周 琳 汪惠芬 劉婷婷

（南京理工大學(xué)機(jī)械工程學(xué)院，210094，南京∥第一作者，碩士研究生）

地鐵是城市交通的主要承載體，其運(yùn)營(yíng)效率關(guān)乎城市發(fā)展速度，是各行各業(yè)關(guān)注的焦點(diǎn)。與此同時(shí)，被稱為是繼計(jì)算機(jī)、互聯(lián)網(wǎng)之后世界信息產(chǎn)業(yè)第三次浪潮的“物聯(lián)網(wǎng)”也不斷占據(jù)人們的視野，它是對(duì)物體具有全面感知能力、對(duì)信息具有可靠傳送和智能處理能力的連接物體與物體的信息網(wǎng)絡(luò)，它將互聯(lián)網(wǎng)的用戶終端由個(gè)人電腦延伸到任何需要實(shí)時(shí)管理的物品，從而加強(qiáng)人與物的信息交流［1］，實(shí)現(xiàn)物理世界與信息世界的相互作用，提供實(shí)時(shí)感知、動(dòng)態(tài)控制和信息反饋等服務(wù)，提高工作效率，節(jié)省操作成本。兩者的高速發(fā)展都以提高效率為目的。

目前，在地鐵運(yùn)營(yíng)管理中被廣泛采用自動(dòng)售檢票（AFC）系統(tǒng)，是基于計(jì)算機(jī)、通信、網(wǎng)絡(luò)、自動(dòng)控制等技術(shù)，實(shí)現(xiàn)售票、檢票、計(jì)費(fèi)、收費(fèi)、統(tǒng)計(jì)、清分、管理等全過(guò)程的自動(dòng)化系統(tǒng)，一般可分為車(chē)票、車(chē)站終端設(shè)備、車(chē)站計(jì)算機(jī)（SC）系統(tǒng)、線路中央計(jì)算機(jī)（LC）系統(tǒng)和清分（ACC）系統(tǒng)5部分［2］?？傮w來(lái)說(shuō)，對(duì)AFC系統(tǒng)的管理可分為票卡管理、賬務(wù)管理和運(yùn)營(yíng)維護(hù)管理3類，管理的主要對(duì)象分別為票箱（用于裝載票卡的容器）、錢(qián)箱（用于裝載紙幣和硬幣的容器）和設(shè)備（車(chē)站售檢票終端設(shè)備）。從物聯(lián)網(wǎng)的角度來(lái)看，這三者即為互聯(lián)的主體，因此，可以應(yīng)用物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)對(duì)票箱、錢(qián)箱和設(shè)備進(jìn)行管理，使其直接與人交互，提高地鐵運(yùn)營(yíng)管理的效果和效率。

1 地鐵運(yùn)營(yíng)管理現(xiàn)狀分析

南京地鐵1號(hào)線也采用了AFC系統(tǒng)。然而，在實(shí)際應(yīng)用過(guò)程中，出于信息安全等因素的考慮，AFC給運(yùn)營(yíng)管理所帶來(lái)的信息化僅普及至高層領(lǐng)導(dǎo)和管理層，對(duì)于車(chē)站現(xiàn)場(chǎng)的員工來(lái)說(shuō)，仍是通過(guò)紙質(zhì)文件、電話等傳統(tǒng)形式對(duì)AFC系統(tǒng)進(jìn)行管理。經(jīng)調(diào)研，總結(jié)出存在的具體問(wèn)題如下。

1.1 錢(qián)箱、票箱管理

1）只有打開(kāi)設(shè)備才可得知錢(qián)箱、票箱內(nèi)部的錢(qián)數(shù)和卡數(shù)，工作人員需要根據(jù)經(jīng)驗(yàn)定時(shí)地前往相關(guān)設(shè)備進(jìn)行檢查。工作效率低，對(duì)緊急情況的預(yù)見(jiàn)性和應(yīng)對(duì)能力差，錯(cuò)誤率高。

