城市軌道交通AFC系統(tǒng)線網(wǎng)讀寫器的標(biāo)準(zhǔn)與設(shè)計(jì)

范　巍

(中鐵第四勘察設(shè)計(jì)院集團(tuán)有限公司通信信號(hào)研究設(shè)計(jì)處　武漢　430063)

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城市軌道交通AFC系統(tǒng)線網(wǎng)讀寫器的標(biāo)準(zhǔn)與設(shè)計(jì)

范巍

(中鐵第四勘察設(shè)計(jì)院集團(tuán)有限公司通信信號(hào)研究設(shè)計(jì)處武漢430063)

摘要介紹城市軌道交通AFC系統(tǒng)線網(wǎng)讀寫器概念形成的背景，闡述線網(wǎng)讀寫器設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)化、獨(dú)立化和通用化的三大要求：標(biāo)準(zhǔn)化指對(duì)讀寫器進(jìn)行統(tǒng)一的定義和要求；獨(dú)立化指讀寫器從車站終端設(shè)備中獨(dú)立出來(lái)并擺脫對(duì)固定廠商的依賴；通用化要求在不同線路和廠商的終端設(shè)備之間通用互換，在此基礎(chǔ)上總結(jié)提出線網(wǎng)讀寫器的定義。對(duì)早期國(guó)內(nèi)主要城市制定的IC卡讀寫器標(biāo)準(zhǔn)的典型特點(diǎn)進(jìn)行歸納和比較，分析讀寫器標(biāo)準(zhǔn)形成發(fā)展的特點(diǎn)和趨勢(shì)，介紹當(dāng)前線網(wǎng)讀寫器設(shè)計(jì)的最新要求，包括應(yīng)用功能、硬件配置、接口標(biāo)準(zhǔn)、業(yè)務(wù)處理范圍和調(diào)用方式等；重點(diǎn)論述讀寫器標(biāo)準(zhǔn)化設(shè)計(jì)的主要內(nèi)容、獨(dú)立化設(shè)計(jì)的核心思想和通用化設(shè)計(jì)的重難點(diǎn)問題，最后對(duì)線網(wǎng)讀寫器設(shè)計(jì)的未來(lái)發(fā)展進(jìn)行展望。

關(guān)鍵詞軌道交通；自動(dòng)售檢票；IC卡讀寫器；標(biāo)準(zhǔn)；設(shè)計(jì)

1問題的提出

線網(wǎng)IC卡讀寫器(或稱標(biāo)準(zhǔn)讀寫器、大讀寫器)作為城市軌道交通實(shí)現(xiàn)網(wǎng)絡(luò)化運(yùn)營(yíng)的重要技術(shù)手段，對(duì)減輕或避免新線路、新卡型、新應(yīng)用的接入以及對(duì)既有AFC系統(tǒng)、設(shè)備的升級(jí)改造，發(fā)揮著關(guān)鍵性作用[1]。目前國(guó)內(nèi)各主要城市的軌道交通建設(shè)已普遍要求采用線網(wǎng)讀寫器，并制定了地方性標(biāo)準(zhǔn)或企業(yè)標(biāo)準(zhǔn)。先期建設(shè)的城市在既有線改造過程 中，結(jié) 合 新 應(yīng)用、新業(yè)務(wù)的加入和系統(tǒng)設(shè)備兼容性問題的解決，逐漸形成了讀寫器技術(shù)規(guī)范和標(biāo)準(zhǔn);而新建城市往往在第一條線路的AFC系統(tǒng)建設(shè)時(shí)，就同步開始了對(duì)線網(wǎng)讀寫器的技術(shù)規(guī)劃，并進(jìn)行標(biāo)準(zhǔn)的制定。

2線網(wǎng)讀寫器的定義

雖然線網(wǎng)讀寫器的概念已被廣泛接受，多數(shù)城市在軌道交通AFC系統(tǒng)建設(shè)中都提出了相關(guān)的要求，但行業(yè)內(nèi)對(duì)線網(wǎng)讀寫器的理解和詮釋各不相同，甚至相差甚遠(yuǎn)。筆者認(rèn)為，作為完整意義上的線網(wǎng)讀寫器，應(yīng)需滿足讀寫器標(biāo)準(zhǔn)化、獨(dú)立化和通用化的三大要求。

