李煜平

(上海儀電物聯(lián)技術(shù)股份有限公司， 200233， 上海∥高級工程師)

二維碼又稱QR Code，是近年來流行的一種移動(dòng)終端編碼方式。二維碼比傳統(tǒng)的條形碼能保存更多的信息，也能表示更多的數(shù)據(jù)類型，具有高信息含量、高可靠性、低成本的優(yōu)勢，并且可表示各種不同的信息(數(shù)字、文字、聲音及圖像等)[1]。隨著移動(dòng)支付的蓬勃發(fā)展，二維碼支付技術(shù)在現(xiàn)代信息社會(huì)中發(fā)揮著越來越重要的作用。

目前，國內(nèi)城市軌道交通已投產(chǎn)使用的二維碼支付應(yīng)用主要有二維碼購票(云購票機(jī))和二維碼進(jìn)出站(云閘機(jī))2種模式。

1 研究目的

二維碼購票主要過程為：通過手機(jī)APP(第三方應(yīng)用程序)或關(guān)注公共服務(wù)號，在手機(jī)端完成購票支付后，憑生成的二維碼到車站的“云購票機(jī)”取票進(jìn)閘乘車。其過程類似于通過手機(jī)APP完成火車票購票及支付，再通過自動(dòng)取票機(jī)取票并乘車。采用該模式乘客本質(zhì)上還是憑單程票乘車，雖簡化了購票過程，但仍未省去排隊(duì)取票的煩惱。二維碼購票模式產(chǎn)生的交易數(shù)據(jù)及客流數(shù)據(jù)能實(shí)時(shí)匯集到城市軌道交通自動(dòng)售檢票(AFC)系統(tǒng)中。

二維碼進(jìn)出站(云閘機(jī))的主要過程為：通過手機(jī)APP或關(guān)注公共服務(wù)號，在手機(jī)端支付成功后，憑系統(tǒng)生成的二維碼即可刷碼進(jìn)出閘機(jī)。

云閘機(jī)模式需閘機(jī)讀寫器直接與外網(wǎng)相連，從而完成進(jìn)出站二維碼與云端的聯(lián)機(jī)認(rèn)證。其閘機(jī)讀寫器獨(dú)立于處理單程票和交通卡等原系統(tǒng)票種的讀寫器，故乘客需走特定的閘機(jī)通道或在閘機(jī)特殊區(qū)域掃碼才能進(jìn)出站。為保障安全而采用的聯(lián)機(jī)認(rèn)證方式，對乘客通行效率也會(huì)有一定影響。此外，由于進(jìn)出站信息上傳至云端，故地鐵原AFC系統(tǒng)不能實(shí)時(shí)掌握客流信息；采用后付費(fèi)模式的云閘機(jī)還需在云端完成乘客進(jìn)出站的交易配對，以確定扣款金額；由于數(shù)據(jù)的原因，還會(huì)存在一定數(shù)量的配對不成功交易，從而影響地鐵公司票款收入。

本文探索一種新的應(yīng)用方案，將二維碼支付安全有效地與城市軌道交通原AFC系統(tǒng)融合在一起。乘客可通過手機(jī)APP生成的二維碼直接進(jìn)出站，其閘機(jī)讀寫器能同時(shí)兼容處理單程票、交通卡等所有原有票種，二維碼交易數(shù)據(jù)能實(shí)時(shí)上傳至地鐵AFC系統(tǒng)。不僅給乘客帶來更大方便，地鐵公司也能實(shí)時(shí)掌握客流信息，而且由于地鐵新線可全部采用支持二維碼的讀寫器，故二維碼乘客不需走專用通道。

2 應(yīng)用方案

2.1 應(yīng)用總體架構(gòu)

二維碼支付應(yīng)用系統(tǒng)總體架構(gòu)圖如圖1所示。由圖1可見，新方案未改變AFC系統(tǒng)的5層架構(gòu)模式，而是將二維碼交易融合在原體系之中。二維碼與單程票、交通卡同處于AFC系統(tǒng)的第1層。

圖1 二維碼支付應(yīng)用總體架構(gòu)圖

乘客通過下載安裝手機(jī)APP，注冊成功后可以選擇支付渠道為綁定支付寶或綁定銀聯(lián)卡(為避免后續(xù)扣帳混亂，二者只能選其一，若需要更換，必須解綁當(dāng)前綁定)。支付寶根據(jù)芝麻信用(滿足一定的信用分才能綁定)控制透支風(fēng)險(xiǎn)，銀聯(lián)卡通過帳戶可用余額控制透支風(fēng)險(xiǎn)。這些功能在地鐵寶系統(tǒng)和手機(jī)APP端實(shí)現(xiàn)，不是本文討論的重點(diǎn)。

