雙頻集成電路卡在地鐵自動(dòng)售檢票系統(tǒng)中的應(yīng)用*

于 航 馮進(jìn)峰

(1.天津理工大學(xué)自動(dòng)化學(xué)院，300222，天津;2.天津市地下鐵道運(yùn)營公司，300222，天津∥第一作者，講師)

現(xiàn)有的地鐵自動(dòng)售檢票(AFC)系統(tǒng)所使用的車票介質(zhì)全部是基于高頻射頻標(biāo)簽(以下簡(jiǎn)稱為HF RFID)技術(shù)的集成電路(IC)卡，因受讀寫距離的限制，僅能在乘客進(jìn)出站時(shí)進(jìn)行有效性檢查。當(dāng)城市地鐵線路聯(lián)網(wǎng)運(yùn)營且超過1個(gè)換乘點(diǎn)時(shí)，各線路間就需要清分中心來幫助各線路的運(yùn)營商公平地清算車票收入，或至少清算客流。現(xiàn)今的清分中心普遍采用的清分算法是基于客流概率模型，根據(jù)乘客換乘概率進(jìn)行清算。這就不可避免地與乘客實(shí)際乘坐途經(jīng)的線路有所差異，特別是在新增線路后，清分模型需要適時(shí)調(diào)整以保證清分的公平性。即便是再接近實(shí)際的清分模型也是屬于模糊清分范疇，因?yàn)椴皇腔诔丝偷恼鎸?shí)乘車路線數(shù)據(jù)完成清分的。

1 雙頻IC卡技術(shù)分析

超高頻射頻標(biāo)簽(以下簡(jiǎn)稱為UHF RFID)技術(shù)在近年來有了長足的進(jìn)步，除了在原有物流和庫存管理的傳統(tǒng)領(lǐng)域應(yīng)用以外，UHF RFID和高速長距離閱讀器的新進(jìn)展為其在AFC系統(tǒng)中的應(yīng)用提供了可行性。

雙頻卡車票是同時(shí)包含HF RFID和UHF RFID的IC卡車票。它同時(shí)具有兩種RFID的技術(shù)特性，而且可以獨(dú)立在各自頻段下工作，互不干擾。雙頻卡的HF部分可用在自動(dòng)售票機(jī)售票和閘機(jī)進(jìn)出站檢票處理上，因?yàn)锳FC系統(tǒng)需要在乘客進(jìn)出站時(shí)對(duì)車票進(jìn)行必要的處理，但這必須在乘客有明確的進(jìn)站行為(即通常認(rèn)為是持車票乘客刷卡通過閘機(jī))后才能進(jìn)行。HF RFID車票的有效讀寫距離可以固定且可以精確定位，能夠準(zhǔn)確捕捉乘客的進(jìn)站行為。UHF部分可用于車票的遠(yuǎn)程監(jiān)控管理，通過AFC系統(tǒng)的后臺(tái)程序?qū)F和UHF信息合并，即完成車票的全程管理。HF車票的使用操作與現(xiàn)有AFC系統(tǒng)的操作沒有區(qū)別;UHF車票的操作需要通過特定的UHF讀卡器將UHF車票的信息閱讀出來，這部分信息通常是只讀的。

雙頻卡車票在進(jìn)入AFC系統(tǒng)使用前，必須將同一張IC卡車票中的HF和UHF的物理信息建立關(guān)聯(lián)。物理信息可以是卡的物理卡號(hào)，也可以是在未授權(quán)條件下不能更改的唯一的特殊標(biāo)志信息。建立關(guān)聯(lián)是保證AFC后臺(tái)系統(tǒng)和清分中心能夠?qū)FC設(shè)備上傳的HF車票信息與UHF讀卡器上傳的UHF車票信息合并為一組相關(guān)信息(這是一張卡產(chǎn)生的兩組相關(guān)信息)，便于后續(xù)處理。