2）在運(yùn)輸途中缺乏對(duì)錢(qián)箱、票箱進(jìn)行必要的監(jiān)控、追蹤，造成在途狀態(tài)的不可知。

3）通過(guò)紙質(zhì)文件進(jìn)行錢(qián)箱、票箱的庫(kù)存管理，使得庫(kù)存管理工作量大、效率低，特別是對(duì)于破損卡、丟失卡的統(tǒng)計(jì)。如圖1所示，只有在結(jié)束一天的工作之后才能獲得整條線路的總體破損卡、丟失卡情況，給及時(shí)申請(qǐng)補(bǔ)票配送工作（如圖2所示）帶來(lái)了麻煩。

圖1 常規(guī)票卡配送流程圖

圖2 突發(fā)情況票卡配送流程

1.2 乘客事務(wù)處理

1）手工報(bào)表使得統(tǒng)計(jì)工作加重，且造成了紙張資源的浪費(fèi)；

2）處理過(guò)程完全通過(guò)工作人員的感知進(jìn)行，難免造成處理失誤。

1.3 設(shè)備維修管理

1）巡檢工班對(duì)設(shè)備狀態(tài)的未知，導(dǎo)致維修人員的派遣、調(diào)度困難；

2）維修請(qǐng)求需從中央工班獲得，使得維修及時(shí)性受到限制；

3）維修工作由兩個(gè)部門(mén)配合完成，責(zé)任分散，使得維修效率低下；

4）維修人員到達(dá)現(xiàn)場(chǎng)的時(shí)間過(guò)長(zhǎng)（30～60min）。

綜上所述，在地鐵AFC系統(tǒng)管理中存在信息化斷層的問(wèn)題，即在設(shè)備層和執(zhí)行層（SC層）之間缺乏信息通道，在執(zhí)行層和計(jì)劃層（LC層和ACC層）之間缺乏有效交流。其根本原因在于SC層缺乏一個(gè)支撐地鐵AFC系統(tǒng)管理，實(shí)現(xiàn)錢(qián)箱、票箱、設(shè)備以及乘客事務(wù)實(shí)時(shí)交互的平臺(tái)。因此，如何構(gòu)建該平臺(tái)以掌控錢(qián)箱、票箱的流轉(zhuǎn)過(guò)程，智能化乘客事務(wù)的處理過(guò)程，高效化設(shè)備的維修過(guò)程，值得關(guān)注。

2 基于物聯(lián)網(wǎng)的地鐵車(chē)站級(jí)AFC信息管理系統(tǒng)設(shè)計(jì)

針對(duì)目前南京地鐵存在的問(wèn)題，可以利用物聯(lián)網(wǎng)全面感知、可靠傳送和智能處理的特征和功能構(gòu)建基于物聯(lián)網(wǎng)的地鐵車(chē)站級(jí)AFC信息管理系統(tǒng)，在該系統(tǒng)平臺(tái)下，實(shí)時(shí)掌控錢(qián)箱、票箱的信息，高效化、無(wú)紙化乘客事務(wù)處理過(guò)程，實(shí)時(shí)了解設(shè)備狀態(tài)信息和維修過(guò)程信息，解決信息化斷層問(wèn)題。

2.1 系統(tǒng)總體目標(biāo)

本文所研究的信息系統(tǒng)是一個(gè)運(yùn)行于車(chē)站級(jí)的信息交互平臺(tái)，以車(chē)站級(jí)作業(yè)人員與管理人員為應(yīng)用對(duì)象，接收AFC計(jì)劃層信息、反饋設(shè)備層信息，修復(fù)信息化斷層問(wèn)題。系統(tǒng)總體目標(biāo)如下所述：

（1）實(shí)現(xiàn)票箱、錢(qián)箱的實(shí)時(shí)跟蹤、自動(dòng)出入庫(kù)管理，提高票務(wù)、賬務(wù)管理的安全性和信息化水平；

