寧波軌道交通AFC系統(tǒng)全功能線網(wǎng)讀寫器設(shè)計與應(yīng)用

黃孫，金偉，徐超，花小林，沈璐

(1.寧波軌道交通運營分公司，浙江寧波，315000; 2.優(yōu)城（寧波）地鐵科技有限公司，浙江寧波，315000）

0 引言

傳統(tǒng)讀寫器的特點主要表現(xiàn)為單線路、單運營商、單集成商/設(shè)備商的單一化結(jié)構(gòu)體系模式，讀寫器通常集成于各AFC系統(tǒng)終端設(shè)備中，采用與卡規(guī)劃設(shè)計應(yīng)用、系統(tǒng)業(yè)務(wù)完全無關(guān)的純驅(qū)動型設(shè)計方式。隨著城市軌道交通的發(fā)展，運營線路不斷增多，卡業(yè)務(wù)、卡應(yīng)用的范圍也不斷擴大。2003年之后，各城市相繼開始AFC清分中心(ACC)系統(tǒng)的規(guī)劃和建設(shè)，AFC系統(tǒng)演變?yōu)槲鍖蛹軜?gòu)，原來各自進行的票卡、讀寫器規(guī)劃設(shè)計和管理工作，逐漸交由ACC統(tǒng)一完成。

在寧波軌道交通新的線網(wǎng)化運營需求和AFC系統(tǒng)結(jié)構(gòu)體系下，傳統(tǒng)讀寫器設(shè)計模式存在以下問題:

（1）票卡的數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)規(guī)劃、密鑰安全設(shè)計、票卡應(yīng)用、讀寫器安全防護措施等資料將向線網(wǎng)內(nèi)參與建設(shè)的所有集成商/設(shè)備商開放，AFC系統(tǒng)的安全風險加大。

（2）集成商/設(shè)備商根據(jù)自身設(shè)備特點進行讀寫器開發(fā)，雖有統(tǒng)一通訊的規(guī)范加以限制，但仍存在各自設(shè)備內(nèi)部私有的數(shù)據(jù)交換協(xié)議，導(dǎo)致上位機的軟硬件接口各不相同，無法在線網(wǎng)內(nèi)通用;同時，在進行新線設(shè)備設(shè)計時，必須考慮與既有線設(shè)備兼容，或?qū)扔性O(shè)備進行改造，造成業(yè)務(wù)的統(tǒng)一規(guī)劃和管理難以進行。

（3）當要求引入新的卡標準(如兼容TypeA、B、C)、卡類型(如邏輯加密卡發(fā)展為CPU卡)、卡業(yè)務(wù)(如城市通卡、市民卡、金融IC卡、手機支付等)時，必須集中現(xiàn)有線路的所有集成商進行設(shè)備改造集中討論會議，新增投資和運營影響都較大。

所以，純驅(qū)動型讀寫器無法適應(yīng)寧波軌道交通新業(yè)務(wù)和線網(wǎng)化運營，其弊端日趨凸顯，對讀寫器和現(xiàn)場設(shè)備的改造工程頻繁發(fā)生。因此，進行標準化、獨立化和通用化的線網(wǎng)級讀寫器設(shè)計，是讀寫器技術(shù)發(fā)展的整體趨勢。

傳統(tǒng)AFC建設(shè)中技術(shù)以AFC集成廠商為主，各條線路各自招標，造成關(guān)鍵設(shè)備的讀寫器的供應(yīng)商不同，硬件和軟件不統(tǒng)一，基本不存在互換性。隨著網(wǎng)絡(luò)化建設(shè)和運營需求對關(guān)鍵核心設(shè)備的互換性要求提出了很高的要求，讀寫器按照線網(wǎng)級應(yīng)用進行標準化設(shè)計和開發(fā)，票務(wù)處理軟件（TP軟件）內(nèi)置于讀寫器的方向發(fā)展，從根本上解決不同供貨商設(shè)備的互通、互換，以及AFC終端設(shè)備適應(yīng)不斷發(fā)展的新票種、新業(yè)務(wù)、新應(yīng)用的需求。

寧波軌道交通目前營運的線路有3條，讀寫器的供貨商分屬不同集成商，硬件和軟件不統(tǒng)一，各線路讀寫器不能互換，且存在兼容性問題，在互聯(lián)網(wǎng)票務(wù)改造和銀聯(lián)ODA、交通部互聯(lián)互通改造中耗費巨資讓讀寫器各廠家升級讀寫器軟件和相關(guān)硬件設(shè)備。筆者針對此現(xiàn)狀，設(shè)計了一種基于ARM CORTEX A9的全功能線網(wǎng)級的智能讀寫器，并已在寧波軌道交通既有線路上實現(xiàn)讀寫器的兼容互換和可靠穩(wěn)定運行。

