城市軌道交通自動售檢票系統(tǒng)設(shè)計

夏德春，肖占榮，李海虎，于立軍

（中國鐵道科學(xué)研究院 電子計算技術(shù)研究所，北京 100081）

城市軌道交通自動售檢票（AFC）系統(tǒng)在地鐵運營中起著至關(guān)重要的作用，該系統(tǒng)直接為乘客提供服務(wù)，與服務(wù)、客流和收益等密切相關(guān)。隨著地鐵客流量的迅速增加和城市軌道指揮中心的建設(shè)，對軌道交通AFC系統(tǒng)的安全、可靠和保密提出了更高的要求。

1 AFC系統(tǒng)概述

自動售檢票（AFC）系統(tǒng)是基于計算機、通信、網(wǎng)絡(luò)、自動控制等技術(shù)，以非接觸IC卡為車票信息載體，實現(xiàn)地鐵車票的自動和半自動售票、自動檢票、計費、收費、統(tǒng)計、結(jié)算全過程的自動化管理系統(tǒng)。軌道交通AFC系統(tǒng)采用3級組網(wǎng)、4層架構(gòu)。第1層網(wǎng)絡(luò)中央計算機系統(tǒng)是聯(lián)網(wǎng)收費系統(tǒng)的票務(wù)管理中心（ACC）。第2層線路中央（LC）系統(tǒng)是所轄線路的控制和管理中心。第3層車站計算機（SC）系統(tǒng)管理和監(jiān)控車站終端設(shè)備。第4層車站終端設(shè)備是直接服務(wù)于乘客的部分，執(zhí)行系統(tǒng)指令，完成各種交易，生成各種交易數(shù)據(jù)。系統(tǒng)架構(gòu)如圖1。

圖1 AFC系統(tǒng)總體網(wǎng)絡(luò)構(gòu)架圖

AFC系統(tǒng)主要由計算機系統(tǒng)、車站現(xiàn)場終端設(shè)備、網(wǎng)絡(luò)傳輸設(shè)備、配電設(shè)備、車票、運營輔助設(shè)備等組成。系統(tǒng)經(jīng)由通信傳輸網(wǎng)連接構(gòu)成統(tǒng)一的AFC系統(tǒng)網(wǎng)絡(luò)。AFC系統(tǒng)每條線都滿足與其它地鐵線路之間的無障礙換乘的要求，并將滿足網(wǎng)絡(luò)化運營的要求，實現(xiàn)城市交通一卡通和軌道交通一票通。

2 票務(wù)管理中心

北京市軌道交通票務(wù)管理實行3級管理組織結(jié)構(gòu)：ACC票務(wù)總中心、線路票務(wù)中心和車站票務(wù)室。票務(wù)管理中心的設(shè)備配置滿足AFC系統(tǒng)所需要的車票采購、車票初始化、車票個性化處理、車票的清洗和消毒、車票的清點和包裝、車票的流通等功能要求。在每個功能實現(xiàn)過程中，對于可變更的數(shù)據(jù)，均通過參數(shù)的形式對其進行控制。票務(wù)中心與編碼分揀機共同組成一個完整的車票發(fā)行控制體系，由票務(wù)中心、控制模塊、發(fā)行模塊共同構(gòu)成3級發(fā)行管理2級審核體系，綜合控制整個系統(tǒng)的發(fā)行，確保車票發(fā)行的安全準(zhǔn)確。在車票流通的實現(xiàn)上，在票務(wù)總中心、票務(wù)中心、中心站（站區(qū)）、票務(wù)室通過4級參數(shù)控制，保證車票在全網(wǎng)內(nèi)、線路內(nèi)、站（站區(qū)）內(nèi)順利流通，并可監(jiān)控到操作員手中車票的存量。通過多級管理密鑰保證等安全措施，采用成熟可靠設(shè)備，保證系統(tǒng)的高安全性、可靠性和穩(wěn)定性。

2.1 票務(wù)總中心

ACC票務(wù)總中心負責(zé)協(xié)調(diào)全部軌道交通各線路的票務(wù)規(guī)則制定、車票調(diào)配；票務(wù)管理系統(tǒng)票制規(guī)定，對車票進行初始化操作，下發(fā)到銷售網(wǎng)點，跟蹤車票狀態(tài)及車票使用情況、密鑰系統(tǒng)驗證、操作權(quán)限管理等。

