寧波軌道交通AFC系統(tǒng)讀寫器測(cè)試平臺(tái)設(shè)計(jì)

許錫偉，陳聰，沈義峰，馬世勇，蔡峰

(1.寧波軌道交通運(yùn)營(yíng)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

自動(dòng)售檢票（AFC）系統(tǒng)是城市軌道交通運(yùn)營(yíng)管理的核心系統(tǒng)，傳統(tǒng)AFC系統(tǒng)由5層架構(gòu)組成，其中最關(guān)鍵的核心設(shè)備是讀寫器[1]，廣泛應(yīng)用于自動(dòng)售票機(jī)、自動(dòng)檢票機(jī)、半自動(dòng)售票機(jī)、自動(dòng)查詢機(jī)等終端設(shè)備中，負(fù)責(zé)對(duì)車票進(jìn)行讀寫和密鑰雙向認(rèn)證，完成相關(guān)票務(wù)處理流程。

寧波軌道交通目前營(yíng)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，導(dǎo)致新線開通接入和新票種、新業(yè)務(wù)、新應(yīng)用升級(jí)改造時(shí)讀寫器兼容測(cè)試任務(wù)繁重，且存在備品備件成本和升級(jí)改造成本過高的問題。鑒于讀寫器的應(yīng)用現(xiàn)狀，按照《寧波軌道交通AFC技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)規(guī)范》，寧波軌道交通運(yùn)營(yíng)分公司自主研發(fā)全功能線網(wǎng)級(jí)智能讀寫器，在寧波軌道交通既有線路中實(shí)現(xiàn)兼容互換，統(tǒng)一票務(wù)處理TP軟件和讀寫器硬件平臺(tái)，在軌道交通網(wǎng)絡(luò)化運(yùn)營(yíng)過程中優(yōu)勢(shì)明顯。本文主要對(duì)寧波軌道交通自研的讀寫器測(cè)試方法和流程進(jìn)行研究，并設(shè)計(jì)了寧波軌道交通AFC系統(tǒng)讀寫器的測(cè)試平臺(tái)。

1 寧波軌道票務(wù)應(yīng)用現(xiàn)狀

寧波軌道交通第一條地鐵線路于2014年5月30日開通試運(yùn)營(yíng)，使寧波成為自深圳、蘇州后，第3個(gè)擁有獨(dú)立地鐵系統(tǒng)的非省會(huì)城市。1號(hào)線開通時(shí)，寧波軌道交通應(yīng)用的票種有：?jiǎn)纬唐?、預(yù)賦值票、單程紀(jì)念票、一日票、三日票、員工卡、臨時(shí)卡、施工卡、本站進(jìn)出卡、計(jì)次紀(jì)念票、外服卡、月票、甬城通M1卡，甬城通CPU卡、市民卡（CPU卡）。

2015年5 月起，手機(jī)市民卡功能開通，其技術(shù)上采用NFC（近距離無線通訊）技術(shù)，實(shí)現(xiàn)手機(jī)刷閘的功能。

2016年5 月起，iTVM（互聯(lián)網(wǎng)購(gòu)票機(jī)）在部分車站上線，支持手機(jī)移動(dòng)端購(gòu)票。

2018年2 月，交通部IC卡和銀聯(lián)ODA（即Offline Data Authentication，聯(lián)機(jī)交易的脫機(jī)認(rèn)證）支付上線，支持交通部標(biāo)準(zhǔn)的IC卡和銀聯(lián)手機(jī)PAY（蘋果、華為和三星特定型號(hào)手機(jī)）和具有銀聯(lián)標(biāo)識(shí)的信用卡刷卡過閘。

2018年6 月，寧波軌道互聯(lián)網(wǎng)票務(wù)改造全線實(shí)現(xiàn)二維碼掃碼過閘，隨后上線微信乘車碼、支付寶乘車碼、銀聯(lián)云閃付乘車碼等功能，并且實(shí)現(xiàn)與上海、杭州等城市軌道二維碼互聯(lián)互通。

