中小規(guī)模城市軌道交通線網三層架構自動售檢票系統(tǒng)設計方案*

王瑞宗 陸 鑫 林忠山

(廈門軌道交通集團有限公司， 361010， 廈門∥第一作者， 高級工程師)

自動售檢票(AFC)系統(tǒng)在城市軌道交通運營和管理中發(fā)揮著關鍵性作用。目前，國內AFC系統(tǒng)所采用的系統(tǒng)架構都是五層架構。近幾年出現(xiàn)的多條線路共享的AFC系統(tǒng)中，比如多線路中央計算機(MLC)系統(tǒng)、多條線路或者多個車站組成區(qū)域管理單位使用的區(qū)域線路中心計算機(ZLC)系統(tǒng)，以及清分系統(tǒng)和線路中央計算機系統(tǒng)融合的AFC清分及多線路中心(ACLC)系統(tǒng)等方案，都是基于五層架構設計的。

AFC系統(tǒng)五層架構分別為車票(實體票、乘車碼等)、車站終端設備(SLE)、車站計算機(SC)系統(tǒng)、線路中央計算機(LCC)系統(tǒng)和AFC清分中心(ACC)系統(tǒng)。

采用五層架構的中小規(guī)模城市軌道交通線網AFC系統(tǒng)存在以下不足：

1) 在AFC系統(tǒng)五層架構中，每條線路都需要建設中央機房，且至少配置5臺服務器；同時，每個車站也需要單獨建設機房，且配置1臺服務器，這大大增加了建設投資和運營維護成本。

2) 車站服務器主要承擔車站數(shù)據(jù)存儲、數(shù)據(jù)上傳及設備管理工作。在實際使用中，車站服務器資源利用率長期處于比較低的水平，CPU使用率大部分處于10%以下，最大不超過20%，大多數(shù)時間處于空閑狀態(tài)。

3) 新型支付方式對AFC系統(tǒng)網絡性能和實時性要求比較高，采用五層架構模式的AFC系統(tǒng)，其網絡時延大和數(shù)據(jù)傳輸慢，很難適應新型支付方式下的聯(lián)機業(yè)務需求。

針對以上不足，本文從AFC系統(tǒng)架構模式、業(yè)務需求、建設成本、運營成本及資源利用率等方面進行分析，結合AFC系統(tǒng)架構及業(yè)務特點，提出適用于中小規(guī)模城市軌道交通線網的、基于云計算技術的三層架構AFC系統(tǒng)方案。

1 三層架構AFC系統(tǒng)設計思路

隨著互聯(lián)網技術的不斷發(fā)展，新型支付方式不斷涌現(xiàn)，在城市軌道交通中的使用越來越普及，使用方式也越來越多樣化。目前的使用方式可以分為互聯(lián)網支付購票和無卡過閘?；ヂ?lián)網支付購票包括二維碼支付、NFC(近距離無線通信技術)支付、數(shù)字人民幣支付等，無卡過閘包括乘車碼過閘、人臉過閘等。新型支付方式對AFC系統(tǒng)網絡性能和實時性要求比較高，在五層架構模式下，交易數(shù)據(jù)從終端設備到中心系統(tǒng)所經過的網絡層級比較多，數(shù)據(jù)傳輸需要經過大量的網絡設備和安全設備，從而導致通信時延大和傳輸速率慢等問題，很難滿足新型支付方式的業(yè)務需求。三層架構AFC系統(tǒng)將簡化架構層級，減少從終端設備到中心系統(tǒng)之間的網絡層級，從而降低通信時延，提供更高的數(shù)據(jù)傳輸速率。

在五層架構AFC系統(tǒng)中，車站計算機系統(tǒng)、線路中央計算機系統(tǒng)和軌道交通清分中心系統(tǒng)中存在大量的重復功能，同時每條線路都需要重復建設車站計算機系統(tǒng)和線路中央計算機系統(tǒng)且各系統(tǒng)集成商開發(fā)的系統(tǒng)差異性比較大，造成建設投資和運營成本增加。三層架構AFC系統(tǒng)將取消中間層級的系統(tǒng)，包括車站計算機系統(tǒng)和線路中央計算機系統(tǒng)，將中間層級系統(tǒng)功能和軌道交通清分中心系統(tǒng)的功能進行重新規(guī)劃形成新系統(tǒng)。

近年來，隨著云計算技術的發(fā)展，云計算技術逐漸應用于城市軌道交通系統(tǒng)中。2019年中國城市軌道交通協(xié)會發(fā)布了《智慧城市軌道交通信息技術架構及網絡安全規(guī)范》(以下簡稱《規(guī)范》)，根據(jù)《規(guī)范》第2部分，技術架構云計算平臺中SaaS(軟件即服務)層涵蓋安全生產、內部管理和外部服務。三層架構AFC系統(tǒng)將充分利用云計算技術的能力，建立安全、可靠、穩(wěn)定的自動售檢票平臺。

