城市軌道交通自動售檢票系統架構優化

曹家玉 林雪峰 李悅溪

（上海儀電物聯技術股份有限公司 上海市 200233）

1 引言

軌道交通自動售檢票（AFC，Automatic Fare Collection system）系統是軌道交通系統的核心子系統，是集計算機技術、信息收集和處理技術、機械制造于一體的自動化售票、檢票系統，具有很強的智能化功能。這一系統在世界各國的城市軌道交通中得到了廣泛的應用。

自動售檢票系統最初是來自于國外，隨著我國經濟技術水平的發展，產品形式的多樣化，科研水平的提高，我國的軌道交通AFC系統經歷了從無到有的過程。它在改善乘車秩序，提高工作效率，提升企業管理水平和運輸效率等方面起著巨大的作用。

隨著軌道交通進入規模化運營、網絡化運營之后，其路網結構、收費方式及業務管理的模式也在不斷改變，因此AFC 系統架構也在不斷發展和優化。

2 傳統五層架構體系

2.1 傳統五層架構的自動售檢票系統

傳統的自動售檢票系統一般為五層架構，包括清分中心系統（ACC）、線路中央系統（LCC）、車站計算機系統（SC）、車站終端設備（SLE）和票卡。其系統架構如圖1。

第一層：ACC（AFC Clearing Center，清分中心系統）是軌道交通票務清分的中央計算機系統，由生產系統和容災備份系統組成，負責軌道交通全路網的票務管理、票卡發行與調配管理、地鐵專用車票一卡通等換乘交易清算、路網運營模式監控，以及各類交易數據、客流數據的統計分析報表。

第二層：LCC（Line Central Computer，線路中央計算機系統）是指本線路的中央計算機系統，在總體機構中屬于二級機構。LCC負責本線路的票務管理、設備運行的監控、數據審核、參數管理、安全管理、網絡管理、故障自診斷等功能。

第三層：車站計算機系統SC（Station Computer），SC 為車站計算機系統，向上連接LCC，向下控制所有車站設備。它的功能主要包括：收集、統計運營數據、監控和數據采集，本站車票管理、現金管理等。

第四層：車站終端設備（SLE），由BOM、TVM、GATE 等終端設備組成，依據其不同設備類型完成相應的功能操作，如售票、進出站檢票、票卡更新、車票回收等。

第五層：票卡，由單程票、儲值票、公交卡、城市通卡等組成，記錄車票的系統編號、安全信息、車票種類、個人信息、進、出站信息、金額、有效期、歷史交易記錄等信息，與車站現場設備共同完成自動售票、檢票功能。

2.2 傳統五層架構存在的問題

傳統五層架構體系中各個層次相對獨立，又逐級管理，能夠很好的完成地鐵票務業務功能。但是，隨著地鐵路網規模和業務的不斷擴大，五層架構存在明顯的問題。

（1）因路網規模的擴大而增加的各級節點，導致維護的難度和成本越來越高。

圖1

圖2

（2）采用逐級管理、分層數據存儲的設計原則，存在非常大的資源浪費和數據冗余。

（3）數據傳輸效率不高，無法滿足運營精細化管理對客流的實時性要求。

（4）作為基于脫機卡片錢包消費為基礎涉及的信息化系統，越來越不適應移動支付業務在軌道交通自動售檢票的應用需求。

2.3 基于多線路中央的五層架構體系

由于五層架構體系存在建設投入大、數據傳輸效率不高、數據冗余嚴重等特點，因此國內軌道交通企業紛紛開始對軌道交通自動售檢票系統進行優化和創新。其中上海軌道交通最早進行了線路中央技術處理技術的研究，北京、深圳、蘇州等城市紛紛開始建設多線路中央系統（MLC）。

圖3

圖4

圖5

MLC 系統是多條AFC 系統的核心部分，是新型的AFC 線路中心，優化了LC 系統建設模式，打破了原有的每條AFC 線路單獨建設獨立線路中心的傳統格局，實現了多條線路的車站層的統一管理，同時簡化了線路與清分中心ACC 的接口，提升了系統的利用率和可管理性。MLC 系統的采用極大降低了AFC 建設、運營和維護的成本。按照10 條線規模估算，建設、運營和維護成本的5年可節約2 個億，取得了良好的經濟效益。另外，通過MLC 的主備中心系統的規劃，可以極大提升系統的可靠性，確保應用和數據的安全。見圖2。

3 基于融合技術的四層架構體系

對于實現了線路中央集中處理技術的5 層架構體系，架構層次沒有改變，只是節約了建設和運維成本，但是從數據冗余和處理效率來看，沒有本質性的變化。因此國內城市開始了進一步的研究和探索，提出了線路中央和清分中心融合的四層架構體系。

