智慧地鐵站終端設(shè)備新功能的探討研究

董 淳

（中國機(jī)房設(shè)施工程有限公司，天津300061）

地鐵已成為城市居民出行不可或缺的公共交通工具。 地鐵站務(wù)作為地鐵車站設(shè)備運(yùn)營、乘客服務(wù)的主體，目前主要通過工作站的運(yùn)營監(jiān)控界面和人工巡站等方式處理站務(wù)日常工作。 近年來，如何基于工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)、大數(shù)據(jù)、人工智能等新技術(shù)，構(gòu)建地鐵智慧運(yùn)營平臺(tái)，已成為地鐵站務(wù)智慧應(yīng)用的研究熱點(diǎn)。 目前國內(nèi)針對(duì)地鐵生產(chǎn)系統(tǒng)應(yīng)用工作開展了較多研究， 但對(duì)移動(dòng)站務(wù)管理系統(tǒng)研究較少，相應(yīng)的配套方案還不夠完善，本文探討了智慧地鐵車站移動(dòng)站務(wù)管理系統(tǒng)的設(shè)計(jì)思路[1]。

1 需求分析

天津市軌道交通AFC 系統(tǒng)非接觸IC 卡讀寫器（以下簡稱讀寫器）為重要的單元設(shè)備，非接觸IC 卡讀寫器是一個(gè)功能獨(dú)立的，具備在安全認(rèn)證模塊的配合下，在其讀寫范圍內(nèi)對(duì)天津軌道交通非接觸IC卡車票（包括由天津地鐵發(fā)行的單程類車票和儲(chǔ)值類車票，天津城市一卡通有限公司發(fā)行的城市卡以及京津冀一卡通卡）、二維碼車票、以及手機(jī)NFC 虛擬化車票以及金融IC 卡（PPOC3.0）完成車票交易的整體功能統(tǒng)一的軟、硬件綜合體。 本文所描述的讀寫器包括AFC 系統(tǒng)設(shè)備、站級(jí)設(shè)備所使用的讀寫器、便攜式檢/驗(yàn)票機(jī)等[2]。

讀寫器由天線、控制板、SAM 卡、讀寫器軟件組成。 控制板包括微程序控制器、射頻電路、接口單元、存儲(chǔ)器和電源模塊等。 讀寫器控制板應(yīng)包括以下功能：車票讀寫功能；車票安全功能；獲取運(yùn)營模式功能；獲取解析參數(shù)、履歷模式、黑名單功能；IC卡業(yè)務(wù)邏輯處理功能； 向ECU 主程序提供接口功能；生成UD 數(shù)據(jù)功能；內(nèi)部接口功能；軟件在線更新功能。

2 功能描述

讀寫器在軟件功能上完全滿足目前天津軌道交通網(wǎng)絡(luò)化運(yùn)行的車站容量規(guī)模設(shè)計(jì)，并隨著軌道交通線路和車站的延伸，通過參數(shù)配置來滿足線網(wǎng)擴(kuò)展的要求。 在滿足天津軌道交通有關(guān)標(biāo)準(zhǔn)及規(guī)范的前提下，盡可能提高讀寫器對(duì)軌道交通一票通及一卡通讀寫速度和讀寫操作的可靠性。 當(dāng)讀寫器出現(xiàn)異常情況時(shí)，上位設(shè)備可通過狀態(tài)檢查及時(shí)了解讀寫器異常狀態(tài)，以保證互聯(lián)設(shè)備即時(shí)獲取相關(guān)故障信息[3]。

讀寫器采用32 位CPU、 嵌入式Linux 操作系統(tǒng)。 運(yùn)算速度能滿足軌道交通對(duì)車票的典型交易時(shí)間。 存儲(chǔ)器與內(nèi)存有足夠的容量，用以運(yùn)行操作系統(tǒng)、應(yīng)用程序和保存與票卡有關(guān)的參數(shù)文件。 讀寫器可獨(dú)立實(shí)現(xiàn)票卡交易流程，可以支持ACC 統(tǒng)一下發(fā)交易流程處理模塊， 以實(shí)現(xiàn)對(duì)票務(wù)規(guī)則的修改，而無需修改和配置任何硬件和其他軟件。

讀寫器具備與安全認(rèn)證模塊（SAM）之間的數(shù)據(jù)傳輸接口和能力。

讀寫器和車票（包括線網(wǎng)系統(tǒng)中正在使用的票卡和在建線路采購的票卡）具有良好匹配的天線品質(zhì)因素和工作頻率，保證乘客所持非接觸車票以任何角度、任何劃動(dòng)速度進(jìn)入有效讀寫區(qū)域，均可完成可靠的、高效、安全的讀寫操作。

讀寫器有效讀寫范圍（車票距離天線平面的垂直距離），卡式票為0～8 cm，讀寫器能夠充分適應(yīng)軌道交通AFC 系統(tǒng)要求交易速度快的特點(diǎn)，車票的典型交易（含安全認(rèn)證、過程文件處理、錢包文件處理、交易數(shù)據(jù)產(chǎn)生、TAC 碼生成等）時(shí)間小于300 ms。

