城市軌道交通自動售檢票系統(tǒng)讀寫器技術(shù)的發(fā)展與標準化

范 巍

(中鐵第四勘察設(shè)計院集團有限公司通信信號研究設(shè)計處，430063，武漢//高級工程師)

IC 卡讀寫器(以下簡為“讀寫器”)是城市軌道交通自動售檢票(AFC)系統(tǒng)現(xiàn)場終端設(shè)備的重要組成部分，負責(zé)對票卡進行讀寫和信息認證，完成相關(guān)票務(wù)處理流程，是AFC 系統(tǒng)完成交易數(shù)據(jù)處理的核心部件。多年以來，傳統(tǒng)的讀寫器設(shè)計理念停留在單一化體系模式，不同供貨商之間設(shè)備兼容性很差，而新線路、新應(yīng)用的引入往往伴隨著既有線的改造，造成投資和運營成本的巨大浪費和重復(fù)建設(shè)。

隨著城市軌道交通網(wǎng)絡(luò)化運營的需求日趨凸現(xiàn)，將讀寫器按照線網(wǎng)級應(yīng)用進行標準化設(shè)計和開發(fā)，從根本上解決不同供貨商設(shè)備的互通、互換，以及AFC 設(shè)備如何靈活地適應(yīng)不斷發(fā)展的新票種、新業(yè)務(wù)、新應(yīng)用等問題，是當前AFC 業(yè)界的一個普遍思路。筆者將在回顧我國軌道交通讀寫器技術(shù)發(fā)展的基礎(chǔ)上，結(jié)合武漢、長沙、昆明等城市軌道交通線網(wǎng)級讀寫器的設(shè)計經(jīng)驗，重點論述讀寫器標準化設(shè)計和應(yīng)用的意義，標準化的現(xiàn)狀和特點，以及線網(wǎng)級讀寫器設(shè)計中業(yè)務(wù)處理范圍劃分等方面的內(nèi)容。

1 讀寫器技術(shù)發(fā)展的主要階段

我國城市軌道交通讀寫器的研制，與2000年以來非接觸式IC 卡制式AFC 系統(tǒng)在國內(nèi)的大規(guī)模建設(shè)和應(yīng)用緊密聯(lián)系。伴隨著AFC 系統(tǒng)的發(fā)展和變化，讀寫器不斷演變和改進。一般來說，讀寫器的技術(shù)發(fā)展可總結(jié)為3 個階段。

(1)分離式模塊階段。這一階段是城市軌道交通讀寫器較原始階段，主要特點是主板與I/O(輸入/輸出)板、射頻電路板分立，甚至僅僅是“主板+天線”的形式。SAM(安全存取模塊)卡插槽數(shù)量少，SAM 控制電路簡單，硬件平臺以8 位MCU(微控制單元)為主，軟件平臺基于單一的體系環(huán)境需求設(shè)計，基本不具備對新業(yè)務(wù)、新應(yīng)用的擴展能力。由于無法適應(yīng)AFC 系統(tǒng)的快速發(fā)展，這一階段的讀寫器迅速被更新、取代。

(2)純驅(qū)動型階段。2004—2010年可大致作為讀寫器的純驅(qū)動型階段，其在硬件上已集成為一個獨立的嵌入式模塊，處理能力得到大幅增強，通常采用32 位芯片，SAM 卡插槽數(shù)量大為增加，達到4～6 個，支持的票卡介質(zhì)一般為邏輯加密卡;在軟件功能設(shè)計上，讀寫器僅處理卡協(xié)議，完成與卡片的數(shù)據(jù)交換及與上位機的數(shù)據(jù)傳輸，與卡規(guī)劃和卡業(yè)務(wù)相關(guān)的處理由上位機完成。這一設(shè)計決定了當AFC 系統(tǒng)新的業(yè)務(wù)需求產(chǎn)生變化時，不可避免地要對讀寫器和上位機設(shè)備進行改造。例如，2007年深圳地鐵為支持A 型CPU 卡和適應(yīng)新的卡種應(yīng)用，2009年武漢地鐵為兼容“武漢通”卡及滿足線網(wǎng)運營的要求，2010年重慶地鐵為兼容”重慶城市通”卡和手機支付業(yè)務(wù)，以及解決后續(xù)線路網(wǎng)絡(luò)化運營問題，都對線網(wǎng)內(nèi)AFC 設(shè)備和讀寫器進行了較大規(guī)模的改造和軟件升級。

