基于HCE的軌道交通售檢票系統(tǒng)構(gòu)想與實踐

■ 劉剛??吳海峰

基于HCE的軌道交通售檢票系統(tǒng)構(gòu)想與實踐

■ 劉剛??吳海峰

隨著城市軌道交通的快速發(fā)展及科技創(chuàng)新快捷便民運(yùn)營理念的深入，移動支付在軌道交通領(lǐng)域的應(yīng)用不斷深入。在介紹國內(nèi)NFC手機(jī)支付方案分類及現(xiàn)狀的基礎(chǔ)上，結(jié)合NFC最新技術(shù)，對涵蓋用戶賬戶管理、手機(jī)票生成、手機(jī)票消費(fèi)、用戶憑證管理、交易安全管理、交易結(jié)算處理的HCE網(wǎng)絡(luò)售檢票系統(tǒng)組網(wǎng)方式，以及關(guān)聯(lián)售票終端智能化方案等開展研究，并將HCE網(wǎng)絡(luò)售檢票方案付諸實踐。

城市軌道交通；自動售檢票；HCE；移動支付；NFC

0 引言

城市軌道交通作為支撐城市正常運(yùn)行的大動脈，具有運(yùn)量大、安全、準(zhǔn)時、節(jié)能環(huán)保、節(jié)省城市用地等優(yōu)點(diǎn)，近年來發(fā)展迅速。根據(jù)中國城市軌道交通協(xié)會統(tǒng)計資料，截至2015年底，我國城市軌道交通在建城市39個，城市軌道交通建設(shè)已由北上廣等一線城市逐步走向二線城市。預(yù)計到2020年，我國擁有軌道交通的城市將達(dá)50個，運(yùn)營里程約6000 km。

自動售檢票系統(tǒng)是軌道交通眾多機(jī)電系統(tǒng)中的一環(huán)，是集計算機(jī)技術(shù)、信息收集和處理技術(shù)、機(jī)械制造技術(shù)于一體的智能化系統(tǒng)，其便捷和準(zhǔn)確性遠(yuǎn)優(yōu)于傳統(tǒng)的紙票售票方式，解決了人工售檢票模式中固有的速度慢、財務(wù)漏洞多、出錯率高、勞動強(qiáng)度大等缺點(diǎn)，能夠防止假票，杜絕人情票，防止工作人員作弊，提高管理水平，減輕勞動強(qiáng)度。其中售票系統(tǒng)的網(wǎng)絡(luò)化能夠極大提升支付便捷性，縮短交易時間，提高通行效率，是軌道交通智能化的重要體現(xiàn)。

1 城市軌道交通自動售檢票系統(tǒng)現(xiàn)狀

1.1 自動售檢票系統(tǒng)

自動售檢票系統(tǒng)主要由清分中心綜合中央計算機(jī)系統(tǒng)、線路中央計算機(jī)系統(tǒng)、車站計算機(jī)系統(tǒng)、車站售檢票終端設(shè)備、車票等組成（見圖1）。其中車站售檢票終端設(shè)備直接面向乘客，其操作方便與否直接影響乘客的體驗。隨著技術(shù)的不斷進(jìn)步，車站售檢票終端設(shè)備不斷改變，售檢票手段不斷豐富，除了標(biāo)準(zhǔn)配置的自動售票機(jī)，各種移動支付方案也陸續(xù)上線[1]。

1.2 售檢票系統(tǒng)移動支付方案

移動支付技術(shù)實現(xiàn)方案主要有3種[2]：基于射頻識別SIM卡（Radio Frequency Identification-SIM，RFID-SIM）、握奇數(shù)據(jù)公司雙界面SIM卡（SIMpass）和近場無線通信（Near Field Communication，NFC），其中RFID-SIM和SIMpass由于技術(shù)原因，逐漸淡出移動支付領(lǐng)域。目前軌道交通在用的系統(tǒng)幾乎都是基于NFC技術(shù)使用安全模塊（SE）實現(xiàn)的，當(dāng)使用安全模塊來提供卡模擬時，安全模塊通過NFC芯片中的非接觸前端與外部讀寫設(shè)備進(jìn)行通信，數(shù)據(jù)的存儲和處理都在安全模塊中。用戶將手機(jī)放入NFC終端的識別范圍，NFC控制器將從外部讀寫器接收到的所有數(shù)據(jù)直接轉(zhuǎn)發(fā)到手機(jī)內(nèi)部的安全模塊，由安全模塊處理，然后再通過NFC控制器將響應(yīng)數(shù)據(jù)發(fā)送給外部讀寫終端，整個事務(wù)過程中手機(jī)上的應(yīng)用程序完全沒有參與其中。待事務(wù)過程完成后手機(jī)端的Android應(yīng)用程序可以查詢安全模塊的事務(wù)狀態(tài)，然后通知客戶?；诎踩K的處理流程見圖2。

