如紙幣處理模塊、發卡模塊、阻擋機構模塊等進行串口通信的標準尚未統一。上層應用軟件除處理業務邏輯外，對終端模塊的指令各廠商自行有其標準，使得上位機應用軟件無法統一。

2解決思路

依據國家《城市軌道交通自動售檢票（AFC）系統工程質量驗收規范》和《上海市工程建設規范 城市軌道交通自動售檢票系統通用技術規范》，同時，執行上海市最新頒布的《上海市工程建設規范 城市軌道交通自動售檢票系統（AFC）檢測規程》。其相關規范與規程明確了AFC系統建設中的標準、規范、檢測內容、方法和判據。解決思路主要體現在以下三個方面：

2.1實現不同廠商模塊之間可互換

同一類設備即使廠商、型號不同，各主要模塊經簡易配置后可互相替換。

2.2實現不同廠商上層應用軟件可互換

同一類設備即使廠商、型號不同，上層應用軟件經簡易配置后可互相替換。

2.3實現嵌入式Linux操作系統不同設備可互換

設備工控機即使廠商不同，經使用已灌裝的通用Linux操作系統的CF卡后即可使用。

可行性方面，上海軌道交通在2005年實現“一票換乘”時，已完成制定了詳細的系統標準。十年以來，在系統建設與設備的設計研發時，都基本遵循這個統一的標準，系統和設備可以互相兼容;關鍵模塊基本國產化，除了部分紙幣處理模塊外，模塊控制板基本國內廠商生產與制造，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和開通里程增加，為了運營和維護的方便，都在積極做標準化，尤其終端設備的標準化和國產化。由此可見，本課題研究的可行性方面已具備良好的基礎與條件。

通過標準化AFC終端設備核心模塊接口，將在軌道交通運營管理精細度方面得到明顯加強：

（1）填補AFC行業模塊通信標準缺失的空白;（2）填補AFC行業通用上位機軟件缺失的空白;（3）填補AFC行業通用嵌入式Linux操作系統缺失的空白。

3研究目標

3.1形成關于AFC終端設備模塊通信標準

研究分析AFC系統終端設備（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的對外通信標準，標準需具有通用性，能較好的適應各種硬件模塊。

標準需包含通信報文的格式、命令與應答集（如阻擋機構開啟關閉、硬幣口開啟關閉等命令）、各模塊的工作狀態（包含故障狀態）等。

3.2設計實現符合上海現行標準的通用上層應用驗證軟件

設計適配于自動售票機與自動檢票機的上層應用軟件，需滿足該設備基本功能要求如阻擋機構開啟關閉、發售測試車票等功能，并具有功能參數設置及查詢模塊工作狀態、唯一標識碼、工作時間、使用次數等功能。

考察二者的兼容性和該標準的可行性，根據應用情況形成相關報告。

3.3設計實現符合上海現行標準的通用嵌入式Linux操作系統

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

考察二者的兼容性和該標準的可行性，根據應用情況形成相關報告。

4解決方案

AFC終端設備模塊通信標準化，形成一套模塊通信標準化接口，在此基礎上對上層應用軟件及其使用的嵌入式Linux操作系統進行統一定制，設計和實現AFC系統終端設備的模塊軟件接口的標準統一，并在此基礎上設計一套通用的設備上層應用軟件及其搭載的操作系統，實現對各個設備供貨商提供設備的控制。

4.1 AFC終端設備模塊接口標準化

AFC終端設備模塊接口標準化，從內容上可劃分為三大部分，本別是：“通信方式”、“報文格式”、“關鍵模塊標準命令及應答”，基本涵蓋了AFC終端設備核心模塊通信標準化所必須涵蓋的主要部分。通過以上標準化過程，實現相同硬件模塊、相同設計功能、相同應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、廠商服務變化等現實問題。

4.1.1通信方式

標準化設計內容：通訊接口（硬件）、波特率、數據位、奇偶校驗位、開始/停止位、數據流控制方式以及報文數據格式等。

4.1.2報文格式

針對通信報文的報文格式進行標準化設計，包括：開始/結束標志（STX/ETX）、轉義字符（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束的中間部分所有字段及數據內容對所有控制字符（0x02，0x03，0x10）前增加轉義字符，包括：數據長度、命令數據、校驗。

4.1.3關鍵模塊命令及應答

設計關鍵硬件模塊的標準命令及其應答，包括命令碼及應答代碼定義、具體命令及應答兩大部分。

命令碼及應答代碼定義：命令種類及定義;命令代碼定義;自發事件代碼定義;具體命令及應答：關鍵設備模塊控制及信息交互的具體命令定義標準化，以通訊控制模塊為例，見圖1。

4.2 AFC終端設備工控機的通用嵌入式Linux操作系統

本次標準化研究中，針對AFC終端設備硬件Linux操作系統，進行了標準化定制。定制系統是根據地鐵AFC業務特點及業務需求設計裁剪的一款高安全、高穩定性、自主可控、高度定制的標準化工控定制操作系統。基于x86的工控機平臺，并針對X86平臺Linux系統的內核和核外進行定制。并通過增加、完善客戶AFC終端設備系統及項目對客戶端應用所需的包括外設驅動和應用功能庫，逐步構建而形成的一個符合地鐵AFC業務需求工控定制系統。標準化定制系統是完全針對軌道交通領域的自動檢票系統所需從內核到核外完全重新構建的，完全支持AFC終端設備系統對多串口設備、多顯示、系統大小限制等功能需求。

標準化Linux操作系統具備以下優勢：

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品;支持工控機多顯、多顯卡等各類外設、功能要求。

4.2.2全國產化支持

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

4.2.3系統穩定、安全、精巧

系統支持安全漏洞的長時間維護;操作系統針對業務場景需求量身定制，沒有任何冗余后臺;支持7x24小時無人值守連續穩定運行。

4.2.4強大的圖形支持

提供強大、豐富的圖形開發支持;提供便捷的顯示操作接口。

AFC終端設備標準定制操作系統，定制修改的主要內容包括：

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

5結論

通過本次課題研究，實現終端設備關鍵模塊與上位機接口的統一，為實現不同集成商、不同供應商產品之間的互換起到了決定因素。隨著地鐵AFC業務的高速發展，AFC終端設備的種類也日益繁多，不同廠商開發同類設備模塊標準不一，使得模塊開發周期較長，模塊可重用性較低。通過本課題的研究成果，為減少同類模塊設備上層應用的開發周期、成本以及提高軟硬件后期修改和維護的便利性，統一各個廠商同類設備模塊通信的標準，實現終端設備模塊可互換具有重要的指導、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;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;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;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;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。

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