階梯式公交計價系統的設計與實現

付良鋒， 錢佳樂， 謝林柏*， 彭 力

(1.江南大學物聯網工程學院，江蘇無錫214122;2.無錫華捷電子信息技術有限公司，江蘇無錫214000)

目前，很多省會城市及經濟發達的一二線城市，其公共交通通常采用全程一票制的計費方式，這與政府的補貼力度、公交公司的所有制形式及運營模式有關。然而，隨著區域經濟的發展和城市規模的不斷擴大，城鄉之間、城際之間的交流越來越密切，客流往返更加頻繁，人們迫切需要更大區域出行的便捷性。為了解決這一問題，開通更多的一票制線路是一種最簡單的做法，但會增加人們換乘的難度;如果延長現有公交線路的長度而保持一票制收費，勢必會增加公交公司的運營成本。因此，傳統的一票制模式已經不能完全適應公交的發展。考慮到技術的發展和實際情況，在可預見的未來，大部分的城市公交車將是一票制和分段收費并存的模式，一般市內線路的公交車采用一票制，城際、城鄉公交和村鎮公交車采用分段收費方式。另一方面，隨著城際公交、地鐵、城際鐵路、輕軌等分段收費的交通工具的發展，也為交通分段收費模式的應用帶來了廣闊的需求和發展空間［1］。

從計費方式實現來看，一票制方式由于票價固定，乘客只要刷一次卡即可完成乘車繳費。而在分段計費方式下，票價是根據乘客上下車站臺間距來確定的，因此分段式計費方式需要對乘客上下車站臺進行自動識別并扣費。有多種方式可以實現這一功能，本文提出一種帶GPS模塊的Pos機來實現公交車分段收費功能。首先根據公交公司需求確定分段計價的實施方案，然后選擇實現這一方案的Pos機基本硬件構成，接著重點研究分段計價系統的軟件設計，最后對設計好的Pos機在江蘇海安進行了跟車測試。

1 分段計價實施方案

在編寫Pos機軟件和配置硬件之前需要對公交公司的公交營運情況進行調研，根據調研信息確定分段計價實施方案。

1.1 城市公交線路分布和車況調研

1.1.1 線路分布 主要調研該城市有多少條公交線路，其中有哪些線路為市內線(一票制)，哪些是城鄉線(分段計價)，哪些是村鎮公交(多為分段計價)，是否有環行線。不同的線路軟硬件配置可能不一樣，一票制的車只需安裝一臺Pos機，可以不帶GPS模塊，程序相對簡單;分段計價線路，其Pos機需帶GPS模塊，程序比一票制復雜，如果有環形線，則程序更加復雜。此外，代班的機動車程序要兼容一票制、分段計價和環形線［2］。

1.1.2 車況 主要咨詢該城市的分段計費線路是否有單門車。對于雙門車，需要前后門各裝一臺Pos機，乘客在前門上車刷卡，后門下車刷卡，當然特殊情況(如前門Pos機故障)也支持前門上前門下，后門上后門下，后門上前門下。對于單門車，只裝一臺Pos機，單門上單門下。因而要求單個Pos機能實現分段計價的所有功能。

1.2 公交需求信息采集

1.2.1 分段計價票價信息收集及計費方案的確定

每條分段計價線路都對應一階梯票價表，該表記錄了從任意站點(大站)上車到任意站點(大站)下車的票價，其中大站為票價分割點［3］。以江蘇海安公交005線路為例，其階梯票價表和大站、小站分布見圖1和圖2。

上下行的切換:車開到A站時，Pos機需自動切換為上行狀態，到E站時需自動切換為下行狀態。

小站票價的設定:由于階梯票價表中只有從大站到大站的票價，因此還需要咨詢乘客從小站上下車，公交公司是怎么設定票價的。通常公交公司(如張家港、海安)規定從小站上車視為從與之相鄰的上一個大站上車，在小站下車視為在與之相鄰的下一個大站下車。

1.2.2 站臺GPS經緯度坐標采集 Pos機檢測站臺是通過比較當前GPS坐標與Pos機里面事先保存好的所有站臺的坐標之間的距離來確定車當前到了哪個站，是進站還是出站。所以還需要采集所有大站的GPS坐標。

1.2.3 卡操作方案

1)該城市公交用戶卡的卡類型:是用CPU卡還是MI卡，是市民卡還是普通卡，是否要支持手機刷卡消費［4］。

2)用戶卡種類和費率:除了普通用戶卡，是否要用到月票卡、老人卡、學生卡等，各類卡的費率(折扣)是多少。

3)對逃票的定義和逃票票價的設定:對于分段計價，一般認為乘客上車刷了卡，下車不刷卡算逃票;上車時車的上下行標識與下車時的上下行標識不一致(即到了終點站還不下車)也算逃票。逃票要扣逃票票價，一般將該線路的最高票價作為逃票票價。