圖1 自動售檢票系統(tǒng)示意圖

NFC手機(jī)方案根據(jù)安全模塊所處的位置分為以下幾種[3]：

（1）NFC全終端方案。將安全模塊集成到手機(jī)終端的NFC方案，其優(yōu)點(diǎn)是標(biāo)準(zhǔn)成熟，得到眾多終端廠商的認(rèn)可與支持。目前廣東嶺南通、深圳通等采用這種方案。

（2）NFC-SIM方案。使用SIM/UIM卡作為安全模塊，存儲用戶支付賬戶、密鑰等敏感數(shù)據(jù)，運(yùn)行支付應(yīng)用，手機(jī)中的NFC控制器通過單線協(xié)議（Single Wire Protocol，SWP）與SIM/UIM卡通信。由于SIM/UIM卡是移動用戶必不可少的身份識別模塊，用戶對SIM卡作為安全模塊較容易接受，同時卡片的發(fā)行及服務(wù)可以借助電信運(yùn)營商的受理渠道，容易進(jìn)行業(yè)務(wù)推廣。此外，SIM卡與終端分離，用戶更換手機(jī)不會影響移動支付業(yè)務(wù)的繼續(xù)使用，靈活性更高。目前北京、上海等地軌道交通部分使用該方案。

（3）NFC-SD技術(shù)方案。使用移動終端智能SD卡作為安全模塊的NFC技術(shù)方案，與NFC-SIM方案類似，智能SD卡與NFC控制器芯片之間也采用SWP協(xié)議連接，可實現(xiàn)卡模擬、讀卡器和點(diǎn)對點(diǎn)通信3種工作模式。采用NFC-SD方案，服務(wù)提供商（Service Provider，SP）可以自行發(fā)行SD卡，能夠獨(dú)立于電信運(yùn)營商發(fā)展NFC業(yè)務(wù)，因此金融機(jī)構(gòu)主導(dǎo)時更愿意采用這種方式。2011年，銀聯(lián)先后在成都、北京、上海、廣州、杭州等地啟動SD方案的支付試點(diǎn)，但近幾年NFC-SD方案逐漸退出市場。

圖2 基于安全模塊的處理流程

1.3 移動支付方案的弊端

采用全終端解決方案和NFC-SIM技術(shù)方案，雖然解決了多應(yīng)用的服務(wù)問題，但是安全模塊的控制權(quán)卻被手機(jī)制造商和移動運(yùn)營商牢牢掌控，第三方SP要部署服務(wù)必須和安全模塊的發(fā)行者溝通，既復(fù)雜又耗時。如果采用NFC-SD方案，盡管SP可以自己控制安全模塊，但這種方案不能得到手機(jī)廠商和移動運(yùn)營商的支持，市面上支持NFC-SD方案的機(jī)型太少，而且一張SD卡只能支持一個SP服務(wù)，如果用戶希望使用多種服務(wù)，還必須在不同SD卡間切換，切換過程繁瑣且成本偏高，這些因素都限制了NFC技術(shù)在移動支付領(lǐng)域的應(yīng)用。

智能手機(jī)芯片加載安全模塊的3種不同方式，帶來了諸多爭端，問題的核心在于安全模塊的控制權(quán)。在具體的業(yè)務(wù)模式及利益分配層面上，控制了安全模塊就主導(dǎo)了NFC移動支付市場。因此，NFC-SD方案的銀聯(lián)和商業(yè)銀行陣營、NFC-SIM方案的運(yùn)營商陣營及全終端方案的手機(jī)制造商陣營互不相讓。

軌道交通使用以上方案都將對使用人群有所限制，例如需更換特定SIM卡、更換特定手機(jī)等，不利于軌道交通移動支付的推廣和使用。

2 基于HCE的網(wǎng)絡(luò)售檢票系統(tǒng)

