物聯網技術在自動售檢票系統的應用

盧利穎

（中國信息通信研究院，北京 100191）

1 概述

隨著國內市場經濟的發展、居民生活水平的提高，城市交通擁擠問題已成為阻礙城市發展的主要因素，而城市軌道交通的建設在一定程度上解決了這一難題。城市軌道交通主要包括地鐵和輕軌等，自動售檢票（Automatic Fare Collection，AFC）系統是城市軌道交通系統運營服務的核心子系統，該系統集計算機技術、機電一體化技術、模式識別技術等多種高新技術于一體，實現了城市軌道交通售票、檢票、計費、收費、統計、清分和管理等全過程的自動化，極大提高了軌道交通的服務水平和工作效率。

城市軌道交通AFC系統一般由5層架構組成，由上至下分別為清算管理中心系統（ACC）、線路中央計算機系統（LC）、車站計算機系統（SC）、車站終端設備（SLE）和車票。ACC系統一般設置在控制中心，負責軌道交通與一卡通間的清分對賬，負責軌道交通內部各換乘線路間的清分對賬。LC系統一般設置在線路控制中心，負責線路內部數據的收集與處理，制定和維護本線路系統參數，接收和下達清算管理中心系統指令。SC系統一般設置在車站的AFC設備室，對車站內部所有AFC系統設備進行實時監控，實現對車站AFC系統運營、票務、收益及維修的集中管理，上傳車站內數據至LC系統以及下傳LC參數至終端設備。SE一般由自動售票機（TVM）、自動檢票機（AGM）等組成，可接受SC系統下發的系統運行參數、運行模式及黑名單等，向SC系統上傳原始交易數據和設備狀態信息。車票主要分為單程票、儲值票以及其他特殊票種。軌道交通線路AFC系統采用專用通信傳輸網實現ACC系統、LC系統、SC系統3級組網進行數據通信，各線路LC系統與ACC系統之間、ACC系統與一卡通系統之間采用標準開放的通信協議。

當前各城市已開通運營的軌道交通線路不斷增加，客流量及運營的負荷也在持續的增長，這使得城市軌道交通必須向著更高效、更智能的方向發展，以期給乘客帶來更舒適、便捷的體驗。

最近幾年，隨著物聯網技術的不斷成熟，物聯網業務迅猛發展，城市軌道交通物聯前景廣闊。物聯網技術將發揮更加完整且智能化的作用，將使城市軌道交通的應用場景更加數字化、信息化，可滿足軌道交通日益增長的應用場景使用需求[1]。

2 物聯網技術

自1999年提出物聯網概念至今，物聯網的發展經歷了以下幾個概念的主要階段。階段一，M2M (Machine to Machine)概念階段的信息共享，即把所有物品通過射頻識別（Radio Frequency Identification，RFID）等信息傳感設備與互聯網連接起來，實現智能化識別和管理；階段二，M2M概念階段的萬物連接，將任何時間、任何地點的人與人之間的溝通連接，擴展到人與物、物與物之間的溝通連接；階段三，IoT (Internet of Things)概念階段的智慧應用，將物聯網技術應用到城市生活中的各種場景中，如智慧家居、智慧醫療、智慧物流、智慧交通等；階段四，IoE(Internet of Everything)概念階段的無限可能，這也是物聯網技術發展的最終愿景[2]。

物聯網體系的定義不一，各組織分層定義略有差異(ISO/ITU/ETSI等)[3]，從各行業的產業視角，物聯網技術的架構如圖1所示。

圖1 物聯網架構Fig.1 Architecture of IoT

物聯網架構主要包括感知層、網絡層和應用層。感知層由智能終端設備組成，網絡層又細分為接入層、匯聚層和核心交換層，應用層包括管理服務層和行業應用層。物聯網能夠支持更加豐富的業務種類、終端種類和服務種類[4]。

3 基于物聯網技術的AFC系統探討

3.1 感知層

基于物聯網技術的AFC系統終端設備層主要包括自動售票機TVM和自動檢票機AGM等，這些終端設備的關鍵技術包括傳感器、芯片模組和操作系統。

傳統的傳感器通過分立器件實現動作監測，僅能做到察覺功能，基于物聯網的AFC系統中，車站內的AFC終端設備通過安裝定制化的高集成、低功耗、智能化的傳感器，上層LC系統通過應用數據處理算法可實現對所轄車站內所有TVM和AGM狀態及數據的動態監測。

傳統的芯片模組主要包括分立微控制單元（Microcontroller Unit，MCU）和無線芯片，基于物聯網的AFC系統中，考慮車站空間限制對終端設備外形尺寸和數量有嚴格要求，TVM和AGM的芯片模組需要集成傳感器、MCU和無線通信模塊，以適應本系統高性能、低功耗、高集成和微型化的應用需求。

物聯網操作系統主要分為3類，傳統嵌入式操作系統、物聯網操作系統和桌面/手機操作系統，考慮AFC系統與其他設備專業系統有接口，為了滿足系統間交互的可靠性和互通性，基于物聯網的AFC系統推薦使用Windows/Android等操作系統，使得各設備專業間應用軟件架構趨于一致。

