基于集中式管理體系結構的軌道交通自動售檢票系統

陳青云，顧洋

(貴陽市城市軌道交通有限公司，貴陽550081)

基于集中式管理體系結構的軌道交通自動售檢票系統

陳青云，顧洋

(貴陽市城市軌道交通有限公司，貴陽550081)

針對軌道交通線網規模的不斷擴大，傳統自動售檢票(AFC)系統存在系統功能重疊、數據過度冗余、資源利用率低、維護成本高、投資成本高等問題，設計一個基于集中式管理體系結構的AFC系統。構建系統的整體構架、軟件構架和物理構架，并分析系統的設計原則。該系統能夠完成傳統軌道交通AFC系統的全部功能，并且可以減少系統的層級結構、提高資源利用效率、降低投資成本，為實現軌道交通低碳運營、綠色運營提供支持。

軌道交通;自動售檢票系統;結構優化;集中式管理

軌道交通自動售檢票系統(AFC)是軌道交通運營系統中的核心子系統，直接面向乘客，關系著軌道交通運營公司的票務收益。在軌道交通建設初期，由于網絡技術尚不成熟，網絡設備性能較差，傳統的5層票務結構在軌道交通票務系統中發揮了重要作用，但隨著線網規模和業務的不斷擴大，各種新技術的不斷涌現，傳統的層次結構使得建設投資成本越來越大、系統資源利用率越來越低、維護及管理也越來越復雜，已經逐漸不適合現階段運營的需求。

目前，對于AFC系統的研究集中在改進系統通信網絡結構［12］、利用云技術改進系統構架［34］、保護系統隱私等方面［5］。在改進現有軌道交通AFC系統構架方面，南京地鐵提出了區域線路中心的方案［67］，北京地鐵［8］利用多線路共用線路中心的方案，這些方案均從減少線路中心的角度考慮，在一定程度上優化了AFC系統的結構。本文從減少車站中心(SC)的角度出發，考慮數據的集中式處理，為軌道交通AFC系統的結構優化提供新的思路。

1 傳統AFC系統

目前，軌道交通票務系統均可以分為5層構架，如圖1所示。

圖1 傳統票務系統構架示意Fig.1 Diagram of traditional ticketing system architecture

5層構架從上到下依次為:AFC清分中心(ACC)、線路中心(LC)、車站中心(SC)、車站終端設備(SLE)、車票(Ticket)。最上層的ACC是整個AFC系統的核心，LC和SC是AFC系統中的核心后臺管理系統，分別負責對整條線路和整座車站的運營監管。各層之間相互獨立，又逐級管理，能夠很好地完成軌道交通的票務功能需求，但也存在明顯的缺點，比如系統層次間功能的重疊，尤其是LC和SC之間的功能重疊較多，具體如下。

1)數據管理功能，LC和SC同樣具有數據采集、數據處理、數據保存等數據管理功能，只是管理范圍或對接方不同。

2)運行管理功能，LC和SC同樣具有設備監控、客流監控、模式管理等運行管理功能，只是管理范圍不同。

3)運營管理功能，LC和SC同樣具有參數下載和參數維護等運營參數管理功能，只是管理范圍不同。

4)軟件管理功能，LC和SC同樣具有軟件下載和軟件管理功能，只是管理范圍不同。

5)收益管理功能，LC和SC同樣具有收益核算等收益管理功能，只是管理范圍不同。

6)車票管理功能，LC和SC同樣具有車票調配等車票管理功能，只是管理范圍不同。

7)維修管理功能，LC和SC同樣具有設備運轉監控、故障統計等維修管理功能，只是管理范圍不同。

8)報表管理功能，LC和SC同樣具有數據統計、報表打印等報表管理功能，只是管理范圍不同。

9)系統維護功能，LC和SC同樣具有網絡管理、數據庫管理、系統運行狀態監控、病毒防護、時鐘管理、日志管理等系統維護功能，只是管理范圍不同。

10)數據處理功能，LC和SC都對狀態數據、參數數據、軟件數據、事件數據、交易數據、收益數據、寄存器數據、報表數據等進行處理，只是數據處理的范圍不同。

通過分析可以看出，LC與SC之間在功能上具有很大的重合度，對于重合的功能，僅限于系統的管理范圍以及相應的操作權限不同，對于后臺系統而言，功能實現方式基本相同。并且，除錢、票箱操作以及車站現金操作外，其他功能都已經在LC覆蓋(對于錢、票箱操作及車站現金操作，LC只需要獲取相應的操作數據和收益數據，無實際的輔助操作員操作功能)。LC與SC之間處理的數據基本都是相同的，除LC需要從ACC獲取對賬文件外，其他數據都僅限于LC獲取的數據范圍比SC大。