寧波軌道交通支持的票種國(guó)內(nèi)最全，涵蓋國(guó)內(nèi)軌道交通應(yīng)用的主流票種，在互聯(lián)網(wǎng)票務(wù)的應(yīng)用上走在國(guó)內(nèi)同行的前列。

讀寫器需支持以上寧波軌道交通應(yīng)用的票種，并具有票務(wù)擴(kuò)展升級(jí)的功能，以支持不斷更新的互聯(lián)網(wǎng)票務(wù)應(yīng)用。讀寫器的TP票務(wù)軟件，包括各票卡類處理模塊、日志記錄模塊、參數(shù)及軟件更新模塊等組成?？紤]到寧波軌道運(yùn)營(yíng)的特性，對(duì)讀寫器性能及功能的測(cè)試內(nèi)容，測(cè)試平臺(tái)需對(duì)票務(wù)應(yīng)用內(nèi)容作針對(duì)性軟件開發(fā)，且需要友好的圖形交互界面，方便測(cè)試人員直觀分析測(cè)試數(shù)據(jù)。

2 讀寫器測(cè)試內(nèi)容

讀寫器測(cè)試平臺(tái)的主要功能是實(shí)現(xiàn)寧波軌道交通AFC系統(tǒng)讀寫器的第三方認(rèn)證測(cè)試、性能、功能測(cè)試和兼容性測(cè)試，其中功能測(cè)試包括通訊報(bào)文、票卡交易流程、TP軟件更新、參數(shù)下載更新等方面的測(cè)試。

■2.1 第三方認(rèn)證測(cè)試

讀寫器的第三方認(rèn)證測(cè)試主要包括兩大項(xiàng)：電磁兼容性測(cè)試和環(huán)境可靠性測(cè)試。寧波軌道自研的讀寫器通過了第三方實(shí)驗(yàn)室的電磁兼容性測(cè)試（EMC測(cè)試），測(cè)試結(jié)果如表1所示。

表1 讀寫器EMC測(cè)試結(jié)果

讀寫器的環(huán)境可靠性測(cè)試，主要有低溫試驗(yàn)、高溫試驗(yàn)、高溫高濕環(huán)境試驗(yàn)、恒定濕熱環(huán)境試驗(yàn)、振動(dòng)和沖擊試驗(yàn)等。主要測(cè)試讀寫器在高低溫環(huán)境下的軟硬件性能，測(cè)試結(jié)果顯示自研的讀寫器能在-20℃-70℃環(huán)境溫度，相對(duì)濕度5%-95%不凝露的情況下穩(wěn)定可靠工作，不發(fā)生讀寫器死機(jī)現(xiàn)象。

此外自研的讀寫器還通過了第三方檢測(cè)中心的PBOC 3.0 認(rèn)證測(cè)試。PBOC 3.0 認(rèn)證指的是依據(jù)最新的《中國(guó)金融集成電路（IC）卡規(guī)范》（PBOC 3.0）的認(rèn)證測(cè)試，主要由Level 1非接觸IC卡支付終端通訊協(xié)議測(cè)試和Level 2非接觸IC卡支付終端應(yīng)用測(cè)試兩大項(xiàng)目組成。

■2.2 性能和功能測(cè)試

讀寫器性能和功能測(cè)試主要是硬件性能測(cè)試、基本功能測(cè)試、通訊報(bào)文測(cè)試、票卡交易流程測(cè)試和TP軟件更新、參數(shù)下載更新測(cè)試等內(nèi)容。從測(cè)試流程上看，又分為讀寫器的硬件測(cè)試和軟件測(cè)試兩大部分。

硬件測(cè)試包括讀寫器系統(tǒng)上電測(cè)試（包括系統(tǒng)啟動(dòng)時(shí)間）、電源測(cè)試（包括DC9-24V電源適應(yīng)性、電源紋波、和短路、反接、過載保護(hù)等測(cè)試）、看門狗和LED狀態(tài)顯示燈測(cè)試、TF卡高速讀寫穩(wěn)定性、安全模塊性能測(cè)試（包括SAM卡讀寫性能、安全芯片自恢復(fù)測(cè)試）、數(shù)據(jù)串口通訊測(cè)試、射頻電路讀寫距離、射頻工作頻率、讀寫交易時(shí)間等一系列測(cè)試內(nèi)容。[2]

