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

黃孫，金偉，徐超，花小林，沈璐

(1.寧波軌道交通運(yùn)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(diǎn)主要表現(xiàn)為單線路、單運(yùn)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(jì)應(yīng)用、系統(tǒng)業(yè)務(wù)完全無關(guān)的純驅(qū)動(dòng)型設(shè)計(jì)方式。隨著城市軌道交通的發(fā)展，運(yùn)營線路不斷增多，卡業(yè)務(wù)、卡應(yīng)用的范圍也不斷擴(kuò)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(jìn)行的票卡、讀寫器規(guī)劃設(shè)計(jì)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(yùn)營需求和AFC系統(tǒng)結(jié)構(gòu)體系下，傳統(tǒng)讀寫器設(shè)計(jì)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(jì)、票卡應(yīng)用、讀寫器安全防護(hù)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(fēng)險(xiǎn)加大。

（2）集成商/設(shè)備商根據(jù)自身設(shè)備特點(diǎn)進(jìn)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(jī)的軟硬件接口各不相同，無法在線網(wǎng)內(nèi)通用;同時(shí)，在進(jìn)行新線設(shè)備設(shè)計(jì)時(shí)，必須考慮與既有線設(shè)備兼容，或?qū)扔性O(shè)備進(jìn)行改造，造成業(yè)務(wù)的統(tǒng)一規(guī)劃和管理難以進(jìn)行。

（3）當(dāng)要求引入新的卡標(biāo)準(zhǔn)(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(jī)支付等)時(shí)，必須集中現(xiàn)有線路的所有集成商進(jìn)行設(shè)備改造集中討論會(huì)議，新增投資和運(yùn)營影響都較大。

所以，純驅(qū)動(dòng)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(yùn)營，其弊端日趨凸顯，對(duì)讀寫器和現(xiàn)場(chǎng)設(shè)備的改造工程頻繁發(fā)生。因此，進(jìn)行標(biāo)準(zhǔn)化、獨(dú)立化和通用化的線網(wǎng)級(jí)讀寫器設(shè)計(jì)，是讀寫器技術(shù)發(fā)展的整體趨勢(shì)。

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(biāo)，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(yùn)營需求對(duì)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(jí)應(yīng)用進(jìn)行標(biāo)準(zhǔn)化設(shè)計(jì)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(yùn)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(fèi)巨資讓讀寫器各廠家升級(jí)讀寫器軟件和相關(guān)硬件設(shè)備。筆者針對(duì)此現(xiàn)狀，設(shè)計(jì)了一種基于ARM CORTEX A9的全功能線網(wǎng)級(jí)的智能讀寫器，并已在寧波軌道交通既有線路上實(shí)現(xiàn)讀寫器的兼容互換和可靠穩(wěn)定運(yùn)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(biāo)準(zhǔn)對(duì)功能和軟硬件設(shè)計(jì)上基本相似。隨著嵌入式技術(shù)和數(shù)據(jù)存儲(chǔ)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(jī)逐步轉(zhuǎn)移到讀寫器端實(shí)現(xiàn)。同時(shí)軌道交通讀寫器的技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)的形成與這些城市的AFC系統(tǒng)的建設(shè)特點(diǎn)密切相關(guān)，由于AFC集成供應(yīng)商在技術(shù)上處于優(yōu)勢(shì)地位，而且供貨和服務(wù)相對(duì)較為穩(wěn)定，客觀上導(dǎo)致對(duì)讀寫器的通用性和獨(dú)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(shí)施基于NFC及二維碼這兩項(xiàng)基本技術(shù)實(shí)現(xiàn)的地鐵移動(dòng)支付業(yè)務(wù)的實(shí)現(xiàn)離不開讀寫器的功能支持，使得讀寫器設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)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(duì)讀寫器的獨(dú)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(duì)票務(wù)處理程序調(diào)用方式的選擇是實(shí)現(xiàn)讀寫器在多個(gè)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(bào)文的方式。在采用數(shù)據(jù)報(bào)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(bào)文，然后讀寫器向AFC終端設(shè)備發(fā)送應(yīng)答報(bào)文。在AFC終端設(shè)備收到讀寫器的應(yīng)答之前，或者超時(shí)等待結(jié)束，AFC終端設(shè)備不應(yīng)該再次發(fā)送命令報(bào)文。數(shù)據(jù)報(bào)文調(diào)用方式不依賴于終端設(shè)備的上位機(jī)的操作系統(tǒng)，只要對(duì)數(shù)據(jù)報(bào)文的標(biāo)準(zhǔn)做出嚴(yán)格的統(tǒng)一，即可實(shí)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(shí)，讀寫器的數(shù)據(jù)交換使用的就是數(shù)據(jù)報(bào)文模式。這也是寧波軌道交通自主研發(fā)設(shè)計(jì)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(jì)的核心在于業(yè)務(wù)處理功能的劃分，它是決定讀寫器標(biāo)準(zhǔn)化、模塊化、獨(dú)立化與通用化程度的重要因素，也是全功能讀寫器的一個(gè)重要特征?？v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(kuò)大，功能也在不斷的增強(qiáng)。