除了上面分析的LC和SC間業務功能重疊和數據處理范圍重疊外，傳統層級結構還存在數據過度冗余、系統過度臃腫、資源利用率低、維護難度和成本較高等一系列問題。

2 AFC系統集中式管理體系結構及其優點

2.1 集中式管理體系結構

針對現有AFC系統存在的問題，設計AFC系統集中式管理體系結構時，同一條線路的所有終端機器都連接到該線路的通信服務器群上，數據從終端機器流向集中式管理系統，再從集中式管理系統流向ACC系統。設備連接通信服務器時，通過負載均衡控制自動切換到不同的通信服務器終端，避免了只能連接一個節點的數據壓力，減少單點故障，在系統結構上便于擴展和維護，減少了維護多套系統的工作量。集中式管理體系結構示意如圖2所示。

圖2 集中式管理體系結構示意Fig.2 Diagram of Centralized management architecture

2.2 集中式管理體系結構的優點

1)減少重復系統功能，采用集中式管理系統可以減少30%的系統重復功能。

2)減少重復數據處理，采用集中式管理系統可以減少11%的數據重復處理。

3)減少狀態數據過濾，傳統構架系統中每上傳一次狀態數據，便需更新一次SC數據庫，采用集中式管理系統可以減少70%的狀態數據更新。

4)減少交易數據傳輸時延，傳統構架系統中SLE的每筆交易數據傳輸到SC需要3～5 min，SC再上傳到LC需要5～10 min，采用集中式管理系統，SLE傳輸到LC只需要4～6 min，每筆交易數據可以減少4～9 min。

5)減少建設成本，從圖2中可以看出，采用集中式管理體系結構可以大大減少系統的建設成本，以總共24座車站的一條線路為例，傳統5層構架需24臺車站服務器，采用集中式管理系統后只需保留8臺服務器，并且可以集中放置在同一個設備房中。

3 集中式管理體系結構AFC系統總體構架

3.1系統總體設計

后臺系統根據所處的不同層次，提供不同程度的業務功能和開放接口，主要有以下4點。

1)數據交換服務器(DSS)主要作為LC與ACC的數據交換橋梁，完成LC和ACC之間的數據交換，主要作用有穩定LC與外部節點的通信模式，由DSS實現不同ACC之間的通信規范要求;保護LC系統，屏蔽ACC系統的訪問影響以及鏈路故障，保證LC系統的穩定。

2)所有的后臺系統都是基于統一的AFC Plat框架構建的。在此框架基礎上，實現了多個業務模塊的封裝，同時對外提供響應調用的接口。

3)各層系統都分為前臺操作管理平臺(WS)和后臺系統兩部分，前后臺采用C/S架構設計。所有的后臺業務都通過WS展現，同時WS為操作員提供多種業務操作界面。

4)各系統(包括前后臺系統)之間通過內網防火墻進行網絡隔離，以保證各模塊的數據訪問安全性。

3.2 軟件構架設計

3.2.1 后臺系統結構

后臺系統的邏輯結構如圖3所示。系統平臺的主要邏輯結構可定義為以下3層。

1)資源層:該層模塊對平臺所使用的系統環境進行統一管理，并在模塊統一接口的實現基礎上，滿足聯機系統在不同資源環境下都能夠正常運轉的要求。

2)交換層:交換層即通信中間層，該層模塊可滿足聯機交易平臺的交換功能，交換層在資源管理的基礎上實現系統對聯機報文的轉發及外部節點的連接，同時負責報文在系統內部的通信和轉接。