軟件測(cè)試主要是對(duì)讀寫器基本功能測(cè)試、通訊報(bào)文測(cè)試、票卡交易流程測(cè)試、TP軟件更新和參數(shù)下載更新測(cè)試。主要測(cè)試內(nèi)容如下：

(1)基本功能測(cè)試，包括初始化讀寫器模式、讀取讀寫器狀態(tài)、參數(shù)查詢、尋卡、讀驗(yàn)卡等測(cè)試內(nèi)容。

(2)通訊報(bào)文測(cè)試，包括通信協(xié)議測(cè)試，多幀通信測(cè)試。測(cè)試軟件除正常通信協(xié)議報(bào)文的測(cè)試，還將模擬各種故障的通訊報(bào)文，以確保讀寫器的通訊的可靠性。

(3)票卡交易流程測(cè)試，包括重復(fù)進(jìn)出站、軌道交通單程票類、軌道交通CPU卡類、甬城通M1卡類、甬城通CPU卡類、市民卡CPU卡類、交通部CPU卡類、銀聯(lián)ODA類、二維碼類和手機(jī)NFC類的交易流程測(cè)試和異常業(yè)務(wù)的票卡更新流程測(cè)試。票卡交易流程主要有單程票的售票、退票，AGM的進(jìn)站、出站，BOM的重復(fù)進(jìn)站更新、無入站更新、超時(shí)更新、超程更新、超時(shí)超程更新等內(nèi)容。

(4)TP軟件更新和參數(shù)下載更新測(cè)試，主要是測(cè)試讀寫器的TP軟件接收，異常TP軟件拒絕、正常TP軟件在線更新，運(yùn)營(yíng)參數(shù)的下載及更新測(cè)試，黑名單白名單卡測(cè)試。

■2.3 兼容性測(cè)試

兼容性又稱互操作性，雖然寧波軌道交通一開始制定了《寧波軌道交通AFC技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)規(guī)范》，但是不同AFC集成商在具體的讀寫器設(shè)計(jì)時(shí)，對(duì)標(biāo)準(zhǔn)理解的不一致導(dǎo)致不同廠商的讀寫器失去了互操作的能力，因此自研的讀寫器的兼容性測(cè)試非常重要，是自研讀寫器的大規(guī)模應(yīng)用的關(guān)鍵。

讀寫器兼容性測(cè)試分二個(gè)階段進(jìn)行，第一階段，在軌道實(shí)驗(yàn)室上對(duì)終端設(shè)備的讀寫器進(jìn)行替換測(cè)試，分別對(duì)TVM、AGM和BOM設(shè)備的讀寫器進(jìn)行替換測(cè)試。兼容性測(cè)試時(shí)因存在三家不同的供貨商，需對(duì)不同供貨商的讀寫器進(jìn)行替換測(cè)試，測(cè)試時(shí)要特別注意票卡交易的不同讀寫器之間的交叉性測(cè)試，最后在軌道實(shí)驗(yàn)室的模擬ACC清分系統(tǒng)中驗(yàn)證交易數(shù)據(jù)的正確性，另外銀聯(lián)ODA的數(shù)據(jù)由市民卡公司驗(yàn)證交易數(shù)據(jù)的正確性。第二階段，在既有運(yùn)營(yíng)線路的終端設(shè)備上，分別進(jìn)行讀寫器的替換，直接線上運(yùn)營(yíng)測(cè)試，一段時(shí)間穩(wěn)定運(yùn)營(yíng)后，在清分中心驗(yàn)證交易數(shù)據(jù)的正確性。

3 讀寫器測(cè)試平臺(tái)硬件搭建

AFC系統(tǒng)讀寫器測(cè)試平臺(tái)硬件主要由測(cè)試工作站、測(cè)試工控機(jī)、顯示器、測(cè)試軟件、測(cè)試票卡、讀寫器及其天線、二維碼掃描設(shè)備、測(cè)試軟件等組成，其中測(cè)試工作站模擬車站SC服務(wù)器。讀寫器測(cè)試平臺(tái)硬件組成示意圖如圖1所示。

