一種城市軌道交通自動售檢票系統(tǒng)票卡快速識別實現(xiàn)方法

裴 練 軍

(上海華虹計通智能系統(tǒng)股份有限公司 上海 201206)

0 引 言

隨著我國城市化進程的進一步加快和城市規(guī)模的逐步擴大，城市軌道交通已成為大中型城市最重要的基礎交通設施之一[1]。

城市軌道交通自動售檢票系統(tǒng)是現(xiàn)代化的收費系統(tǒng)，一般采用五層架構：第一層為城市軌道交通票務清分系統(tǒng)，第二層為線路中央計算機系統(tǒng)，第三層為車站計算機系統(tǒng)，第四層為車站終端設備，第五層為車票。乘客可通過售票、檢票設備實現(xiàn)關于車票票務的自助服務，最終在票務清分系統(tǒng)實現(xiàn)各運營商的收益分配[2]。

作為城市軌道交通自動售檢票系統(tǒng)的第五層——車票層，軌道交通售檢票系統(tǒng)支持的票卡類型有很多。儲值類票一般分單程票、儲值票和二維碼支付等。儲值票遵循的標準一般可分為地鐵自發(fā)一票通卡、住建部一卡通卡、交通部一卡通卡和銀行卡支付等。除二維碼外，其他車票類型均為非接觸式IC卡[3]，非接觸式IC卡是城市軌道交通自動售檢票系統(tǒng)中的常規(guī)基礎票卡類型。不同類型的票卡同時在檢票機上使用，這樣的應用場景決定了終端設備須快速識別車票類型，并予以處理。

近年來，全國各地城市軌道自動售檢票接入“互聯(lián)網(wǎng)+”得到了大力發(fā)展，快速培養(yǎng)新一代的熟悉非接觸式IC卡的開發(fā)人員任務越來越緊迫；與此同時，基于非接觸式IC卡的公共交通行業(yè)優(yōu)惠應用也督促開發(fā)商和開發(fā)人員需要響應快速。

1 現(xiàn)狀分析

城市軌道交通是一種大運量交通運輸系統(tǒng)，自動售檢票系統(tǒng)須適應客流密集的進、出站需求。目前，軌道交通領域使用的非接觸式IC卡種類較多，為了識別和區(qū)分，現(xiàn)常用的方法包括有：常量值法和命令重試法。

常量值法是指根據(jù)特定命令返回的常量值，標記不同車票介質的類別。采用常量值法可在車票種類較少時可快速區(qū)分不同的車票種類，但在自動售檢票系統(tǒng)支持較多票卡供應商、較多發(fā)行方的車票時往往導致識別重試增多。

命令重試法是指嘗試發(fā)送不同票卡的交易指令，以是否獲得成功應答的方式來識別票卡。這種方式將導致交易時間過長，從而延長了整個的交易流程時間。

隨著技術發(fā)展，軌道交通售檢票終端設備已從單片機向嵌入式操作系統(tǒng)擴展。在傳統(tǒng)的開發(fā)環(huán)境下，票卡處理業(yè)務應用與射頻驅動應用是緊密耦合在一起，開發(fā)人員既需要了解硬件設計、掌握射頻驅動，又需要關注業(yè)務需求，并將兩者緊密結合在一起完成應用軟件開發(fā)。這種開發(fā)方式既對開發(fā)人員提出了很高的要求，也不能快速響應業(yè)務變化的外部需求。

因此，通過分析票卡的物理特性，參考ISO-14443國際標準來識別票卡，歸納出層級軟件開發(fā)架構不失為一種解決方法。

2 票卡物理介質

在軌道交通領域使用的非接觸式IC卡物理介質主要包括有基于MIFARE Ultralight的單程票、基于MIFARE Classic的儲值票和基于MIFARE Pro卡的儲值票。目前，基于MIFARE Pro卡的儲值票成為應用主流。

