智能動車組自動售貨機軟件系統設計

譚 雪，王 斌，朱建軍，黃偉偉，尹伊伊

（1.中國鐵道科學研究院集團有限公司 電子計算技術研究所，北京 100081；2.中鐵程科技有限責任公司，北京 100081）

0 引言

智能動車組通過與互聯網、人工智能等技術的深度融合，推動智能行車、智能運維、智能服務等智能技術應用，為旅客提供更安全、高品質、多元化的運輸服務。自助售貨機作為智能服務的一部分，具有節約人力、便捷的特點。為滿足鐵路旅客日益增長的美好生活需要，鐵路12306 正在逐步向出行服務型平臺轉變[1]。12306 互聯網餐飲預訂平臺自2017 年上線以來，從提供動車組餐飲沿途車站餐品及車上自營餐的訂餐及送餐到座服務，逐步擴展成為支持掃碼點餐、車站用餐模式的多渠道多場景的服務平臺[2]。智能動車組自動售貨機軟件系統作為12306 餐飲預訂平臺的一部分，與其他餐飲模式形成互補，共同構建列車餐飲生態圈。

與商場、街道、車站等位置放置的自動售貨機不同[3]，放置在列車上的售貨機隨著列車位移不斷變化，給售貨機的通信和管理帶來了一定的困難。作為餐飲預訂平臺一部分，自動售貨機軟件系統需要充分考慮本系統及平臺其他系統的特點，實現既有功能和數據復用，降低開發成本和維護工作量。系統通過應用數據同步及補償機制、二維碼生成及識別、智能出貨控制、異常情況處理等技術，解決了自動售貨機軟件系統在列車高速運行時面臨的復雜網絡環境、復雜列車編組管理、車上操作空間緊張等一系列問題。系統在線路上完成現場測試，運行平穩可靠。

1 系統分析與設計

1.1 自動售貨機軟件系統需求分析

自動售貨機系統用戶按照角色可分為平臺管理員、列服人員、旅客。平臺管理員使用系統實現設備的管理和監控，列服人員使用系統完成開店、庫存維護、異常情況處理等操作，旅客使用系統完成商品瀏覽、下單、支付等操作。自動售貨機軟件系統具體需求分析如下。

（1）保證列車高速運行環境下數據交互的穩定性和時效性。在動車組列車高速移動環境下，由于基站的不均勻分布以及高速移動帶來的多普勒效應和頻繁的越區切換，導致網絡服務質量明顯下降，信號不穩定[4]。售貨機通信過程中，涉及多次車地交互，網絡穩定性要求高。自動售貨機軟件設計時，應充分考慮列車網絡環境對數據交互的影響，優化業務處理流程，研究通信中斷、通信延遲等情況的處理機制，保證數據傳輸的穩定性和時效性。

（2）對售貨機進行統一的授權和管理。商場、街道、車站等位置放置的售貨機固定屬于某個商家使用和管理。列車上放置售貨機處在不斷移動的環境中，負責售貨機的商家隨列車擔當車次變化。由于供應商和設備型號多，不同型號的售貨機貨道分布不同，需要按照型號進行配置和調試。平臺需要對設備進行統一管理，保證商家的使用。

（3）滿足列服人員車上空間小、時間緊環境下的操作需求。自動售貨機的開店、上貨、異常處理、庫存盤點等操作都需要列服人員在列車上完成。列服人員車上操作具有空間小、操作時間緊的特點，設計相關功能時需要考慮列服人員的操作特點和操作習慣，降低列服人員工作的復雜度[5]?；ヂ摼W餐飲平臺已經建成覆蓋列車自營餐、車站送餐上車、車站用餐等多種場景，包含權限管理、商戶管理、商品維護、對賬結算等系統。自動售貨機作為互聯網餐飲平臺的又一渠道，可以共用既有平臺的部分功能和模塊，減少操作成本及開發成本。

