單軌交通票務系統創新優化研究

田 沃 王國霖 孫 嶸

(中鐵工程設計咨詢集團有限公司,北京 100055)

1 概述

城市軌道交通由一系列龐大的自動化和信息化系統以及各類基礎設施組成。其中,包括信號、通信、自動售檢票、乘客信息、視頻監控、綜合監控等生產系統,為滿足運營管理的需要而建設的辦公、物資、資產、生產等管理系統,也包括涵蓋軌道、路基、高架結構、地下結構、隧道結構和管片等的基礎設施,以及車輛、供變電和機電設備等。目前,我國單軌交通信息化、智能化建設即將步入快速發展階段,單軌交通的建設模式、服務手段和經營方式等都面臨變革。而票務系統作為實現軌道交通出行智慧化的關鍵所在,需要在實現進一步輕量化的同時,做到智慧化水平和服務質量的提升。

國內眾多業內學者對城市軌道交通自動售檢票系統(AFC)進行創新研究。楊承東等結合新形勢下的軌道交通AFC 系統需求以及發展現狀,提出AFC 精簡化系統架構等技術發展趨勢[1];張振杰針對濟南地鐵1 號線提出了基于人臉識別的全套AFC 系統解決方案,采用“Depth 深度活體(結構光)”方案,可支持百萬級人臉庫[2];景亮等對基于云平臺的AFC 系統進行研究,對數據的計算、存儲等流程進行云資源配置,有效降低AFC 系統建設采購及運營使用成本[3];張所斌等結合成都地鐵運營需求,提出AFC 終端設備的移動化和輕量化方案,采用多種新型售檢票設備,壓縮設備制造和運維成本,為地鐵售檢票服務提供更多的設備選擇[4],楊靜等對新一代人工智能雙目視覺閘機的應用可靠性進行研究,在大幅優化閘機尺寸的情況下,提高通行能力和反欺詐能力[5]。

以下從輕型跨座式單軌交通“降本增效”的建設需求出發,結合城軌票務系統的整體發展演變情況,從單程票“去卡化”、設備輕量化以及票檢安檢一體化3 個角度,對下一代智慧單軌交通票務系統的創新優化方向進行論述。

2 城市軌道交通票務系統的演變分析

城市軌道交通票務系統從誕生以來,大致經歷了紙票人工售檢票、紙票半自動售檢票、一次性磁票自動售檢票、可重復使用磁票自動售檢票、接觸式IC 卡自動售檢票、非接觸式IC 卡自動售檢票,以及近幾年迅猛發展的新一代“互聯網+自動售檢票”和生物識別無感自動檢票等幾個階段。

票務系統的發展,離不開自動化、信息化的推動,近年來城市軌道交通票務系統從整體架構設計到乘客末端的支付方式,主要體現出了以下幾個演變趨勢。

(1)支付方式多元化

隨著智能手機的普及以及生物識別技術的發展,乘車憑證已經從僅支持實體票卡演變為支持多種虛擬票卡,如二維碼車票、NFC 虛擬卡、生物特征等。支付手段從現金支付演變為支持多種互聯網支付,如微信、支付寶、銀聯云閃付等。由于對乘客、運營兩方都帶來了便利,互聯網支付/過閘的比例自出現以來就一直在穩步攀升。同時生物識別“無感”過閘也在哈爾濱、濟南、深圳、鄭州、福州、太原等多個城市應用。

(2)系統整體架構優化

隨著國內城市軌道交通網絡化運營時期的到來,傳統AFC 系統的五層架構已經在逐步進行靈活的調整和優化演變,以適應新的IT 系統架構技術發展。北京、上海、廣州、深圳、成都等城市地鐵逐步采用AFC多線路中心(MLC)或集中線路中心(CLC)取代單線路中心的方式,一定程度上提高了AFC 系統資源共享的范圍。部分城市還嘗試采用整合ACC 和LC 的方式進一步精簡系統架構。隨著互聯網支付技術的廣泛應用,互聯網票務平臺以及官方APP 也已成為AFC 系統新架構的重要功能組成部分。基于云平臺打造的涵蓋互聯網票務平臺、城市軌道交通APP 的新型“云上互聯網+AFC”系統架構已初見端倪。

