地鐵AFC系統“互聯網+”技術應用研究與實踐

展宗思

摘 要：地鐵自動售檢票（AFC）系統是基于計算機、通信、網絡、自動控制等技術，實現售票、檢票、計費、收費、統計、清分、管理等全過程自動化的系統。隨著手機二維碼、互聯網電子支付的全面普及和云計算技術的蓬勃發展，AFC 系統業務模式朝著更加信息化、智能化的方向發展。文章以西安地鐵為例，介紹其將地鐵AFC 系統與“互聯網 +”技術相結合，以手機二維碼為載體，建立掃碼過閘和多元化電子支付新業務模式的項目實踐，并對該項目的技術實現手段、優勢及實施成果進行分析，以期為“互聯網 +”技術在地鐵行業中的應用及“智慧地鐵”的建設提供借鑒和參考。

關鍵詞：地鐵;AFC系統;互聯網+;手機二維碼;第三方電子支付;云計算平臺

中圖分類號：U29-39

近年來，隨著互聯網技術的高速發展，以手機二維碼為載體的支付寶、微信等第三方電子支付方式在各個領域得到推廣應用[1]。在地鐵運營中，將“互聯網+”技術與地鐵AFC系統相結合，建立使用手機虛擬憑證直接進出站和電子支付的新業務模式，已成為控制運營成本、提升服務質量、建設“智慧地鐵”研究的新方向[2-5]。本文以西安市軌道交通集團有限公司（以下簡稱“西安地鐵”）為例，介紹其圍繞建設“智慧地鐵”目標，引入手機二維碼、第三方電子支付（支付寶、微信、銀聯等）等“互聯網+”技術對既有線路AFC系統進行功能改造的項目實踐。實踐證明，該項目在較短周期內實現了以手機二維碼掃碼過閘和多元化電子支付為特征的新業務模式，從根本上解決了車站購票/充值排隊時間長、實體錢票使用成本高等一系列問題，提升了乘客的出行體驗。

1 項目簡介

2017年9月，西安地鐵響應西安市政府建設“智慧城市”的號召，正式啟動了AFC系統“互聯網+”技術應用項目。

西安地鐵AFC系統“互聯網+”技術應用項目遵循“整體布局，分步推進”的原則，分為2期實施。一期階段，項目人員從西安地鐵運營現狀及乘客使用需求出發，對硬件平臺架構、終端性能和業務規則等方面進行了整體設計;在實驗室環境進行了大量實驗和測試，驗證了技術方案和現場實施方案的可行性;對既有線路AFC系統部分自動檢票機（以下簡稱“閘機”）進行了輕量化改造，搭建了多元化支付平臺，采取一系列行之有效的技術手段，實現了手機二維碼掃碼過閘功能，并解決了系統兼容性、網絡安全性等問題。二期階段，項目人員在一期成果的基礎上進行了迭代優化和延伸，將手機二維碼掃碼過閘業務與AFC系統深度融合，實行集中化的數據處理、統計、清分和結算;建設自主發碼平臺，新增票務中心電子支付業務，升級多元化支付平臺的軟、硬件，使得系統功能和性能均達到了全面推廣應用的要求。

經過2個階段的實施工作，西安地鐵全線網車站內的所有閘機和票務中心均完成了功能改造，兼具了手機二維碼掃碼過閘和多元化電子支付的功能，西安地鐵AFC系統“互聯網+”技術應用得以落地，西安地鐵“智慧化”建設由此邁出了關鍵一步。

2 技術實現手段

作為西安地鐵在“互聯網+”技術應用領域的一項重大探索，地鐵AFC系統“互聯網+”技術應用項目涉及以下6項具有代表性的技術手段。

2.1 自主發碼+多種第三方電子支付方式

西安地鐵參考《交通一卡通二維碼支付技術規范》（JT/T 1179-2018）定義的組織結構，設計了獨立的手機二維碼數據結構，如表1所示;并建設了自主發碼平臺，既可保證發碼權利掌握在西安地鐵手中，也可解決跨渠道交易數據匹配的問題。此外，自發碼數據結構中預留了個性化定義字段，對第三方電子支付渠道更加開放、友好[6-7]。

在支付方式和入口方面，西安地鐵提供了西安地鐵官方應用程序（APP）、支付寶APP、微信小程序、銀聯云閃付APP 4個入口，并分別支持支付寶、微信和銀聯支付方式。尤其在西安地鐵官方APP中，兼容了上述3 種支付方式，乘客可按自身需求選擇開通和自由切換。

2.2 閘機掃描+票務中心終端輔助

西安地鐵對閘機進行了外部和內部改造，在閘機外部端蓋上加裝二維碼掃描器，并改造閘機內部的主控板，在主控板中安裝運行二維碼處理程序，以實現數據讀取、密鑰驗簽、扇門控制、交易數據本機存儲及上傳的功能。

西安地鐵對票務中心終端進行了軟、硬件改造，為其加裝了手機二維碼手持式掃槍，用于讀取手機二維碼（或手動輸入電話號碼），以查詢乘客交易信息，對異常交易進行補登處理，并支持實體票卡補票、單程票售票、一卡通充值電子化支付等功能。