2.1 單程票

MIFARE Ultralight卡是一種小容量、符合ISO1443-A的存儲車票。Ultralight車票有以下典型特點[4]：

1) 具有7個字節(jié)唯一物理卡號；

2) 具有4字節(jié)OTP；

3) 一般容量512位，分為16個page，每個page為4個字節(jié)；

4) 具有Lock鎖功能，可對關鍵數(shù)據(jù)區(qū)進行鎖；

5) 數(shù)據(jù)區(qū)可任意讀、寫。

MIFARE Ultralight卡本身不具備邏輯判斷功能，在軌道交通應用時一般作為循環(huán)使用、面值不高的單程票。

MIFARE Ultralight卡的存儲結構如圖1所示。

圖1 MIFARE Ultralight卡存儲結構圖

2.2 MIFARE Classic卡

MIFARE Classic卡是一種廣泛應用的非接觸式IC卡，包括MIFARE S50、MIFARE S70等，常用來作為儲值卡使用。在軌道交通領域常使用是MIFARE Classic卡是1 KB容量、符合ISO14443-A[5]。

MIFARE Classic具有以下特點：

1) 具有4個字節(jié)的唯一物理序列號；

2) 每個塊有16個字節(jié)，4個塊組成一個扇區(qū)。1 KB容量的共有16個扇區(qū)；

3) 每個扇區(qū)可獨立設置讀、寫權限，只有認證通過才可對本扇區(qū)的塊進行讀、寫操作；

4) 扇區(qū)可分為數(shù)據(jù)區(qū)和值區(qū),值區(qū)一般用于存儲卡片金額數(shù)據(jù)。

MIFARE Classic卡本身具有邏輯判斷功能，但沒有邏輯計算功能。在初次通信時須進行三重認證，之后的交互數(shù)據(jù)以加密形式進行，從而防止截取報文數(shù)據(jù)以促進安全性。

典型的MIFARE Classic卡的存儲結構如圖2所示。

圖2 MIFARE Classic卡存儲結構圖

2.3 MIFARE Pro卡

MIFARE Pro卡是指卡片內含微處理器、存儲單元和芯片操作系統(tǒng)的具有邏輯處理能力的集成電路卡，一般稱為CPU卡。CPU卡是將密鑰安全存儲在卡片內，在實際使用中自身進行邏輯計算來確定合法性，極大提高了卡片的安全。

CPU卡具備有以下特點：

1) 具有4字節(jié)的唯一物理編號；

2) 具有硬件DES/3DES協(xié)處理器；

3) 具有硬件真隨機數(shù)發(fā)生器；

4) 以文件、目錄形式定義存儲結構，以目錄進行安全隔離；

5) 空間容量大。一般常用的有8 KB空間，目前已達到128 KB。

由于CPU卡內具有操作系統(tǒng)，典型的CPU卡存儲結構如圖3所示。

圖3 CPU卡存儲結構圖

3 與票卡的交互流程

無論MIFARE Ultralight卡、MIFARE Classic卡或MIFARE Pro卡，在軌道交通領域都是作為非接觸式IC卡來使用，通過射頻完成數(shù)據(jù)交互。不同的IC卡交互流程有所不同，操作命令不同，但均遵循ISO-14443國際標準。

典型的交互流程分為以下三種。

3.1 尋卡流程

非接觸式IC卡經(jīng)過尋卡(request)、防沖突(anti-collision)和選擇(select)交互命令進入數(shù)據(jù)交互過程，確保了交互過程的唯一性[6]。非接觸式IC卡尋卡流程如圖4所示。

圖4 非接觸式IC卡尋卡流程圖

由于MIFARE Ultralight卡具有7字節(jié)的唯一長度，須進行二次防沖突和二次選擇后進入數(shù)據(jù)交互過程。而MIFARE Classic卡和MIFARE Pro卡具有4字節(jié)的唯一長度，只須一次防沖突和選擇卡后進入后續(xù)的操作過程。

3.2 MIFARE Classic操作

MIFARE Classic卡不支持ISO-14443-4的協(xié)議，在選擇(select)卡片后進行三重認證完成加密握手，然后根據(jù)相應的命令完成操作：