標(biāo)準(zhǔn)化是指對(duì)讀寫器的功能應(yīng)用、硬件組成、軟件結(jié)構(gòu)、調(diào)用方式、接口設(shè)計(jì)和性能指標(biāo)等方面進(jìn)行統(tǒng)一的定義和要求，形成獨(dú)立化和通用化的基礎(chǔ)。獨(dú)立化的含義包括兩個(gè)層面，一是讀寫器從車站終端設(shè)備中獨(dú)立出來(lái)，脫離了對(duì)上位機(jī)的依附關(guān)系，能夠獨(dú)立地完成車票處理和運(yùn)營(yíng)業(yè)務(wù)；二是讀寫器的生產(chǎn)制造能擺脫對(duì)固定廠商的依賴，第三方廠商依照相同的標(biāo)準(zhǔn)即可獨(dú)立生產(chǎn)出相同功能和品質(zhì)的讀寫器產(chǎn)品。通用化要求指不但能實(shí)現(xiàn)讀寫器在同一線路內(nèi)不同終端設(shè)備之間的通用，更重要的是能實(shí)現(xiàn)在本城市不同線路、不同集成商終端設(shè)備之間的通用互換。

因此，線網(wǎng)讀寫器可定義為：具有標(biāo)準(zhǔn)軟硬件、功能和接口設(shè)計(jì)，通用于軌道交通線網(wǎng)并能獨(dú)立完成交易處理整體功能的嵌入式非接觸IC卡讀寫設(shè)備。

3讀寫器標(biāo)準(zhǔn)化現(xiàn)狀及特點(diǎn)

我國(guó)各城市軌道交通讀寫器的標(biāo)準(zhǔn)化程度已普遍較高，第一批先期建設(shè)軌道交通的城市在2010年以前基本已完成標(biāo)準(zhǔn)的制定，表1是幾個(gè)具有代表性的城市讀寫器的標(biāo)準(zhǔn)特點(diǎn)對(duì)比。

表1　典型城市讀寫器標(biāo)準(zhǔn)特點(diǎn)對(duì)比[2-6]

由上表可以看出，2010年以前形成的讀寫器標(biāo)準(zhǔn)在功能、軟硬件設(shè)計(jì)等方面的規(guī)定基本相似；在讀寫器與上位機(jī)的分工上呈現(xiàn)出交易處理由上位機(jī)端向讀寫器端逐漸轉(zhuǎn)移的趨勢(shì)；硬件能力隨著微處理器和數(shù)據(jù)存儲(chǔ)技術(shù)的發(fā)展不斷增強(qiáng)，反映出當(dāng)時(shí)AFC業(yè)界對(duì)線網(wǎng)讀寫器的普遍認(rèn)識(shí)。同時(shí)，讀寫器標(biāo)準(zhǔn)的形成與這些城市AFC系統(tǒng)的建設(shè)特點(diǎn)緊密相關(guān)，由于在本地都具有較強(qiáng)實(shí)力的AFC集成商/設(shè)備商，供貨和服務(wù)較為集中且穩(wěn)定，客觀上對(duì)讀寫器獨(dú)立性和通用性的要求不高，除北京外，交易處理流程都主要由上位機(jī)完成，對(duì)讀寫器具備獨(dú)立完成車票處理和運(yùn)營(yíng)業(yè)務(wù)的要求不是特別突出。

2010年以后，隨著《中國(guó)金融集成電路(IC)卡規(guī)范》V2.0、V3.0的先后頒布，手機(jī)支付技術(shù)和市場(chǎng)趨于成熟，軌道交通票種、票務(wù)功能也在不斷發(fā)展和豐富，讀寫器設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)不斷提高，特別是新建軌道交通的城市迅速增加，多數(shù)城市沒有本地AFC集成商，市場(chǎng)參與方較多，相應(yīng)地對(duì)讀寫器獨(dú)立性和通用性提出了很高的要求。表2以長(zhǎng)沙軌道交通為例，介紹目前在線網(wǎng)讀寫器標(biāo)準(zhǔn)編制中體現(xiàn)出的一些最新特點(diǎn)。