讀寫器有一個(gè)以太網(wǎng)絡(luò)口ETH口，可以另接筆記本電腦對(duì)讀寫器的相關(guān)信息進(jìn)行調(diào)試、查詢及監(jiān)控。

4 讀寫器測(cè)試軟件的開發(fā)

讀寫器測(cè)試平臺(tái)的測(cè)試工控機(jī)運(yùn)行的是Windows操作系統(tǒng)，而讀寫器采用的是嵌入式Linux操作系統(tǒng)，因此需要跨平臺(tái)的開發(fā)環(huán)境對(duì)測(cè)試軟件的開發(fā)。Qt是一個(gè)跨平臺(tái)C++圖形用戶界面應(yīng)用程序開發(fā)框架。它既可以開發(fā)GUI程序，也可用于開發(fā)非GUI程序，比如控制臺(tái)工具和服務(wù)器。Qt是面向?qū)ο蟮目蚣?，使用特殊的代碼生成擴(kuò)展以及一些宏，Qt很容易擴(kuò)展，并且允許真正地組件編程。Qt可以滿足讀寫器測(cè)試軟件的開發(fā)要求。

圖1 讀寫器測(cè)試平臺(tái)硬件組成圖

結(jié)合讀寫器的測(cè)試內(nèi)容，對(duì)讀寫器的測(cè)試軟件的接口函數(shù)分析，其架構(gòu)如圖2所示。[3]

圖2 讀寫器測(cè)試平臺(tái)軟件架構(gòu)

根據(jù)讀寫器測(cè)試平臺(tái)的軟件接口分析，用戶的操作界面設(shè)計(jì)如圖3所示。

圖3 讀寫器測(cè)試平臺(tái)軟件界面

讀寫器串口配置可以對(duì)測(cè)試平臺(tái)軟件的串口進(jìn)行配置。讀寫器測(cè)試平臺(tái)的重要內(nèi)容是分析讀寫器與測(cè)試工控機(jī)的通訊，以及票卡數(shù)據(jù)的解析，以此判斷讀寫器的票卡交易數(shù)據(jù)的正確性。在交易運(yùn)行過程中讀寫器將記錄每條交易數(shù)據(jù)，并存儲(chǔ)在讀寫器的數(shù)據(jù)庫(kù)中，讀寫器測(cè)試平臺(tái)日志分析可以顯示讀寫器的工作情況及故障原因的主要形式。此外日志還將記錄讀寫器整體的響應(yīng)時(shí)間，通過分析讀寫器響應(yīng)時(shí)間的測(cè)試數(shù)據(jù)，反應(yīng)讀寫器的處理性能和射頻天線的響應(yīng)性能。讀寫器測(cè)試平臺(tái)中的讀驗(yàn)卡模塊通過機(jī)械裝置改變待測(cè)試票卡與天線的測(cè)試距離，顯示讀寫器的讀寫距離和工作范圍，一定程度反應(yīng)讀寫器的硬件性能。讀寫器的狀態(tài)顯示欄顯示安全模塊PSAM的工作狀態(tài)，天線的狀態(tài)，讀寫器的工作狀態(tài)以及工作模式。

5 結(jié)論

通過寧波軌道交通AFC系統(tǒng)讀寫器測(cè)試內(nèi)容的分析，采用Qt完成測(cè)試平臺(tái)的軟件開發(fā)，并完成測(cè)試平臺(tái)的硬件環(huán)境搭建及根據(jù)測(cè)試軟件完成對(duì)寧波軌道交通自研的讀寫器的各項(xiàng)測(cè)試，測(cè)試結(jié)果表明自研讀寫器的功能正常、性能提升明顯，工作可靠穩(wěn)定。該讀寫器已在寧波軌道的既有運(yùn)營(yíng)線路上可靠穩(wěn)定運(yùn)行。