4)上錯車處理:有些乘客刷卡上車后，發現上錯車了，又立即刷卡下車(車還沒開)，這種情況應該不扣錢，處理的方法是設定一個上下車刷卡時間間隔(比如20 s)，在此間隔內上下車刷卡扣0元。

2 分段收費Pos機基本硬件架構

如圖3 所示［5］。

圖3 分段計價Pos機基本硬件架構Fig.3 Architectures of segment denominated Pos machine

2.1 RFID讀 /寫模塊

這是Pos機的基本功能模塊，Pos機中有一個射頻接口電路與RFID芯片相連，在Pos機上電時，該射頻接口電路發射固定頻率的電磁波，當有卡片進入該磁波感應范圍內并且卡片內的諧振電路的振蕩頻率與該頻率相同時，IC卡被激活，這時RFID芯片可以對卡片進行數據的讀寫。考慮到刷卡速度的要求，本系統選擇感應速度較快的復旦微電子FM1715芯片(識別一張卡時間約為3 ms(包括復位應答和防沖突))作為RFID模塊。由于涉及到扣款與用戶個人信息等，在讀寫數據時需安全密鑰和內部外部認證過程。這些讀寫操作指令和安全認證過程都需要psam卡參與操作，所以Pos機中還需要添加一個psam卡模塊并開辟一個psam卡槽［6-7］。

2.2 公交信息實時處理模塊

每臺Pos機都對應一輛公交車，而每輛公交車都有一些參數信息，這些信息包括車輛所在的線路號、分公司編號、車牌號、計價模式(是一票制收費還是分段收費)、基本票價、分段收費的階梯票價表、站臺名字、站臺序號、站臺經緯度坐標、語音信息、逃票規定等。這些參數信息在每次刷卡的時候都會被反復而快速地讀出與寫入，所以要求Pos機存儲模塊可讀寫的次數必須足夠大，并且讀取速度必須很快。若每臺Pos機每天被刷卡100次，每次刷卡讀 /寫存儲器10次，則3年內這個存儲器將被訪問超過100萬次，而一般的EEPROM的最大訪問次數也就100萬次。所以為了滿足這個要求，選擇鐵電存儲器(訪問次數可達100億次，訪問速度約為70 ns/B，EEPROM讀寫速度一般大于1 ms/B)作為參數信息和一些狀態信息的存儲介質。

2.3 交易記錄上傳功能模塊

Pos機每刷一次卡都會產生一筆交易記錄，交易記錄包含本次交易的交易金額、交易時間、車輛信息等非常重要的數據。公交公司要獲取這些信息，以便生成報表和結算收益，并可允許乘客進行查詢。有多種方式可以實現交易記錄上傳，本系統采用信號相對穩定的CDMA在線方式上傳交易記錄，可以實現記錄的實時上傳，無需人工采集，CDMA模塊采用華為MC323模塊［8］。

2.4 站臺自動檢測功能模塊

要使Pos機能夠自動識別站臺，可以有多種方式，本系統采用在Pos機中添加GPS模塊并外接GPS天線的方式。該Pos機在添加了GPS模塊后，也可以很容易實現自動報站器的功能。

2.5 系統核心模塊

要實現上述所有的模塊和功能，系統主芯片必須支持3個以上的串口，分別用于GPS模塊、CDMA模塊、紅外模塊、連接PC。考慮到外接模塊眾多、軟件的復雜度及刷卡的速度等要求，選擇支持4路串口，主頻72 MB，512 kB片內flash，32 kB靜態RAM的LPC2368作為主芯片。

3 Pos機嵌入式軟件設計

Pos機嵌入式軟件分為驅動程序跟應用程序。限于篇幅，這里只介紹應用程序中最關鍵的:分段計價處理流程。

分段計價票價計算原理:用戶上車刷卡→保存Pos機當前站臺序號到用戶卡內→用戶下車刷卡→取卡內上車站臺序號和Pos機當前站臺序號，得到用戶上下車站臺序號→根據上下車站臺序號搜索階梯票價表中對應的票價→取得的票價乘以費率得到該用戶的乘車票價。

3.1 用戶卡分段收費文件

要向用戶卡內保存和讀取信息需要在卡內定義一個用于公交車分段收費的文件，該文件的大小、讀寫權限、文件標識、文件類型由用戶卡發行方設定。Pos機程序員根據發卡方規定的安全認證方法即可對該文件進行讀寫操作，該文件需要保存用戶上下車標識、車的上下行標識、上車Pos機編號、上車站臺序號等信息。Pos機根據卡內的這些信息來判斷該乘客的上下車狀態、上下行狀態、上車站臺序號等信息來計算票價，確定本次刷卡是否為逃票，應該走上車流程還是下車流程等，用戶在分段計費的公交車上下車刷卡時要把這些信息寫入用戶卡內的公交分段收費文件中。見表1。