（2）實(shí)現(xiàn)乘客事務(wù)的無(wú)紙化處理，以便于查詢和統(tǒng)計(jì)分析，提高工作效率；

（3）實(shí)現(xiàn)各設(shè)備運(yùn)行情況及維修進(jìn)程對(duì)巡檢工班的可視化，提高維修效率；

（4）實(shí)現(xiàn)員工管理信息化，以便隨時(shí)查閱員工狀況，并且將員工ID綁定于每一項(xiàng)操作，便于責(zé)任到人，提高工作積極性；

（5）通過(guò)該系統(tǒng)的實(shí)施，提高管理水平，加大信息共享、實(shí)時(shí)控制的力度。

2.2 系統(tǒng)體系結(jié)構(gòu)

物聯(lián)網(wǎng)的經(jīng)典體系架構(gòu)為感知層、傳輸層和應(yīng)用層3層結(jié)構(gòu)。文獻(xiàn)［4］提出了應(yīng)用于礦山物聯(lián)網(wǎng)的感知層、解析層、傳輸層、處理層和應(yīng)用層的5層結(jié)構(gòu)。同樣考慮到地鐵AFC系統(tǒng)管理具有覆蓋范圍廣、信息量大、采集點(diǎn)多的特點(diǎn)，為了減緩傳輸層的壓力，保證信息傳遞的可靠性和安全性，在感知層和傳輸層之間增加了解析層，用于篩選感知層采集到的信息，按需傳送給傳輸層；在傳輸層和應(yīng)用層之間增加了數(shù)據(jù)庫(kù)層，用于存放、處理數(shù)據(jù)信息，控制信息的訪問(wèn)。最終將地鐵車(chē)站級(jí)AFC信息管理系統(tǒng)的物聯(lián)網(wǎng)結(jié)構(gòu)體系劃分為感知層、解析層、傳輸層、數(shù)據(jù)庫(kù)層和應(yīng)用層5層結(jié)構(gòu)，如圖3所示。

圖3 基于物聯(lián)網(wǎng)的地鐵車(chē)站級(jí)AFC信息管理系統(tǒng)結(jié)構(gòu)

（1）感知層：識(shí)別物體、采集信息，是物聯(lián)網(wǎng)的基礎(chǔ)支撐層。本系統(tǒng)主要采用物聯(lián)網(wǎng)最基本的關(guān)鍵技術(shù)——RFID（無(wú)線射頻識(shí)別，通常由電子標(biāo)簽、讀寫(xiě)器和信息處理系統(tǒng)組成）技術(shù)實(shí)現(xiàn)。通過(guò)RFID標(biāo)簽讀寫(xiě)器［5］，結(jié)合植入的產(chǎn)品電子代碼（EPC）、嵌入式系統(tǒng)等，通過(guò)射頻信號(hào)自動(dòng)識(shí)別目標(biāo)對(duì)象——錢(qián)箱、票箱中RFID標(biāo)簽內(nèi)的相應(yīng)信息，實(shí)現(xiàn)物體識(shí)別、位置識(shí)別和路徑識(shí)別，完成數(shù)據(jù)采集和設(shè)備控制任務(wù)。本系統(tǒng)的RFID標(biāo)簽選用了錢(qián)箱、票箱以及員工卡自身攜帶的用于識(shí)別對(duì)象ID的RFID標(biāo)簽，將其功能擴(kuò)展，實(shí)現(xiàn)感知，其原理如圖4所示。

（2）解析層：包括讀寫(xiě)器接口、數(shù)據(jù)接口和EPC中間件服務(wù)器。通過(guò)讀寫(xiě)器接口接收感知層實(shí)時(shí)采集的數(shù)據(jù)，利用EPC中間件服務(wù)器對(duì)信息進(jìn)行修復(fù)、篩選和解碼，并通過(guò)數(shù)據(jù)接口將有用的信息上傳。重復(fù)的信息被屏蔽刪除，降低了信息包裹丟失的概率，減輕了上層對(duì)信息的解析壓力，提高了傳輸速度。