表2　長(zhǎng)沙軌道交通線網(wǎng)讀寫器主要特點(diǎn)[7-8]

續(xù)表

4線網(wǎng)讀寫器設(shè)計(jì)

4.1標(biāo)準(zhǔn)化設(shè)計(jì)

標(biāo)準(zhǔn)化設(shè)計(jì)是線網(wǎng)讀寫器獨(dú)立化和通用化的基礎(chǔ)，雖然目前各城市軌道交通都在不同程度上完成或正在進(jìn)行讀寫器技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)的研究和編制，但在深度和側(cè)重點(diǎn)上不盡相同，甚至存在很大差異。一般來(lái)說，目前新建軌道交通的城市在線網(wǎng)讀寫器的標(biāo)準(zhǔn)化設(shè)計(jì)上應(yīng)包含以下幾個(gè)方面的內(nèi)容。

1) 功能定義。包括定義基礎(chǔ)功能和應(yīng)用功能，如可支持的非接觸IC卡、SAM卡和其他模塊操作及應(yīng)用處理；對(duì)于軌道交通AFC系統(tǒng)各類現(xiàn)場(chǎng)設(shè)備的業(yè)務(wù)功能實(shí)現(xiàn)等。

2) 硬件標(biāo)準(zhǔn)及性能。主要包括主控模塊、射頻模塊、安全認(rèn)證模塊、電源模塊、外部接口等硬件配置，遵循技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)和主要性能指標(biāo)，以及電磁兼容性、環(huán)境適應(yīng)性、典型讀寫距離與讀寫速度等方面的要求。

3) 軟件標(biāo)準(zhǔn)。如軟件層次性參數(shù)化設(shè)計(jì)，可移植性、可擴(kuò)展性、安全性、更新與下載等方面的設(shè)計(jì)要求，特別是在接入新線路、新業(yè)務(wù)、新應(yīng)用的情況下，讀寫器軟件的擴(kuò)展性規(guī)劃和設(shè)計(jì)。

4) 業(yè)務(wù)處理功能劃分。業(yè)務(wù)功能在讀寫器與上位機(jī)之間的劃分，是讀寫器獨(dú)立化的決定性因素。

5) 接口調(diào)用方式及通信接口協(xié)議。制定上位機(jī)對(duì)讀寫器程序調(diào)用的方式和接口協(xié)議標(biāo)準(zhǔn)，是讀寫器實(shí)現(xiàn)通用化的前提。

6) 工作流程。包括每一類AFC車站現(xiàn)場(chǎng)設(shè)備上位機(jī)與讀寫器的交互流程定義。

4.2獨(dú)立化設(shè)計(jì)

從讀寫器設(shè)計(jì)角度出發(fā)，一個(gè)完整的交易處理可大致劃分為3類[9]：第一類是物理層面的讀寫操作，如與SAM卡的數(shù)據(jù)交換、對(duì)票卡命令接口的驅(qū)動(dòng)、與票卡的數(shù)據(jù)交換等；第二類是與票卡結(jié)構(gòu)和規(guī)劃聯(lián)系較為緊密的計(jì)算和處理，如卡物理地址相關(guān)的計(jì)算、卡恢復(fù)流程的處理、應(yīng)用數(shù)據(jù)映射卡物理地址的讀寫、卡應(yīng)用數(shù)據(jù)讀寫邏輯的處理、交易邏輯處理等；第三類是與運(yùn)營(yíng)業(yè)務(wù)直接相關(guān)的處理，如對(duì)卡有效性的判斷、交易參數(shù)的生成、交易記錄的生成存儲(chǔ)等，其中卡有效性判斷又可細(xì)分為卡的基本有效性判斷和運(yùn)營(yíng)有效性判斷，交易記錄的生成存儲(chǔ)也可細(xì)分為卡和設(shè)備的交易記錄生成存儲(chǔ)。

