盧利穎

（中國(guó)信息通信研究院，北京 100191）

1 概述

隨著國(guó)內(nèi)市場(chǎng)經(jīng)濟(jì)的發(fā)展、居民生活水平的提高，城市交通擁擠問題已成為阻礙城市發(fā)展的主要因素，而城市軌道交通的建設(shè)在一定程度上解決了這一難題。城市軌道交通主要包括地鐵和輕軌等，自動(dòng)售檢票（Automatic Fare Collection，AFC）系統(tǒng)是城市軌道交通系統(tǒng)運(yùn)營(yíng)服務(wù)的核心子系統(tǒng)，該系統(tǒng)集計(jì)算機(jī)技術(shù)、機(jī)電一體化技術(shù)、模式識(shí)別技術(shù)等多種高新技術(shù)于一體，實(shí)現(xiàn)了城市軌道交通售票、檢票、計(jì)費(fèi)、收費(fèi)、統(tǒng)計(jì)、清分和管理等全過程的自動(dòng)化，極大提高了軌道交通的服務(wù)水平和工作效率。

城市軌道交通AFC系統(tǒng)一般由5層架構(gòu)組成，由上至下分別為清算管理中心系統(tǒng)（ACC）、線路中央計(jì)算機(jī)系統(tǒng)（LC）、車站計(jì)算機(jī)系統(tǒng)（SC）、車站終端設(shè)備（SLE）和車票。ACC系統(tǒng)一般設(shè)置在控制中心，負(fù)責(zé)軌道交通與一卡通間的清分對(duì)賬，負(fù)責(zé)軌道交通內(nèi)部各換乘線路間的清分對(duì)賬。LC系統(tǒng)一般設(shè)置在線路控制中心，負(fù)責(zé)線路內(nèi)部數(shù)據(jù)的收集與處理，制定和維護(hù)本線路系統(tǒng)參數(shù)，接收和下達(dá)清算管理中心系統(tǒng)指令。SC系統(tǒng)一般設(shè)置在車站的AFC設(shè)備室，對(duì)車站內(nèi)部所有AFC系統(tǒng)設(shè)備進(jìn)行實(shí)時(shí)監(jiān)控，實(shí)現(xiàn)對(duì)車站AFC系統(tǒng)運(yùn)營(yíng)、票務(wù)、收益及維修的集中管理，上傳車站內(nèi)數(shù)據(jù)至LC系統(tǒng)以及下傳LC參數(shù)至終端設(shè)備。SE一般由自動(dòng)售票機(jī)（TVM）、自動(dòng)檢票機(jī)（AGM）等組成，可接受SC系統(tǒng)下發(fā)的系統(tǒng)運(yùn)行參數(shù)、運(yùn)行模式及黑名單等，向SC系統(tǒng)上傳原始交易數(shù)據(jù)和設(shè)備狀態(tài)信息。車票主要分為單程票、儲(chǔ)值票以及其他特殊票種。軌道交通線路AFC系統(tǒng)采用專用通信傳輸網(wǎng)實(shí)現(xiàn)ACC系統(tǒng)、LC系統(tǒng)、SC系統(tǒng)3級(jí)組網(wǎng)進(jìn)行數(shù)據(jù)通信，各線路LC系統(tǒng)與ACC系統(tǒng)之間、ACC系統(tǒng)與一卡通系統(tǒng)之間采用標(biāo)準(zhǔn)開放的通信協(xié)議。

當(dāng)前各城市已開通運(yùn)營(yíng)的軌道交通線路不斷增加，客流量及運(yùn)營(yíng)的負(fù)荷也在持續(xù)的增長(zhǎng)，這使得城市軌道交通必須向著更高效、更智能的方向發(fā)展，以期給乘客帶來更舒適、便捷的體驗(yàn)。

最近幾年，隨著物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)的不斷成熟，物聯(lián)網(wǎng)業(yè)務(wù)迅猛發(fā)展，城市軌道交通物聯(lián)前景廣闊。物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)將發(fā)揮更加完整且智能化的作用，將使城市軌道交通的應(yīng)用場(chǎng)景更加數(shù)字化、信息化，可滿足軌道交通日益增長(zhǎng)的應(yīng)用場(chǎng)景使用需求[1]。