成功綁定支付渠道后乘客即可隨時(shí)用手機(jī)APP生成乘坐地鐵二維碼。進(jìn)出站時(shí)，閘機(jī)讀寫器掃描手機(jī)二維碼并檢驗(yàn)合法性，同時(shí)與手機(jī)以藍(lán)牙通信的方式完成信息交互；手機(jī)獲取閘機(jī)的車站代碼等信息，并在進(jìn)出站成功后向地鐵寶系統(tǒng)發(fā)送交易信息。

地鐵AFC系統(tǒng)按照5層架構(gòu)模式，將交易信息逐級上送。最終由清分中心匯總?cè)肪W(wǎng)的交易數(shù)據(jù)，并以準(zhǔn)實(shí)時(shí)的方式將二維碼交易數(shù)據(jù)發(fā)送地鐵寶系統(tǒng)。地鐵寶系統(tǒng)可選擇以清分中心發(fā)送的數(shù)據(jù)為準(zhǔn)，也可選擇以手機(jī)APP發(fā)送的數(shù)據(jù)為準(zhǔn)，準(zhǔn)實(shí)時(shí)(略有延時(shí))從簽約帳戶的可用余額中扣減票款。

運(yùn)營結(jié)束后，由地鐵清分中心完成與地鐵寶系統(tǒng)交易數(shù)據(jù)的對帳及資金清算。乘客帳戶的實(shí)際扣款以地鐵清分中心與地鐵寶系統(tǒng)對帳結(jié)果為準(zhǔn)。

2.2 主要交易

2.2.1 進(jìn)站

乘客完成APP安裝及注冊后，即可在手機(jī)APP上生成進(jìn)出站二維碼。手機(jī)APP根據(jù)上次交易標(biāo)志，在二維碼中標(biāo)記進(jìn)站或出站。乘客將手機(jī)二維碼置于閘機(jī)二維碼掃描區(qū)域，待掃描成功后即可進(jìn)站。由于掃描過程中閘機(jī)讀寫器需與手機(jī)完成信息交互，因此，乘客需將手機(jī)藍(lán)牙打開。進(jìn)站過程主要處理步驟如下：

(1) 閘機(jī)讀卡器驅(qū)動(dòng)二維碼掃描器，通過二維碼掃描器獲取二維碼信息。

(2) 閘機(jī)讀卡器驗(yàn)證讀取的二維碼數(shù)據(jù)的合法性并檢驗(yàn)進(jìn)出站標(biāo)志。驗(yàn)證通過后，讀卡器驅(qū)動(dòng)藍(lán)牙模塊與二維碼中指定的藍(lán)牙進(jìn)行通信，并向手機(jī)發(fā)送進(jìn)站車站及進(jìn)站時(shí)間等數(shù)據(jù)。

(3) 手機(jī)收到閘機(jī)讀卡器發(fā)送的信息后，緩存相關(guān)數(shù)據(jù)信息，并向閘機(jī)讀卡器發(fā)送成功應(yīng)答。

(4) 閘機(jī)讀卡器收到手機(jī)的成功應(yīng)答后，向閘機(jī)發(fā)送進(jìn)站放行指令。

(5) 閘機(jī)向車站計(jì)算機(jī)系統(tǒng)上送進(jìn)站交易數(shù)據(jù)，交易數(shù)據(jù)經(jīng)線路中央計(jì)算機(jī)系統(tǒng)匯總到地鐵清分中心。

(6) 手機(jī)APP向地鐵寶系統(tǒng)上送進(jìn)站交易數(shù)據(jù)。

2.2.2 出站

乘客出站時(shí)，在手機(jī)APP上生成二維碼，手機(jī)APP根據(jù)上次交易標(biāo)志，在二維碼中標(biāo)記出站標(biāo)記、進(jìn)站車站。乘客將手機(jī)二維碼置于閘機(jī)二維碼掃描區(qū)域，掃描成功后即可出站，出站過程主要處理步驟如下：