2 三層架構AFC系統(tǒng)設計方案

三層架構AFC系統(tǒng)的架構采用三層設計，包括云平臺層、車站終端設備層和票卡層，將傳統(tǒng)五層架構中的車站計算機系統(tǒng)、線路中央計算機系統(tǒng)、軌道交通清分中心系統(tǒng)及互聯(lián)網電子票務系統(tǒng)進行融合形成基于云計算技術的AFC數(shù)據(jù)管理云平臺(ADMC)。三層架構AFC系統(tǒng)終端設備直連云平臺，減少了設備與平臺之間的網絡層級，有效降低了網絡時延，提高了數(shù)據(jù)傳輸效率，有利于新型支付方式的應用。三層架構AFC系統(tǒng)從多層級向扁平化轉變，在保留系統(tǒng)的功能性、穩(wěn)定性和可用性的前提下，簡化了系統(tǒng)架構，使系統(tǒng)運行更敏捷，管理更方便。AFC系統(tǒng)三層技術架構圖如圖1所示。

圖1 AFC系統(tǒng)三層架構圖Fig.1 Diagram of three-tier architecture for AFC system

ADMC是AFC系統(tǒng)的核心，依托云計算中心提供的強大的計算能力完成大量的數(shù)據(jù)計算并存儲，承載著所有終端設備接入及與其他行業(yè)清算中心系統(tǒng)進行清算分賬等功能，負責采集終端設備產生的交易數(shù)據(jù)并進行清分清算、下發(fā)終端控制命令、參數(shù)管理及監(jiān)控所有終端設備的狀態(tài)。

根據(jù)AFC系統(tǒng)業(yè)務特點，結合車站計算機系統(tǒng)和線路中心計算機系統(tǒng)、城市軌道交通清分系統(tǒng)及互聯(lián)網電子票務系統(tǒng)現(xiàn)有業(yè)務功能，ADMC將對業(yè)務功能進行整合，減少冗余業(yè)務功能，抽離出包括統(tǒng)一接入網關服務、聯(lián)機交易服務、文件處理服務、參數(shù)管理服務、清分清算服務、清分規(guī)則服務、電子票服務、日終批處理服務及報表統(tǒng)計服務，通過云平臺提供的高可用服務集群及負載均衡能力對外提供上述服務。ADMC邏輯架構如圖2所示。

3 三層架構與五層架構AFC系統(tǒng)對比分析

3.1 技術對比分析

三層架構AFC系統(tǒng)優(yōu)點在于系統(tǒng)的可靠性高、系統(tǒng)擴展性好及資源利用率高，缺點是系統(tǒng)復雜度高、維護難度大。三層架構與五層架構AFC系統(tǒng)技術對比如表1所示。

3.2 建設成本分析

新線建設時，只需采購終端設備并接入ADMC即可滿足運營條件，無需重復建設LCC和SC，可大量節(jié)約硬件采購、軟件研發(fā)、機房建設、施工安裝和軟件調試等費用。以廈門地鐵1號線、2號線、3號線(共86個車站)為例，硬件成本大約為1 486萬元，機房建設成本大約為6 880萬元。詳細的硬件采購清單如表2所示。

注：PaaS——平臺即服務；IaaS——基礎設施即服務。

表1 三層架構與五層架構AFC系統(tǒng)技術對比

3.3 運營成本分析

以上文廈門地鐵3條線路的86個車站為例，采用三層架構的AFC系統(tǒng)，取消了3個LCC和86個SC，運營成本變化分析如下：

1) 對設備進行集中管理和運維，機房數(shù)量從89個減少到1個，維護成本大幅降低。但是，由于云平臺的技術復雜度高、維護難度大，需增加的運營成本約為云平臺造價的15%。

表2 廈門地鐵線網三層架構AFC系統(tǒng)的硬件采購成本清單

2) 取消了SC服務器，由此極大弱化了車站AFC設備維護職能，減少了維護人員配置，降低了人力成本。

采用三層架構后，AFC系統(tǒng)的管理模式轉向以ADMC為核心的、車站終端設備在線服務的“互聯(lián)網+大票務”管理模式，維保模式采取“自主維護為主、軟件開發(fā)委外為輔”的模式。

4 結語

綜合考慮中小型規(guī)模城市軌道交通線網的業(yè)務需求、建設成本、運營成本及云平臺技術等因素的基礎上，提出了基于云計算技術的三層架構AFC系統(tǒng)設計方案，構建了“云”+“端”的扁平化AFC系統(tǒng)。該架構在大幅提升系統(tǒng)資源利用效率的同時，很好地平衡了交易速度和交易安全。本文介紹的三層構架AFC系統(tǒng)設計方案可為國內中小規(guī)模城市軌道交通線網的AFC系統(tǒng)建設提供參考。