圖4 RFID原理系統(tǒng)

（3）傳輸層：實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)的接入和傳輸，解決以傳感網(wǎng)絡(luò)為代表的末梢網(wǎng)絡(luò)與骨干網(wǎng)絡(luò)的接入問(wèn)題，達(dá)到組網(wǎng)控制和信息匯集的目的。通過(guò)互聯(lián)網(wǎng)、局域網(wǎng)等將感知層獲取的信息進(jìn)行傳輸和處理，即通過(guò)該層將數(shù)據(jù)信息發(fā)送到數(shù)據(jù)服務(wù)器。

（4）數(shù)據(jù)庫(kù)層：對(duì)被篩選過(guò)并傳輸至該層的數(shù)據(jù)信息進(jìn)行分類、存儲(chǔ)、查詢、上傳，供應(yīng)用層提取、統(tǒng)計(jì)、分析和處理，并將指令信息反饋回設(shè)備。此外，可通過(guò)訪問(wèn)控制實(shí)現(xiàn)不同用戶對(duì)該層數(shù)據(jù)調(diào)用時(shí)的權(quán)限控制，保證系統(tǒng)的數(shù)據(jù)安全。

（5）應(yīng)用層：通過(guò)各種應(yīng)用服務(wù)器，結(jié)合行業(yè)需求，融合行業(yè)專業(yè)技術(shù)，實(shí)現(xiàn)廣泛智能化。對(duì)于地鐵車(chē)站級(jí)AFC信息管理系統(tǒng)，主要通過(guò)各種應(yīng)用服務(wù)終端實(shí)現(xiàn)對(duì)數(shù)據(jù)的收集、統(tǒng)計(jì)、分析和處理，獲得能反映地鐵運(yùn)營(yíng)管理狀況的信息，并在此基礎(chǔ)上做出相應(yīng)的反饋，實(shí)現(xiàn)實(shí)時(shí)管理和及時(shí)控制。

2.3 系統(tǒng)功能模塊

基于物聯(lián)網(wǎng)的地鐵車(chē)站級(jí)AFC信息管理系統(tǒng)由錢(qián)箱管理、票箱管理、乘客事物管理、設(shè)備管理和數(shù)據(jù)管理5大模塊組成，各模塊實(shí)現(xiàn)功能如圖5所示。

圖5 基于物聯(lián)網(wǎng)的地鐵車(chē)站級(jí)AFC信息管理系統(tǒng)功能圖

2.3.1 錢(qián)箱管理

錢(qián)箱管理模塊主要負(fù)責(zé)錢(qián)箱的預(yù)警、靜態(tài)監(jiān)控、動(dòng)態(tài)追蹤、庫(kù)存管理以及信息管理。對(duì)于一個(gè)站點(diǎn)而言，錢(qián)箱主要分布在自動(dòng)售票機(jī)（TVM）、票務(wù)處理機(jī)（BOM）、倉(cāng)庫(kù)以及途中，涉及更換提醒、出入庫(kù)管理以及在途追蹤3個(gè)問(wèn)題。利用標(biāo)識(shí)錢(qián)箱身份的RFID標(biāo)簽的讀寫(xiě)功能，將錢(qián)箱的狀態(tài)信息寫(xiě)入，并通過(guò)RFID讀寫(xiě)器實(shí)時(shí)地獲取這些信息后傳輸?shù)紸FC信息管理系統(tǒng)中，通過(guò)系統(tǒng)的統(tǒng)計(jì)、分析、處理，最終獲得該錢(qián)箱的管理特征和信息。