2.2 線路票務(wù)中心

線路票務(wù)中心接受ACC票務(wù)總中心的指令和調(diào)配的車票，完成線路間車票的調(diào)配；完成本線路車票安全密鑰體系的制定和對車票銷售、充值的授權(quán)管理。在線路中心獨立運營的條件下，制定發(fā)行計劃，車票采購管理，車票初始化和本線路車票的2次發(fā)行，本線路車票預(yù)賦值及分揀，本線路車票消毒/清洗，車票庫存管理，本線路內(nèi)各車站之間車票的動態(tài)調(diào)配、上繳，車票的回收，車票使用記錄、查詢，提供滿足運營管理需求的各種車票信息統(tǒng)計、報表等。

2.3 車站票務(wù)中心

車站票務(wù)室的主要功能是根據(jù)ACC票務(wù)總中心及線路票務(wù)中心的規(guī)定，完成車站車票的接收、發(fā)售、充值、收回、分揀及上繳等各項票務(wù)管理工作；監(jiān)控終端設(shè)備內(nèi)車票的存量及AFC設(shè)備的車票流通狀況，及時提出車票需求請求，并根據(jù)實際情況，完成車票在本車站內(nèi)的分配和再利用；提供各種車票（包括一卡通卡）在車站的查詢及其他服務(wù)； 完成車票在車站的各班次交接管理，形成統(tǒng)計報告。

3 線路中央計算機系統(tǒng)

線路中央計算機（LC）系統(tǒng)為線路AFC系統(tǒng)的核心部分，實現(xiàn)對系統(tǒng)運營、票務(wù)、收益、維修的集中監(jiān)控和管理。接受ACC系統(tǒng)參數(shù)及指令，實現(xiàn)所監(jiān)控線路AFC系統(tǒng)的運營管理，并根據(jù)協(xié)議上傳相關(guān)數(shù)據(jù)；與ACC對帳，實現(xiàn)所轄線路票務(wù)管理及設(shè)備管理。當(dāng)通信故障等必須由線路獨立運行時LC系統(tǒng)獨立管理所轄線路AFC系統(tǒng)運行，LC系統(tǒng)收集、處理系統(tǒng)內(nèi)各類數(shù)據(jù)，制定、維護系統(tǒng)各類參數(shù)，接收、下達系統(tǒng)各類指令，同時為系統(tǒng)提供高度的安全機制和嚴(yán)格的操作規(guī)程，并通過ACC實現(xiàn)本線路與軌道交通網(wǎng)絡(luò)其它線路以及市政交通一卡通之間的結(jié)算。

3.1 LC系統(tǒng)結(jié)構(gòu)

LC系統(tǒng)由多臺服務(wù)器承擔(dān)中心計算機工作：主數(shù)據(jù)庫服務(wù)器、歷史數(shù)據(jù)庫服務(wù)器、前置通信服務(wù)器、數(shù)據(jù)交換服務(wù)器、運營管理服務(wù)器、報表文檔服務(wù)器和網(wǎng)管備份服務(wù)器。此外，還配備相應(yīng)設(shè)備，包括：磁盤陣列、磁帶庫、核心交換機、存儲交換機、防火墻設(shè)備、入侵檢測設(shè)備、各部門操作工作站（包括：運營管理、網(wǎng)絡(luò)管理、報表管理、票務(wù)管理、計劃管理、審核管理等終端工作站）、網(wǎng)絡(luò)激光打印機等。其結(jié)構(gòu)見圖2。

圖2 線路中心拓撲圖

LC系統(tǒng)主服務(wù)器由兩臺服務(wù)器構(gòu)成，作為數(shù)據(jù)庫服務(wù)器和應(yīng)用服務(wù)器，承擔(dān)著整個系統(tǒng)主要的數(shù)據(jù)存儲和數(shù)據(jù)處理，再配以歷史數(shù)據(jù)服務(wù)器，實現(xiàn)數(shù)據(jù)分析、決策支持、系統(tǒng)管理、數(shù)據(jù)備份等功能。兩臺主服務(wù)器將采用集群方式工作，使用負載均衡器，平時分?jǐn)偺幚砣蝿?wù)，當(dāng)一臺需要維修或發(fā)生故障時，另一臺承擔(dān)全部的處理任務(wù)。為了數(shù)據(jù)存儲和備份的需要，與主服務(wù)器一起工作的還有磁盤陣列（RAID）和磁帶庫；磁盤陣列和磁帶庫通過光纖連接到網(wǎng)絡(luò)存儲交換機（SAN）上。線路運營管理服務(wù)器及工作站，實現(xiàn)日常運營的設(shè)備監(jiān)控和運營管理、客流管理等功能。另外，系統(tǒng)還設(shè)置報表服務(wù)器完成報表服務(wù)、報表查詢工作等實現(xiàn)報表管理功能；網(wǎng)管服務(wù)器、網(wǎng)管工作站、及其他網(wǎng)絡(luò)設(shè)備（包括：網(wǎng)絡(luò)交換機、路由器、防火墻、入侵檢測系統(tǒng)）等，組成網(wǎng)絡(luò)管理系統(tǒng)，實現(xiàn)系統(tǒng)網(wǎng)絡(luò)管理、網(wǎng)絡(luò)安全等功能。