(2) 閘機(jī)讀卡器驗(yàn)證讀取的二維碼數(shù)據(jù)的合法性并檢驗(yàn)進(jìn)出站標(biāo)志是否為出站，若驗(yàn)證通過，則根據(jù)讀取的二維碼進(jìn)站車站代碼，獲取票價(jià)信息。

(3) 讀卡器驅(qū)動(dòng)藍(lán)牙模塊與二維碼中指定的藍(lán)牙進(jìn)行通信，向手機(jī)發(fā)送出站車站、出站時(shí)間、交易金額等數(shù)據(jù)。

(4) 手機(jī)收到閘機(jī)讀卡器發(fā)送的信息后，緩存相關(guān)數(shù)據(jù)信息，并向閘機(jī)讀卡器發(fā)送成功應(yīng)答。

(5) 閘機(jī)讀卡器收到手機(jī)的成功應(yīng)答后，向閘機(jī)發(fā)送出站放行指令。

(6) 閘機(jī)向車站計(jì)算機(jī)系統(tǒng)上送出站交易數(shù)據(jù)，交易數(shù)據(jù)經(jīng)線路中央計(jì)算機(jī)系統(tǒng)匯總到地鐵清分中心。

(7) 手機(jī)APP向地鐵寶系統(tǒng)上送出站交易數(shù)據(jù)。

2.2.3 交易更新

當(dāng)生成的二維碼由于進(jìn)出站標(biāo)志混亂或超時(shí)而導(dǎo)致乘客不能正常進(jìn)出站時(shí)，需在人工售票機(jī)(BOM)上進(jìn)行交易更新。交易更新包含進(jìn)站更新、出站更新及超時(shí)更新。

毛細(xì)管色譜柱：ZB-5MSI 5%苯基二甲聚硅氧烷毛細(xì)管柱（30 m×0.25 mm×0.25 μm）；柱溫40 ℃（保留2 min），以5 ℃/min程序升溫至255 ℃，運(yùn)行時(shí)間45 min，汽化室溫度250 ℃，載氣為高純He（99.999%），柱前壓7.62 psi，載氣流量1.0 mL/min，不分流進(jìn)樣，溶劑延遲時(shí)間為1 min。

(1) 進(jìn)站更新：如由于乘客非正常進(jìn)站或其他原因，而使乘客不能憑生成的二維碼出站，則需人工在收費(fèi)區(qū)BOM上補(bǔ)寫進(jìn)站交易記錄。其處理過程同進(jìn)站，且進(jìn)站站點(diǎn)由操作人員指定。

(2) 出站更新：如由于乘客非正常出站或其他原因，而使乘客不能憑生成的二維碼進(jìn)站，則需在非收費(fèi)區(qū)BOM上補(bǔ)扣費(fèi)用，并將帳戶狀態(tài)改寫為正常出站。該處理過程同出站，且扣款金額根據(jù)運(yùn)營規(guī)定執(zhí)行。

(3) 超時(shí)更新：如由于乘客在收費(fèi)區(qū)內(nèi)停留時(shí)間超過運(yùn)營規(guī)定時(shí)間，則乘客出站時(shí)需補(bǔ)扣部分費(fèi)用。超時(shí)更新處理過程同出站，但BOM讀寫器向手機(jī)發(fā)送的交易金額不同。

2.2.4 參數(shù)下發(fā)及交易查詢

城市軌道交通清分中心可將二維碼作為1種新票種，并將票種參數(shù)下發(fā)到各車站設(shè)備。所有改造后的閘機(jī)或BOM收到該參數(shù)后，即可受理二維碼交易。

乘客可通過手機(jī)APP聯(lián)機(jī)查詢自己的二維碼乘車交易明細(xì)。交易明細(xì)記錄由地鐵寶系統(tǒng)提供。

2.3 交易數(shù)據(jù)匯集

(1) 交易數(shù)據(jù)生成。地鐵閘機(jī)將二維碼交易數(shù)據(jù)按照AFC線網(wǎng)規(guī)范打包，并將打包后的數(shù)據(jù)以脫機(jī)文件或報(bào)文方式發(fā)送到車站計(jì)算機(jī)系統(tǒng)。人工售票機(jī)交易數(shù)據(jù)生成方式與閘機(jī)相同。

(2) 文件傳送。脫機(jī)交易數(shù)據(jù)傳送流程為：地鐵閘機(jī)、BOM→車站計(jì)算機(jī)系統(tǒng)→線路中央計(jì)算機(jī)系統(tǒng)→清分中心→地鐵寶。手機(jī)APP同時(shí)也可將交易數(shù)據(jù)直接上傳至地鐵寶系統(tǒng)。