（1）對(duì)于安置在設(shè)備中的錢(qián)箱，通過(guò)設(shè)備觸發(fā)RFID讀寫(xiě)器，讀寫(xiě)器將變更信息如錢(qián)箱中的錢(qián)數(shù)、錢(qián)箱的更換信息等寫(xiě)入RFID標(biāo)簽中，AFC信息管理系統(tǒng)通過(guò)觸發(fā)讀寫(xiě)器定時(shí)獲取標(biāo)簽中的信息。通過(guò)設(shè)置更換臨界值，可實(shí)現(xiàn)更換提醒，達(dá)到錢(qián)箱靜態(tài)監(jiān)控的目的。

（2）對(duì)于安置在倉(cāng)庫(kù)中的錢(qián)箱，在倉(cāng)庫(kù)出入口處安置RFID讀寫(xiě)器［6］，并將其設(shè)置成自動(dòng)觸發(fā)。每當(dāng)錢(qián)箱出入庫(kù)時(shí)，讀寫(xiě)器讀取該錢(qián)箱RFID標(biāo)簽中的信息，并上傳至系統(tǒng)，實(shí)現(xiàn)自動(dòng)出入庫(kù)管理。

（3）對(duì)于在途的錢(qián)箱，為了保證其安全可控，可在沿途設(shè)置必要數(shù)量的RFID讀寫(xiě)器，當(dāng)錢(qián)箱經(jīng)過(guò)這些特定區(qū)域時(shí)，讀寫(xiě)器自動(dòng)觸發(fā)，自動(dòng)獲取錢(qián)箱信息，從而達(dá)到動(dòng)態(tài)追蹤的目的。

2.3.2 票箱管理

票箱管理同錢(qián)箱管理基本類似，區(qū)別在于票箱多了一個(gè)分布地——閘機(jī)。閘機(jī)用于回收車(chē)票，與TVM、BOM中的票箱功能剛好相反，因此在考慮票箱更換時(shí)，需要考慮閘機(jī)中的票箱情況。另外，票箱的信息化管理可以更好地統(tǒng)計(jì)和預(yù)測(cè)車(chē)票丟失或損壞的情況，便于站點(diǎn)預(yù)測(cè)性地向上級(jí)提出補(bǔ)票申請(qǐng)，上級(jí)也可根據(jù)統(tǒng)計(jì)曲線提早制定車(chē)票生產(chǎn)計(jì)劃。

2.3.3 乘客事物管理

乘客事物管理模塊主要負(fù)責(zé)乘客事務(wù)的電子錄入，在解決乘客事物時(shí)系統(tǒng)根據(jù)數(shù)據(jù)庫(kù)能夠智能化地給出解決方法，減輕了員工的工作強(qiáng)度和難度，并在減少出錯(cuò)率的同時(shí)方便了數(shù)據(jù)統(tǒng)計(jì)，是實(shí)現(xiàn)地鐵運(yùn)營(yíng)管理全數(shù)字化不可忽視的一方面。

2.3.4 設(shè)備管理

設(shè)備管理模塊主要負(fù)責(zé)設(shè)備基本信息的管理、設(shè)備狀態(tài)監(jiān)控、設(shè)備維修報(bào)警以及設(shè)備維修過(guò)程管理。事實(shí)上，AFC系統(tǒng)已經(jīng)囊括了設(shè)備狀態(tài)管理，但是，出于對(duì)系統(tǒng)安全的考慮，目前由AFC系統(tǒng)提供的設(shè)備信息僅向管理層開(kāi)放，巡檢工班只有接到上級(jí)電話時(shí)才能知曉設(shè)備情況，這必然會(huì)耽誤設(shè)備維修的時(shí)機(jī)，給乘客出行帶來(lái)麻煩。該模塊即為解決此問(wèn)題而設(shè)計(jì)，通過(guò)與AFC系統(tǒng)的交互，獲知設(shè)備狀態(tài)信息，直接面向維修工班，以便其第一時(shí)間前往現(xiàn)場(chǎng)進(jìn)行維修，為地鐵的高效運(yùn)營(yíng)提供技術(shù)支撐。