2 物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)

自1999年提出物聯(lián)網(wǎng)概念至今，物聯(lián)網(wǎng)的發(fā)展經(jīng)歷了以下幾個(gè)概念的主要階段。階段一，M2M (Machine to Machine)概念階段的信息共享，即把所有物品通過射頻識(shí)別（Radio Frequency Identification，RFID）等信息傳感設(shè)備與互聯(lián)網(wǎng)連接起來，實(shí)現(xiàn)智能化識(shí)別和管理；階段二，M2M概念階段的萬物連接，將任何時(shí)間、任何地點(diǎn)的人與人之間的溝通連接，擴(kuò)展到人與物、物與物之間的溝通連接；階段三，IoT (Internet of Things)概念階段的智慧應(yīng)用，將物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)應(yīng)用到城市生活中的各種場(chǎng)景中，如智慧家居、智慧醫(yī)療、智慧物流、智慧交通等；階段四，IoE(Internet of Everything)概念階段的無限可能，這也是物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)發(fā)展的最終愿景[2]。

物聯(lián)網(wǎng)體系的定義不一，各組織分層定義略有差異(ISO/ITU/ETSI等)[3]，從各行業(yè)的產(chǎn)業(yè)視角，物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)的架構(gòu)如圖1所示。

圖1 物聯(lián)網(wǎng)架構(gòu)Fig.1 Architecture of IoT

物聯(lián)網(wǎng)架構(gòu)主要包括感知層、網(wǎng)絡(luò)層和應(yīng)用層。感知層由智能終端設(shè)備組成，網(wǎng)絡(luò)層又細(xì)分為接入層、匯聚層和核心交換層，應(yīng)用層包括管理服務(wù)層和行業(yè)應(yīng)用層。物聯(lián)網(wǎng)能夠支持更加豐富的業(yè)務(wù)種類、終端種類和服務(wù)種類[4]。

3 基于物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)的AFC系統(tǒng)探討

3.1 感知層

基于物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)的AFC系統(tǒng)終端設(shè)備層主要包括自動(dòng)售票機(jī)TVM和自動(dòng)檢票機(jī)AGM等，這些終端設(shè)備的關(guān)鍵技術(shù)包括傳感器、芯片模組和操作系統(tǒng)。

傳統(tǒng)的傳感器通過分立器件實(shí)現(xiàn)動(dòng)作監(jiān)測(cè)，僅能做到察覺功能，基于物聯(lián)網(wǎng)的AFC系統(tǒng)中，車站內(nèi)的AFC終端設(shè)備通過安裝定制化的高集成、低功耗、智能化的傳感器，上層LC系統(tǒng)通過應(yīng)用數(shù)據(jù)處理算法可實(shí)現(xiàn)對(duì)所轄車站內(nèi)所有TVM和AGM狀態(tài)及數(shù)據(jù)的動(dòng)態(tài)監(jiān)測(cè)。

傳統(tǒng)的芯片模組主要包括分立微控制單元（Microcontroller Unit，MCU）和無線芯片，基于物聯(lián)網(wǎng)的AFC系統(tǒng)中，考慮車站空間限制對(duì)終端設(shè)備外形尺寸和數(shù)量有嚴(yán)格要求，TVM和AGM的芯片模組需要集成傳感器、MCU和無線通信模塊，以適應(yīng)本系統(tǒng)高性能、低功耗、高集成和微型化的應(yīng)用需求。

物聯(lián)網(wǎng)操作系統(tǒng)主要分為3類，傳統(tǒng)嵌入式操作系統(tǒng)、物聯(lián)網(wǎng)操作系統(tǒng)和桌面/手機(jī)操作系統(tǒng)，考慮AFC系統(tǒng)與其他設(shè)備專業(yè)系統(tǒng)有接口，為了滿足系統(tǒng)間交互的可靠性和互通性，基于物聯(lián)網(wǎng)的AFC系統(tǒng)推薦使用Windows/Android等操作系統(tǒng)，使得各設(shè)備專業(yè)間應(yīng)用軟件架構(gòu)趨于一致。

基于物聯(lián)網(wǎng)的AFC系統(tǒng)感知層如圖2所示。

圖2 基于物聯(lián)網(wǎng)的AFC系統(tǒng)感知層Fig.2 The perception layer of AFC system based on IoT

