城市軌道交通互聯(lián)網(wǎng)票務(wù)系統(tǒng)二維碼乘車(chē)碼編碼方式的研究

余樂(lè) 張鵬 陳園園

（南京熊貓信息產(chǎn)業(yè)有限公司 江蘇省南京市 210002）

在“互聯(lián)網(wǎng)+”時(shí)代大背景下，國(guó)內(nèi)軌道交通自動(dòng)售檢票系統(tǒng)（AFC）新技術(shù)迅速發(fā)展，各個(gè)城市的軌道交通公司不斷嘗試引入新型支付模式，以豐富地鐵的票務(wù)支付形式，為乘客提供更便捷的出行服務(wù)。于是二維碼電子乘車(chē)碼技術(shù)方案應(yīng)運(yùn)而生成，它有效解決了地鐵售檢票系統(tǒng)存在的購(gòu)票效率低、客流高峰期排隊(duì)購(gòu)票時(shí)間長(zhǎng)、車(chē)票單次使用成本大等問(wèn)題。

乘客只需憑借移動(dòng)應(yīng)用客戶端（手機(jī) APP）生成的二維碼即可實(shí)現(xiàn)地鐵“刷碼過(guò)閘”，便可以實(shí)現(xiàn)快速過(guò)閘的便捷出行體驗(yàn)，加快了地鐵客流的流通速度。

根據(jù)適用場(chǎng)景以及發(fā)起方式的不同，本文主要闡述“被掃模式”下，二維碼乘車(chē)碼的關(guān)鍵技術(shù)，從二維碼設(shè)計(jì)、要點(diǎn)、創(chuàng)新等方面進(jìn)行了闡述，提出了城市軌道交通互聯(lián)網(wǎng)票務(wù)系統(tǒng)二維碼乘車(chē)碼的設(shè)計(jì)方案及理念。

1 設(shè)計(jì)原則

（1）城市軌道交通互聯(lián)網(wǎng)票務(wù)系統(tǒng)要求采用實(shí)名制，所有接入互聯(lián)網(wǎng)票務(wù)的移動(dòng)應(yīng)用均需遵循互聯(lián)網(wǎng)票務(wù)實(shí)名制安全要求，以確保城軌互聯(lián)網(wǎng)票務(wù)運(yùn)營(yíng)的安全。

（2）在實(shí)名制的前提下，采用信用消費(fèi)模式，通過(guò)后臺(tái)行程匹配及計(jì)費(fèi)來(lái)實(shí)現(xiàn)先乘車(chē)后付費(fèi)。

（3）以“開(kāi)放包容、互利共贏”為理念，支持多個(gè)業(yè)務(wù)機(jī)構(gòu)或支付渠道接入。

（4）采用雙脫機(jī)方案為主，在網(wǎng)絡(luò)及相關(guān)條件具備且城軌業(yè)主特別要求的前提下輔以聯(lián)機(jī)驗(yàn)證模式。

2 二維碼設(shè)計(jì)

2.1 二維碼結(jié)構(gòu)

二維碼乘車(chē)碼由二維碼頭、行業(yè)數(shù)據(jù)域、用戶數(shù)據(jù)域組成（見(jiàn)圖1）。

2.1.1 二維碼頭

二維碼頭主要用于對(duì)二維碼數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)進(jìn)行闡述，用于描述結(jié)構(gòu)版本、二維碼類(lèi)型、城市標(biāo)識(shí)、算法標(biāo)識(shí)等。

2.1.2 行業(yè)數(shù)據(jù)域

行業(yè)數(shù)據(jù)域中數(shù)據(jù)由城市軌道交通互聯(lián)網(wǎng)票務(wù)系統(tǒng)提供，主要用于對(duì)二維碼電子乘車(chē)碼的通用業(yè)務(wù)限制以及對(duì)這些業(yè)務(wù)數(shù)據(jù)的授權(quán)使用有效期及簽名。行業(yè)數(shù)據(jù)域主要包含但不限于：用戶標(biāo)識(shí)、二維碼有效期、應(yīng)用標(biāo)識(shí)、序列、用戶公鑰、行業(yè)數(shù)據(jù)簽名等。