讀寫器獨(dú)立化設(shè)計(jì)的核心在于業(yè)務(wù)處理功能在讀寫器與上位機(jī)之間的劃分。早期讀寫器的業(yè)務(wù)范圍由于只考慮較封閉的卡型和票種，以及單線路、單運(yùn)營(yíng)商、單設(shè)備商的單一結(jié)構(gòu)化體系模式，往往采用與卡規(guī)劃、卡應(yīng)用、卡業(yè)務(wù)完全無(wú)關(guān)的純驅(qū)動(dòng)性設(shè)計(jì)，讀寫器作為上位機(jī)的附屬模塊，僅負(fù)責(zé)上述第一類(即卡協(xié)議數(shù)據(jù)傳輸、交換等)有限的功能，是毫無(wú)獨(dú)立性可言的。

讀寫器自身完成的業(yè)務(wù)處理功能越多，其相對(duì)于上位機(jī)的獨(dú)立性就越強(qiáng)。較常見的一種劃分方式是將與卡規(guī)劃、卡結(jié)構(gòu)相關(guān)的處理交由讀寫器完成，將與卡業(yè)務(wù)、卡應(yīng)用相關(guān)的處理交由上位機(jī)完成。在這種方式下，當(dāng)需要全線網(wǎng)統(tǒng)一部署票價(jià)方案、名單參數(shù)、降級(jí)模式時(shí)，仍涉及對(duì)各條線路多種設(shè)備的調(diào)試，因此，可進(jìn)一步將全部業(yè)務(wù)功能納入讀寫器的處理范圍，僅將設(shè)備交易記錄的生成存儲(chǔ)保留在上位機(jī)完成，最大限度實(shí)現(xiàn)線網(wǎng)讀寫器的獨(dú)立化。根據(jù)這種模式設(shè)計(jì)、制造的讀寫器近年來(lái)已在多個(gè)城市順利投入運(yùn)營(yíng)，雖然要求讀寫器進(jìn)行較復(fù)雜的邏輯運(yùn)算和較大的數(shù)據(jù)量存儲(chǔ)，但對(duì)于目前的讀寫器硬件配置標(biāo)準(zhǔn)而言，已經(jīng)完全可以勝任。

4.3通用化設(shè)計(jì)

如何實(shí)現(xiàn)在不同供貨商終端設(shè)備之間的通用互換是讀寫器通用化設(shè)計(jì)的難點(diǎn)，對(duì)程序調(diào)用方式的選擇十分關(guān)鍵。一般來(lái)說，讀寫器的程序調(diào)用主要有兩種方式，一種是接口庫(kù)文件的方式，一種是通信報(bào)文的方式[10]。在接口庫(kù)調(diào)用方式下，讀寫器開發(fā)商針對(duì)每條線路不同的AFC集成商和上位機(jī)操作系統(tǒng)編譯相應(yīng)的庫(kù)文件，以適合各種AFC設(shè)備軟件運(yùn)行的獨(dú)立開發(fā)包的形式(如動(dòng)態(tài)鏈接庫(kù)等)提交給上位機(jī)，嵌入其主程序內(nèi)運(yùn)行。讀寫器軟件從設(shè)備主程序獲取配置參數(shù)，如票價(jià)表、運(yùn)行模式、運(yùn)行時(shí)間、黑名單、信用許可等，同時(shí)，設(shè)備主程序通過函數(shù)調(diào)用的方式控制讀寫器的運(yùn)作、軟件更新、獲取交易文件和運(yùn)行情況。當(dāng)一個(gè)城市存在多個(gè)不同的AFC線路集成商(或設(shè)備制造商)時(shí)，讀寫器供貨商就必須單獨(dú)進(jìn)行多個(gè)獨(dú)立軟件包的開發(fā)。因此，采用接口庫(kù)的方式會(huì)根據(jù)設(shè)備供應(yīng)商的情況，存在多個(gè)版本的接口庫(kù)，增加了管理的復(fù)雜度和讀寫器軟件的重復(fù)開發(fā)，對(duì)讀寫器供應(yīng)商與AFC設(shè)備供貨商之間的配合存在較強(qiáng)依賴，不易實(shí)現(xiàn)通用化。