感知層能夠?qū)崿F(xiàn)對(duì)AFC系統(tǒng)自動(dòng)檢票機(jī)和自動(dòng)售票機(jī)的狀態(tài)監(jiān)控和數(shù)據(jù)采集，通過在設(shè)備中安裝集成傳感器、MCU、無線模塊、物聯(lián)網(wǎng)模塊套件，可以實(shí)時(shí)檢測(cè)AFC設(shè)備的運(yùn)營(yíng)數(shù)據(jù)及關(guān)鍵模塊的運(yùn)行狀態(tài)，實(shí)現(xiàn)車站終端設(shè)備與上層系統(tǒng)間的上傳下達(dá)。

3.2 網(wǎng)絡(luò)層

基于物聯(lián)網(wǎng)的AFC系統(tǒng)的網(wǎng)絡(luò)層是實(shí)現(xiàn)ACC系統(tǒng)、LC系統(tǒng)、SC系統(tǒng)三級(jí)組網(wǎng)的關(guān)鍵，而網(wǎng)絡(luò)層的關(guān)鍵是物聯(lián)網(wǎng)接入技術(shù)。物聯(lián)網(wǎng)的網(wǎng)絡(luò)接入技術(shù)為低功耗廣域（LPWA）技術(shù)[5]，可劃分為3類：移動(dòng)蜂窩技術(shù)、短距物聯(lián)接入和其他廣域技術(shù)[6]。移動(dòng)蜂窩技術(shù)中，基于LTE的窄帶物聯(lián) 網(wǎng)（Narrow Band Internet of Things，NBIoT）/演進(jìn)物聯(lián)網(wǎng)協(xié)議（Enhance Machine Type Communication，eMTC）是5G的 基 礎(chǔ) 技 術(shù)，5G的重要場(chǎng)景之一就是海量物聯(lián)[7-8]。短距物聯(lián)接入主要是IEEE提出的各類短距接入，2018年推出的802.11ah（Halow）為面向物聯(lián)網(wǎng)的WLAN技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)。其他廣域技術(shù)是由各類技術(shù)聯(lián)盟提出的，主要代表有Sigfox和LoRa等[9-10]。

本文對(duì)以上幾種主要的物聯(lián)網(wǎng)低功耗廣域技術(shù)進(jìn)行分析對(duì)比，如表1所示，給出更適合軌道交通AFC系統(tǒng)的物聯(lián)網(wǎng)網(wǎng)絡(luò)接入技術(shù)。

表1 LPWA技術(shù)對(duì)比Fab.1 Comparison of LPWA technologies

通過對(duì)比和分析以上4種物聯(lián)網(wǎng)接入技術(shù)，針對(duì)城市軌道交通AFC系統(tǒng)應(yīng)用及系統(tǒng)設(shè)備的特點(diǎn)，即AFC系統(tǒng)應(yīng)以可靠性、安全性、可維護(hù)性為原則保證系統(tǒng)數(shù)據(jù)的完整性、保密性、真實(shí)性，因此工作于運(yùn)營(yíng)商授權(quán)頻段的NB-IoT和eMTC更適用，通過調(diào)研當(dāng)前國(guó)內(nèi)各廠家物聯(lián)網(wǎng)設(shè)備、終端（芯片和模組）的開發(fā)情況，主流廠家均支持NB-IoT芯片。因此，本文推薦基于LTE的NB-IoT網(wǎng)絡(luò)接入?yún)f(xié)議。

3.3 應(yīng)用層—基于平臺(tái)

基于物聯(lián)網(wǎng)的AFC系統(tǒng)推薦采用基于平臺(tái)的應(yīng)用開發(fā)模式，也就是將傳統(tǒng)物聯(lián)網(wǎng)架構(gòu)的應(yīng)用層再細(xì)分為平臺(tái)層和應(yīng)用層。