2.1.3 用戶數(shù)據(jù)域

用戶數(shù)據(jù)域由二維碼電子乘車(chē)碼合作方的移動(dòng)應(yīng)用端（如：地鐵官方APP、支付寶、微信等）生成。用戶數(shù)據(jù)域包括具體特定二維碼標(biāo)識(shí)、行業(yè)標(biāo)識(shí)數(shù)據(jù)以及移動(dòng)應(yīng)用方對(duì)這些數(shù)據(jù)的簽名。用戶數(shù)據(jù)域主要包含但不限于：二維碼狀態(tài)、二維碼憑證號(hào)、生成序列、生成時(shí)間、用戶數(shù)據(jù)簽名等。

圖1：二維碼乘車(chē)碼數(shù)據(jù)組成

圖2：二維碼數(shù)據(jù)關(guān)系

2.2 數(shù)據(jù)組織

二維碼乘車(chē)碼中數(shù)據(jù)生成關(guān)系見(jiàn)圖2。

二維碼電子乘車(chē)碼中行業(yè)數(shù)據(jù)域數(shù)據(jù)由城市軌道交通互聯(lián)網(wǎng)票務(wù)系統(tǒng)發(fā)行，并對(duì)其數(shù)據(jù)進(jìn)行加密或簽名。該數(shù)據(jù)由移動(dòng)應(yīng)用客戶端向移動(dòng)應(yīng)用后臺(tái)發(fā)起請(qǐng)求，再由移動(dòng)后臺(tái)向城市軌道交通互聯(lián)網(wǎng)票務(wù)系統(tǒng)發(fā)起申請(qǐng)，請(qǐng)求結(jié)果依次返回至移動(dòng)應(yīng)用客戶端。

用戶數(shù)據(jù)域數(shù)據(jù)由移動(dòng)應(yīng)用客戶端按照約定規(guī)則在客戶端本地生成，利用預(yù)置用戶私鑰對(duì)用戶域數(shù)據(jù)進(jìn)行簽名。

待行業(yè)數(shù)據(jù)域數(shù)據(jù)與用戶數(shù)據(jù)域數(shù)據(jù)組織完畢后，由移動(dòng)應(yīng)用客戶端按照數(shù)據(jù)內(nèi)容，遵循二維碼電子乘車(chē)碼結(jié)構(gòu)生成并展現(xiàn)二維碼。

圖3：二維碼業(yè)務(wù)模型

圖4：二維碼乘車(chē)碼對(duì)比圖

2.3 業(yè)務(wù)模型

本文中二維碼電子乘車(chē)碼，可以同時(shí)支持不同的二維碼業(yè)務(wù)合作方與城市軌道交通互聯(lián)網(wǎng)系統(tǒng)共同聯(lián)合發(fā)碼。城市軌道交通互聯(lián)網(wǎng)系統(tǒng)可以通過(guò)二維碼中應(yīng)用標(biāo)識(shí)，可以完成對(duì)用戶數(shù)據(jù)快速識(shí)別、分類(lèi)、請(qǐng)款及清算的工作。

城軌官方APP 在支持二維碼電子乘車(chē)碼基礎(chǔ)上又可以與不同支付機(jī)構(gòu)進(jìn)行對(duì)接（如：銀聯(lián)、支付寶、微信等），可以為乘客提供便捷的支付選擇及支付體驗(yàn)。

詳細(xì)二維碼業(yè)務(wù)模型可參見(jiàn)圖3。

3 關(guān)鍵技術(shù)研究

3.1 編碼方式

在《GB/T18284-2000 快速響應(yīng)矩陣碼》標(biāo)準(zhǔn)中對(duì)二維碼編碼的關(guān)鍵特征有兩個(gè)影響因子[1]。

3.1.1 編碼字符集的選擇符合規(guī)定交通行業(yè)使用的二維碼編碼方式有兩種：

（1）字符數(shù)字型數(shù)據(jù)（數(shù)字0～9；大寫(xiě)字母A～Z；9 個(gè)其他字符：sapce，$，%，*，+，-，．，/，：）；