1) 對于數(shù)據(jù)區(qū)可使用讀塊、寫塊命令；

2) 對于值區(qū)可使用加值、減值、恢復等命令，確認后進行傳遞完成；

3) 對MIFARE Classic卡的操作以塊為基礎單位進行。

MIFARE Classic卡操作命令流程如圖5所示。

3.3 MIFARE Pro卡操作

MIFARE Pro卡支持ISO14443-4的協(xié)議。由于MIFARE Pro卡容量大、數(shù)據(jù)交互量大。須發(fā)送RATS以交換雙方的特性信息，包括是否支持PPS以更快速的進行數(shù)據(jù)交互；設置、獲取FWT值以確定后續(xù)數(shù)據(jù)接收、傳輸緩存大小等特性。

RATS命令后所有CPU卡的操作稱為APDU(Application Protocol Data Unit)命令。APDU命令在空中可讀取，所以稱為交換透明數(shù)據(jù)。正如之前所述，CPU卡的安全性依賴于CPU卡的邏輯計算處理能力，而不需要對空中數(shù)據(jù)進行加密傳輸。

MIFARE Pro卡操作命令流程如圖6所示。

圖6 MIFARE Pro卡操作命令流程圖

4 車票的使用

在實際軌道交通自動售檢票系統(tǒng)應用中，上述幾種類型的車票都有可能使用，且會有不同的供應商供貨。不同的車票物理介質其交互使用的命令接口不同，同是CPU卡物理介質的車票，其文件、目錄也會隨發(fā)行方的設計有所不同。因此，根據(jù)實際應用區(qū)分不同介質的車票，尤其是區(qū)分不同的發(fā)行主體的CPU介質車票是軌道交通應用的首要解決的問題。

4.1 對票卡物理介質的識別

Request命令的應答值定義如圖7所示。

圖7 尋卡(Request)命令應答值定義

其中的b7、b8兩位表示卡號的長度，含義分別為：00b表示4字節(jié)的長度；01b表示7字節(jié)的長度；10b表示10字節(jié)的卡號，11b預留[6]。因此，根據(jù)Request的應答數(shù)據(jù)首先可以區(qū)分出MIFARE Ultralight卡，然后根據(jù)Ultralight卡命令執(zhí)行后續(xù)操作。

Select命令的應答值定義如圖8所示。

圖8 選擇卡(Select)命令應答值定義

其中的b6和b3位組合起來：10b表示唯一卡號完整，且符合ISO14443-4；00b表示唯一卡號完整，但不符合ISO14443-4。同時，若b3位值為1時，則說明卡片物理卡號不完全，還需要再次防沖突和選擇卡[6]。

MIFARE Classic卡不支持ISO14443-4協(xié)議，因此可根據(jù)Select的應答區(qū)分出MIFARE Classic卡，然后根據(jù)MIFARE Classic卡命令執(zhí)行后續(xù)操作。

所有不符合上述的流程判斷的卡，可認為是MIFARE Pro卡。

完整的區(qū)分識別MIFARE Ultralight、MIFARE Classic卡和MIFARE Pro卡的流程如圖9所示。

圖9 區(qū)分MIFARE Ultralight、MIFARE Classic和MIFARE Pro流程圖

4.2 對MIFARE Pro卡的識別

在軌道交通自動售檢票系統(tǒng)中應用的CPU卡，除了地鐵自身發(fā)行的IC卡外，還有符合住建部IC卡服務中心標準的一卡通、符合交通部標準的一卡通、符合銀聯(lián)標準的銀行卡，以及其他系統(tǒng)發(fā)行的但不允許在地鐵使用的CPU卡。因此在識別出CPU卡后，還需要進一步區(qū)分CPU卡的發(fā)行主體。

CPU卡的存儲結構為文件、目錄，因此可利用目錄名、文件名以及文件內容來進行區(qū)分。比如，交通部和銀聯(lián)均要求其應用須在PPSE的支付環(huán)境下，可通過選擇PPSE的返回值來確定是否為交通部卡；住建部IC卡服務中心標準的AID值為唯一值，可通過其確認是否為符合住建部標準的一卡通；其他發(fā)卡方可以在設計時，通過約定其中某一個文件的值來定義區(qū)分。

綜上所述，CPU卡的區(qū)分發(fā)行主體須根據(jù)具體的應用環(huán)境進行設計、識別。以某城市地鐵的應用為例，該城市地鐵CPU卡的應用流程如圖10所示。