3)應用層:該層模塊和系統的業務處理密不可分，應用層將聯機交易處理劃分為不同的處理階段并提供相應的控制接口，方便第三方開發使用人員能夠簡單、高效地進行業務擴展和實現基本業務。應用層內部又細分為業務邏輯實現層和業務入口層，其中，業務邏輯實現層以業務模塊為單位，借助底層的資源實現各模塊的業務流程;業務入口層則作為聯機交易和定時任務的入口，負責交易的調用、檢查以及相關應用協議的定義。

圖3 集中式體系結構后臺軟件構架Fig.3 Background software architecture of centralized architecture

3.2.2 后臺系統進程

系統的所有聯機實時處理都是由系統后臺進程組協同進行的，每個進程都有各自的處理功能，同時進程之間有機結合、共同維持系統的有效運轉并執行聯機處理任務。系統后臺處理進程的設計實現是整個系統各項設計功能實現的基本條件。

系統后臺處理進程的連接通過UNIX的IPC標準進程通信機制實現，包括用于對進程狀態進行控制的軟中斷機制、進程間進行信息傳遞的消息隊列機制、子進程創建的數據環境復制機制、資源互斥管理的信號量機制、命名管道機制等，以上機制是標準UNIX的成熟技術，是系統后臺安全、持續、高效運轉的可靠保證。系統的進程結構如圖4所示。

3.3 物理構架設計

具體系統部署方案如圖5所示。在LC系統中，所有的服務器都要有備份節點(歷史服務器可以考慮不需要備份節點)，以保證當出現單點故障時，能夠盡快啟動備份服務器。

LC系統的業務服務器分為以下3種:

1)LC01:聯機交易服務器，該服務器負責處理所有的實時數據交互請求，DSS和SC在與LC進行通信時，都要首先與LC01建立通信連接;

2)LC02:定時任務服務器。該服務器主要負責處理LC系統內部的所有定時任務;

3)LC03:用于訪問歷史數據。

圖4 集中式體系結構系統進程結構Fig.4 Process structure diagram of the centralized architecture System

圖5 集中式體系結構后臺系統物理構架Fig.5 Physical architecture of the background system of the centralized architecture

LC01、LC02訪問共同的數據文件目錄。該目錄可以通過網絡文件系統(NFS)方式建立網絡數據共享，進而支持兩臺服務器同時對數據文件的訪問。

LC的數據庫系統(DB01和DB02)通過高可用性(HA)方式關聯，數據庫文件(控制文件、數據文件和日志文件)都保存在存儲設備中。DB01和DB02只負責啟動和管理數據庫系統。

4 系統設計原則

4.1 規范性原則

在系統設計、建設過程中，需要嚴格遵循相關的技術標準和業務要求，具體包括:城市軌道交通業務規范、城市軌道交通技術規范、系統功能需求。

4.2 安全性原則

后臺系統需要提供多層次的安全保障機制，以保證在每個環節上的操作安全、網絡安全、數據安全、存儲安全及業務安全。

1)操作安全:系統提供多種操作權限控制，需要根據運營和管理人員不同的工作崗位，提供不同范圍的訪問和操作界面。

2)網絡安全:需要設定相對隔離的網絡區域，并根據各層系統的功能特點選擇性地開放主機和網絡訪問端口，以保證網絡環境的安全性并提高系統的抗攻擊能力。

3)數據安全:對于不同類型的數據分別采用相應的數據加密機制，特別是涉及用戶隱私的敏感信息，需要采用多層次的、嚴格的數據訪問控制限制。

4)存儲安全:需要進行各類數據的獨

立存儲，保證本地數據冗余備份，具備異地防災備份處理機制，保證數據的可恢復性。5)業務安全:需要設計完備的后臺業務處理機制，保證數據處理、參數軟件管理、票款結算業務等相關各類操作的安全。