（2）8 位字節(jié)型數(shù)據(jù)（ASCII 字符集）。

3.1.2 糾錯(cuò)的選擇

4 種糾錯(cuò)等級(jí)，可恢復(fù)的碼字比例為：

L 7%

M 15%

Q 25%

H 30%

下文以工程應(yīng)用中的二維碼數(shù)據(jù)為樣例，在同等信息量基礎(chǔ)上分別采用不同編碼字符集和糾錯(cuò)等級(jí)對(duì)二維碼編碼方式進(jìn)行對(duì)比。如圖4所示。

根據(jù)表1的對(duì)比，在二維碼編碼方式上，建議采用8 位字節(jié)型數(shù)據(jù)編碼方式，糾錯(cuò)等級(jí)選擇L（7%），這樣生成出的二維碼密度最低，識(shí)別最快，更能適應(yīng)軌道交通快速識(shí)別與通行的需求。

3.2 算法與密鑰

在城市軌道交通AFC 系統(tǒng)中，通常采用對(duì)稱(chēng)算法3DES 算法、非對(duì)稱(chēng)算法RSA[2]或SM2 算法[3]來(lái)保證數(shù)據(jù)安全。

3DES 算法是一種國(guó)際上使用最廣的商用密碼算法，在軌道交通行業(yè)通常用于保證地鐵單程票數(shù)據(jù)安全。

SM2 算法和RSA 算法都是非對(duì)稱(chēng)公私鑰密碼算法，其中SM2屬于國(guó)密算法，RSA 屬于國(guó)際算法，通常用于保證非接觸票卡電子現(xiàn)金業(yè)務(wù)及文件傳輸過(guò)程中的數(shù)據(jù)安全，通過(guò)表2的對(duì)比，SM2 算法更優(yōu)于RSA 算法。

為了適應(yīng)不同業(yè)務(wù)場(chǎng)景需求，行業(yè)數(shù)據(jù)域簽名算法應(yīng)支付對(duì)稱(chēng)3DES 算法和非對(duì)稱(chēng)國(guó)密SM2 算法，具體選擇可以在業(yè)務(wù)實(shí)現(xiàn)時(shí)根據(jù)城軌業(yè)主需求確定。用戶數(shù)據(jù)域簽名采用非對(duì)稱(chēng)國(guó)密SM2 算法。其中行業(yè)數(shù)據(jù)密鑰應(yīng)由互聯(lián)網(wǎng)票務(wù)來(lái)維護(hù)，用戶密鑰由移動(dòng)應(yīng)用來(lái)維護(hù)。

3.3 生成與驗(yàn)證

3.3.1 二維碼生成

移動(dòng)應(yīng)用客戶端打開(kāi)乘車(chē)碼功能時(shí)，由移動(dòng)應(yīng)用后臺(tái)向城市軌道交通互聯(lián)網(wǎng)票務(wù)申請(qǐng)行業(yè)授權(quán)數(shù)據(jù)，由城市軌道交通互聯(lián)網(wǎng)票務(wù)利用其密鑰系統(tǒng)通過(guò)對(duì)稱(chēng)3DES 算法或非對(duì)稱(chēng)SM2 算法對(duì)行業(yè)數(shù)據(jù)域數(shù)據(jù)簽名，簽名數(shù)據(jù)由用戶標(biāo)識(shí)、二維碼有效期、應(yīng)用標(biāo)識(shí)、序列、用戶公鑰等組成。

行業(yè)數(shù)據(jù)申請(qǐng)可以一次申請(qǐng)多條，授權(quán)有效期內(nèi)逐條使用；或一次申請(qǐng)一條，授權(quán)有效期內(nèi)多次使用。當(dāng)授權(quán)有效期過(guò)期后，需要重新再次申請(qǐng)。

當(dāng)移動(dòng)應(yīng)用客戶端本地行業(yè)數(shù)據(jù)在有效期范圍內(nèi)或已重新申請(qǐng)到行業(yè)數(shù)據(jù)，應(yīng)在客戶端本地生成用戶數(shù)據(jù)，并通過(guò)非對(duì)稱(chēng)SM2算法對(duì)用戶數(shù)據(jù)進(jìn)行簽名。簽名后按照二維碼格式要求，生成并展示二維碼。