2.3 閘機離線運行 + 手機離線發碼機制

西安地鐵閘機和手機發碼均支持離線降級運行機制，以保證現場網絡異常時不影響正常業務功能。

（1）網絡正常時，閘機保持在線運行。網絡異常時，閘機離線機制可自動切換到本地密鑰進行合法性驗證，保證手機二維碼掃碼過閘業務不受影響，并能正常生成離線交易數據，存儲在本機中;待閘機網絡恢復后，再將交易數據補傳至本地前置平臺。

（2）手機在線發碼機制對現場網絡條件的依賴性過高，常出現由于乘客手機信號不穩定而無法生成二維碼的情況，大大影響乘客的通過效率和使用體驗。而手機離線發碼機制能夠支持手機在離線條件下生成離線二維碼（默認20次，可設置）。這樣既解決了乘客使用手機二維碼過閘時受外界網絡環境影響的問題，也通過設定離線碼次數的方式有效控制了由于大量離線數據導致票款流失過多的風險[8-9]。

2.4 本地前置平臺+多元化支付云平臺

西安地鐵采用本地前置平臺和多元化支付云平臺相結合的布署方案，既承載實時性要求較高的本地業務，又兼顧互聯網支付和APP等云業務[10-11]。

本地前置平臺部署在西安地鐵控制中心，用于實現AFC系統與互聯網之間的安全訪問。本地前置平臺通過互聯網與云平臺連通，除具備本地業務功能（如防復用、行程控制、交易數據暫存等）外，還負責接收、轉發和應答終端設備的電子支付請求。

多元化支付云平臺部署于阿里云上，用于收集來自本地前置平臺的進、出站交易數據，對進、出站交易進行行程匹配，計算乘車費用，生成交易訂單，并將訂單提交第三方支付機構，發起扣費申請，并在扣費成功后通過APP向乘客推送扣費結果。

2.5 防復用+行程控制

西安地鐵采用防復用和行程控制雙重驗證機制，規避乘客在乘車行程中的手機二維碼復用、誤用和進出站次序判斷困難等問題。防復用和行程控制流程如圖1所示。

乘客使用手機二維碼過閘時，閘機掃碼讀取數據并將其上傳給工控機程序。工控機程序對數據進行合法性驗證（如數據格式、密鑰等）后，向本地前置平臺發起線網防復用驗證。

防復用驗證規則如下。

（1）本地前置平臺查詢交易數據庫中是否存在該乘客二維碼的同類行程（進站或出站）交易記錄，若不存在，則向閘機返回驗證通過信息，閘機開閘;否則，向閘機返回驗證不通過信息，閘機不開閘。

（2）正常情況下，閘機在100 ms內可收到本地前置平臺返回的防復用驗證結果。若閘機在100 ms內未收到驗證結果，則視為請求超時，自動降級為閘機防復用。閘機防復用時，閘機查詢本機交易數據庫中是否存在該乘客二維碼的交易記錄，若不存在，則開閘;否則，不開閘。

防復用驗證保證了手機二維碼的唯一性要求，行程控制保證了交易數據成對的原則，兩者結合便可以實現票務規則所要求的“一人一碼刷一次，一進一出成一對”的目標。

2.6 交易融對 + 補登措施

西安地鐵采用對進、出站交易進行后臺匹配融對和計費的方式，并支持票務中心和APP的補登處理措施。

乘客使用手機二維碼進、出閘機時，閘機所產生的進站交易會優先于出站交易上傳至本地前置平臺。本地前置平臺將收到的進站交易數據入庫暫存，待出站交易完成后統一上傳至多元化支付云平臺，多元化支付云平臺收到出站交易后將其與進站交易進行匹配融對。若融對成功，則向APP后臺提起扣費請求;否則，在當日運營結束后對該交易進行集中融對處理。交易匹配融對規則示例如表2所示。

若出現因交易數據上傳異常而導致“多進”或“多出”的情況，則采取就“遠”原則（“遠”是指離出站時間最遠的進站）進行匹配融對。

若乘客通過APP查詢信息發現因進、出站缺失導致扣費異常的情況，可通過票務中心人工干預或APP自助的方式補登交易，待補登交易生成并上傳后，后臺則完成正常的匹配融對和扣費。

3 技術優勢

與國內其他城市地鐵相比，西安地鐵AFC系統“互聯網+”技術應用項目采用的多項關鍵技術具有明顯優勢，具體體現在以下幾方面[12-15]。

（1）與其他城市地鐵所采用的第三方二維碼、組合二維碼相比，西安地鐵自發碼技術的標準更規范，抗外界因素干擾能力更強，可實現跨支付渠道交易匹配。

（2）部分城市地鐵采用手機二維碼讀取+藍牙回寫數據的方式判斷手機二維碼復用和進出站次序，而西安地鐵采用的防復用和行程控制機制無需乘客提前打開手機藍牙，因此乘客的過閘體驗更好，且乘客手機內無需數據寫入，通過效率更高。

