城市軌道交通自動(dòng)售檢票系統(tǒng)架構(gòu)優(yōu)化

曹家玉 林雪峰 李悅溪

（上海儀電物聯(lián)技術(shù)股份有限公司 上海市 200233）

1 引言

軌道交通自動(dòng)售檢票（AFC，Automatic Fare Collection system）系統(tǒng)是軌道交通系統(tǒng)的核心子系統(tǒng)，是集計(jì)算機(jī)技術(shù)、信息收集和處理技術(shù)、機(jī)械制造于一體的自動(dòng)化售票、檢票系統(tǒng)，具有很強(qiáng)的智能化功能。這一系統(tǒng)在世界各國(guó)的城市軌道交通中得到了廣泛的應(yīng)用。

自動(dòng)售檢票系統(tǒng)最初是來(lái)自于國(guó)外，隨著我國(guó)經(jīng)濟(jì)技術(shù)水平的發(fā)展，產(chǎn)品形式的多樣化，科研水平的提高，我國(guó)的軌道交通AFC系統(tǒng)經(jīng)歷了從無(wú)到有的過(guò)程。它在改善乘車秩序，提高工作效率，提升企業(yè)管理水平和運(yùn)輸效率等方面起著巨大的作用。

隨著軌道交通進(jìn)入規(guī)模化運(yùn)營(yíng)、網(wǎng)絡(luò)化運(yùn)營(yíng)之后，其路網(wǎng)結(jié)構(gòu)、收費(fèi)方式及業(yè)務(wù)管理的模式也在不斷改變，因此AFC 系統(tǒng)架構(gòu)也在不斷發(fā)展和優(yōu)化。

2 傳統(tǒng)五層架構(gòu)體系

2.1 傳統(tǒng)五層架構(gòu)的自動(dòng)售檢票系統(tǒng)

傳統(tǒng)的自動(dòng)售檢票系統(tǒng)一般為五層架構(gòu)，包括清分中心系統(tǒng)（ACC）、線路中央系統(tǒng)（LCC）、車站計(jì)算機(jī)系統(tǒng)（SC）、車站終端設(shè)備（SLE）和票卡。其系統(tǒng)架構(gòu)如圖1。

第一層：ACC（AFC Clearing Center，清分中心系統(tǒng)）是軌道交通票務(wù)清分的中央計(jì)算機(jī)系統(tǒng)，由生產(chǎn)系統(tǒng)和容災(zāi)備份系統(tǒng)組成，負(fù)責(zé)軌道交通全路網(wǎng)的票務(wù)管理、票卡發(fā)行與調(diào)配管理、地鐵專用車票一卡通等換乘交易清算、路網(wǎng)運(yùn)營(yíng)模式監(jiān)控，以及各類交易數(shù)據(jù)、客流數(shù)據(jù)的統(tǒng)計(jì)分析報(bào)表。

第二層：LCC（Line Central Computer，線路中央計(jì)算機(jī)系統(tǒng)）是指本線路的中央計(jì)算機(jī)系統(tǒng)，在總體機(jī)構(gòu)中屬于二級(jí)機(jī)構(gòu)。LCC負(fù)責(zé)本線路的票務(wù)管理、設(shè)備運(yùn)行的監(jiān)控、數(shù)據(jù)審核、參數(shù)管理、安全管理、網(wǎng)絡(luò)管理、故障自診斷等功能。

第三層：車站計(jì)算機(jī)系統(tǒng)SC（Station Computer），SC 為車站計(jì)算機(jī)系統(tǒng)，向上連接LCC，向下控制所有車站設(shè)備。它的功能主要包括：收集、統(tǒng)計(jì)運(yùn)營(yíng)數(shù)據(jù)、監(jiān)控和數(shù)據(jù)采集，本站車票管理、現(xiàn)金管理等。

第四層：車站終端設(shè)備（SLE），由BOM、TVM、GATE 等終端設(shè)備組成，依據(jù)其不同設(shè)備類型完成相應(yīng)的功能操作，如售票、進(jìn)出站檢票、票卡更新、車票回收等。