平臺(tái)層的終端側(cè)面向各類不同的終端設(shè)備，屏蔽底層接入設(shè)備的差異性，為上層應(yīng)用抽象出統(tǒng)一的設(shè)備接入和管理能力；平臺(tái)層的應(yīng)用側(cè)面向應(yīng)用服務(wù)，提供應(yīng)用開發(fā)所需的PaaS（Platform as a Service）能力，加速業(yè)務(wù)應(yīng)用的開發(fā)和創(chuàng)新。平臺(tái)層能夠解耦感知層和應(yīng)用層，構(gòu)建終端和應(yīng)用之間的透明通信通道，起到承上啟下的樞紐作用。

平臺(tái)層的功能邏輯分類如圖3所示。其中，連接管理平臺(tái)提供對(duì)于物聯(lián)網(wǎng)卡的卡管理、業(yè)務(wù)計(jì)費(fèi)等功能；設(shè)備管理平臺(tái)用于提供設(shè)備的接入與控制，為不同類型的設(shè)備提供統(tǒng)一的管控；應(yīng)用支撐平臺(tái)是面向開發(fā)者提供應(yīng)用開發(fā)所需的PaaS能力；數(shù)據(jù)分析平臺(tái)利用包括人工智能、機(jī)器學(xué)習(xí)在內(nèi)的數(shù)據(jù)分析工具，實(shí)現(xiàn)對(duì)設(shè)備行為的建模，提供數(shù)據(jù)分析服務(wù)；業(yè)務(wù)應(yīng)用平臺(tái)是面向最終用戶提供的應(yīng)用服務(wù)。

圖3 平臺(tái)層邏輯分類Fig.3 Logical classification of the platform layer

根據(jù)軌道交通AFC系統(tǒng)的應(yīng)用需求，應(yīng)用層主要?jiǎng)澐譃樵O(shè)備管理、票務(wù)管理、收益清分、客流統(tǒng)計(jì)、智能維修等系統(tǒng)應(yīng)用。除這些基本的應(yīng)用場(chǎng)景外，基于物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)的AFC系統(tǒng)可擴(kuò)展出許多更智能、更高效的應(yīng)用場(chǎng)景，例如設(shè)備數(shù)量?jī)?yōu)化應(yīng)用，通過對(duì)線路所轄車站內(nèi)AFC終端設(shè)備的實(shí)時(shí)監(jiān)控，以及對(duì)車站客流、運(yùn)營(yíng)數(shù)據(jù)的實(shí)時(shí)分析和提前預(yù)測(cè)，應(yīng)用層下達(dá)指令至感知層各車站設(shè)備的開關(guān)模塊，可實(shí)現(xiàn)對(duì)不同時(shí)段下設(shè)備開放數(shù)量的及時(shí)優(yōu)化，從而實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)的節(jié)能管理。

基于物聯(lián)網(wǎng)的城市軌道交通AFC系統(tǒng)的基本架構(gòu)如圖4所示。

圖4 基于物聯(lián)網(wǎng)的AFC系統(tǒng)架構(gòu)Fig.4 AFC system architecture based on IoT

4 結(jié)語

本文在概述物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)的基礎(chǔ)上，分析并探討了基于物聯(lián)網(wǎng)的城市軌道交通自動(dòng)售檢票系統(tǒng)的感知層、網(wǎng)絡(luò)層和應(yīng)用層的關(guān)鍵技術(shù)。AFC系統(tǒng)的感知層終端設(shè)備需要集成傳感器、MCU和無線模塊等，網(wǎng)絡(luò)層設(shè)計(jì)應(yīng)用基于LTE的NB-IoT網(wǎng)絡(luò)接入?yún)f(xié)議，平臺(tái)層主要包括連接管理、設(shè)備管理、應(yīng)用支撐和數(shù)據(jù)分析等邏輯功能，應(yīng)用層主要包括票務(wù)管理、收益清分、客流統(tǒng)計(jì)、設(shè)備管理、智能維修等應(yīng)用場(chǎng)景，并給出了基于物聯(lián)網(wǎng)的AFC系統(tǒng)架構(gòu)。目前，物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)與軌道交通的融合正處于探索階段，雖然具有一些不確定性，但是不可否認(rèn)的是，物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)將為城市軌道交通帶來智能化、自動(dòng)化和全過程、全系統(tǒng)的全新升級(jí)，可以幫助運(yùn)營(yíng)單位建立起高效且智能的管理體系，從而為乘客打造出更舒適、更便捷、更智能的出行體驗(yàn)。