從目前的情況看，線路中央一方面有很大部分業務功能與清分中心基本重復，另一方面有小部分功能由于管理架構的改變、數據線路局限性等原因而在實際中不再使用。因此，經過對原有五層架構中的清分中心和多線路中央系統進行業務上的整合和優化，可以對二者在基礎IT 資源、系統功能和數據等方面進行深度的融合，形成新的路網融合清分中心系統。路網融合清分中心系統提供票務管理、運行模式管理、數據采集、性能監控、設備監控、故障管理、統計報表、票務清分、參數管理等各項功能。

因此，軌道交通系統的四層架構，包括路網融合清分中心系統、車站計算機系統、車站終端設備以及票卡。其架構體系如圖3 所示。

四層架構體系中的路網融合清分中心系統基于云計算技術，在基礎設施IaaS 層實現共建共享，在平臺PaaS 層發布統一的數據庫平臺和數據交互平臺，同時在軟件SaaS 層對于線路中央和清分中心的業務進行歸納和整合。系統應用虛擬化技術、負載均衡技術和系統管理技術等，將系統的服務器、磁盤陣列等設備分別形成存儲、數據庫、通信處理、業務處理等資源池，統一外部接口，集中處理數據，具有資源層共享、平臺層優化集中、應用層降耦配置、突出數據應用等優點。通過這種融合技術，可以進一步建設系統建設費用，減少數據冗余，同時可以有效的提升數據傳輸和處理的效率。

目前新建城市基本按照此架構建設AFC 系統，上海于2018 年建成融合平臺，節約建設費用40%，提升數據處理速度2 倍以上。

4 基于“云”+“端”的三層架構體系

自2017 年以來，隨著城市軌道交通的刷碼過閘應用開啟，票務支付方式日新月異，包括人臉識別、語音識別技術的應用、掌靜脈過閘、刷臉過閘、銀行卡過閘等方式層出不窮，這些支付方式的相對于傳統的錢包脫機消費方式發生了巨大的變化，無一例外的都對于交易的實時性、在線性、安全性提出了很高的要求。傳統的五層或四層架構體系需要經過巨大的變革代價才能滿足新業務的發展，而且隨著5G 技術的成熟、云計算技術的廣泛應用，軌道交通自動售檢票系統的新的變革已經非常迫切，因此提出了基于“云”+“端”的扁平化的自動售檢票架構體系。其架構體系見圖4。

“云”+“端”的自動售檢票系統，采用的是三層的架構體系，

通過建立統一的票務中心系統云平臺，在IaaS 層通過云計算技術進行網絡、存儲和計算資源的云化，并且將清分中心、線路中央系統和車站計算機系統的業務功能進行歸納和整合以后，以微服務的方式進行發布，同時對票務中心系統構建統一的數據中臺，涵蓋在線的流式數據處理、數倉應用以及歷史的數據湖存儲。“云”+“端”的自動售檢票系統見圖5。

通過建立“云”+“端”的三層AFC 架構，其優點包括如下：

4.1 大大提升數據處理的速度

通過“云”+“端”模式，減少了車站計算機和線路中央計算機的存儲轉發等環節，可以有效的減少交易在業務層面的延遲，確保交易的實時相應，將原先的交易相應速度以分鐘計算變為毫秒級相應。一方面可以通過在線交易的驗證，確保交易的安全性，同時實時的交易分析處理和客流統計，也可以給管理者提供更加及時的客流分析結果，提升運營管理的精細化程度。

4.2 降低建設運營成本，提高資源利用率，提升系統可靠性

通過車站計算機和線路中央計算機的裁剪，以及通過云管技術對于資源的調度和管理，可以有效降低建設和運營成本，同時基于微服務和分布式的軟件架構設計，結合負載均衡和雙活技術，可以確保系統的7*24 小時不間斷運行，有效提高系統的運行可靠性。

4.3 提升業務快速的響應程度

“云”+“端”的架構模式，二期應用采用微服務發布，確保了新業務從需求、到設計、開發測試和發布的敏捷開發模式，徹底改變了傳統的AFC 牽一發動全身的模式。從立項申請開始，到原型開發驗證，再到發布上線，不需要對原有的系統進行大的改變，而只是需要以微服務的方式新增應用或對原有的關聯業務進行優化和調整即可，極大的提升了業務的響應速度。

5 結語

隨著軌道交通網絡化運營的逐漸實現，隨著底層基礎的票卡形式、支付方式的智能化發展，以及對于數據分析和輔助決策的實時性的更高要求，AFC 系統的優化越來越受到有關部門的重視，本文分析了基于AFC 系統功能與非功能的需求，研究了AFC 系統的發展歷史和優化方向，云計算在軌道交通系統中大量使用對AFC 系統的優化具有積極意義。