讀寫器采用嵌入式安裝，其安裝位置及外形應(yīng)與設(shè)備的整體設(shè)計(jì)相協(xié)調(diào)，最大限度地方便乘客和操作員使用。 其表面光滑無毛邊，不能對(duì)使用人員造成傷害。 讀寫器內(nèi)部結(jié)構(gòu)緊湊，能夠耐受地鐵環(huán)境下的溫度、濕度、震動(dòng)、電磁干擾，手機(jī)、列車等電子電氣設(shè)備的使用不會(huì)對(duì)其造成影響。

讀寫器能夠保證讀寫操作的可靠性，能夠避免在掉電、車票劃動(dòng)不當(dāng)?shù)惹闆r造成數(shù)據(jù)丟失、票卡損壞等現(xiàn)象。

讀寫器符合ISO/IEC 14443 TYPE A/B 標(biāo)準(zhǔn)，支持如下：Mifare?Ultra Light、Mifare?S50S70、Mifare?PRO CPU 卡、PBOC2.0 CPU 卡、PBOC 3.0 CPU卡和雙界面CPU 卡等IC 票卡。

讀寫器能夠?qū)崿F(xiàn)二維碼車票及手機(jī)NFC 虛擬化車票以及金融IC 卡（PPOC3.0）的讀寫。

讀寫器滿足天津互聯(lián)網(wǎng)智能支付技術(shù)相關(guān)技術(shù)規(guī)定。

讀寫器技術(shù)方案能夠滿足天津軌道交通AFC系統(tǒng)相關(guān)技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)的要求。

讀寫器能夠支持聯(lián)乘優(yōu)惠、累計(jì)優(yōu)惠等優(yōu)惠方式，并支持相應(yīng)優(yōu)惠方式下對(duì)票卡的操作。

讀寫器支持對(duì)計(jì)程、計(jì)次、計(jì)時(shí)、區(qū)域、區(qū)段、周期、往返、團(tuán)體票等票種的操作。

讀寫器設(shè)備全面實(shí)現(xiàn)既有的清分系統(tǒng)參數(shù)，具備參數(shù)擴(kuò)充調(diào)整能力。

讀寫器能夠完全執(zhí)行ACC 下發(fā)的AFC 運(yùn)營參數(shù)、黑名單參數(shù)、模式履歷參數(shù)，按照AFC 技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定的參數(shù)管理模式進(jìn)行統(tǒng)一的參數(shù)管理。

讀寫器能夠完全實(shí)現(xiàn)AFC 技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)中的車票參數(shù)、系統(tǒng)控制參數(shù)、票價(jià)參數(shù)、日歷時(shí)間段參數(shù)、路網(wǎng)拓?fù)鋮?shù)、優(yōu)惠參數(shù)，并對(duì)每個(gè)參數(shù)規(guī)定的每個(gè)字段都予以充分落實(shí)。 在讀寫器項(xiàng)目執(zhí)行過程中，提供針對(duì)每個(gè)參數(shù)的獨(dú)立測(cè)試報(bào)告，并由清分系統(tǒng)檢驗(yàn)。

讀寫器完全符合AFC 技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定的黑名單管理模式，具備黑名單自動(dòng)接收和下發(fā)機(jī)制，黑名單可在運(yùn)營時(shí)段下發(fā)， 且下發(fā)時(shí)須做到設(shè)備不離線、不影響正線運(yùn)營。

讀寫器需實(shí)現(xiàn)AFC 技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)定義的所有運(yùn)營模式，并在測(cè)試完成后提供針對(duì)每個(gè)運(yùn)營模式的測(cè)試報(bào)告，并由清分系統(tǒng)檢驗(yàn)。

讀寫器的數(shù)據(jù)審核機(jī)制需要包括交易生成審計(jì)、交易上傳審計(jì)、車票回收審計(jì)、日終對(duì)賬審計(jì)、寄存器審計(jì)等。

讀寫器在軟件架構(gòu)設(shè)計(jì)時(shí)建立一套完整可行的交易生成審核機(jī)制，能保證交易生成、交易上傳的準(zhǔn)確性。 讀寫器交易審計(jì)需要與清分系統(tǒng)互相配合使用，能確保清分系統(tǒng)能實(shí)時(shí)監(jiān)控每個(gè)讀寫器的交易生成和上傳情況。

在單程票審計(jì)方面，單程票出站交易生成和上傳需要與單程票回收數(shù)量能互相審計(jì)。

讀寫器設(shè)備具備獨(dú)立的讀寫器操作日志處理系統(tǒng)。

讀寫器具備獨(dú)立的票卡操作日志，并有與之對(duì)應(yīng)的日志處理系統(tǒng)。 操作日志與交易記錄能相輔相成。

讀寫器具備獨(dú)立的通信地址，可直接從清分系統(tǒng)對(duì)讀寫器進(jìn)行管理，如執(zhí)行參數(shù)版本查詢、參數(shù)下載，操作日志調(diào)閱，交易生成和上傳情況檢查等操作。