(3)乘車實名化

隨著軌道交通行業的快速發展,客運量與日俱增,如何增強公共交通搭乘安全指數,保障市民通勤健康安全成為新的關注點。自2020 年新冠肺炎疫情以來,深圳、廣州、長春、青島等地通過多種形式,嘗試實名制乘車,以確保地鐵乘客信息可查詢可追溯,實現對重點疑似人員行程軌跡有效跟蹤,保障出行安全。

(4)車站票務服務智能化

隨著票務系統的多元化發展,一方面,乘客的票務異常處理在由人工處理向線上APP 自助處理轉變,乘客可在具備NFC 功能的手機上利用專用APP 自助處理乘車二維碼、一卡通車票事務(如充值、行程查詢、異常申訴等);另一方面,車站的票務服務在向智能化轉變。如通過智能語音、乘客信息的可視化、人工智能等手段,可為乘客提供非現金票務、咨詢、查詢、導航、投訴實現信息咨詢和引導等服務。

(5)互聯互通需求

除上述幾個主要演變以外,隨著國內粵港澳大灣區、長三角、京津冀和成渝等城市群軌道交通的快速發展,還出現了跨區域的城市之間互聯互通的現實需求。上海、廣州、成都等地在不同交通制式間的互聯互通均進行了嘗試 。然而,由于高鐵、城際、市域鐵與城軌之間,建設及服務標準、運輸組織、管理體系等方面存在差異,在跨制式之間實現互聯互通和協同運輸還存在較多問題。不同制式間票務系統如何實現互聯互通,將成為未來一個重要研究方向。

3 單程票“去卡化”應用方案

3.1 單程票應用現狀

國內城市軌道交通中單程票一般采用卡式或者TOKEN 式封裝的小容量非接觸式簡易型集成電路(IC)卡,一次有效,進站驗票,出站回收。為實現單程票的循環使用,AFC 終端設備配備了大量的單程票儲票、發卡、回收機構,中心級還設置了票卡清洗設備、編碼分揀等設備(見表1)。單程票卡的流通管理和相關硬件模塊的維護,給軌道交通的日常運營帶來大量工作。如果取消傳統單程票,相應的硬件設備、占用的用房及設備空間均可減少,對于簡化運營流程,減輕運營負擔也具有積極意義。

表1 傳統單程票處理機構/設備

3.2 單程票“去卡化”

(1)二維碼虛擬車票

隨著我國移動支付技術的發展,國內主要城市軌道交通均進行不同程度的AFC 系統改造。通過對自動售票機升級、建設城市軌道交通APP、與第三方移動支付服務商合作,實現移動支付購票;通過對自動檢票機改造,加設二維碼識別攝像頭、人臉識別攝像頭等設備,實現二維碼識別和生物識別,進而形成以二維碼支付為主、多種新型支付方式為輔的無卡支付方式。目前已開通軌道交通的39 個城市均實現了掃碼過閘,包括官方APP、云閃付乘車碼、支付寶乘車碼、微信乘車碼等。在部分城市,二維碼大有取代傳統單程票的趨勢,例如深圳市傳統單程票的使用比例已經降低至1%以下。

二維碼過閘在安全性、便捷性、離線場景可用性等方面已較為完善。因此,單軌交通票務系統采用以二維碼虛擬車票為主的單程票不存在技術問題。但是紙幣和硬幣作為法定貨幣,軌道交通運營單位不得拒收。因此,除基于互聯網支付技術二維碼以外,還需要考慮現金購票場景的需求。

(2)人臉單程票

2017 年,人臉識別開始引入鐵路系統,并逐漸成為信息化時代大眾出行不可或缺的工具[6]。目前,國內已有多個城市軌道交通在AFC 系統中對人臉識別技術進行不同程度的應用(均采用1:N人臉識別技術),流程大致為人臉數據建檔并生成特征庫-現場人臉圖像攝取-與建檔特征庫對比3 個步驟[7]。然而,在人臉圖像攝取過程中,存在環境不確定性(如光照)、人臉模式的多樣性(如胡須、眼鏡、發型變化等)、人臉塑性變形的不確定性(如表情變化、整容等)因素,同時人臉庫N 的擴大會造成準確率下降。因此,現階段對人臉識別技術的全面推廣還存在一定困難。