2.1 HCE簡介

2013年10月31日，Google發(fā)布了最新的Android4．4系統(tǒng)，其中提到了NFC的新技術(shù)，即基于主機(jī)的卡模擬（Host Card Emulation，HCE）。自誕生之初，HCE就得到了極大關(guān)注，不僅在于這項令人耳目一新的新技術(shù)本身，更在于其提供了脫離安全模塊而部署NFC的可能性。HCE技術(shù)對第三方SP意義重大，使SP可以將自己的服務(wù)在更短時間內(nèi)以更低的開發(fā)成本推向市場，而用戶也可以更方便地使用多個SP提供的服務(wù)。

HCE在主機(jī)卡模擬模式下，不需要提供安全模塊，而是由在手機(jī)中運(yùn)行的一個應(yīng)用或云端的服務(wù)器完成安全模塊的功能，此時NFC芯片接收到的數(shù)據(jù)由操作系統(tǒng)或發(fā)送至手機(jī)中的應(yīng)用，或通過移動網(wǎng)絡(luò)發(fā)送至云端的服務(wù)器來完成交互。這一標(biāo)準(zhǔn)的好處在于繞過了手機(jī)內(nèi)置的安全模塊限制，不需要整個行業(yè)為了控制安全模塊而競爭。

使用HCE時，NFC控制器從外部讀寫終端接收到的數(shù)據(jù)將直接被發(fā)送到主機(jī)系統(tǒng)，而不是安全模塊。HCE處理流程見圖3[4]。

2.2 HCE網(wǎng)絡(luò)售檢票系統(tǒng)組網(wǎng)方式

在自動售檢票清分中心系統(tǒng)中新建基于HCE模式的支付管理平臺，并建立可信服務(wù)管理平臺（Trusted Service Management，TSM），與既有清分系統(tǒng)互聯(lián)，實現(xiàn)對手機(jī)支付應(yīng)用進(jìn)行可信服務(wù)管理，對用戶賬戶敏感信息進(jìn)行安全管理，完成安全模塊的云端模擬和管理功能，使用戶可通過手機(jī)終端實現(xiàn)離線支付功能。

圖3 HCE處理流程

清分中心HCE支付管理平臺由手機(jī)APP管理系統(tǒng)、賬戶管理系統(tǒng)、憑證管理系統(tǒng)、交易管理系統(tǒng)、安全管理系統(tǒng)、結(jié)算處理系統(tǒng)等組成（見圖4）。

HCE手機(jī)支付系統(tǒng)的主要業(yè)務(wù)流程見圖5。

2.2.1 用戶賬戶管理

在用戶使用手機(jī)進(jìn)行移動購票前，需先通過手機(jī)下載軌道交通手機(jī)支付APP，向HCE支付管理系統(tǒng)申請支付賬戶。HCE支付管理系統(tǒng)對用戶申請進(jìn)行審核，審核通過后，向結(jié)算處理系統(tǒng)提交建立支付賬戶請求。HCE支付管理系統(tǒng)在結(jié)算處理系統(tǒng)建立支付賬戶后，將支付賬戶信息提交憑證管理系統(tǒng)，并建立支付賬戶和手機(jī)賬戶的對應(yīng)關(guān)系。同時，憑證管理系統(tǒng)向安全管理系統(tǒng)提交憑證信息，并從安全管理系統(tǒng)獲得手機(jī)賬戶的認(rèn)證數(shù)據(jù)和錢包數(shù)據(jù)。

在憑證管理系統(tǒng)建立手機(jī)賬戶后，HCE支付管理系統(tǒng)向用戶手機(jī)的軌道交通手機(jī)支付APP回送手機(jī)賬戶信息，APP完成手機(jī)注冊。

在正常使用過程中，HCE支付管理系統(tǒng)將監(jiān)控賬戶使用狀態(tài)，如果發(fā)現(xiàn)用戶交易異常，將建立賬戶黑名單管理，保證手機(jī)賬戶的資金安全。

2.2.2 手機(jī)票生成

手機(jī)賬戶構(gòu)建完成后，向HCE支付管理系統(tǒng)回送手機(jī)賬戶信息，再根據(jù)軌道交通清分中心軌道交通票卡規(guī)范結(jié)構(gòu)構(gòu)建手機(jī)票的卡目錄，并從安全管理系統(tǒng)獲取消費(fèi)密鑰和TAC計算密鑰。