基于UHF車票技術(shù)的AFC系統(tǒng)的清分中心，不再依靠清分模型，取而代之的是借助UHF車票的遠(yuǎn)距離閱讀能力，通過AFC系統(tǒng)不斷收集乘客實(shí)際的乘車路線，然后清分中心按實(shí)際乘車路線進(jìn)行精確清分。AFC系統(tǒng)加入U(xiǎn)HF車票的支持，需要在現(xiàn)有AFC系統(tǒng)上增加UHF讀卡器和相應(yīng)的接入設(shè)備。清分中心實(shí)現(xiàn)精確清分，必須建立能夠處理HF和UHF混合車票信息的清分算法。

2 使用雙頻IC卡車票的AFC系統(tǒng)設(shè)計(jì)

2.1 讀卡器布局

收集乘客的乘車路線信息需要AFC系統(tǒng)與列車配合，不斷記錄車廂內(nèi)UHF車票的信息。在列車上加裝UHF頻段的讀卡器，讀寫范圍需要覆蓋列車的所有乘客車廂空間(見圖1)?，F(xiàn)以天津地鐵1號(hào)線列車為例，每列車安裝8個(gè)讀卡器，每個(gè)讀卡器的讀卡半徑范圍設(shè)定在約1.8 m，實(shí)現(xiàn)全車廂空間覆蓋。

圖1 車廂內(nèi)讀卡器布局

讀卡器讀卡半徑可以根據(jù)車廂寬度適度調(diào)整，但盡量不要超過2 m(雖然半徑大可以減少讀卡器數(shù)量)。因IC卡車票本身受環(huán)境因素影響，其讀寫距離通常不會(huì)超過2 m，讀卡器讀卡半徑設(shè)置過大可能會(huì)出現(xiàn)“覆蓋空洞”;另一個(gè)原因是為減少列車在錯(cuò)車時(shí)，誤讀取對(duì)方列車內(nèi)的UHF車票信息(雖然這概率很小)。

相鄰UHF讀卡器的重疊讀卡范圍應(yīng)盡量小，以減少同一張UHF車票被相鄰讀卡器重復(fù)讀取的概率。

2.2 通信計(jì)算機(jī)設(shè)備布局

列車內(nèi)安裝通信計(jì)算機(jī)，用于管理讀卡器和處理讀卡器收集的信息，使用無線網(wǎng)絡(luò)與站臺(tái)AFC系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)列車停站時(shí)的數(shù)據(jù)上傳。通信計(jì)算機(jī)和無線網(wǎng)絡(luò)設(shè)備適宜安裝在列車的中央位置，目的是避開列車上的其它無線系統(tǒng)，以減少干擾(見圖2)。

圖2 通信計(jì)算機(jī)及網(wǎng)絡(luò)設(shè)備布局

站臺(tái)AFC系統(tǒng)無線接入點(diǎn)(AP)安裝在站臺(tái)的中央，同時(shí)兼顧上下行列車的無線網(wǎng)絡(luò)接入。這樣做的好處是可以有效降低AP的覆蓋功率，減少與站臺(tái)無線通信系統(tǒng)的相互干擾，也可使設(shè)備安裝數(shù)量最少。

2.3 車票監(jiān)控

AFC系統(tǒng)在為清分中心收集乘客乘車路線時(shí)，只需要記錄乘客進(jìn)出站和乘客乘車區(qū)間信息即可，不需要實(shí)時(shí)記錄乘客在車站或車廂內(nèi)的移動(dòng)信息。所以，為了減少數(shù)據(jù)處理量、系統(tǒng)容錯(cuò)難度以及其它無線系統(tǒng)的干擾，AFC系統(tǒng)的UHF讀卡器應(yīng)始終是關(guān)閉的，只在列車行駛進(jìn)入?yún)^(qū)間后才被打開，數(shù)據(jù)讀取完畢后立即關(guān)閉。