(3)標準化階段。2010年以來，先期進行軌道交通建設(shè)的各主要城市都不同程度地經(jīng)歷了由于新線路開通、城市通卡引入及新票種新業(yè)務(wù)引入而造成的對既有線路AFC 系統(tǒng)的升級改造，從而引發(fā)對研發(fā)線網(wǎng)讀寫器(或稱“標準讀寫器”，俗稱“大讀寫器”)的重視;新建軌道交通的城市也將其作為一個重要的經(jīng)驗教訓(xùn)，并在進行第一條軌道交通線路建設(shè)時，就提出采用線網(wǎng)級讀寫器的要求。在這一時期，許多城市根據(jù)自身特點、不同的項目需求和對線網(wǎng)級讀寫器的理解及構(gòu)想進行了讀寫器的研發(fā)，形成了設(shè)計理念不盡相同、各具特色的讀寫器地方標準。而這一時期票卡介質(zhì)的發(fā)展也在客觀上推動了讀寫器的技術(shù)進步，2008年M1 卡安全算法遭破解后，各城市基本上都增加了讀寫器對CPU 卡的讀寫功能;2012年以來金融IC 卡和NFC(近場通信)手機支付應(yīng)用的迅速發(fā)展，使各城市紛紛對讀寫器開發(fā)提出了相應(yīng)的要求。

2 傳統(tǒng)讀寫器的局限

傳統(tǒng)讀寫器的特點主要表現(xiàn)為單線路、單運營商、單集成商/設(shè)備商的單一化結(jié)構(gòu)體系模式，讀寫器通常集成于各AFC 系統(tǒng)終端設(shè)備中，采用與卡規(guī)劃設(shè)計應(yīng)用、系統(tǒng)業(yè)務(wù)完全無關(guān)的純驅(qū)動型設(shè)計方式。隨著城市軌道交通的發(fā)展，運營線路不斷增多，卡業(yè)務(wù)、卡應(yīng)用的范圍也不斷擴大。2003年之后，各城市相繼開始 AFC 清分中心(ACC)系統(tǒng)的規(guī)劃和建設(shè)，AFC 系統(tǒng)由傳統(tǒng)的四層架構(gòu)演變?yōu)槲鍖蛹軜?gòu)(清分中心—線路中央計算機—車站計算機—車站現(xiàn)場設(shè)備—車票)，原來各自進行的票卡、讀寫器規(guī)劃設(shè)計和管理工作，逐漸交由ACC 統(tǒng)一完成。

在新的網(wǎng)絡(luò)化運營需求和AFC 系統(tǒng)結(jié)構(gòu)體系下，傳統(tǒng)純驅(qū)動型的讀寫器設(shè)計模式存在以下問題:

(1)票卡的數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)規(guī)劃、密鑰安全設(shè)計、票卡應(yīng)用、讀寫器安全等資料將向線網(wǎng)內(nèi)參與建設(shè)的所有集成商/設(shè)備商開放，AFC 系統(tǒng)的安全風(fēng)險加大。

(2)集成商/設(shè)備商根據(jù)自身設(shè)備特點進行讀寫器開發(fā)，與上位機的軟硬件接口各不相同，無法通用;新線設(shè)備設(shè)計須與既有線進行兼容性開發(fā)或?qū)ζ涓脑?，ACC 業(yè)務(wù)的統(tǒng)一規(guī)劃和管理難以進行。