（4）適應當代旅客的購物及支付習慣。2022年中國用戶平均使用手機3.3 h/d，覆蓋社交、購物、拍照等應用，旅客越來越傾向于移動端購物。目前旅客較少攜帶現金出行，考慮到當代旅客購物和支付習慣[6]，系統需要支持移動支付場景。

1.2 系統架構

系統架構采用分層架構設計，自動售貨機軟件系統系統架構如圖1 所示。系統從上到下依次分為展示層、應用服務層、數據層、基礎設施層4 層結構，并與餐飲預訂平臺其他系統、其他平臺或系統進行數據交互。

圖1 自動售貨機軟件系統系統架構Fig.1 System architecture of vending machine software system

展示層實現與用戶交互，強調用戶體驗。用戶按角色可以分為平臺管理員、列服人員、旅客?？紤]平臺管理員管理的設備數量多，列服人員車上操作空間緊張，以及旅客的購物習慣，分別使用設備管理系統、列服人員APP、旅客端小程序實現3 個角色的功能。

應用服務層負責系統核心業務邏輯的處理，向下與數據層交互，向上與展示層交互。查詢服務提供商品查詢等服務；訂單服務提供訂單創建、訂單變更等服務；交易服務提供支付、退款等服務；通知服務提供店鋪狀態通知、出貨失敗通知等通知服務；出貨服務提供旅客支付后自動出貨、列服人員手工出貨等服務；認證服務提供用戶賬戶認證、開行車次認證等服務；庫存管理服務提供庫存維護、庫存調整、庫存盤點等服務；硬件交互服務提供獲取設備狀態、設備開門、設備出貨等服務；設備管理服務提供設備維護及管理、設備型號維護、設備貨道維護等服務；授權服務提供設備準入授權服務。

數據層負責數據的管理，包括數據的清洗、處理，并將處理好的數據存儲在數據庫中。數據層包括訂單數據、交易數據、消息數據、庫存數據、操作數據、設備數據等。

基礎設施層包括操作系統、數據庫、服務器、網絡、存儲等。

系統與餐飲預訂平臺其他系統進行交互，包括商品管理系統、權限管理系統、支付系統、對賬結算系統等；系統與其他平臺或系統進行交互，包括售貨機硬件、鐵路主數據平臺、微信/支付寶等。

1.3 業務功能設計

系統業務功能主要分為設備授權及管理、車上信息維護、商品售賣三大部分，分別供平臺管理員、列服人員、旅客3 個角色使用。自動售貨機軟件系統業務功能設計如圖2所示。

圖2 自動售貨機軟件系統業務功能設計Fig.2 Business function design of vending machine software system

平臺管理員負責設備的授權及管理。平臺管理人員收到新設備準入申請后，將維護設備的型號、設備所在車底及位置等信息，審核信息并進行設備授權。系統檢測各個售貨機的運行狀態及開行車次，保證系統運行平穩。

列服人員負責車上信息維護。設備授權完畢后，列服人員登錄賬號，輸入當次值乘的車次信息，校驗通過后完成設備激活。上貨功能支持獲取本商戶下的商品信息，并維護商品在售貨機上的貨道及庫存信息。開/關店功能將調用售貨機硬件進行開/關店操作。訂單查詢功能支持查詢售貨機當前擔當車次的訂單信息。硬件操作功能支持開門、關門等硬件操作。庫存盤點功能支持當前車次商品的庫存盤點。對于列服人員值乘連續多次列車的情況，交接班功能可將上一班次的庫存交接到下一班次中，減少維護工作量。當商品出貨失敗后，提供手工出貨功能，對出貨失敗的商品重新出貨；手工出貨仍失敗或旅客要求退款時，支持退款操作。

