寧波軌道交通AFC系統全功能線網讀寫器設計與應用

黃孫，金偉，徐超，花小林，沈璐

(1.寧波軌道交通運營分公司，浙江寧波，315000; 2.優城（寧波）地鐵科技有限公司，浙江寧波，315000）

0 引言

傳統讀寫器的特點主要表現為單線路、單運營商、單集成商/設備商的單一化結構體系模式，讀寫器通常集成于各AFC系統終端設備中，采用與卡規劃設計應用、系統業務完全無關的純驅動型設計方式。隨著城市軌道交通的發展，運營線路不斷增多，卡業務、卡應用的范圍也不斷擴大。2003年之后，各城市相繼開始AFC清分中心(ACC)系統的規劃和建設，AFC系統演變為五層架構，原來各自進行的票卡、讀寫器規劃設計和管理工作，逐漸交由ACC統一完成。

在寧波軌道交通新的線網化運營需求和AFC系統結構體系下，傳統讀寫器設計模式存在以下問題:

（1）票卡的數據結構規劃、密鑰安全設計、票卡應用、讀寫器安全防護措施等資料將向線網內參與建設的所有集成商/設備商開放，AFC系統的安全風險加大。

（2）集成商/設備商根據自身設備特點進行讀寫器開發，雖有統一通訊的規范加以限制，但仍存在各自設備內部私有的數據交換協議，導致上位機的軟硬件接口各不相同，無法在線網內通用;同時，在進行新線設備設計時，必須考慮與既有線設備兼容，或對既有設備進行改造，造成業務的統一規劃和管理難以進行。

（3）當要求引入新的卡標準(如兼容TypeA、B、C)、卡類型(如邏輯加密卡發展為CPU卡)、卡業務(如城市通卡、市民卡、金融IC卡、手機支付等)時，必須集中現有線路的所有集成商進行設備改造集中討論會議，新增投資和運營影響都較大。

所以，純驅動型讀寫器無法適應寧波軌道交通新業務和線網化運營，其弊端日趨凸顯，對讀寫器和現場設備的改造工程頻繁發生。因此，進行標準化、獨立化和通用化的線網級讀寫器設計，是讀寫器技術發展的整體趨勢。

傳統AFC建設中技術以AFC集成廠商為主，各條線路各自招標，造成關鍵設備的讀寫器的供應商不同，硬件和軟件不統一，基本不存在互換性。隨著網絡化建設和運營需求對關鍵核心設備的互換性要求提出了很高的要求，讀寫器按照線網級應用進行標準化設計和開發，票務處理軟件（TP軟件）內置于讀寫器的方向發展，從根本上解決不同供貨商設備的互通、互換，以及AFC終端設備適應不斷發展的新票種、新業務、新應用的需求。

寧波軌道交通目前營運的線路有3條，讀寫器的供貨商分屬不同集成商，硬件和軟件不統一，各線路讀寫器不能互換，且存在兼容性問題，在互聯網票務改造和銀聯ODA、交通部互聯互通改造中耗費巨資讓讀寫器各廠家升級讀寫器軟件和相關硬件設備。筆者針對此現狀，設計了一種基于ARM CORTEX A9的全功能線網級的智能讀寫器，并已在寧波軌道交通既有線路上實現讀寫器的兼容互換和可靠穩定運行。

1 線網讀寫器的發展

通過查閱公開資料[1][2][3]，2010年以前的軌道交通讀寫器的標準對功能和軟硬件設計上基本相似。隨著嵌入式技術和數據存儲技術的發展，讀寫器的硬件能力有很大的提升，票務處理的功能基本由AFC終端設備的上位機逐步轉移到讀寫器端實現。同時軌道交通讀寫器的技術標準的形成與這些城市的AFC系統的建設特點密切相關，由于AFC集成供應商在技術上處于優勢地位，而且供貨和服務相對較為穩定，客觀上導致對讀寫器的通用性和獨立性要求一般。2010年以后，隨著銀聯PBOC 2.0 和PBOC 3.0 《中國金融集成電路(IC)卡規范》的規范先后頒布實施基于NFC及二維碼這兩項基本技術實現的地鐵移動支付業務的實現離不開讀寫器的功能支持，使得讀寫器設計標準不斷提高。近年各地開展的AFC票務系統的互聯網+的業務改造中，讀寫器的票務處理軟件（TP）改造都是核心改造任務，對讀寫器的獨立性和通用性提出了很高的要求。

2 全功能線網讀寫器業務處理流程探索

線網讀寫器內部對票務處理程序調用方式的選擇是實現讀寫器在多個AFC集成供貨商終端設備之間的通用互換關鍵一步。目前主流的方式為采用串口通信報文的方式。在采用數據報文的調用方式下，AFC終端設備與讀寫器之間采用“一問一答”的串口同步通訊方式,即AFC終端設備向讀寫器發送命令報文，然后讀寫器向AFC終端設備發送應答報文。在AFC終端設備收到讀寫器的應答之前，或者超時等待結束，AFC終端設備不應該再次發送命令報文。數據報文調用方式不依賴于終端設備的上位機的操作系統，只要對數據報文的標準做出嚴格的統一，即可實現全線網的讀寫器與AFC終端設備的兼容互換要求。