1 線網(wǎng)讀寫器的發(fā)展

通過查閱公開資料[1][2][3]，2010年以前的軌道交通讀寫器的標準對功能和軟硬件設(shè)計上基本相似。隨著嵌入式技術(shù)和數(shù)據(jù)存儲技術(shù)的發(fā)展，讀寫器的硬件能力有很大的提升，票務(wù)處理的功能基本由AFC終端設(shè)備的上位機逐步轉(zhuǎn)移到讀寫器端實現(xiàn)。同時軌道交通讀寫器的技術(shù)標準的形成與這些城市的AFC系統(tǒng)的建設(shè)特點密切相關(guān)，由于AFC集成供應(yīng)商在技術(shù)上處于優(yōu)勢地位，而且供貨和服務(wù)相對較為穩(wěn)定，客觀上導(dǎo)致對讀寫器的通用性和獨立性要求一般。2010年以后，隨著銀聯(lián)PBOC 2.0 和PBOC 3.0 《中國金融集成電路(IC)卡規(guī)范》的規(guī)范先后頒布實施基于NFC及二維碼這兩項基本技術(shù)實現(xiàn)的地鐵移動支付業(yè)務(wù)的實現(xiàn)離不開讀寫器的功能支持，使得讀寫器設(shè)計標準不斷提高。近年各地開展的AFC票務(wù)系統(tǒng)的互聯(lián)網(wǎng)+的業(yè)務(wù)改造中，讀寫器的票務(wù)處理軟件（TP）改造都是核心改造任務(wù)，對讀寫器的獨立性和通用性提出了很高的要求。

2 全功能線網(wǎng)讀寫器業(yè)務(wù)處理流程探索

線網(wǎng)讀寫器內(nèi)部對票務(wù)處理程序調(diào)用方式的選擇是實現(xiàn)讀寫器在多個AFC集成供貨商終端設(shè)備之間的通用互換關(guān)鍵一步。目前主流的方式為采用串口通信報文的方式。在采用數(shù)據(jù)報文的調(diào)用方式下，AFC終端設(shè)備與讀寫器之間采用“一問一答”的串口同步通訊方式,即AFC終端設(shè)備向讀寫器發(fā)送命令報文，然后讀寫器向AFC終端設(shè)備發(fā)送應(yīng)答報文。在AFC終端設(shè)備收到讀寫器的應(yīng)答之前，或者超時等待結(jié)束，AFC終端設(shè)備不應(yīng)該再次發(fā)送命令報文。數(shù)據(jù)報文調(diào)用方式不依賴于終端設(shè)備的上位機的操作系統(tǒng)，只要對數(shù)據(jù)報文的標準做出嚴格的統(tǒng)一，即可實現(xiàn)全線網(wǎng)的讀寫器與AFC終端設(shè)備的兼容互換要求。

而寧波軌道交通早在制定AFC技術(shù)規(guī)程時，讀寫器的數(shù)據(jù)交換使用的就是數(shù)據(jù)報文模式。這也是寧波軌道交通自主研發(fā)設(shè)計讀寫器埋下的伏筆。

寧波軌道交通全功能線網(wǎng)讀寫器的設(shè)計的核心在于業(yè)務(wù)處理功能的劃分，它是決定讀寫器標準化、模塊化、獨立化與通用化程度的重要因素，也是全功能讀寫器的一個重要特征。縱觀我國城市軌道交通的發(fā)展歷程，結(jié)合寧波軌道交通線網(wǎng)的建設(shè)與發(fā)展，不難發(fā)現(xiàn)，讀寫器的業(yè)務(wù)處理范圍正在不斷的擴大，功能也在不斷的增強。

全功能線網(wǎng)讀寫器的應(yīng)用，可以有效減少讀寫器與AFC終端設(shè)備的流程交互次數(shù)，提高票卡交易處理的速度，降低票卡處理與AFC終端設(shè)備軟件的耦合度，實現(xiàn)讀寫器的模塊化設(shè)計，方便新票種的接入與整個票務(wù)系統(tǒng)的改造升級。此外，全功能線網(wǎng)讀寫器的設(shè)計也為實現(xiàn)票務(wù)處理的安全性提供了基礎(chǔ)保障。