其中行業(yè)數(shù)據(jù)如采用對(duì)稱(chēng)3DES 算法，簽名數(shù)據(jù)應(yīng)為3DES 對(duì)行業(yè)數(shù)據(jù)進(jìn)行MAC 計(jì)算后結(jié)果；如采用非對(duì)稱(chēng)SM2 算法，簽名數(shù)據(jù)應(yīng)采用行業(yè)數(shù)據(jù)私鑰對(duì)行業(yè)數(shù)據(jù)進(jìn)行簽名后的結(jié)果。這兩種密鑰受互聯(lián)網(wǎng)票務(wù)系統(tǒng)保護(hù)。

用戶數(shù)據(jù)簽名應(yīng)為移動(dòng)應(yīng)用客戶端中私鑰對(duì)用戶數(shù)據(jù)簽名后的結(jié)果，私鑰應(yīng)與行業(yè)數(shù)據(jù)中用戶公鑰對(duì)應(yīng)。該密鑰應(yīng)受移動(dòng)應(yīng)用合作方保護(hù)，應(yīng)做到一用戶一密鑰，定期更新。

3.3.2 二維碼驗(yàn)證

二維碼電子乘車(chē)碼在AFC 受理終端上使用時(shí)應(yīng)對(duì)行業(yè)數(shù)據(jù)、用戶數(shù)據(jù)簽名進(jìn)行校驗(yàn)，確保二維碼數(shù)據(jù)安全。

表1：編碼方式對(duì)比說(shuō)明

表2：非對(duì)稱(chēng)算法性能對(duì)比

行業(yè)數(shù)據(jù)如采用對(duì)稱(chēng)3DES 算法，終端校驗(yàn)應(yīng)采用地鐵PSAM卡完成行業(yè)數(shù)據(jù)簽名中的MAC 校驗(yàn)工作。PSAM 卡中密鑰應(yīng)與城市軌道交通互聯(lián)網(wǎng)票務(wù)中密鑰保持一致；如采用非對(duì)稱(chēng)SM2 算法，終端中應(yīng)采用行業(yè)數(shù)據(jù)公鑰來(lái)完成行業(yè)數(shù)據(jù)簽名校驗(yàn)工作，終端中行業(yè)數(shù)據(jù)公鑰應(yīng)與城市軌道交通互聯(lián)網(wǎng)票務(wù)系統(tǒng)中行業(yè)數(shù)據(jù)私鑰保持一致。

用戶數(shù)據(jù)域中簽名應(yīng)由二維碼中用戶公鑰完成校驗(yàn)工作。

3.4 二維碼使用

軌道交通的交易為典型的復(fù)合消費(fèi)類(lèi)型，二維碼的成功使用關(guān)鍵在于業(yè)務(wù)閉環(huán)，即進(jìn)站時(shí)只做相關(guān)信息記錄，出站時(shí)互聯(lián)網(wǎng)票務(wù)系統(tǒng)對(duì)進(jìn)出信息進(jìn)行行程配對(duì)，配對(duì)成功后完成行程費(fèi)用計(jì)扣申請(qǐng)，由業(yè)務(wù)合作方對(duì)行程費(fèi)用進(jìn)行計(jì)扣。由于二維碼業(yè)務(wù)對(duì)AFC 系統(tǒng)網(wǎng)絡(luò)要求較高，在不同網(wǎng)絡(luò)狀況場(chǎng)景下，應(yīng)輔以路網(wǎng)中央、車(chē)站、本機(jī)多級(jí)查重手段，確保二維碼在終端設(shè)備上不被重復(fù)使用。

移動(dòng)客戶端打開(kāi)二維碼時(shí)應(yīng)及時(shí)刷新，可以對(duì)行業(yè)數(shù)據(jù)及用戶數(shù)據(jù)同時(shí)刷新，也可以只對(duì)用戶數(shù)據(jù)刷新。

進(jìn)出站時(shí)由終端設(shè)備對(duì)二維碼信息采集，采用路網(wǎng)中央及本機(jī)雙重查重方式，確保二維碼在地鐵分時(shí)分段復(fù)合消費(fèi)場(chǎng)景下行程唯一性，并在互聯(lián)網(wǎng)票務(wù)系統(tǒng)中完成行程信息登記，如行程無(wú)異常且符合城軌相關(guān)票務(wù)管理規(guī)定應(yīng)予以放行。應(yīng)準(zhǔn)實(shí)時(shí)將用戶行程信息推送至移動(dòng)客戶端，以增強(qiáng)用戶體驗(yàn)。