第五層：票卡，由單程票、儲(chǔ)值票、公交卡、城市通卡等組成，記錄車票的系統(tǒng)編號(hào)、安全信息、車票種類、個(gè)人信息、進(jìn)、出站信息、金額、有效期、歷史交易記錄等信息，與車站現(xiàn)場(chǎng)設(shè)備共同完成自動(dòng)售票、檢票功能。

2.2 傳統(tǒng)五層架構(gòu)存在的問(wèn)題

傳統(tǒng)五層架構(gòu)體系中各個(gè)層次相對(duì)獨(dú)立，又逐級(jí)管理，能夠很好的完成地鐵票務(wù)業(yè)務(wù)功能。但是，隨著地鐵路網(wǎng)規(guī)模和業(yè)務(wù)的不斷擴(kuò)大，五層架構(gòu)存在明顯的問(wèn)題。

（1）因路網(wǎng)規(guī)模的擴(kuò)大而增加的各級(jí)節(jié)點(diǎn)，導(dǎo)致維護(hù)的難度和成本越來(lái)越高。

圖1

圖2

（2）采用逐級(jí)管理、分層數(shù)據(jù)存儲(chǔ)的設(shè)計(jì)原則，存在非常大的資源浪費(fèi)和數(shù)據(jù)冗余。

（3）數(shù)據(jù)傳輸效率不高，無(wú)法滿足運(yùn)營(yíng)精細(xì)化管理對(duì)客流的實(shí)時(shí)性要求。

（4）作為基于脫機(jī)卡片錢包消費(fèi)為基礎(chǔ)涉及的信息化系統(tǒng)，越來(lái)越不適應(yīng)移動(dòng)支付業(yè)務(wù)在軌道交通自動(dòng)售檢票的應(yīng)用需求。

2.3 基于多線路中央的五層架構(gòu)體系

由于五層架構(gòu)體系存在建設(shè)投入大、數(shù)據(jù)傳輸效率不高、數(shù)據(jù)冗余嚴(yán)重等特點(diǎn)，因此國(guó)內(nèi)軌道交通企業(yè)紛紛開始對(duì)軌道交通自動(dòng)售檢票系統(tǒng)進(jìn)行優(yōu)化和創(chuàng)新。其中上海軌道交通最早進(jìn)行了線路中央技術(shù)處理技術(shù)的研究，北京、深圳、蘇州等城市紛紛開始建設(shè)多線路中央系統(tǒng)（MLC）。

圖3

圖4

圖5

MLC 系統(tǒng)是多條AFC 系統(tǒng)的核心部分，是新型的AFC 線路中心，優(yōu)化了LC 系統(tǒng)建設(shè)模式，打破了原有的每條AFC 線路單獨(dú)建設(shè)獨(dú)立線路中心的傳統(tǒng)格局，實(shí)現(xiàn)了多條線路的車站層的統(tǒng)一管理，同時(shí)簡(jiǎn)化了線路與清分中心ACC 的接口，提升了系統(tǒng)的利用率和可管理性。MLC 系統(tǒng)的采用極大降低了AFC 建設(shè)、運(yùn)營(yíng)和維護(hù)的成本。按照10 條線規(guī)模估算，建設(shè)、運(yùn)營(yíng)和維護(hù)成本的5年可節(jié)約2 個(gè)億，取得了良好的經(jīng)濟(jì)效益。另外，通過(guò)MLC 的主備中心系統(tǒng)的規(guī)劃，可以極大提升系統(tǒng)的可靠性，確保應(yīng)用和數(shù)據(jù)的安全。見圖2。

3 基于融合技術(shù)的四層架構(gòu)體系

對(duì)于實(shí)現(xiàn)了線路中央集中處理技術(shù)的5 層架構(gòu)體系，架構(gòu)層次沒(méi)有改變，只是節(jié)約了建設(shè)和運(yùn)維成本，但是從數(shù)據(jù)冗余和處理效率來(lái)看，沒(méi)有本質(zhì)性的變化。因此國(guó)內(nèi)城市開始了進(jìn)一步的研究和探索，提出了線路中央和清分中心融合的四層架構(gòu)體系。