單軌交通具有中低運量的特性,較低的客流總量及客流密度對于人臉識別系統有著比地鐵更好的適應性,除了面向注冊常乘客的1:N人臉識別無感過閘應用以外(人臉賬戶票),還可推行面向普通乘客的人臉單程票應用。

人臉單程票以乘客臉部特征作為單次乘車憑證,乘客在自動售票機或者APP 進行人臉圖像錄入并支付成功后,可實現單次刷臉乘車的虛擬單程票,具有一次購買、一次使用的特點,可支持現金支付及互聯網支付,解決了二維碼單程票無法采用現金支付的弊端。人臉單程票使用流程見圖1。

圖1 人臉單程票使用流程

(3)可識讀證件單程票

可識讀證件單程票是指將身份證作為單程票的信息載體,通過網絡或現場設備購票,將身份信息與購票信息綁定,使乘客可以刷可識讀證件過閘乘車。

我國鐵路部門早于2011 年6 月份便開始在京津城際、京滬高鐵采用身份證進出站功能,最終于2020 年4 月29 日實現內地高鐵和城際鐵路電子客票全覆蓋。目前,國內所有高鐵和城際鐵路均已取消檢票機的紙質票檢票機構,身份證等可識讀證件乘車是唯一的乘車方式。隨著鐵路部門對于身份證乘車的推行,以及鐵路技術、線網的進一步發展,會有越來越多的居民選擇搭乘高鐵或動車,也將因此熟悉身份證乘車這一出行方式。

綜上所述,可識讀證件乘車技術亦已成熟,且在相關領域有所應用,部分人群已經具有使用經驗,因此單軌交通中只需進行合理引導,即可使乘客接受這一乘車方式。可識讀證件單程票使用流程見圖2。

圖2 身份證單程票使用流程

(4)二維碼紙質單程票

二維碼紙質單程票是指在自動售票機內加設紙質二維碼車票打印機,使乘客可以通過人工或自動售票機購買紙質二維碼車票,其購票流程與傳統方案完全一致,區別僅是乘客拿到的單程票由IC 卡變成了紙質二維碼。二維碼紙票的檢票方式與電子二維碼車票一致,均為掃碼過閘,無需回收,僅是支付方式不同。

(5)數字貨幣單程票

國內央行發行的數字貨幣 DCEP 已開始在深圳、雄安、成都、蘇州4 個試點進行測試。數字貨幣具有與人民幣紙幣相同的法律效應,且支持雙離線交易(在介質和受理終端都離線的情況下完成交易)[8],并可通過交易完成之后的延期請款來完成閉環交易。因此,數字貨幣是一種可實現快速的身份核實和支付業務的技術方案,適用于軌道交通乘車付費檢票的場景。未來城市軌道交通AFC 系統有望成為央行數字貨幣落地應用的平臺。

沿著小商河曲折的河道向上游走，發現小商河自西南方向先向北流，在距橋200米的上游向東折去，減緩了水勢后才穿橋而過，因此，小商橋的橋墩避開了洶涌波濤的沖擊，從而保證了橋的主拱基礎穩定。所以，一千多年來，橋身和橋面雖有損壞，但小商橋的主體部分拱券和橋墩卻從未進行過大修。

3.3 可行性分析

當前我國居民對于以二維碼支付為主的移動支付并不陌生,而且以二維碼取代相關票據的模式在其它城市軌道交通或其它消費(電影票、門票等)模式中得到了大量的應用。因此,推薦將二維碼虛擬車票作為單軌交通主要單程票。

人臉單程票、可識讀證件單程票、二維碼紙質單程票以及數字貨幣單程票則可作為二維碼虛擬車票的補充,解決現金購票等場景的需求。其中,可識讀證件單程票,適用于不同意個人生物識別信息被采集、使用,同時又無其他乘車手段的乘客;二維碼紙質單程票方案則更適合用于處理補票、設備異常等場景下的票務管理需求。