當(dāng)列車完全進(jìn)入?yún)^(qū)間后，列車上的UHF讀卡器打開，開始記錄車廂內(nèi)乘客身上所攜帶的UHF車票信息。UHF讀卡器需要連續(xù)2次(也可以是更多次，應(yīng)根據(jù)容錯(cuò)等級(jí)設(shè)定)依次對(duì)讀卡范圍內(nèi)UHF車票信息進(jìn)行記錄，間隔數(shù)秒后(此時(shí)停止讀卡，間隔時(shí)間需根據(jù)區(qū)間內(nèi)最長錯(cuò)車時(shí)間設(shè)定)，再次重復(fù)記錄2次(同間隔前讀取次數(shù))。對(duì)UHF車票進(jìn)行多次重復(fù)記錄的目的同樣是為了防止列車在區(qū)間內(nèi)錯(cuò)車時(shí)，誤讀對(duì)方車廂內(nèi)的車票信息。插入讀取間隔可以保證即使最壞情況下，讀取對(duì)方車廂內(nèi)UHF車票數(shù)據(jù)最多也只有讀取次數(shù)的一半。UHF車票信息重復(fù)記錄完成后，讀卡器立即關(guān)閉，于此同時(shí)車票數(shù)據(jù)上傳至通信計(jì)算機(jī)。

通信計(jì)算機(jī)根據(jù)讀卡器上傳的數(shù)據(jù)，將具有4次(或更多次)閱讀記錄的UHF車票信息篩選出來，其余不滿足要求的數(shù)據(jù)全部丟棄，以減少UHF數(shù)據(jù)上傳和處理的壓力。

2.4 清分?jǐn)?shù)據(jù)的實(shí)現(xiàn)

通信計(jì)算機(jī)使用無線網(wǎng)絡(luò)在列車停站時(shí)與站臺(tái)AFC無線系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)短時(shí)通信。當(dāng)通信計(jì)算機(jī)發(fā)現(xiàn)車站內(nèi)的AFC無線網(wǎng)絡(luò)后，隨即登入無線網(wǎng)絡(luò)，將本次區(qū)間內(nèi)收集的UHF車票信息數(shù)據(jù)上傳至當(dāng)前站的車站計(jì)算機(jī)，如果之前有未上傳的數(shù)據(jù)則繼續(xù)上傳。車站計(jì)算機(jī)在完成數(shù)據(jù)校驗(yàn)后，將數(shù)據(jù)上傳至線路中心，再轉(zhuǎn)至清分中心。

AFC系統(tǒng)通過不斷地收集UHF車票信息，使每位持票乘客途經(jīng)的車站區(qū)間都被記錄下來。清分中心獲得這些數(shù)據(jù)后就可以將每張車票途徑的線路清楚地描述出來。通過數(shù)據(jù)收集，清分中心已經(jīng)獲得了UHF車票在各區(qū)間被閱讀的信息，即持票乘客經(jīng)過的各區(qū)間信息，將這些信息有序地結(jié)合起來就可以清楚地描述出持票乘客的乘車(換乘)路徑了。再根據(jù)IC卡車票的物理信息關(guān)聯(lián)，將自動(dòng)售票機(jī)上傳的售票信息(僅對(duì)于單程票)和閘機(jī)上傳的進(jìn)出站信息拼合在一起，就構(gòu)成了完整的一組“乘車(換乘)路線清分?jǐn)?shù)據(jù)集合”(之所以這樣稱呼，因?yàn)橄啾痊F(xiàn)有的清分?jǐn)?shù)據(jù)集合，這組數(shù)據(jù)包含了更豐富的乘車路線信息)。清分中心可以根據(jù)這組數(shù)據(jù)精確地將車費(fèi)清分給各條線路的運(yùn)營商。

