物联网技术在自动售检票系统的应用

卢利颖

（中国信息通信研究院，北京 100191）

1 概述

随着国内市场经济的发展、居民生活水平的提高，城市交通拥挤问题已成为阻碍城市发展的主要因素，而城市轨道交通的建设在一定程度上解决了这一难题。城市轨道交通主要包括地铁和轻轨等，自动售检票（Automatic Fare Collection，AFC）系统是城市轨道交通系统运营服务的核心子系统，该系统集计算机技术、机电一体化技术、模式识别技术等多种高新技术于一体，实现了城市轨道交通售票、检票、计费、收费、统计、清分和管理等全过程的自动化，极大提高了轨道交通的服务水平和工作效率。

城市轨道交通AFC系统一般由5层架构组成，由上至下分别为清算管理中心系统（ACC）、线路中央计算机系统（LC）、车站计算机系统（SC）、车站终端设备（SLE）和车票。ACC系统一般设置在控制中心，负责轨道交通与一卡通间的清分对账，负责轨道交通内部各换乘线路间的清分对账。LC系统一般设置在线路控制中心，负责线路内部数据的收集与处理，制定和维护本线路系统参数，接收和下达清算管理中心系统指令。SC系统一般设置在车站的AFC设备室，对车站内部所有AFC系统设备进行实时监控，实现对车站AFC系统运营、票务、收益及维修的集中管理，上传车站内数据至LC系统以及下传LC参数至终端设备。SE一般由自动售票机（TVM）、自动检票机（AGM）等组成，可接受SC系统下发的系统运行参数、运行模式及黑名单等，向SC系统上传原始交易数据和设备状态信息。车票主要分为单程票、储值票以及其他特殊票种。轨道交通线路AFC系统采用专用通信传输网实现ACC系统、LC系统、SC系统3级组网进行数据通信，各线路LC系统与ACC系统之间、ACC系统与一卡通系统之间采用标准开放的通信协议。

当前各城市已开通运营的轨道交通线路不断增加，客流量及运营的负荷也在持续的增长，这使得城市轨道交通必须向着更高效、更智能的方向发展，以期给乘客带来更舒适、便捷的体验。

最近几年，随着物联网技术的不断成熟，物联网业务迅猛发展，城市轨道交通物联前景广阔。物联网技术将发挥更加完整且智能化的作用，将使城市轨道交通的应用场景更加数字化、信息化，可满足轨道交通日益增长的应用场景使用需求[1]。

2 物联网技术

自1999年提出物联网概念至今，物联网的发展经历了以下几个概念的主要阶段。阶段一，M2M (Machine to Machine)概念阶段的信息共享，即把所有物品通过射频识别（Radio Frequency Identification，RFID）等信息传感设备与互联网连接起来，实现智能化识别和管理；阶段二，M2M概念阶段的万物连接，将任何时间、任何地点的人与人之间的沟通连接，扩展到人与物、物与物之间的沟通连接；阶段三，IoT (Internet of Things)概念阶段的智慧应用，将物联网技术应用到城市生活中的各种场景中，如智慧家居、智慧医疗、智慧物流、智慧交通等；阶段四，IoE(Internet of Everything)概念阶段的无限可能，这也是物联网技术发展的最终愿景[2]。

物联网体系的定义不一，各组织分层定义略有差异(ISO/ITU/ETSI等)[3]，从各行业的产业视角，物联网技术的架构如图1所示。

图1 物联网架构Fig.1 Architecture of IoT

物联网架构主要包括感知层、网络层和应用层。感知层由智能终端设备组成，网络层又细分为接入层、汇聚层和核心交换层，应用层包括管理服务层和行业应用层。物联网能够支持更加丰富的业务种类、终端种类和服务种类[4]。

3 基于物联网技术的AFC系统探讨

3.1 感知层

基于物联网技术的AFC系统终端设备层主要包括自动售票机TVM和自动检票机AGM等，这些终端设备的关键技术包括传感器、芯片模组和操作系统。

传统的传感器通过分立器件实现动作监测，仅能做到察觉功能，基于物联网的AFC系统中，车站内的AFC终端设备通过安装定制化的高集成、低功耗、智能化的传感器，上层LC系统通过应用数据处理算法可实现对所辖车站内所有TVM和AGM状态及数据的动态监测。

传统的芯片模组主要包括分立微控制单元（Microcontroller Unit，MCU）和无线芯片，基于物联网的AFC系统中，考虑车站空间限制对终端设备外形尺寸和数量有严格要求，TVM和AGM的芯片模组需要集成传感器、MCU和无线通信模块，以适应本系统高性能、低功耗、高集成和微型化的应用需求。

物联网操作系统主要分为3类，传统嵌入式操作系统、物联网操作系统和桌面/手机操作系统，考虑AFC系统与其他设备专业系统有接口，为了满足系统间交互的可靠性和互通性，基于物联网的AFC系统推荐使用Windows/Android等操作系统，使得各设备专业间应用软件架构趋于一致。