4.3 可靠性原則

AFC后臺系統是整個系統的中樞系統，承擔重要的運營管理功能，需要從多個方面保證系統相關業務的穩定性和可靠性。

1)需要具備較強的系統并發處理性能，能夠經受來自外部多種類型節點的大并發量處理請求，并滿足交易處理速度要求。

2)應具備系統關鍵點的備份，避免單點故障，同時具備系統擴展性，可以根據系統運行壓力情況進行動態的負載均衡處理。

3)應具備完善的系統內部－外部接口，提供較強的系統集成能力和擴展能力，滿足后期不斷增加的系統功能擴展和接口擴展的需要。

4)應具備異常檢測機制，保證隨時跟蹤可疑、異常交易和系統事件，保證用戶的使用可靠性。

4.4 創新性原則

作為一個專業化的信息系統平臺，AFC后臺系統應具備良好的系統擴展性和業務創新性，以滿足在軌道交通領域的發展需要。

1)應用創新:不斷跟蹤市場發展的特點以及用戶使用操作的需要，設計便捷多樣的系統功能，結合專有的業務場景，形成不可替代的運營管理平臺。

2)設計創新:靈活的系統耦合度，根據系統性能及業務需要，提供統一、可視化、便捷的系統配置界面，以便隨時調整。

3)結構創新:在系統架構設計方面，支持水平擴展，輕松支持后續業務增長的需要。

5 風險評估和控制

5.1 存在的風險

目前AFC集中式管理系統并未有過實際的應用，除了傳統AFC構架存在一定的優勢之外，集中式管理系統自身也存在一定的風險，比如當LC與車站網絡發生中斷或集中式管理系統服務器發生故障的情況下，則參數下發、報表打印、客流監視、設備監控等均不能使用，除此之外，系統其他運營條件不受影響。

5.2 風險控制

由于AFC集中式管理系統LC服務器為雙機或多機熱備，多機同時發生故障的可能性極小，并且在網絡方面，車站與中心之間為主備雙路網絡，雙網同時發生故障的可能性也很小，即便發生也可以在1～2 h內解決。另外，數據在本地有7天或更長時間(可設置)的備份，網絡或故障恢復后，即可補傳，并且可以通過U盤實現參數和數據的導入和導出功能。

6 結語

本文在分析現有AFC系統的基礎上，設計了基于集中式管理體系結構的新型AFC系統，分析基于集中式管理的AFC系統的體系結構、系統設計原則，并給出系統的設計方案和物理構架。

與傳統AFC系統相比，集中式管理AFC系統具有以下優點:將重疊的功能合并，減少了AFC系統構架層次，由LC直接統一管理本線路的所有設備，提升了系統的控制和管理效率，同時也提高了數據傳輸及對數據分析的效率，避免了數據在多層系統間的傳輸;去除了“線路－車站”兩層系統的冗余功能，同一線路的數據都在集中式系統中管理，減少了交易數據、收益數據在系統間轉發所產生的傳輸時延，使得數據統計、設備監視、客流監視更加實時化;集中式管理AFC系統只需在每座車站維護一臺通信前置機及中心維護一組集中式應用服務器即可，大大減少了設備管理和維護的成本。

新的AFC構架設計通過集中式管理方式，提高對終端設備和數據的管理能力，同時提高了系統擴展能力，但也引入了一定的問題和風險，如何進行風險的評估和控制，將成為進一步的研究方向。

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(編輯:王艷菊)

Designing Automatic Fare Collection System for Rail Transit by Using the Centralized Management Architecture

CHEN Qingyun，GU Yang
(Guiyang Urban Rail Transit Co.，Ltd.，Guiyang 550081)

W ith the rapid expansion of the rail transit network，the conventional automatic fare collection system(AFC)is facing challenges，including，but not limited to，overlapped system functions，redundant data，low resource utilization rates，as well as highmaintenance and investment cost.To solve these problems，a new automatic fare collection system is designed by using the centralized management architecture.Firstly，the overall framework of the system，software architecture and physical architecture are established，and the design principles of the system are analyzed.The system can fully implement the functions of the traditional rail transit AFC system，greatly reduce the hierarchical structure of the system，increase resource utilization rates and lower the investment cost simultaneously，which is helpful to achieve low-carbon and green operation of rail transit.

rail transit;automatic fare collection system;structure optimization;centralized management

U231.8

A

1672- 6073(2017)02- 0094- 05

10.3969/j.issn.1672 6073.2017.02.019

2016- 07 01

2017 01 04

陳青云，男，工學碩士，從事軌道交通弱電系統工程理論和技術的研究，shamaojuan@163.com