基于物聯網的AFC系統感知層如圖2所示。

圖2 基于物聯網的AFC系統感知層Fig.2 The perception layer of AFC system based on IoT

感知層能夠實現對AFC系統自動檢票機和自動售票機的狀態監控和數據采集，通過在設備中安裝集成傳感器、MCU、無線模塊、物聯網模塊套件，可以實時檢測AFC設備的運營數據及關鍵模塊的運行狀態，實現車站終端設備與上層系統間的上傳下達。

3.2 網絡層

基于物聯網的AFC系統的網絡層是實現ACC系統、LC系統、SC系統三級組網的關鍵，而網絡層的關鍵是物聯網接入技術。物聯網的網絡接入技術為低功耗廣域（LPWA）技術[5]，可劃分為3類：移動蜂窩技術、短距物聯接入和其他廣域技術[6]。移動蜂窩技術中，基于LTE的窄帶物聯 網（Narrow Band Internet of Things，NBIoT）/演進物聯網協議（Enhance Machine Type Communication，eMTC）是5G的 基 礎 技 術，5G的重要場景之一就是海量物聯[7-8]。短距物聯接入主要是IEEE提出的各類短距接入，2018年推出的802.11ah（Halow）為面向物聯網的WLAN技術標準。其他廣域技術是由各類技術聯盟提出的，主要代表有Sigfox和LoRa等[9-10]。

本文對以上幾種主要的物聯網低功耗廣域技術進行分析對比，如表1所示，給出更適合軌道交通AFC系統的物聯網網絡接入技術。

表1 LPWA技術對比Fab.1 Comparison of LPWA technologies

通過對比和分析以上4種物聯網接入技術，針對城市軌道交通AFC系統應用及系統設備的特點，即AFC系統應以可靠性、安全性、可維護性為原則保證系統數據的完整性、保密性、真實性，因此工作于運營商授權頻段的NB-IoT和eMTC更適用，通過調研當前國內各廠家物聯網設備、終端（芯片和模組）的開發情況，主流廠家均支持NB-IoT芯片。因此，本文推薦基于LTE的NB-IoT網絡接入協議。

3.3 應用層—基于平臺

基于物聯網的AFC系統推薦采用基于平臺的應用開發模式，也就是將傳統物聯網架構的應用層再細分為平臺層和應用層。

平臺層的終端側面向各類不同的終端設備，屏蔽底層接入設備的差異性，為上層應用抽象出統一的設備接入和管理能力；平臺層的應用側面向應用服務，提供應用開發所需的PaaS（Platform as a Service）能力，加速業務應用的開發和創新。平臺層能夠解耦感知層和應用層，構建終端和應用之間的透明通信通道，起到承上啟下的樞紐作用。

平臺層的功能邏輯分類如圖3所示。其中，連接管理平臺提供對于物聯網卡的卡管理、業務計費等功能；設備管理平臺用于提供設備的接入與控制，為不同類型的設備提供統一的管控；應用支撐平臺是面向開發者提供應用開發所需的PaaS能力；數據分析平臺利用包括人工智能、機器學習在內的數據分析工具，實現對設備行為的建模，提供數據分析服務；業務應用平臺是面向最終用戶提供的應用服務。

圖3 平臺層邏輯分類Fig.3 Logical classification of the platform layer

根據軌道交通AFC系統的應用需求，應用層主要劃分為設備管理、票務管理、收益清分、客流統計、智能維修等系統應用。除這些基本的應用場景外，基于物聯網技術的AFC系統可擴展出許多更智能、更高效的應用場景，例如設備數量優化應用，通過對線路所轄車站內AFC終端設備的實時監控，以及對車站客流、運營數據的實時分析和提前預測，應用層下達指令至感知層各車站設備的開關模塊，可實現對不同時段下設備開放數量的及時優化，從而實現系統的節能管理。

基于物聯網的城市軌道交通AFC系統的基本架構如圖4所示。

圖4 基于物聯網的AFC系統架構Fig.4 AFC system architecture based on IoT

4 結語

本文在概述物聯網技術的基礎上，分析并探討了基于物聯網的城市軌道交通自動售檢票系統的感知層、網絡層和應用層的關鍵技術。AFC系統的感知層終端設備需要集成傳感器、MCU和無線模塊等，網絡層設計應用基于LTE的NB-IoT網絡接入協議，平臺層主要包括連接管理、設備管理、應用支撐和數據分析等邏輯功能，應用層主要包括票務管理、收益清分、客流統計、設備管理、智能維修等應用場景，并給出了基于物聯網的AFC系統架構。目前，物聯網技術與軌道交通的融合正處于探索階段，雖然具有一些不確定性，但是不可否認的是，物聯網技術將為城市軌道交通帶來智能化、自動化和全過程、全系統的全新升級，可以幫助運營單位建立起高效且智能的管理體系，從而為乘客打造出更舒適、更便捷、更智能的出行體驗。