從目前的情況看，線路中央一方面有很大部分業(yè)務(wù)功能與清分中心基本重復(fù)，另一方面有小部分功能由于管理架構(gòu)的改變、數(shù)據(jù)線路局限性等原因而在實(shí)際中不再使用。因此，經(jīng)過(guò)對(duì)原有五層架構(gòu)中的清分中心和多線路中央系統(tǒng)進(jìn)行業(yè)務(wù)上的整合和優(yōu)化，可以對(duì)二者在基礎(chǔ)IT 資源、系統(tǒng)功能和數(shù)據(jù)等方面進(jìn)行深度的融合，形成新的路網(wǎng)融合清分中心系統(tǒng)。路網(wǎng)融合清分中心系統(tǒng)提供票務(wù)管理、運(yùn)行模式管理、數(shù)據(jù)采集、性能監(jiān)控、設(shè)備監(jiān)控、故障管理、統(tǒng)計(jì)報(bào)表、票務(wù)清分、參數(shù)管理等各項(xiàng)功能。

因此，軌道交通系統(tǒng)的四層架構(gòu)，包括路網(wǎng)融合清分中心系統(tǒng)、車站計(jì)算機(jī)系統(tǒng)、車站終端設(shè)備以及票卡。其架構(gòu)體系如圖3 所示。

四層架構(gòu)體系中的路網(wǎng)融合清分中心系統(tǒng)基于云計(jì)算技術(shù)，在基礎(chǔ)設(shè)施IaaS 層實(shí)現(xiàn)共建共享，在平臺(tái)PaaS 層發(fā)布統(tǒng)一的數(shù)據(jù)庫(kù)平臺(tái)和數(shù)據(jù)交互平臺(tái)，同時(shí)在軟件SaaS 層對(duì)于線路中央和清分中心的業(yè)務(wù)進(jìn)行歸納和整合。系統(tǒng)應(yīng)用虛擬化技術(shù)、負(fù)載均衡技術(shù)和系統(tǒng)管理技術(shù)等，將系統(tǒng)的服務(wù)器、磁盤陣列等設(shè)備分別形成存儲(chǔ)、數(shù)據(jù)庫(kù)、通信處理、業(yè)務(wù)處理等資源池，統(tǒng)一外部接口，集中處理數(shù)據(jù)，具有資源層共享、平臺(tái)層優(yōu)化集中、應(yīng)用層降耦配置、突出數(shù)據(jù)應(yīng)用等優(yōu)點(diǎn)。通過(guò)這種融合技術(shù)，可以進(jìn)一步建設(shè)系統(tǒng)建設(shè)費(fèi)用，減少數(shù)據(jù)冗余，同時(shí)可以有效的提升數(shù)據(jù)傳輸和處理的效率。

目前新建城市基本按照此架構(gòu)建設(shè)AFC 系統(tǒng)，上海于2018 年建成融合平臺(tái)，節(jié)約建設(shè)費(fèi)用40%，提升數(shù)據(jù)處理速度2 倍以上。

4 基于“云”+“端”的三層架構(gòu)體系

自2017 年以來(lái)，隨著城市軌道交通的刷碼過(guò)閘應(yīng)用開啟，票務(wù)支付方式日新月異，包括人臉識(shí)別、語(yǔ)音識(shí)別技術(shù)的應(yīng)用、掌靜脈過(guò)閘、刷臉過(guò)閘、銀行卡過(guò)閘等方式層出不窮，這些支付方式的相對(duì)于傳統(tǒng)的錢包脫機(jī)消費(fèi)方式發(fā)生了巨大的變化，無(wú)一例外的都對(duì)于交易的實(shí)時(shí)性、在線性、安全性提出了很高的要求。傳統(tǒng)的五層或四層架構(gòu)體系需要經(jīng)過(guò)巨大的變革代價(jià)才能滿足新業(yè)務(wù)的發(fā)展，而且隨著5G 技術(shù)的成熟、云計(jì)算技術(shù)的廣泛應(yīng)用，軌道交通自動(dòng)售檢票系統(tǒng)的新的變革已經(jīng)非常迫切，因此提出了基于“云”+“端”的扁平化的自動(dòng)售檢票架構(gòu)體系。其架構(gòu)體系見圖4。