目前,人臉單程票僅在貴陽、太原等小部分城市地鐵進行試用,遠不及人臉賬戶票的應用普及程度;紙質單程票則主要在小運量的有軌電車及旅游軌道交通中應用,城軌中僅在太原地鐵應用,并沒有完全替代傳統卡式單程票,僅在一定程度上減少了對卡式單程票的依賴。據調查,至2021 年6 月,太原地鐵2 號線傳統卡式單程票使用率為30%;紙質二維碼單程票使用率為4.6%,人臉單程票使用比例為1.4%,二者使用率占所有單程票的1/6。不難看出,兩種車票的使用便捷性與傳統單程票并無太大差異,能否進一步擴大應用比例主要受限于推廣力度以及培養乘客使用習慣。

綜上,在支持傳統儲值類車票的基礎上,單軌交通AFC 系統采用上述方案對單程票進行“去卡化”優化設計,可在提供完善功能的同時,達到降低建設維護成本的目的。

4 售檢票設備輕量化方案

在車站空間受限的情況下,車站終端設備的輕量、精巧化設計,可在一定程度上節省車站空間,進一步提高站廳空間利用率,也給建筑帶來更多方案優化的空間。

(1)自動售票設備

在“互聯網+”支付普及的推動下,城市軌道交通自動售檢票系統的設計理念曾從“大而全”轉為“移動化”和“輕量化”。隨著支付及過閘方式的多樣化,傳統單程票卡以及現金支付的使用率越來越低,自動售票類設備的使用需求不斷降低,大部分中低運量單軌車站往往僅部署少量多功能自動售票機即可滿足使用需求。伴隨互聯網支付應運而生,僅支持互聯網支付功能具備“輕量化”特點的互聯網售/取票機的存在意義已經不大。目前北京、深圳等地已經出現新建線路建設不再采購新的售票機,而是選擇將既有線存量售票機搬遷利用。因此,對于未來的中低運量單軌交通而言,自動售票類設備需求有限,宜采用類型單一,功能完善的設備。

(2)自動檢票設備

第一代閘機采用三桿式通道門,無通行邏輯控制功能,乘客體驗差,通過能力低,不便攜帶大件行李,目前已經很少采用。

第二代閘機采用剪式門或拍打門,采用對射傳感器陣列和內部智能識別系統對乘客的通行行為進行識別[9],可以防止夾人、防止尾隨逃票等現象發生。然而,第二代閘機對射傳感器需要分布在閘門前后一定范圍內,造成閘機體積較大(長度一般為1.8～2 m)。

隨著人工智能技術的迅猛發展,閘機通行邏輯控制技術也迎來了新一輪技術變革。新一代閘機基于計算機視覺技術,依靠頂置的雙目視覺傳感器,可無遮擋的檢測到視野范圍內的所有物體并計算出該物體的位置和形狀輪廓,可監測多個有效目標的運動,進而控制通行邏輯。由于擺脫了傳統陣列傳感器的束縛,同時采用拍打門,設備長度可大幅減少,寬度也可進一步降低。同時得益于深度圖像傳感器的應用,雙目視覺閘機能精確識別并追蹤通道內的行人和行李,可有效提高通行效率和反欺詐能力,提升乘客的通行體驗。

目前,最新一代閘機已經在北京、重慶等部分地鐵車站進行了應用。北京5 號線東單站設置40 通道采用雙目視覺傳感器的閘機,重慶國博站設置了38 通道。設備長度不超過1.2 m,對乘客連續追蹤的最小隊列間距小于10 cm,實測最快情況下閘機通過速度達到60 人/min,設備運營可用性達99.8%,其可靠性指標符合行業要求。

綜上所述,單軌交通應積極采用新型閘機,可有效降低設備空間占用率,有助于土建方案的進一步優化。

5 票檢安檢一體化應用

軌道交通常規安檢主要包括物檢、人檢兩部分,并采取“逢包必檢、逢人必查”的常態化安檢形式。其中物檢以通道式X 光行李檢查機為主,液體/固體爆炸物探測器為輔,人檢主要通過式金屬探測門及手持式金屬探測器對乘客進行檢查。由于通道式X 光行李檢查機通行率較低,安檢點通常成為乘客進站的瓶頸而被詬病[10]。實際上,軌道交通日常通勤乘客出行率占比最高,且這些乘客安全性相對較高,對此類“常規旅客”每次乘車都進行常規的物檢是一種資源浪費。因此,如何對“常乘客”適當簡化安檢快速進站,提升人民群眾出行效率及體驗,是亟待解決的問題。