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(shí)現(xiàn)讀寫器的模塊化設(shè)計(jì)，方便新票種的接入與整個(gè)票務(wù)系統(tǒng)的改造升級(jí)。此外，全功能線網(wǎng)讀寫器的設(shè)計(jì)也為實(shí)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(yùn)營過程中遇到新增票種、票卡結(jié)構(gòu)數(shù)據(jù)的變動(dòng)、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(jí)必須依賴于讀寫器的票務(wù)處理程序的升級(jí)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(jī)軟件耦合在一起，票務(wù)處理程序升級(jí)的同時(shí)需同步更新上位機(jī)的軟件和應(yīng)用接口。然而各城市AFC系統(tǒng)的建設(shè)時(shí)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(shí)期的產(chǎn)品，互相之間不兼容，導(dǎo)致票務(wù)改造與升級(jí)時(shí)牽涉到不同廠家，作為軌道業(yè)主運(yùn)營方需協(xié)調(diào)各方資源來進(jìn)行軟件修改與測(cè)試，并進(jìn)行線網(wǎng)設(shè)備的兼容性測(cè)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(shí)現(xiàn)完整獨(dú)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(biāo)準(zhǔn)與接口標(biāo)準(zhǔn)，票務(wù)改造與升級(jí)不涉及AFC供貨商的終端設(shè)備的軟件修改，只需單獨(dú)對(duì)讀寫器進(jìn)行測(cè)試，為票務(wù)改造與升級(jí)帶來極大的便利性，降低了整體升級(jí)改造成本以及后續(xù)維護(hù)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(shí)也存在由于各集成商的技術(shù)力量不一，對(duì)內(nèi)部接口標(biāo)準(zhǔn)不統(tǒng)一，讀寫器的通用兼容互換性就很差，在新線開通時(shí)需要做大量的測(cè)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(shí)由于每家供貨商都需要讀寫器的軟件開發(fā)，各供貨商對(duì)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(fēng)險(xiǎn)，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(bào)文規(guī)范，使得讀寫器的兼容性與安全性大大增強(qiáng)，有利于運(yùn)營方對(duì)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(dú)立地對(duì)票卡進(jìn)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(shí)間，方便后續(xù)的維護(hù)與跟蹤，有效保護(hù)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(jìn)，經(jīng)過了多個(gè)階段的演變。實(shí)現(xiàn)讀寫器的標(biāo)準(zhǔn)化、獨(dú)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(yùn)營的重要技術(shù)手段和實(shí)現(xiàn)方式，是AFC系統(tǒng)技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)中不可或缺的重要組成部分，直接影響其它技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)的制定。同時(shí)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(jí)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(hù)成本，升級(jí)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(jī)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(jì)上，全功能線網(wǎng)讀寫器必須實(shí)現(xiàn)標(biāo)準(zhǔn)化，模塊化、獨(dú)立化和通用化。而隨著計(jì)算機(jī)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(shì)。