（3）閘機運行、手機發碼雙離線機制保證了系統業務的可用性更高，乘客過閘時對網絡條件的要求更低。

（4）APP自助補登措施在一定程度上可減輕票務中心人工窗口的工作壓力，節約乘客排隊等候的時間。

西安地鐵AFC系統“互聯網+”技術應用項目在國內同行業中處于領先地位。2018年1月1日，一期全線網試點功能上線，上線時間先于北京、上海、廣州、深圳等一線城市; 2018年12月1日，二期全線網所有設備完成改造，上線運行;截止2019年12月，采用手機二維碼過閘的乘客數量日均達到103萬人次，在所有票種中的占比為60%，此比例在行業內首屈一指。

4 實施成果

西安地鐵AFC系統“互聯網+”技術應用項目實施以來，使用手機二維碼過閘的乘客數量持續攀升，在很大程度上解決了車站排隊擁堵、現金處理繁雜等運營難題，緩解了設備運維壓力，為地鐵商業配套資源開發提供了有利平臺。

4.1 系統運行及數據統計

自2018年1月項目試點功能上線以來，西安地鐵使用手機二維碼過閘的客流量持續攀升，如圖2所示。截至2019年12月底，手機二維碼過閘系統的注冊用戶卡超過2 600萬張，累計交易數量超過5.3億筆，累計交易金額近19億元。

4.2 票種分布結構的變化

隨著乘客無卡化乘車習慣的形成，各票種的分布情況出現了結構性變化。以2019年12月為例，實體單程票的使用率從2017年12月的23%下降至8%，降幅15%;西安城市一卡通（即長安通）從73%下降至32%，降幅41%。這2種車票使用率降低對應的是手機二維碼使用率的提高，由此可知手機二維碼過閘非常受乘客歡迎。

4.3 運營管理水平的提升

項目實施在一定程度上緩解了現金處理和排隊的壓力，減輕了終端設備票卡和現金處理模塊的工作量，同時也積累了部分線上數據資源。

4.3.1 減少零錢兌換及現金清點

西安地鐵各線路自動售票機購票時只接受1元硬幣及5元、10元面值的紙幣;充值時只接受10元整數倍面值的紙幣。從零錢兌換（以下簡稱“兌零”）數據對比看，2017年（二維碼閘機上線前）西安地鐵月均兌零436萬元，且節假日波動較大;而2019年（二維碼閘機上線后）月均兌零288萬元，較2017年下降約34%，且兌零量相對平穩。

在現金清點方面，2017年12月，西安地鐵單程票日均銷售（包括自動售票機和票務中心）現金收入為103.2萬元;而2019年12月，該項收入為64.3萬元，日均減少了近40萬元，大幅降低了車站自動售票機現金加幣、補幣的壓力。現金收入減少也減輕了車站票務中心兌零、現金清點和解款的負擔。此外，對比傳統的收益管理模式，數字化票款管理具有嚴謹、準確、及時等不可替代的優點。

4.3.2 緩解排隊購票、充值的壓力

乘客可直接掃手機二維碼過閘，無須購買單程票，解決了在自動售票機前排隊購票的問題。同時，由于部分乘客選擇手機二維碼掃碼過閘的方式，因此乘客在票務中心排隊辦理城市一卡通充值、單程票購票、票卡異常處理和補票業務的情況也得以緩解。項目實施前后車站現場對比如圖3所示。

4.4 AFC 系統終端設備故障率下降

車票電子化有效緩解了自動售票機的售票充值壓力及閘機的單程票回收壓力，減少了對其核心模塊的使用和維護。項目實施以來，自動售票機的紙幣、硬幣、車票處理模塊及閘機的單程票回收模塊故障次數逐步減少，使用壽命得以延長，也在一定程度上減輕了維修人員的工作量。

4.5 APP 資源的積累和挖掘

利用第三方電子支付平臺覆蓋面廣、用戶黏性高、活躍度高等優勢，可吸引線上用戶資源、分流線下實體票客流。西安地鐵官方APP除提供信息查詢、失物招領、愛心預約、地鐵咨詢等運營服務核心功能之外，還引入了地鐵閱讀、地鐵故事、最西安等特色板塊，在乘客與企業間建立了初步的信賴，搭建了良好的溝通渠道。

在未來，西安地鐵還將豐富官方APP的功能，除為乘客提供智慧乘車、交通信息、便民服務等基礎服務外，還致力于滿足市民在生活、娛樂、購物等多方面的需求，著力將西安地鐵官方APP打造為市民輕生活平臺。西安地鐵還希望憑借其技術實力及專業營銷管理平臺，實現驅動地鐵經濟發展、挖掘增值產業等目標。

5 總結與展望

西安地鐵AFC系統“互聯網+”技術應用項目上線后，使用人數持續增長，受到乘客信任和好評。自項目實施起至今，系統運行安全穩定，乘客過閘效率顯著提高，第三方電子支付渠道也趨于多樣化。作為西安地鐵“互聯網+”技術應用的首項成果，該項目為西安的 “智慧地鐵”建設積累了實踐經驗，培養了技術人才，也為其他城市地鐵“互聯網+”技術的應用提供了借鑒和參考。

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收稿日期 2020-04-21

責任編輯 蘇靖棋