圖4 清分中心HCE支付管理平臺

圖5 HCE手機(jī)支付的業(yè)務(wù)流程

2.2.3 手機(jī)票充值

用戶需要使用手機(jī)賬戶進(jìn)行手機(jī)票卡快速支付時，需先通過軌道交通手機(jī)支付APP向賬戶管理系統(tǒng)申請手機(jī)賬戶充值。賬戶管理系統(tǒng)允許后，APP需從銀行卡賬戶、微信或支付寶完成充值支付，并從賬戶管理系統(tǒng)獲得手機(jī)賬戶的認(rèn)證數(shù)據(jù)和錢包數(shù)據(jù)完成對手機(jī)票的充值。

2.2.4 手機(jī)票消費(fèi)

手機(jī)賬戶充值完成后，手機(jī)可在限期內(nèi)多次完成軌道交通快速支付，直到限定期限到期或賬戶余額值不足。

交易時需根據(jù)軌道交通清分中心軌道交通票卡消費(fèi)流程規(guī)范，對交易數(shù)據(jù)生成交易認(rèn)證碼，并將手機(jī)票交易數(shù)據(jù)發(fā)送到清分中心后臺進(jìn)行結(jié)算，清分中心再與HCE支付管理平臺及銀行、微信、支付寶等各方充值商進(jìn)行對賬。

2.2.5 用戶憑證管理

憑證管理系統(tǒng)針對每次手機(jī)賬戶申請，獨(dú)立形成一個唯一的憑證。該憑證具有唯一對應(yīng)的非對稱認(rèn)證密鑰和對稱計算密鑰。

同一時間，系統(tǒng)內(nèi)僅有唯一一個憑證所標(biāo)識的手機(jī)賬戶與唯一一個HCE支付管理端賬戶對應(yīng)。

2.2.6 交易安全管理

系統(tǒng)采用非對稱的安全算法對手機(jī)賬戶進(jìn)行認(rèn)證。通過私鑰對認(rèn)證數(shù)據(jù)進(jìn)行認(rèn)證加密，將公鑰提供給終端，使終端能夠認(rèn)證手機(jī)賬戶的同時，也防止偽造手機(jī)賬戶。對于交易過程和交易數(shù)據(jù)的認(rèn)證，系統(tǒng)采用快速的對稱安全算法，保證數(shù)據(jù)的快速認(rèn)證和準(zhǔn)確性。

2.2.7 交易結(jié)算處理

HCE支付管理系統(tǒng)向安全管理系統(tǒng)提出交易數(shù)據(jù)安全認(rèn)證請求。確認(rèn)交易數(shù)據(jù)后，結(jié)算處理系統(tǒng)向憑證管理系統(tǒng)查詢HCE支付管理端賬戶和手機(jī)賬戶的對應(yīng)關(guān)系，并將交易信息更新入HCE支付管理端賬戶的交易列表中。完成信息確認(rèn)和更新后，結(jié)算處理系統(tǒng)形成和清分中心系統(tǒng)間的結(jié)算數(shù)據(jù)。

HCE支付和清分中心系統(tǒng)根據(jù)結(jié)算數(shù)據(jù)完成資金結(jié)算和劃撥。

2.3 關(guān)聯(lián)售票終端智能化方案

在運(yùn)用HCE實施網(wǎng)絡(luò)化售票后，還需要對關(guān)聯(lián)的車站終端進(jìn)行智能優(yōu)化，以便不具備NFC功能的手機(jī)用戶完成網(wǎng)絡(luò)購票，更大限度地提高購票的便捷性?？紤]到軌道交通自動售檢票系統(tǒng)中，自助查詢機(jī)使用率不高，可將該設(shè)備升級為綜合票務(wù)機(jī)，增加單程票卡箱、二維碼掃描儀等，配合手機(jī)APP相關(guān)功能，實現(xiàn)網(wǎng)絡(luò)售票、取票功能，將現(xiàn)有TVM購票過程中最消耗時間的選站和支付環(huán)節(jié)引導(dǎo)至線上完成，實現(xiàn)移動購票功能，減小對TVM的壓力，提高售票效率；同時由于取消了現(xiàn)金支付環(huán)節(jié)，通過移動支付，解決了零錢問題、現(xiàn)金處理和現(xiàn)金模塊故障率高的問題，還大大降低了軌道公司現(xiàn)金處理的相關(guān)成本?？赏ㄟ^以下兩種方式實現(xiàn)手機(jī)終端網(wǎng)絡(luò)化購票、充值。