(3)由于業(yè)務(wù)處理由上位機而不是讀寫器完成，當要求引入新的卡標準(如兼容Type A、B、C)、卡類型(如邏輯加密卡發(fā)展為CPU 卡)、卡業(yè)務(wù)(如城市通卡、市民卡、金融IC 卡、手機支付等)時，必須進行現(xiàn)場設(shè)備的軟件升級甚至改造，新增投資和運營影響都較大。

隨著我國第一批城市軌道交通線網(wǎng)的逐漸形成，純驅(qū)動型讀寫器無法適應(yīng)新業(yè)務(wù)和線網(wǎng)化運營的弊端日趨凸顯，對讀寫器和現(xiàn)場設(shè)備的改造工程頻繁發(fā)生。因此，進行標準化、獨立化和通用化的線網(wǎng)級讀寫器設(shè)計，是讀寫器技術(shù)發(fā)展的整體趨勢。

3 線網(wǎng)讀寫器的標準化

目前，我國各主要城市在軌道交通建設(shè)中已普遍要求采用線網(wǎng)讀寫器，并不同程度地制定了地方性標準或企業(yè)標準。由于各地標準制定的時間跨度和工程特點的差異，其在軟硬件設(shè)計、性能要求、業(yè)務(wù)處理范圍、接口實現(xiàn)方式等方面的規(guī)定不盡相同，但總體而言，一個典型的線網(wǎng)讀寫器設(shè)計應(yīng)具備以下基本特征:

(1)嵌入式獨立模塊化設(shè)計，對上位機采用標準的軟硬件接口設(shè)計。硬件接口可選用RS-232、USB、Ethernet 等接口標準。軟件接口可進行標準API(應(yīng)用程序接口)設(shè)計，或定義標準數(shù)據(jù)報文調(diào)用命令。

(2)支持13.56 MHz 下所有類型的被動非接觸式通信方式和協(xié)議，可讀寫符合ISO/IEC 14443 標準的 TYPE A 和 TYPE B 卡(個別應(yīng)支持 A、B、C)，以及符合PBOC 3.0 標準的金融IC 卡。

(3)讀寫器軟件應(yīng)采用層次性的開發(fā)方法，在業(yè)務(wù)功能的設(shè)計上，與卡規(guī)劃和卡業(yè)務(wù)相關(guān)的處理應(yīng)盡可能交由讀寫器完成。

(4)讀寫器硬件應(yīng)采用32 位微處理器，支持嵌入式操作系統(tǒng);支持多SAM 卡應(yīng)用(4 個以上，多至8 個);程序存儲空間與交易記錄空間不低于256 MB，程序運行空間不低于128 MB。

4 線網(wǎng)讀寫器的業(yè)務(wù)處理

線網(wǎng)讀寫器設(shè)計的核心在于業(yè)務(wù)處理功能的劃分，它是決定讀寫器標準化、獨立化和通用化程度的重要因素，也是線網(wǎng)讀寫器的標志性特征?？v觀我國城市軌道交通的發(fā)展歷程，讀寫器業(yè)務(wù)處理范圍的逐漸擴大和功能的不斷增強，既得益于微處理器和數(shù)據(jù)存儲技術(shù)的發(fā)展為其功能擴展提供的硬件支持，更主要的是由軌道交通AFC 系統(tǒng)應(yīng)用環(huán)境、業(yè)務(wù)種類的復(fù)雜化和多樣性對線網(wǎng)讀寫器的客觀需求決定的。一般來說，這些需求包括:①支持新票種(或新卡型)的引入;②適應(yīng)票卡數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)升級;③支持各種終端設(shè)備應(yīng)用;④支持多線路、多運營商應(yīng)用;⑤滿足業(yè)務(wù)安全性需求;⑥滿足ACC 統(tǒng)一規(guī)劃及運營需求。因此，在多線路(多運營商)的軌道交通AFC 系統(tǒng)體系下，為實現(xiàn)讀寫器的標準化、獨立化和通用化，其業(yè)務(wù)處理必須包含與票卡規(guī)劃、票卡設(shè)計相關(guān)的所有功能，以及盡可能多地包含與運營處理相關(guān)的功能，其相應(yīng)地將這些業(yè)務(wù)從上位機的軟件設(shè)計中剝離。