(3) 交易對帳。每日運(yùn)營結(jié)束后，地鐵清分中心與地鐵寶系統(tǒng)完成交易數(shù)據(jù)的對帳處理。對帳直接依據(jù)為地鐵清分中心發(fā)送到地鐵寶系統(tǒng)的交易數(shù)據(jù)明細(xì)。地鐵寶系統(tǒng)通過手機(jī)APP收到的交易數(shù)據(jù)明細(xì)作為參考及備查依據(jù)。由于地鐵清分中心以脫機(jī)方式匯集全路網(wǎng)的交易數(shù)據(jù)。部分?jǐn)?shù)據(jù)可能未在運(yùn)營結(jié)束當(dāng)日匯集到清分中心，而體現(xiàn)在后續(xù)的對帳明細(xì)中。

(4) 客流統(tǒng)計(jì)。乘客憑二維碼進(jìn)出站或更新時(shí)，閘機(jī)或BOM寄存器作相應(yīng)數(shù)據(jù)累加，同時(shí)將寄存器數(shù)據(jù)以脫機(jī)方式逐級匯總到清分中心。清分中心根據(jù)接收到的數(shù)據(jù)完成全路網(wǎng)的實(shí)時(shí)客流統(tǒng)計(jì)和斷面客流分析。

2.4 資金清算

每日運(yùn)營結(jié)束后，地鐵清分中心完成與地鐵寶的資金清算，地鐵寶完成與用戶帳戶的資金清算。

地鐵清分中心與地鐵寶系統(tǒng)對帳完成后，生成的交易匯總金額為地鐵公司向地鐵寶資金清算的依據(jù)。同時(shí)，交易明細(xì)為地鐵寶向支付寶帳戶或銀聯(lián)帳戶扣款的依據(jù)。

2.5 安全體系

二維碼在地鐵的支付應(yīng)用安全策略采用對稱密鑰體系。用戶通過手機(jī)APP生成進(jìn)出站二維碼時(shí)，以聯(lián)機(jī)方式獲取本次進(jìn)出站唯一認(rèn)證碼。當(dāng)用戶進(jìn)出站掃描二維碼時(shí)，讀卡器讀取二維碼信息，并通過閘機(jī)PSAM(消費(fèi)安全存取模塊)驗(yàn)證認(rèn)證碼合法性。安全認(rèn)證過程以脫機(jī)方式完成，類似于其他票種，使整個(gè)二維碼交易過程能快速完成，確保了閘機(jī)通道的通行效率。

地鐵二維碼應(yīng)用的MAC/TAC(報(bào)文鑒別代碼/交易認(rèn)證碼)計(jì)算方法遵循JR/T 0025.2—2010《中國金融集成電路(IC)卡規(guī)范》的規(guī)定。過程密鑰的生產(chǎn)方法見圖2。

第一步：將1個(gè)8個(gè)字節(jié)長的初始值(Initial Vector)設(shè)定為16進(jìn)制的“0x 00 00 00 00 00 00 00 00”。

第二步：將所有的輸入數(shù)據(jù)按指定順序串聯(lián)成1個(gè)數(shù)據(jù)塊。

第三步：將串聯(lián)成的數(shù)據(jù)塊分割為8字節(jié)長的數(shù)據(jù)塊組，標(biāo)識為D1、D2、D3與D4等。分割到最后，余下的字節(jié)組成1個(gè)長度小于等于8字節(jié)的最后一塊數(shù)據(jù)塊。

第四步：如果最后1個(gè)數(shù)據(jù)塊長度為8字節(jié)，則在此數(shù)據(jù)塊后附加1個(gè)8字節(jié)長的數(shù)據(jù)塊，附加的數(shù)據(jù)塊為16進(jìn)制的“0x 80 00 00 00 00 00 00 00”。如果最后1個(gè)數(shù)據(jù)塊長度小于8字節(jié)，則該數(shù)據(jù)塊的最后填補(bǔ)1個(gè)值為16進(jìn)制“0x80”的字節(jié)。如果填補(bǔ)之后的數(shù)據(jù)塊長度等于8字節(jié)，則跳至第五步。如果填補(bǔ)之后的數(shù)據(jù)塊長度仍小于8字節(jié)，則在數(shù)據(jù)塊后填補(bǔ)16進(jìn)制“0x0”的字節(jié)至數(shù)據(jù)塊長度為8字節(jié)。