表1 海安公交分段計價文件定義Tab.1 Bus segment denominated document definition of Haian

3.2 參數傳輸

Pos機程序在正常運行前需要向鐵電存儲器里面保存一些參數信息，主要包括線路號、計價模式、基本票價、各種卡的費率、逃票票價、分公司編號、該線路所有大站的經緯坐標、各大站的站臺序號、線路階梯票價等。這些參數在Pos機首次開機時，由服務器通過CDMA自動下發到Pos機。Pos機根據這些信息確定該車是一票制還是分段計價，確定上下車站臺、計算票價等［8］。

參數下發過程:Pos機首次開機→Pos機按照給定的報文格式發送參數，請求報文到服務器→服務器驗證并解析報文獲取線路號→服務器按給定格式發送該線路參數信息報文到Pos機。

3.3 站臺檢測

公交車在行駛過程中，Pos機需要實時定位該車所處的當前站臺序號、進出站標識和上下行標識，以確定乘客的上下車站臺和上下行狀態。下面是GPS站臺檢測函數的處理過程:

Step 0:初始為出站。

Step 1:判斷是進站還是出站，如果是進站執行Step 2，否則執行 Step 4。

Step 2:計算Pos機內保存的當前站臺對應的經緯度坐標與GPS實時經緯度坐標的偏移量。

Step 3:如果偏移量大于等于150 m，則將進出站標識置為出站并返回Step 1;小于150 m直接返回Step 1。

Step 4:遍歷該線路所有大站，計算其經緯度坐標與GPS實時經緯度坐標的偏移量。

Step 5:如果找到某個大站i對應的偏移量小于150 m，則將i作為當前站臺，保存到鐵電存儲器，將進出站標識置為進站并返回Step 1;如果沒找到直接返回Step 1。

3.4 分段計價處理流程

分段收費Pos機應用程序設計的關鍵在于分段收費流程的設計［9］，該流程因為涉及到站臺票價的計算、逃票的處理等過程，因而比一票制流程復雜得多。圖4是海安公交的分段收費處理流程［10］，可以兼容一票制，流程中沒有包括異常的處理比如乘客上錯車、讀/寫公交分段收費文件失敗、執行扣款指令后數據返回不正常等異常情況，在編寫程序時這些必須考慮到。由于海安公交分段收費線路沒有環行線，所以該流程不包含對環行線的處理［11］。

4 系統測試

本系統設計實現后在江蘇省海安縣公交公司進行測試。目前，海安共有35條公交線路，其中20余條為分段收費線路，貫穿城鄉和村鎮，其余為城區一票制線路。分段收費線路中有一些是單門車，沒有分段收費環形線路。考慮到海安的公交實際情況，測試時的主要內容為:前門上后門下的分段扣費測試、單門上下車的分段扣費測試、逃票測試、對一票制兼容性的測試、記錄的實時上傳與結算報表的生成測試等。

本系統集成后，在海安4條長線公交005、101、105、106路進行了測試和試運營。以005路公交為例，測試過程如下:選用編號為1—5的5張用戶卡，測試時保證卡內有足夠的余額，折扣為9折。測試前在起點海安站用U盤向Pos機中下載編寫好的最新程序，然后刷005路的線路卡，將線路號等參數輸入Pos機，重啟后聽到報語音“采集完成”，說明該車的參數信息已通過CDMA成功下發到Pos機，在等待屏幕顯示GPS信號正常后，即可開始跟車測試，測試時充分考慮各個小站和票價分割點(大站)、各種逃票情況和上錯車情況。005路部分刷卡扣款結果見表2。

圖4 海安公交分段計費處理流程Fig.4 Process flow of Haian’s bus sectional charge

表2 海安公交005路部分測試結果Fig.2 Part of test result of bus 005 in Haian

針對其他長線公交線路的測試結果如下:

1)大部分票價扣款正確，有少量扣款出錯情況，在更正站臺坐標和階梯票價后，扣款全部正確;

2)各種逃票現象和上錯車現象得到了有效的處理;

3)一票制和分段計價可以靈活切換;

4)生成的記錄能夠實時上傳并在結算系統生成報表。

測試結果證明了方案及程序的可行性。該Pos機目前在海安全面裝車，進入了試運營階段。

5 結語

作者設計的公交分段收費系統的特點在于:

1)采用GPS實現站臺的自動檢測;

2)支持一票制與分段計價的靈活切換;

3)支持單門上下車，即單個Pos機可以實現分段收費的所有功能;

4)交易記錄自動上傳，無需人工采集;

5)對各種逃票、上錯車現象能夠進行有效處理。

此外，該系統的實現對公交部門降低運營成本、吸引乘客將起到很好的作用，方案的成功實施也對城際公交分段收費、城際便捷班車分段收費、地鐵分段收費有一定的參考意義。該車載Pos機程序經過少量修改還可以實現自動報站器的功能，成為車載 Pos、自動報站一體機［12］。

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