3 硬件架構(gòu)設(shè)計(jì)

3.1 微程序處理器

微程序處理器采用工業(yè)級(jí)32 位ARM 體系處理器，采用嵌入式Linux 操作系統(tǒng)，支持交易程序內(nèi)置，具有復(fù)位和電源監(jiān)控電路以及獨(dú)立看門狗電路。讀寫器程序運(yùn)行空間采用隨機(jī)讀寫存儲(chǔ)器DRAM，容量128 MB。讀寫器系統(tǒng)、程序、數(shù)據(jù)存儲(chǔ)空間采用板載Nand Flash 存儲(chǔ)，存儲(chǔ)空間256 MB。 系統(tǒng)預(yù)留SD 卡接口， 可通過該SD 卡接口對(duì)讀寫器系統(tǒng)、TP軟件、參數(shù)等進(jìn)行離線升級(jí)。 關(guān)鍵數(shù)據(jù)存儲(chǔ)采用非易失性存儲(chǔ)器FERAM，數(shù)據(jù)保持壽命支持10 年，8 KB FERAM。讀寫器具備硬件加密計(jì)算模塊，支持DES、3DES、RSA/SHA-1、SCB2、SM2/SM3 等算法。

3.2 RF 模塊

讀寫器支持2 路RF 模塊，模塊選用NXP 公司的CLRC663 芯片。 該芯片支持13.56 MHz 頻段的ISO/IEC 14443 TYPE A/B 標(biāo)準(zhǔn)和和FeliCa 標(biāo)準(zhǔn)。射頻載波頻率為13.56 MHz±7 kHz。 CLRC663 是高度集成的收發(fā)器芯片，用于13.56 MHz 的非接觸式通訊。 讀寫器選用外置天線，天線采用特征阻抗為50 Ω 的同軸電纜與讀寫器相連，接口為SMA 接口。

3.3 天線

讀寫器具備兩條天線，可同時(shí)工作，也可以在兩條天線之間切換工作。 具有抗金屬環(huán)境及其它電磁信號(hào)干擾的設(shè)計(jì)，以保證在地鐵設(shè)備環(huán)境中的良好工作性能； 兩條天線在滿足最小安裝間距為500 mm 時(shí)，不產(chǎn)生相互影響。 讀寫器有效讀寫范圍為卡式0～100 mm（車票與天線平面距離），在設(shè)備表面，讀寫范圍為卡式0～60 mm（車票與設(shè)備表面距離）。

3.4 SAM 卡接口

讀寫器設(shè)備具備8 個(gè)SAM 卡， 安裝SAM 卡無需拆換電路板。 SAM 卡插座符合GSM11.11 標(biāo)準(zhǔn)。SAM 卡通訊速率可同時(shí)支持不同通信速率的SAM卡，支持PPS 設(shè)置（可在9600、38400、115200 bps 之間選擇切換），支持高速SAM 卡通訊（≥312 Kbps）。

4 軟件設(shè)計(jì)

讀寫器采用嵌入式Linux 系統(tǒng)，版本為3.14.43。并在此系統(tǒng)上開發(fā)驅(qū)動(dòng)、函數(shù)庫、和應(yīng)用程序。 應(yīng)用軟件采用C/C++語言開發(fā)， 編譯器選用ARM-LINUX-GCC，代碼只采用標(biāo)準(zhǔn)的ANSI 函數(shù)庫和POSIX函數(shù)庫，具有很強(qiáng)的可移植性。 Linux 下的設(shè)備驅(qū)動(dòng)程序負(fù)責(zé)將操作系統(tǒng)的請(qǐng)求傳輸轉(zhuǎn)化為特定物理設(shè)備控制器能夠理解的命令，通過讀寫硬件寄存器實(shí)現(xiàn)對(duì)硬件設(shè)備的控制。 在讀寫器中，NAND FLASH 和eMMC FLASH 采用模塊設(shè)備驅(qū)動(dòng)， 網(wǎng)絡(luò)接口采用網(wǎng)絡(luò)設(shè)備驅(qū)動(dòng)。 此類驅(qū)動(dòng)為嵌入式Linux自帶，無需自行開發(fā)。 為確保未來票卡處理程序的通用性，保證該處理軟件可由ACC 作為統(tǒng)一軟件下發(fā)給讀寫器， 需要使用動(dòng)態(tài)庫對(duì)硬件差異進(jìn)行屏蔽，封裝出統(tǒng)一的接口。

5 結(jié)語

本文以智慧地鐵項(xiàng)目建設(shè)為契機(jī)，利用對(duì)于讀寫器的硬件和軟件的研究，設(shè)計(jì)了一款針對(duì)天津地鐵讀寫器產(chǎn)品。 今后將結(jié)合天津地鐵項(xiàng)目建設(shè)經(jīng)驗(yàn)，對(duì)讀寫器各模塊功能進(jìn)行優(yōu)化設(shè)計(jì)。