第五步：MAC的產(chǎn)生是通過上述方法產(chǎn)生的數(shù)據(jù)塊組，由過程密鑰進(jìn)行加密運(yùn)算，過程密鑰的產(chǎn)生方法見下圖。TAC的產(chǎn)生是通過上述方法產(chǎn)生的數(shù)據(jù)塊組，由DTK(開發(fā)工具包)密鑰左右8位字節(jié)進(jìn)行異或運(yùn)算的結(jié)果進(jìn)行加密運(yùn)算。

第六步：最終值的左4字節(jié)為MAC或TAC[2]

注：DEC為數(shù)據(jù)加密標(biāo)準(zhǔn)；DPK為雙倍長過程密鑰

2.6 標(biāo)準(zhǔn)修訂

為了統(tǒng)一地鐵售檢票系統(tǒng)五層架構(gòu)中各種設(shè)備及應(yīng)用軟件之間的功能及接口，各城市軌道交通公司都制定了相關(guān)的技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)。二維碼支付作為一種新的支付方式，若要實(shí)現(xiàn)地鐵全路網(wǎng)覆蓋使用，則必需修訂原技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)，增加二維碼應(yīng)用部分的相關(guān)定義及報(bào)文接口，使既有線路按照新標(biāo)準(zhǔn)作相應(yīng)改造，新建線路按照新標(biāo)準(zhǔn)建設(shè)，從而實(shí)現(xiàn)二維碼支付的全路網(wǎng)覆蓋。

3 應(yīng)用案例分析

上海軌道交通建設(shè)起步較早，目前已形成一定線網(wǎng)規(guī)模。為實(shí)現(xiàn)二維碼支付在上海軌道交通中的應(yīng)用，主要工作內(nèi)容如下：

(1) 修訂《城市軌道交通自動(dòng)售檢票系統(tǒng)通用技術(shù)規(guī)范》，增加二維碼支付相關(guān)規(guī)范。

(2) 研發(fā)能同時(shí)受理二維碼、單程票、交通卡及其他票種的閘機(jī)及BOM讀寫器，完成地鐵寶系統(tǒng)的建設(shè)及手機(jī)APP的開發(fā)。

(3) 完成既有線路地鐵閘機(jī)、票房售票機(jī)的讀卡器改造及其他相關(guān)系統(tǒng)的改造。

目前上海已開通運(yùn)營的車站有366個(gè)。這些車站的閘機(jī)讀寫器原來都沒有掃描二維碼的功能，如果更換所有閘機(jī)的全部讀寫器，則工作量很大且耗資巨大。為降低改造成本、減少工程施工難度，現(xiàn)僅改造每個(gè)既有車站的部分進(jìn)站及出站閘機(jī)，確保乘客在每個(gè)車站都可以憑二維碼進(jìn)站或出站。同時(shí)，由于AFC標(biāo)準(zhǔn)已修訂，增加了二維碼支付的相關(guān)規(guī)范，故新線建設(shè)應(yīng)按照新標(biāo)準(zhǔn)執(zhí)行，所有閘機(jī)都應(yīng)具備受理二維碼交易的功能，其乘客可在新線的所有閘機(jī)通道刷二維碼進(jìn)站或出站。

4 結(jié)論

(1) 通過相關(guān)系統(tǒng)的建設(shè)及舊系統(tǒng)改造，二維碼支付可以安全、有效地融合應(yīng)用于城市軌道交通AFC系統(tǒng)中，給乘客出行帶來更大的便利。

(2) 通過研發(fā)新的讀寫器產(chǎn)品，使閘機(jī)、BOM能兼容受理單程票、交通卡、二維碼等所有票種業(yè)務(wù)。

(3) 通過標(biāo)準(zhǔn)的修訂及執(zhí)行，可實(shí)現(xiàn)二維碼支付的全線網(wǎng)應(yīng)用。

[1] 舒賢華. 基于Android平臺(tái)的手機(jī)Web地圖服務(wù)設(shè)計(jì)[D]. 大連：大連海事大學(xué), 2009.

[2] 中國人民銀行. 中國金融集成電路(IC)卡規(guī)范第2 部分：電子錢包/電子存折應(yīng)用規(guī)范:JR/T0025.2—2013[S].北京：中國金融出版社，2013.