3.2 LC系統(tǒng)主要功能

LC系統(tǒng)實現(xiàn)的基本功能包括：監(jiān)視系統(tǒng)運行狀態(tài)，收集、統(tǒng)計、分析、查詢運營數(shù)據(jù)；數(shù)據(jù)審核、數(shù)據(jù)備份及恢復(fù)；設(shè)備入網(wǎng)注冊；接收ACC下載的車票種類、票價表、費率表、運營模式等參數(shù)，并通過SC系統(tǒng)下載到終端設(shè)備；接收時鐘信號完成時鐘同步；接收、上傳、下載黑名單等。接受ACC的車票調(diào)配指令，完成在本線路流通的車票調(diào)配；LC系統(tǒng)內(nèi)安全訪問控制，系統(tǒng)內(nèi)權(quán)限管理；系統(tǒng)間安全訪問控制。對線路間共享車站AFC設(shè)備的SC系統(tǒng)進行管理；與ACC清算對帳。

4 車站計算機系統(tǒng)

車站計算機（SC）系統(tǒng)為車站AFC系統(tǒng)的核心部分，可對本車站內(nèi)部的所有設(shè)備進行實時監(jiān)控，實現(xiàn)對車站AFC系統(tǒng)運營、票務(wù)、收益及維修的集中管理。SC系統(tǒng)可收集、處理車站內(nèi)各類數(shù)據(jù)，并上傳到LC系統(tǒng)；接收LC系統(tǒng)下傳的各類系統(tǒng)參數(shù)，并下載到車站各車站設(shè)備；可接收LC系統(tǒng)下達系統(tǒng)各類指令，并下傳到各車站設(shè)備，同時可根據(jù)需要自行向車站設(shè)備下達控制指令，并將該操作記錄上傳到LC系統(tǒng)。SC系統(tǒng)的設(shè)備主要包括： 車站服務(wù)器、監(jiān)控工作站、票務(wù)工作站、緊急按鈕控制箱、打印機等，見圖3。

圖3 車站計算機系統(tǒng)網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)圖

SC系統(tǒng)功能主要包括：車站運營管理、車站票務(wù)管理、車站收益管理、車站AFC設(shè)備維修管理、安全管理和車站報表。

5 權(quán)限管理

權(quán)限管理是SC系統(tǒng)中安全管理的重要組成部分。權(quán)限管理的意義在于對各種有訪問需求的用戶建立其不同的身份識別標(biāo)志，使授權(quán)用戶能夠進入系統(tǒng)并且完成其工作，而對非授權(quán)用戶防止其進入系統(tǒng)或越權(quán)使用系統(tǒng)功能，從而保證系統(tǒng)的安全。

權(quán)限管理包含3方面的內(nèi)容：（1）權(quán)限管理的主體，即人員或用戶；（2）權(quán)限管理的客體，即設(shè)備或資源；（3）主體對客體訪問能力的限制，即所謂授權(quán)。

AFC系統(tǒng)的權(quán)限管理達到的目的如下：防止不具備特定權(quán)限的用戶非法使用計算機系統(tǒng)及其自動售檢票設(shè)備、使用機密性服務(wù)、進行LC系統(tǒng)和SC系統(tǒng)的操作、接觸重要的數(shù)據(jù)、現(xiàn)金、票卡等、盜用認(rèn)證數(shù)據(jù)和非法操作數(shù)據(jù)。上述威脅發(fā)生時，為保護AFC系統(tǒng)，對各用戶的可操作機器及功能進行限制，以提高系統(tǒng)整體的安全性。AFC系統(tǒng)的權(quán)限管理統(tǒng)一由LC系統(tǒng)進行管理：建立、分配、審核、維護和終止等。

5.1 權(quán)限管理設(shè)計

針對ACF系統(tǒng)提出權(quán)限、用戶、角色和組4種類型的對象。

（1）權(quán)限即系統(tǒng)的所有權(quán)限信息。權(quán)限是一個樹狀的結(jié)構(gòu)，具有上下級關(guān)系。主要包括系統(tǒng)管理、用戶管理、新增用戶、刪除用戶、修改用戶、查看用戶等。對于每個權(quán)限，又存在只可訪問和可授權(quán)兩種情況。