2.3.5 數(shù)據(jù)管理

數(shù)據(jù)管理模塊主要負(fù)責(zé)提供人員信息的管理、文檔管理以及系統(tǒng)管理。對(duì)于文檔管理，即將數(shù)據(jù)集中管理，無(wú)需登錄相應(yīng)的管理模塊便可查看和打印各類常規(guī)報(bào)表，瀏覽和下載公司電子化的制度、手冊(cè)。

2.4 系統(tǒng)應(yīng)用的網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)

系統(tǒng)構(gòu)建時(shí)必須因地制宜。地鐵的運(yùn)營(yíng)管理覆蓋范圍廣，從中心到線路到站點(diǎn)，是一個(gè)分布廣泛又統(tǒng)一管理的整體，因此，在建設(shè)系統(tǒng)時(shí)，必須綜合考慮各線路、各站點(diǎn)之間信息的聯(lián)通與統(tǒng)一。根據(jù)圖6所示的網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)，每個(gè)站點(diǎn)均建設(shè)有與圖中“車(chē)站1系統(tǒng)網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)”相同的網(wǎng)絡(luò)環(huán)境。車(chē)站控制室負(fù)責(zé)本站點(diǎn)的信息管理，并通過(guò)地鐵系統(tǒng)光傳送網(wǎng)（OTN）［7］與上層控制中心進(jìn)行通訊，一方面實(shí)時(shí)上傳必要的運(yùn)營(yíng)信息、及時(shí)發(fā)送請(qǐng)求，另一方面接收AFC系統(tǒng)服務(wù)器中相關(guān)信息和上層決策指令，形成一個(gè)開(kāi)環(huán)的網(wǎng)絡(luò)，最大程度地發(fā)揮物聯(lián)網(wǎng)的作用，最終達(dá)到信息共享、實(shí)時(shí)控制、提高效率的目的，實(shí)現(xiàn)整個(gè)地鐵運(yùn)營(yíng)管理過(guò)程中信息、資源的共享和整合。

3 結(jié)語(yǔ)

基于物聯(lián)網(wǎng)的地鐵車(chē)站級(jí)AFC信息管理系統(tǒng)是在綜合應(yīng)用計(jì)算機(jī)技術(shù)、網(wǎng)絡(luò)技術(shù)、多媒體技術(shù)的基礎(chǔ)上，再利用RFID技術(shù)等物聯(lián)網(wǎng)關(guān)鍵技術(shù)，將關(guān)乎地鐵高效運(yùn)營(yíng)的票卡管理流程、賬務(wù)管理流程和運(yùn)營(yíng)維護(hù)流程集于一體的綜合系統(tǒng)。通過(guò)RFID技術(shù)，實(shí)現(xiàn)對(duì)錢(qián)箱票箱的實(shí)時(shí)監(jiān)控、在途跟蹤以及自動(dòng)出入庫(kù)管理；通過(guò)信息化手段，實(shí)現(xiàn)乘客事物管理的無(wú)紙化和智能化；通過(guò)系統(tǒng)集成，實(shí)現(xiàn)設(shè)備維修管理的及時(shí)性和針對(duì)性，最終達(dá)到地鐵運(yùn)營(yíng)管理過(guò)程中信息共享和實(shí)時(shí)控制的目的，為地鐵全數(shù)字化奠定基礎(chǔ)。

總之，在物聯(lián)網(wǎng)不斷盛行的當(dāng)今社會(huì)，建設(shè)基于物聯(lián)網(wǎng)的地鐵車(chē)站級(jí)AFC信息管理系統(tǒng)符合地鐵運(yùn)營(yíng)管理的需要，符合國(guó)家信息產(chǎn)業(yè)建設(shè)的需要，符合時(shí)代發(fā)展的需要。

圖6 基于物聯(lián)網(wǎng)的地鐵車(chē)站級(jí)AFC信息管理系統(tǒng)網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)

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