在采用數(shù)據(jù)報(bào)文的調(diào)用方式下，各類AFC現(xiàn)場(chǎng)設(shè)備對(duì)讀寫器的業(yè)務(wù)調(diào)用接口全部以標(biāo)準(zhǔn)化的數(shù)據(jù)報(bào)文進(jìn)行編制和定義，不論上位機(jī)采用何種類型的操作系統(tǒng)，只要按照定義好的數(shù)據(jù)報(bào)文組織數(shù)據(jù)即可實(shí)現(xiàn)對(duì)讀寫器的控制，使任何AFC系統(tǒng)集成商(或設(shè)備制造商)的設(shè)備投入既有線網(wǎng)系統(tǒng)使用時(shí)，不論其設(shè)備使用何種操作系統(tǒng)和應(yīng)用軟件，都不需要讀寫器廠商針對(duì)AFC設(shè)備提供API文件重新封裝編譯，即使在讀寫器設(shè)備維護(hù)期過后，只要在統(tǒng)一的密鑰和票卡定義下，讀寫器和AFC設(shè)備之間都可以實(shí)現(xiàn)直接接入和使用。從這個(gè)意義上而言，采用數(shù)據(jù)報(bào)文的調(diào)用方式無(wú)疑更符合線網(wǎng)讀寫器通用性的要求。

5結(jié)語(yǔ)

為了適應(yīng)軌道交通不斷發(fā)展的新票種、新業(yè)務(wù)以及新的支付手段，最大限度地降低對(duì)既有線網(wǎng)AFC系統(tǒng)的影響和改造成本，擺脫對(duì)設(shè)備供應(yīng)商的依賴，線網(wǎng)讀寫器應(yīng)進(jìn)行標(biāo)準(zhǔn)化、獨(dú)立化和通用化的設(shè)計(jì)，三者缺一不可，相輔相成。目前行業(yè)內(nèi)標(biāo)準(zhǔn)化的觀念已深入人心，各城市在標(biāo)準(zhǔn)的制定上也已取得了大量的成果，但在獨(dú)立化和通用化的設(shè)計(jì)深度上參差不齊，仍需要較長(zhǎng)一段時(shí)間的發(fā)展?？梢灶A(yù)見，隨著讀寫器線網(wǎng)化的不斷深入，讀寫器有望作為AFC設(shè)備的獨(dú)立通用部件進(jìn)行采購(gòu)，在部分設(shè)備上實(shí)現(xiàn)與上位機(jī)(ECU)的集成設(shè)計(jì)和制造將成為可能；讀寫器可實(shí)現(xiàn)的業(yè)務(wù)功能也將大為豐富，特別是在AFC系統(tǒng)支付方式向金融IC卡支付和手機(jī)支付發(fā)展、實(shí)現(xiàn)的過程中，線網(wǎng)讀寫器將發(fā)揮其關(guān)鍵性作用。

參考文獻(xiàn)

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(編輯：王艷菊)

Standards and Design of Card Reader and Writer for AFC System in City Rail Transit

Fan Wei

(Dept.of Communication & Signal Research and Design, China Railway Siyuan Survey and Design Group Co., Ltd., Wuhan 430063)

Abstract:This article reviews the background of concept formation of IC Reader and Writer in the AFC system of China Metro, pointing out the three main requirements in design: standardization, independence and universalization. Standardization demands uniform definition and requirement to the Card Reader and Writer, independence means stand-alone from station equipment and certain manufacturers and universalization requires the Card Reader and Writer to implement exchange between equipment from different lines or suppliers. Then, the definition of line network level Card Reader and Writer based on these requirements were summarized and proposed. The features of standardized Reader and Writer among major cities are listed to be compared, and the characteristics and trend of development are analyzed and its recent characteristics are introduced, including application function, hardware configuration, interface standard, scope of business process and method of calling. The main contents, core idea of dependent design and key points in universal design are expounded emphatically. By the end of the article, the future development of Card Reader and Writer is discussed.

Key words:rail transit; AFC; IC reader and writer; standards; design

doi:10.3969/j.issn.1672-6073.2016.03.025

收稿日期:2015-05-04修回日期: 2015-05-30

作者簡(jiǎn)介:范巍，男，工學(xué)學(xué)士，高級(jí)工程師，研究方向?yàn)樽詣?dòng)售檢票、通信，79993661@qq.com

中圖分類號(hào)U231.7

文獻(xiàn)標(biāo)志碼A

文章編號(hào)1672-6073(2016)03-0110-04