支付購票方式一：乘客使用手機(jī)APP點(diǎn)選所購車票的起止站點(diǎn)，APP顯示所購車票金額并提示乘客進(jìn)行支付，乘客可選擇支付寶或微信進(jìn)行支付，支付完成后由后臺系統(tǒng)向乘客手機(jī)發(fā)送作為購票成功憑證的支付二維碼，根據(jù)該支付二維碼在綜合票務(wù)機(jī)進(jìn)行兌票。兌票時，綜合票務(wù)機(jī)屏幕提示乘客相應(yīng)操作流程并提示二維碼掃描器的位置，乘客將手機(jī)上支付二維碼放至掃描器位置，掃描成功后，綜合票務(wù)機(jī)完成出票。

支付購票方式二：乘客可使用綜合票務(wù)機(jī)購票，綜合票務(wù)機(jī)屏幕顯示地鐵線路信息供乘客點(diǎn)選起止站點(diǎn)，選擇完成后綜合票務(wù)機(jī)顯示用于乘客手機(jī)掃描支付的二維碼，乘客使用手機(jī)掃描二維碼，在手機(jī)上完成支付。手機(jī)付款可以通過在線或離線2種狀態(tài)進(jìn)行交易，具體實現(xiàn)方式可根據(jù)實際需求確認(rèn)。綜合票務(wù)機(jī)接收到后臺系統(tǒng)下發(fā)的支付成功信息后，完成出票。

3 HCE網(wǎng)絡(luò)售檢票系統(tǒng)實踐情況

目前HCE網(wǎng)絡(luò)售檢票已納入烏魯木齊軌道交通1號線的招標(biāo)方案，部分系統(tǒng)已招標(biāo)采購?fù)瓿?，預(yù)計于2017年底開始聯(lián)合調(diào)試。由于烏魯木齊軌道交通暫不具備烏魯木齊紅山一卡通的發(fā)卡權(quán)，因此烏魯木齊現(xiàn)有方案僅限于發(fā)行軌道交通單程票和儲值票，不能用于管理一卡通票卡。另外，自動檢票機(jī)端具有帶NFC支付功能的讀寫器模塊，需要手機(jī)具備NFC支付功能，在某些場景下，還需要具備手機(jī)上網(wǎng)條件，以完成認(rèn)證功能。

4 結(jié)束語

為確保城市軌道交通安全高效運(yùn)營，保證城市軌道交通通行效率，應(yīng)采取更多便利手段。NFC已成為移動支付領(lǐng)域較快捷、安全的支付技術(shù)。隨著具有NFC功能智能手機(jī)的普及和移動支付技術(shù)的完善，近場支付技術(shù)將給消費(fèi)者帶來更多便利?；贖CE的網(wǎng)絡(luò)化自動售檢票系統(tǒng)將打破行業(yè)壁壘，促進(jìn)軌道交通智能化發(fā)展。

[1] 張彥，史天運(yùn)． AFC技木及鐵路自動售檢票系統(tǒng)研究[J]． 中國鐵路，2009(3)：50-54．

[2] 解麗娜． NFC技術(shù)在公交卡中的應(yīng)用[J]． 中國新通信，2014，1(13)：1-3．

[3] 劉?。?NFC技術(shù)應(yīng)用于城市一卡通的前景研究[J]． 企業(yè)科技與發(fā)展，2014(12)：1-2．

[4] 王淼，等． NFC技術(shù)原理與應(yīng)用[M]． 北京：化學(xué)工業(yè)出版社，2014．

[5] 北京全路通信信號研究設(shè)計院有限公司． 烏魯木齊軌道交通1號線AFC系統(tǒng)設(shè)計書[R]． 北京，2014．

劉剛：北京軌道交通建設(shè)管理有限公司，高級工程師，?北京，100037

吳海峰：北京軌道交通建設(shè)管理有限公司，高級工程師，?北京，100037

責(zé)任編輯李鳳玲

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1672-061X（2016）06-0087-04