基于物联网的AFC系统感知层如图2所示。

图2 基于物联网的AFC系统感知层Fig.2 The perception layer of AFC system based on IoT

感知层能够实现对AFC系统自动检票机和自动售票机的状态监控和数据采集，通过在设备中安装集成传感器、MCU、无线模块、物联网模块套件，可以实时检测AFC设备的运营数据及关键模块的运行状态，实现车站终端设备与上层系统间的上传下达。

3.2 网络层

基于物联网的AFC系统的网络层是实现ACC系统、LC系统、SC系统三级组网的关键，而网络层的关键是物联网接入技术。物联网的网络接入技术为低功耗广域（LPWA）技术[5]，可划分为3类：移动蜂窝技术、短距物联接入和其他广域技术[6]。移动蜂窝技术中，基于LTE的窄带物联 网（Narrow Band Internet of Things，NBIoT）/演进物联网协议（Enhance Machine Type Communication，eMTC）是5G的 基 础 技 术，5G的重要场景之一就是海量物联[7-8]。短距物联接入主要是IEEE提出的各类短距接入，2018年推出的802.11ah（Halow）为面向物联网的WLAN技术标准。其他广域技术是由各类技术联盟提出的，主要代表有Sigfox和LoRa等[9-10]。

本文对以上几种主要的物联网低功耗广域技术进行分析对比，如表1所示，给出更适合轨道交通AFC系统的物联网网络接入技术。

表1 LPWA技术对比Fab.1 Comparison of LPWA technologies

通过对比和分析以上4种物联网接入技术，针对城市轨道交通AFC系统应用及系统设备的特点，即AFC系统应以可靠性、安全性、可维护性为原则保证系统数据的完整性、保密性、真实性，因此工作于运营商授权频段的NB-IoT和eMTC更适用，通过调研当前国内各厂家物联网设备、终端（芯片和模组）的开发情况，主流厂家均支持NB-IoT芯片。因此，本文推荐基于LTE的NB-IoT网络接入协议。

3.3 应用层—基于平台

基于物联网的AFC系统推荐采用基于平台的应用开发模式，也就是将传统物联网架构的应用层再细分为平台层和应用层。

平台层的终端侧面向各类不同的终端设备，屏蔽底层接入设备的差异性，为上层应用抽象出统一的设备接入和管理能力；平台层的应用侧面向应用服务，提供应用开发所需的PaaS（Platform as a Service）能力，加速业务应用的开发和创新。平台层能够解耦感知层和应用层，构建终端和应用之间的透明通信通道，起到承上启下的枢纽作用。

平台层的功能逻辑分类如图3所示。其中，连接管理平台提供对于物联网卡的卡管理、业务计费等功能；设备管理平台用于提供设备的接入与控制，为不同类型的设备提供统一的管控；应用支撑平台是面向开发者提供应用开发所需的PaaS能力；数据分析平台利用包括人工智能、机器学习在内的数据分析工具，实现对设备行为的建模，提供数据分析服务；业务应用平台是面向最终用户提供的应用服务。

图3 平台层逻辑分类Fig.3 Logical classification of the platform layer

根据轨道交通AFC系统的应用需求，应用层主要划分为设备管理、票务管理、收益清分、客流统计、智能维修等系统应用。除这些基本的应用场景外，基于物联网技术的AFC系统可扩展出许多更智能、更高效的应用场景，例如设备数量优化应用，通过对线路所辖车站内AFC终端设备的实时监控，以及对车站客流、运营数据的实时分析和提前预测，应用层下达指令至感知层各车站设备的开关模块，可实现对不同时段下设备开放数量的及时优化，从而实现系统的节能管理。

基于物联网的城市轨道交通AFC系统的基本架构如图4所示。

图4 基于物联网的AFC系统架构Fig.4 AFC system architecture based on IoT

4 结语

本文在概述物联网技术的基础上，分析并探讨了基于物联网的城市轨道交通自动售检票系统的感知层、网络层和应用层的关键技术。AFC系统的感知层终端设备需要集成传感器、MCU和无线模块等，网络层设计应用基于LTE的NB-IoT网络接入协议，平台层主要包括连接管理、设备管理、应用支撑和数据分析等逻辑功能，应用层主要包括票务管理、收益清分、客流统计、设备管理、智能维修等应用场景，并给出了基于物联网的AFC系统架构。目前，物联网技术与轨道交通的融合正处于探索阶段，虽然具有一些不确定性，但是不可否认的是，物联网技术将为城市轨道交通带来智能化、自动化和全过程、全系统的全新升级，可以帮助运营单位建立起高效且智能的管理体系，从而为乘客打造出更舒适、更便捷、更智能的出行体验。