安檢實名認證技術已在鐵路車站安檢中試點使用,根據2012 年在上海虹橋站測試結果,安檢視頻人臉識別采集率達到95%以上;正識率達到82%以上,漏識率控制在20%以內[12]。隨著技術的發展,無論在判別速度還是準確度上,安檢人臉識別系統都能夠為安檢驗證員提供極大的參考和幫助。

對于單軌交通而言,在AFC 系統中應用的人臉識別技術,以及“可識讀證件單程票”均是實現實名認證的有效手段。利用該技術,對符合標準的乘客進行身份識別,實現乘客無感快速票檢(AFC+安檢)的一體化方案將是最佳的解決途徑。因此,在單軌交通車站可設置“安檢票檢”合一的快速通道,同時針對身份真實、安全系數高、且出行頻繁的乘客構建一個“常乘客數據池”[13]。在車站利用AFC 系統的人臉識別、身份證等可識讀證件閘機,對乘客身份進行識別,如驗證乘客身份信息屬于“常乘客”,則采用簡化安檢程序的手段。需要注意的是,簡化安檢程序,并不意味著沒有安檢。建議對這類“常乘客”至少采取“人檢”的方式,近年來出現的一種新型安檢票務融合設備可實現這一目標[14]。快速票檢安檢一體化流程見圖3。

圖3 快速票檢安檢一體化流程

上述安檢方式釋放了“常乘客”所消耗的安檢資源,將有限的人力物力精準的應用于占比較少的黑/灰名單乘客重點檢查,即可保證乘客的乘車、軌道交通運行的安全,又可解決安檢速度慢的問題,達到了效率和安全的平衡。但是對于小型單軌車站而言,安檢票檢一體化需要單獨劃出獨立的快速安檢通道,還需要占用額外的空間,給公共區的設備布置帶來了困難。針對此,可采用具備遠程集中AI 輔助判圖功能的智能安檢設備[15],將判圖工作站及判圖安檢員轉移至線路集中判圖區域,在現場設置報警設備,并保留少量安檢員。集中判圖發現違禁物品時可通過報警設備提示現場安檢員進行檢查。

目前,上海、廣州、北京等很多城市的地鐵都已開展快速安檢新模式的相關嘗試。上海地鐵在全國首創了依托“大都會”APP 的快速安檢模式,在試點車站受邀乘客可以無需安檢,直接走快捷通道掃碼檢票進站。廣州地鐵試點實施了精準識別的分級安檢,通過大數據分析手段對乘客進行精準分類,對具有良好出行信用的乘客提供快速安檢服務。并基于人臉識別技術,嘗試了人臉識別安檢門以及票務安檢一體機兩種快速安檢模式。北京地鐵今年計劃在部分地鐵站試點基于實名乘客信用體系的“信用+地鐵智慧安檢”的安檢新模式,實現乘客快速進站。此外,廣州地鐵還對安檢集中智能輔助判圖進行了試點應用,得益于AI 輔助,判圖速度達到平均2.9 s/任務,節約人力約40%,X 光機速度可由0.2 m/s提升至0.3 m/s,提高了安檢通過速率。

在單軌交通中,將具備實名驗證功能的檢票設備與安檢進行一體化應用,是實現快速安檢的有效途徑,若與安檢集中智能輔助判圖技術結合,還可進一步減少對車站的空間占用,并節省人力資源。

6 結語

城市軌道交通票務系統已經基本完成了從單一化向多元化、從自動化向信息化的演進,下一步還將向智能化的方向發展。不難看出,票務系統是城市軌道交通新技術應用的前沿陣地,對于輕量化單軌交通來說,票務系統在大數據、互聯網、人工智能等新技術融合的同時,還要設法從輕量化、集成化、便捷化角度出發,去解決實際面臨的各項需求。