當(dāng)進(jìn)站時(shí)遇到終端設(shè)備與互聯(lián)網(wǎng)票務(wù)系統(tǒng)網(wǎng)絡(luò)中斷，可以根據(jù)票務(wù)管理規(guī)定提示乘客更換使用通道（可能為單機(jī)網(wǎng)絡(luò)故障）或采用其他乘車(chē)方式，也可以先對(duì)乘客放行，待網(wǎng)絡(luò)恢復(fù)后再將用戶行程推送至互聯(lián)網(wǎng)票務(wù)系統(tǒng)。

出站時(shí)遇到終端設(shè)備與互聯(lián)網(wǎng)票務(wù)系統(tǒng)網(wǎng)絡(luò)中斷，應(yīng)降級(jí)為車(chē)站級(jí)查重，以解決乘客在本站多次重復(fù)使用的現(xiàn)象，并以乘客放行為優(yōu)先的原則，確保乘客正常出站，不在車(chē)站內(nèi)長(zhǎng)時(shí)間逗留，待網(wǎng)絡(luò)恢復(fù)后再將用戶行程推送至互聯(lián)網(wǎng)票務(wù)系統(tǒng)。

當(dāng)互聯(lián)網(wǎng)票務(wù)系統(tǒng)接收到用戶出站行程，應(yīng)準(zhǔn)實(shí)時(shí)完成用戶行程配對(duì)，并根據(jù)配對(duì)信息完成行程計(jì)費(fèi)請(qǐng)款工作，同時(shí)將相關(guān)信息推送至移動(dòng)客戶端。

4 技術(shù)創(chuàng)新

4.1 聯(lián)合發(fā)碼技術(shù)

將數(shù)據(jù)區(qū)分為行業(yè)數(shù)據(jù)和用戶數(shù)據(jù)，城軌企業(yè)與業(yè)務(wù)合作方共同聯(lián)合發(fā)行二維碼，可以支持與多個(gè)業(yè)務(wù)合作方合作。技術(shù)實(shí)現(xiàn)更簡(jiǎn)單、系統(tǒng)更安全、穩(wěn)定、未來(lái)業(yè)務(wù)擴(kuò)展性、適應(yīng)性更強(qiáng)。

4.2 雙離線發(fā)行及驗(yàn)證

行業(yè)數(shù)據(jù)采用一次授權(quán)多條，逐條使用或一次授權(quán)一條，多次使用的方式，使用時(shí)用戶側(cè)可實(shí)現(xiàn)離線生碼。二維碼在AFC 受理終端校驗(yàn)時(shí)，建議采用預(yù)置PSAM 卡對(duì)二維碼數(shù)據(jù)離線校驗(yàn)。能夠保證交易速度小于200 毫秒，用戶體驗(yàn)度不低于單程票。

4.3 混合查重模型

采用路網(wǎng)中央、車(chē)站、本機(jī)多級(jí)查重手段，有效解決多種不同網(wǎng)絡(luò)狀態(tài)下二維碼的使用問(wèn)題，能夠有效規(guī)避二維碼不具備回寫(xiě)的顯著缺陷，確保二維碼不被重復(fù)使用。

4.4 行程管理序列化

在行業(yè)數(shù)據(jù)中設(shè)有發(fā)行序列、用戶數(shù)據(jù)中設(shè)有使用序列，在使用中能夠?yàn)闃I(yè)主提供用戶行程序列化管理的能力，能夠輔助用戶行程O(píng)D 配對(duì)及單邊交易分析，實(shí)用性更強(qiáng)。

5 結(jié)論

在智慧城市建設(shè)的背景下，二維碼電子乘車(chē)碼已成為城市軌道交通移動(dòng)支付方案的典型代表。本文對(duì)二維碼乘車(chē)碼編碼方式的研究，對(duì)于未來(lái)行業(yè)二維碼技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)化及后續(xù)新建城市具有借鑒和參考意義。