（2）用戶為ACF 系統(tǒng)的具體操作者，用戶可屬于0～n個組，可以歸屬于0～n個角色，也可擁有自己的權(quán)限信息。

（3）角色是為了對許多擁有相似權(quán)限的用戶進行分類管理，例如系統(tǒng)管理員、管理員、用戶、訪客等角色。角色是一個樹狀的結(jié)構(gòu)，具有上下級關(guān)系。父級角色的權(quán)限是自身及它的所有子角色的權(quán)限的綜合。

（4）組是為了更好地管理用戶，對用戶進行分組歸類。組也具有上下級關(guān)系，可以形成樹狀視圖，見圖4。

圖4 4種類型對象的關(guān)系圖

由關(guān)系圖可以看出，4者的關(guān)系很復(fù)雜；而實際的情況更復(fù)雜，因為權(quán)限、角色和組都具有上下級關(guān)系。在AFC 系統(tǒng)建模時，加入一個關(guān)聯(lián)表來表示兩者的關(guān)系。本系統(tǒng)關(guān)聯(lián)表主要包括：組表、角色表、用戶表、權(quán)限表、組角色關(guān)聯(lián)表、組權(quán)限關(guān)聯(lián)表、用戶屬組關(guān)聯(lián)表、用戶角色關(guān)聯(lián)表、用戶權(quán)限關(guān)聯(lián)表以及角色權(quán)限關(guān)聯(lián)表等。

5.2 主體用戶管理

AFC系統(tǒng)為所有的合法人員建立一個唯一ID用戶編號，以區(qū)別其唯一身份。用戶編號由LC系統(tǒng)根據(jù)軌道交通統(tǒng)一編碼規(guī)則設(shè)置。將系統(tǒng)中需要完成的某種功能操作，或有同樣任務(wù)的人員，根據(jù)目的、級別進行組合，形成用戶組。例如：LC系統(tǒng)高級管理員、管理員、運營人員、維修人員、票務(wù)中心管理員、車站運營人員、車站票務(wù)員、BOM操作員、設(shè)備維修員等。

5.3 客體對象管理

由于客體對象的機密、重要程度不等，受到的保護程度亦有差別。ACF系統(tǒng)權(quán)限管理對客體對象以其子系統(tǒng)、功能、或設(shè)備進行定義劃分。LC系統(tǒng)中各子系統(tǒng)劃分如：網(wǎng)絡(luò)管理、運營管理、財務(wù)管理等。各種軟件功能劃分模塊、數(shù)據(jù)、界面菜單，如收益數(shù)據(jù)、備份操作等。設(shè)備劃分如：各專用工作站、終端等，各車站SC系統(tǒng)，車站各類、各臺設(shè)備，自動售檢票設(shè)備的日常操作，自動售檢票設(shè)備的維護，自動售檢票設(shè)備的維修等。

5.4 權(quán)限分配

ACF系統(tǒng)的權(quán)限分配是將主體用戶賦予其對客體對象的訪問權(quán)限，由指定的超級系統(tǒng)管理員在LC系統(tǒng)進行統(tǒng)一管理。訪問權(quán)限又區(qū)別為可讀、可執(zhí)行和可修改等不同的級別。分配權(quán)限時可以對人員ID進行分配，也可以對管理員組進行分配，并將人員ID納入到管理員組中，從而使其具有該管理員組的權(quán)限； 同時一個人員ID可以出現(xiàn)在多個組中，他就具有多個管理員組的權(quán)限；而一個管理員組有多個人員ID，具有同樣的權(quán)限。

6 結(jié)束語

本文介紹了城市軌道交通自動售檢票（AFC）系統(tǒng)的設(shè)計，通過室內(nèi)仿真環(huán)境的測試驗證，本設(shè)計能夠滿足地鐵對AFC系統(tǒng)的高性能、可靠性、伸縮性、安全性、易維護和開放性的要求，能精確記錄乘客乘車的起點、終點，準(zhǔn)確掌握客流的時間分布規(guī)律和空間分布規(guī)律，實時統(tǒng)計各條線路及各車站的客流量，為運營部門提供基礎(chǔ)數(shù)據(jù)，有利于及時調(diào)整運力配備，應(yīng)對客流變化，緩解擁堵。

[1]劉京西，高洪波. 北京軌道交通自動售檢票系統(tǒng)的設(shè)計及實現(xiàn)[J]. 鐵路計算機應(yīng)用，2011，20（11）：56-58，61.