軌道交通AFC系統(tǒng)的票務(wù)處理是非常復(fù)雜的過程，在軌道運營過程中遇到新增票種、票卡結(jié)構(gòu)數(shù)據(jù)的變動、票務(wù)規(guī)則的修改與更新、票卡應(yīng)用有效期的變更以及互聯(lián)網(wǎng)票務(wù)的接入與改造等等，這些票務(wù)的改造與升級必須依賴于讀寫器的票務(wù)處理程序的升級更新。傳統(tǒng)讀寫器的票務(wù)處理往往與AFC終端設(shè)備的上位機軟件耦合在一起，票務(wù)處理程序升級的同時需同步更新上位機的軟件和應(yīng)用接口。然而各城市AFC系統(tǒng)的建設(shè)時引入不同的供貨商，甚至讀寫器與終端設(shè)備軟件的供貨商也不同，相同供貨商的讀寫器產(chǎn)品分屬于不同時期的產(chǎn)品，互相之間不兼容，導(dǎo)致票務(wù)改造與升級時牽涉到不同廠家，作為軌道業(yè)主運營方需協(xié)調(diào)各方資源來進行軟件修改與測試，并進行線網(wǎng)設(shè)備的兼容性測試，這些工作往往工作量大，而且難度較大、成本較高。而全功能線網(wǎng)讀寫器的應(yīng)用能實現(xiàn)完整獨立的票務(wù)處理，將票務(wù)處理功能整合到讀寫器內(nèi)部，統(tǒng)一全線網(wǎng)的讀寫器軟件標準與接口標準，票務(wù)改造與升級不涉及AFC供貨商的終端設(shè)備的軟件修改，只需單獨對讀寫器進行測試，為票務(wù)改造與升級帶來極大的便利性，降低了整體升級改造成本以及后續(xù)維護的成本。

另一方面，在各城市AFC建設(shè)之初引入多家AFC供貨商一定意義上有利于降低建設(shè)成本，及避免廠家的技術(shù)壟斷。但同時也存在由于各集成商的技術(shù)力量不一，對內(nèi)部接口標準不統(tǒng)一，讀寫器的通用兼容互換性就很差，在新線開通時需要做大量的測試工作來確保全線網(wǎng)的票卡處理兼容性和票務(wù)規(guī)則的一致性。與此同時由于每家供貨商都需要讀寫器的軟件開發(fā)，各供貨商對密鑰系統(tǒng)和票卡結(jié)構(gòu)等秘密資料有所了解，存在密鑰系統(tǒng)泄露的風險，降低了AFC系統(tǒng)的安全性。而采用全功能線網(wǎng)讀寫器后，建立統(tǒng)一的讀寫器通訊報文規(guī)范，使得讀寫器的兼容性與安全性大大增強，有利于運營方對票務(wù)系統(tǒng)的有效管理。

最后在數(shù)據(jù)傳輸?shù)陌踩苑矫?，全功能線網(wǎng)讀寫器整合了票務(wù)處理程序，讀寫器可以完整獨立地對票卡進行相應(yīng)的處理，有效減少了與AFC終端設(shè)備的交互次數(shù)與數(shù)據(jù)通訊量，提供了票卡處理的交易速度，所有的交易日志都可以在讀寫器中記錄，并保存一段時間，方便后續(xù)的維護與跟蹤，有效保護票卡核心數(shù)據(jù)的安全性。

3 全功能線網(wǎng)讀寫器未來展望

城市軌道交通AFC系統(tǒng)的讀寫器經(jīng)過多年的演變和改進，經(jīng)過了多個階段的演變。實現(xiàn)讀寫器的標準化、獨立化以及通用化是寧波軌道交通未來AFC系統(tǒng)線網(wǎng)化運營的重要技術(shù)手段和實現(xiàn)方式，是AFC系統(tǒng)技術(shù)標準中不可或缺的重要組成部分，直接影響其它技術(shù)標準的制定。同時也可以有效防止供貨商的技術(shù)壟斷，適應(yīng)不斷新增的票卡及票務(wù)規(guī)則的升級更新，以及互聯(lián)網(wǎng)票務(wù)應(yīng)用的頻繁修改需要，有效降低AFC系統(tǒng)的建設(shè)和后期維護成本，升級改造成本。

展望全功能線網(wǎng)讀寫器未來的發(fā)展，支持銀聯(lián)PBOC 3.0的金融IC卡，各類NFC手機錢包應(yīng)用和二維碼等互聯(lián)網(wǎng)支付手段是讀寫器的發(fā)展方向和必備的功能。而在軟件的設(shè)計上，全功能線網(wǎng)讀寫器必須實現(xiàn)標準化，模塊化、獨立化和通用化。而隨著計算機的技術(shù)發(fā)展，業(yè)務(wù)的豐富，讀寫器整合完整的票務(wù)處理程序是未來讀寫器的發(fā)展趨勢。