而寧波軌道交通早在制定AFC技術規程時，讀寫器的數據交換使用的就是數據報文模式。這也是寧波軌道交通自主研發設計讀寫器埋下的伏筆。

寧波軌道交通全功能線網讀寫器的設計的核心在于業務處理功能的劃分，它是決定讀寫器標準化、模塊化、獨立化與通用化程度的重要因素，也是全功能讀寫器的一個重要特征。縱觀我國城市軌道交通的發展歷程，結合寧波軌道交通線網的建設與發展，不難發現，讀寫器的業務處理范圍正在不斷的擴大，功能也在不斷的增強。

全功能線網讀寫器的應用，可以有效減少讀寫器與AFC終端設備的流程交互次數，提高票卡交易處理的速度，降低票卡處理與AFC終端設備軟件的耦合度，實現讀寫器的模塊化設計，方便新票種的接入與整個票務系統的改造升級。此外，全功能線網讀寫器的設計也為實現票務處理的安全性提供了基礎保障。

軌道交通AFC系統的票務處理是非常復雜的過程，在軌道運營過程中遇到新增票種、票卡結構數據的變動、票務規則的修改與更新、票卡應用有效期的變更以及互聯網票務的接入與改造等等，這些票務的改造與升級必須依賴于讀寫器的票務處理程序的升級更新。傳統讀寫器的票務處理往往與AFC終端設備的上位機軟件耦合在一起，票務處理程序升級的同時需同步更新上位機的軟件和應用接口。然而各城市AFC系統的建設時引入不同的供貨商，甚至讀寫器與終端設備軟件的供貨商也不同，相同供貨商的讀寫器產品分屬于不同時期的產品，互相之間不兼容，導致票務改造與升級時牽涉到不同廠家，作為軌道業主運營方需協調各方資源來進行軟件修改與測試，并進行線網設備的兼容性測試，這些工作往往工作量大，而且難度較大、成本較高。而全功能線網讀寫器的應用能實現完整獨立的票務處理，將票務處理功能整合到讀寫器內部，統一全線網的讀寫器軟件標準與接口標準，票務改造與升級不涉及AFC供貨商的終端設備的軟件修改，只需單獨對讀寫器進行測試，為票務改造與升級帶來極大的便利性，降低了整體升級改造成本以及后續維護的成本。

另一方面，在各城市AFC建設之初引入多家AFC供貨商一定意義上有利于降低建設成本，及避免廠家的技術壟斷。但同時也存在由于各集成商的技術力量不一，對內部接口標準不統一，讀寫器的通用兼容互換性就很差，在新線開通時需要做大量的測試工作來確保全線網的票卡處理兼容性和票務規則的一致性。與此同時由于每家供貨商都需要讀寫器的軟件開發，各供貨商對密鑰系統和票卡結構等秘密資料有所了解，存在密鑰系統泄露的風險，降低了AFC系統的安全性。而采用全功能線網讀寫器后，建立統一的讀寫器通訊報文規范，使得讀寫器的兼容性與安全性大大增強，有利于運營方對票務系統的有效管理。

最后在數據傳輸的安全性方面，全功能線網讀寫器整合了票務處理程序，讀寫器可以完整獨立地對票卡進行相應的處理，有效減少了與AFC終端設備的交互次數與數據通訊量，提供了票卡處理的交易速度，所有的交易日志都可以在讀寫器中記錄，并保存一段時間，方便后續的維護與跟蹤，有效保護票卡核心數據的安全性。

3 全功能線網讀寫器未來展望

城市軌道交通AFC系統的讀寫器經過多年的演變和改進，經過了多個階段的演變。實現讀寫器的標準化、獨立化以及通用化是寧波軌道交通未來AFC系統線網化運營的重要技術手段和實現方式，是AFC系統技術標準中不可或缺的重要組成部分，直接影響其它技術標準的制定。同時也可以有效防止供貨商的技術壟斷，適應不斷新增的票卡及票務規則的升級更新，以及互聯網票務應用的頻繁修改需要，有效降低AFC系統的建設和后期維護成本，升級改造成本。

展望全功能線網讀寫器未來的發展，支持銀聯PBOC 3.0的金融IC卡，各類NFC手機錢包應用和二維碼等互聯網支付手段是讀寫器的發展方向和必備的功能。而在軟件的設計上，全功能線網讀寫器必須實現標準化，模塊化、獨立化和通用化。而隨著計算機的技術發展，業務的豐富，讀寫器整合完整的票務處理程序是未來讀寫器的發展趨勢。