目前比較典型的線網(wǎng)讀寫器業(yè)務(wù)處理劃分模式為:將有關(guān)卡運營有效性判斷和交易參數(shù)生成的主要部分保留在上位機完成(核心的是對票價表和名單、降級模式等處理的保留)，其他業(yè)務(wù)功能均在讀寫器內(nèi)部完成。這一模式下，票價方案和名單參數(shù)等仍需在終端設(shè)備上部署實施，由此帶來的主要問題是當ACC 希望就線網(wǎng)整體進行票價調(diào)整時，理論上必須針對各條線路的多種設(shè)備進行調(diào)試。在下發(fā)名單、降級模式時也存在類似問題。

武漢、長沙等城市近年來設(shè)計、使用的讀寫器，對業(yè)務(wù)處理的全面下移進行了進一步嘗試。讀寫器將各類業(yè)務(wù)進行封裝，提供相應(yīng)的通信報文供上位機主控程序調(diào)用;全部交易處理在讀寫器內(nèi)部完成，上位機只根據(jù)報文的調(diào)用返回值和回傳數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)進行通行邏輯控制，從而最大程度地實現(xiàn)了讀寫器的獨立性和通用性，形成所謂的全功能線網(wǎng)讀寫器。讀寫器負責(zé)完成的處理包括:①KEY、MAC 計算處理;②卡恢復(fù)流程處理;③應(yīng)用數(shù)據(jù)映射卡物理地址讀寫;④卡基本有效性判斷和卡運營有效性判斷;⑤卡應(yīng)用數(shù)據(jù)讀寫邏輯處理(包含容錯處理);⑥交易數(shù)據(jù)的組織;⑦交易邏輯判斷;⑧票價計算處理;⑨降級模式的處理。

5 展望

城市軌道交通AFC 系統(tǒng)讀寫器經(jīng)過十幾年的演變和改進，從分離式模塊階段、純驅(qū)動型階段發(fā)展到線網(wǎng)級標準化階段，讀寫器的標準化、獨立化和通用化，是實現(xiàn)AFC 系統(tǒng)線網(wǎng)化運營的重要技術(shù)手段。讀寫器技術(shù)標準是城市軌道交通AFC 系統(tǒng)技術(shù)標準中不可或缺的重要組成部分，直接影響其他標準組成部分的制定;技術(shù)標準中對于讀寫器業(yè)務(wù)處理功能的劃分，實現(xiàn)與卡規(guī)劃和卡業(yè)務(wù)相關(guān)處理的要求，成為標志線網(wǎng)讀寫器的顯著特征。

展望線網(wǎng)讀寫器未來的發(fā)展，在業(yè)務(wù)和功能實現(xiàn)方面，處理商業(yè)銀行發(fā)行的符合PBOC 3.0 標準的金融IC 卡和NFC 手機支付應(yīng)用，將是線網(wǎng)讀寫器的一個重要發(fā)展方向，并將成為線網(wǎng)讀寫器的必備功能;在軟硬件設(shè)計上，已形成成熟標準的城市將穩(wěn)步發(fā)展和更新，而新建軌道交通的城市，必將要求讀寫器在最大程度上實現(xiàn)標準化、獨立化和通用化。業(yè)務(wù)應(yīng)用的豐富、功能實現(xiàn)的下移和硬件能力的強化，是讀寫器發(fā)展的必然趨勢。

［1］陳鳳敏，趙曉蓉，居理，等.城市軌道交通自動售檢票系統(tǒng)工程質(zhì)量驗收規(guī)范［S］.北京:中國計劃出版社，2006.