如圖3所示，乘客從A站購買單程票進(jìn)站乘車，從J站出站離開，途中經(jīng)過換乘站D和G，全程車費(fèi)是4元。為使清分中心能將這位乘客的乘車(換乘)路線數(shù)據(jù)清分完成，首先要建立一個(gè)清分算法原則:區(qū)間信息在清分過程中視為普通區(qū)間信息，普通區(qū)間信息在邏輯條件滿足的前提下可以丟失;自動(dòng)售票機(jī)出售單程票，閘機(jī)進(jìn)站和出站檢票在清分過程中視為必要區(qū)間信息，必要區(qū)間信息不可丟失(這是出于保證整組清分?jǐn)?shù)據(jù)的完整性要求的)。區(qū)間信息產(chǎn)生是需要符合換乘路線途徑區(qū)間邏輯的，不符合邏輯的區(qū)間信息必須被丟棄并查明來源。對(duì)區(qū)間信息沒有設(shè)置到達(dá)清分中心的順序要求和嚴(yán)格的時(shí)間要求，只要邏輯條件滿足即使是缺少幾個(gè)普通區(qū)間信息也是可以完成清分任務(wù)的。

圖3 乘車(換乘)路線

然后，建立區(qū)間信息對(duì)照表，將各區(qū)間歸屬的線路標(biāo)記出來，用于計(jì)算清分比例。表1的數(shù)據(jù)系根據(jù)圖3的線路關(guān)系設(shè)定。

表1 區(qū)間信息對(duì)照表

乘客從A站購買單程票進(jìn)站，即產(chǎn)生了兩個(gè)必要區(qū)間信息，索引號(hào)為“1”;乘客經(jīng)過換乘站D和G站換乘到達(dá)J站，途徑依次為A－B區(qū)間、B－C區(qū)間、C－D區(qū)間、D －G區(qū)間和J－G 區(qū)間，索引號(hào)依次為“2”、“3”、“4”、“7”和“11”;最后乘客在 J站出站，由出站閘機(jī)生成最后一個(gè)必要區(qū)間信息，其索引號(hào)為“9”。

清分中心收到這組數(shù)據(jù)后就清楚地了解乘客的乘車路線，并可啟動(dòng)清分了。這組數(shù)據(jù)共有8個(gè)索引號(hào)構(gòu)成，分別是“1”、“1”、“2”、“3”、“4”、“7”、“11”、“9”。通過查表1，乘客途徑線路1有5個(gè)區(qū)間，途徑線路2有1個(gè)區(qū)間，途徑線路3有2個(gè)區(qū)間。由于區(qū)間權(quán)值都為1，三條線路的清分比例為5∶1∶2，車費(fèi)為4元。

最終線路1清分得車費(fèi)2.5元，線路2清分得車費(fèi)0.5元，線路3清分得車費(fèi)1元。

3 結(jié)語

通過引入雙頻IC卡技術(shù)，AFC系統(tǒng)清分中心可以實(shí)現(xiàn)精確清分，這必然會(huì)成為未來的發(fā)展趨勢(shì)。另外，它對(duì)乘客行為的監(jiān)控，同樣可以起到至關(guān)重要的作用。當(dāng)在車站內(nèi)的乘客密集區(qū)域建立UHF車票的閱讀覆蓋區(qū)后，AFC系統(tǒng)將可以實(shí)時(shí)監(jiān)控到乘客在車站內(nèi)的行為。比如:可以發(fā)現(xiàn)有人長時(shí)間在某個(gè)位置停留，進(jìn)入到工作區(qū)域或危險(xiǎn)區(qū)域等。車站與列車實(shí)現(xiàn)同步聯(lián)網(wǎng)后，還可以實(shí)現(xiàn)對(duì)特定票卡的無縫追蹤，這對(duì)日益提高的公共安全要求可以起到輔助的促進(jìn)作用。

［1］Mohaisen M，Yoon H.Radio transmission performance of EPC global Gen-2 RFID system［J］.IEEE Advanced Communication Technology，2008(10):84.

［2］武岳山.RFID應(yīng)用案例與應(yīng)用開拓分析［C］∥中國電子學(xué)會(huì)通信學(xué)分會(huì).第八屆中國國際RFID技術(shù)及應(yīng)用高級(jí)研討會(huì)暨電子標(biāo)簽應(yīng)用成果展覽會(huì)論文集.北京:［出版者不詳］，2009:84.