“云”+“端”的自動(dòng)售檢票系統(tǒng)，采用的是三層的架構(gòu)體系，

通過(guò)建立統(tǒng)一的票務(wù)中心系統(tǒng)云平臺(tái)，在IaaS 層通過(guò)云計(jì)算技術(shù)進(jìn)行網(wǎng)絡(luò)、存儲(chǔ)和計(jì)算資源的云化，并且將清分中心、線路中央系統(tǒng)和車站計(jì)算機(jī)系統(tǒng)的業(yè)務(wù)功能進(jìn)行歸納和整合以后，以微服務(wù)的方式進(jìn)行發(fā)布，同時(shí)對(duì)票務(wù)中心系統(tǒng)構(gòu)建統(tǒng)一的數(shù)據(jù)中臺(tái)，涵蓋在線的流式數(shù)據(jù)處理、數(shù)倉(cāng)應(yīng)用以及歷史的數(shù)據(jù)湖存儲(chǔ)?！霸啤?“端”的自動(dòng)售檢票系統(tǒng)見圖5。

通過(guò)建立“云”+“端”的三層AFC 架構(gòu)，其優(yōu)點(diǎn)包括如下：

4.1 大大提升數(shù)據(jù)處理的速度

通過(guò)“云”+“端”模式，減少了車站計(jì)算機(jī)和線路中央計(jì)算機(jī)的存儲(chǔ)轉(zhuǎn)發(fā)等環(huán)節(jié)，可以有效的減少交易在業(yè)務(wù)層面的延遲，確保交易的實(shí)時(shí)相應(yīng)，將原先的交易相應(yīng)速度以分鐘計(jì)算變?yōu)楹撩爰?jí)相應(yīng)。一方面可以通過(guò)在線交易的驗(yàn)證，確保交易的安全性，同時(shí)實(shí)時(shí)的交易分析處理和客流統(tǒng)計(jì)，也可以給管理者提供更加及時(shí)的客流分析結(jié)果，提升運(yùn)營(yíng)管理的精細(xì)化程度。

4.2 降低建設(shè)運(yùn)營(yíng)成本，提高資源利用率，提升系統(tǒng)可靠性

通過(guò)車站計(jì)算機(jī)和線路中央計(jì)算機(jī)的裁剪，以及通過(guò)云管技術(shù)對(duì)于資源的調(diào)度和管理，可以有效降低建設(shè)和運(yùn)營(yíng)成本，同時(shí)基于微服務(wù)和分布式的軟件架構(gòu)設(shè)計(jì)，結(jié)合負(fù)載均衡和雙活技術(shù)，可以確保系統(tǒng)的7*24 小時(shí)不間斷運(yùn)行，有效提高系統(tǒng)的運(yùn)行可靠性。

4.3 提升業(yè)務(wù)快速的響應(yīng)程度

“云”+“端”的架構(gòu)模式，二期應(yīng)用采用微服務(wù)發(fā)布，確保了新業(yè)務(wù)從需求、到設(shè)計(jì)、開發(fā)測(cè)試和發(fā)布的敏捷開發(fā)模式，徹底改變了傳統(tǒng)的AFC 牽一發(fā)動(dòng)全身的模式。從立項(xiàng)申請(qǐng)開始，到原型開發(fā)驗(yàn)證，再到發(fā)布上線，不需要對(duì)原有的系統(tǒng)進(jìn)行大的改變，而只是需要以微服務(wù)的方式新增應(yīng)用或?qū)υ械年P(guān)聯(lián)業(yè)務(wù)進(jìn)行優(yōu)化和調(diào)整即可，極大的提升了業(yè)務(wù)的響應(yīng)速度。

5 結(jié)語(yǔ)

隨著軌道交通網(wǎng)絡(luò)化運(yùn)營(yíng)的逐漸實(shí)現(xiàn)，隨著底層基礎(chǔ)的票卡形式、支付方式的智能化發(fā)展，以及對(duì)于數(shù)據(jù)分析和輔助決策的實(shí)時(shí)性的更高要求，AFC 系統(tǒng)的優(yōu)化越來(lái)越受到有關(guān)部門的重視，本文分析了基于AFC 系統(tǒng)功能與非功能的需求，研究了AFC 系統(tǒng)的發(fā)展歷史和優(yōu)化方向，云計(jì)算在軌道交通系統(tǒng)中大量使用對(duì)AFC 系統(tǒng)的優(yōu)化具有積極意義。