圖10 某城市地鐵CPU卡應用流程

4.3 票卡應用優(yōu)化法測試

使用華虹計通公司生產(chǎn)的DTD-3018型讀寫器進行尋卡時間測試。測試時間為通過命令可確定車票物理介質為止。

嘗試法尋卡按照優(yōu)先MIFARE Pro卡，其次MIFARE Classic卡，最后MIFARE Ultralight卡的來測試其尋卡的時間，如表1所示。

表1 嘗試法尋卡時間表 ms

針對同樣的卡使用優(yōu)化方法進行尋卡時間測試，如表2所示。

表2 優(yōu)化后尋卡時間表 ms

從測試結果可以看出，嘗試法尋卡時間與確定車票物理介質的先后順序相關聯(lián)，首先確認的車票其尋卡時間更快，而優(yōu)化后的尋卡時間與車票的介質不相關，提高了車票尋卡確定速度。

5 系統(tǒng)架構

通過上述對卡的快速識別的整理，提出讀寫器軟件開發(fā)過程層級開發(fā)架構概念，使讀寫器的業(yè)務集中在應用層，而與射頻的交互由底層驅動完成。

典型的軟件系統(tǒng)結構設計如圖11所示。

圖11 讀寫器內軟件系統(tǒng)結構示意圖

在識別車票種類后，采取業(yè)務與硬件分離統(tǒng)一對射頻的調用接口，并按照ISO-14443的卡片交互流程定義了相應的函數(shù)接口，使應用層開發(fā)直接面向應用開發(fā)。例如：

尋卡、防沖突、選擇卡相應的函數(shù)定義：

UBYTE mcml_request(UBYTE request_type,UBYTE*atq);

UBYTE mcml_anticoll(UBYTE*psnr);

UBYTE mcml_select(UBYTE*psnr, UBYTE*status);

讀、寫MIFARE Ultralight的信息函數(shù)：

UBYTE UL_Page_Read(UBYTE addr, UBYTE*pReaddata);

UBYTE UL_Page_Write(UBYTE addr, UBYTE*pWritedata);

ISO-14443-4的交換透明數(shù)據(jù)接口函數(shù)：

UBYTE mifpro_icmd(UBYTE*inbuf,UBYTE inbytes,UBYTE*outbuf,UWORD*outbytes);

6 結 語

隨著新建城市軌道交通的擴展，快速響應城市軌道交通自動售檢票系統(tǒng)的應用面臨更緊迫的需求。與此同時，既有已開通軌道交通的城市也面臨接入更多票卡的需求。本文通過對軌道交通大量使用的各種介質車票的分析，參照ISO-14443規(guī)范的角度提出了識別車票的一種方法，進而優(yōu)化了交易時間的處理。

針對軌道交通自動售檢票系統(tǒng)使用的儲值類車票進行進一步分析，提出了一種根據(jù)專用AID標識識別的方式，更進一步建議車票設計時的相互協(xié)調的方法，使得在滿足業(yè)務的情況下，加快車票的交易處理時間。

最后，針對新一代的開發(fā)環(huán)境，將原來緊密耦合射頻驅動、業(yè)務處理的軟件開發(fā)變更為層級式開發(fā)，并提出了基于嵌入式系統(tǒng)讀寫器層級軟件開發(fā)結構，使參與讀寫器的不同開發(fā)人員關注其重點方面，最終使對車票的處理轉向對業(yè)務的分析、處理，更加靈活地適應變化的軌道交通業(yè)務需求，加快了開發(fā)速度，增強了產(chǎn)品的穩(wěn)定性。

在寧波軌道自動售檢票系統(tǒng)中增加符合交通部標準的一卡通、符合銀聯(lián)標準的銀行卡功能應用時，使用票卡快速識別方法保證了不影響既有的MIFARE Ultralight卡、MIFARE Classic卡的交易速度，又可快速識別各發(fā)行主體的CPU卡。同時，利用層級式開發(fā)方法在寧波軌道應用公共交通換乘優(yōu)惠時，使開發(fā)人員重點關注優(yōu)惠規(guī)則的業(yè)務實現(xiàn)，快速響應了客戶的需求。