旅客使用商品售賣功能。設備開店成功后，旅客可瀏覽商品及下單，下單后支持微信、支付寶等多種電子支付方式。支付完成后，設備將逐件出貨，完成整個購物流程。

1.4 數據流設計

自動售貨機軟件系統主要分為設備管理系統、列服人員APP、旅客端小程序、后臺服務四個模塊，自動售貨機軟件系統內部各模塊間，與餐飲預訂平臺其他系統間，以及外部系統間數據交互頻繁。餐飲預訂平臺其他系統包括權限管理系統、商品管理系統、支付系統、對賬結算系統，外部平臺或系統包括售貨機硬件、鐵路主數據平臺、微信/支付寶等。自動售貨機軟件系統數據流設計如圖3所示。

圖3 自動售貨機軟件系統數據流設計Fig.3 Data flow design of vending machine software system

設備管理系統包括用戶登錄、設備維護、設備授權3 個模塊。用戶登錄模塊將用戶的賬戶信息傳遞給權限管理系統進行身份校驗。設備維護模塊將設備型號信息傳遞給設備管理服務進行處理。設備授權模塊將設備及車底信息傳遞給設備授權服務處理。

列服人員APP包括用戶登錄、設備激活、商品庫存維護、設備操作、手工出貨、退款六個模塊。用戶登錄模塊將用戶賬戶信息傳遞給權限管理系統進行身份校驗。設備激活模塊將設備、車底、開行信息傳遞給認證服務，鐵路主數據平臺將車次開行信息傳遞給認證服務，雙方信息共同完成校驗后激活設備。商品管理系統將商戶商品信息傳遞給查詢服務，商品庫存維護模塊獲取查詢服務的商品信息供列服人員查看，并將列服人員維護的商品庫存信息傳遞給庫存管理服務存儲。設備操作模塊將操作信息傳遞給硬件交互服務處理，硬件操作服務再將硬件操作指令傳遞給售貨機硬件實現設備開關門等操作。手工出貨模塊將待出貨商品信息傳遞給出貨服務，出貨服務將出貨商品信息轉換成待出貨貨道信息，并由硬件交互服務傳遞給售貨機硬件完成出貨。退款模塊將退款信息傳遞給交易服務處理，交易服務將交易信息傳遞給支付系統完成退款操作。

旅客端小程序分為商品瀏覽、下單、支付、訂單查詢4 個模塊。商品瀏覽模塊從庫存管理服務獲取可售商品信息。下單模塊將旅客下單的商品信息傳遞給訂單服務處理。支付模塊將支付信息傳遞給支付寶/微信處理，付款信息傳遞給交易服務處理；支付成功后，將訂單信息傳遞給出貨服務，出貨服務將待出貨貨道信息傳遞給硬件交互服務，最終由售貨機硬件完成出貨。訂單查詢模塊從訂單服務獲取訂單信息。交易服務和訂單服務分別傳遞交易信息和訂單信息到對賬結算系統處理。

2 關鍵技術

2.1 數據同步及補償機制

售貨機通信過程中，涉及多次車地交互，包括售貨機硬件與后臺服務器交互，旅客使用小程序與后臺服務器交互，列服人員使用APP與后臺服務器交互。列車移動速度快，每個流程都需要經過多次交互，交互中存在通信中斷、延遲等情況。針對軟硬件交互時存在的各種狀況，為保證通信的完整性，接口交互設計時要注意數據同步、數據補償等問題，保障數據傳輸的穩定性和時效性[7]。

（1）數據同步。數據同步是指監測對方數據發生的改變，并及時更新本地數據，保證雙方數據的一致性。數據更新的頻率根據業務需求而不同，對于業務關鍵、時效性要求高的數據更新頻率越高。數據同步有主動查詢和消息推送兩種方式進行實現。主動查詢根據業務情況主動發起請求，技術實現簡單，查詢頻率都由查詢方決定。消息推送根據業務設置，只有符合的業務觸發后，主動給對方推送消息。消息推送依賴于對方系統的能力，若對方無法提供消息推送的能力，則無法實現消息的推送。為了兼容不同設備的接口能力，使用主動查詢方式進行數據同步。

售貨機開店后，需要對售貨機設備的運行情況進行持續監測。每隔30 s查詢設備的開機狀態，若返回設備異常，需要對設備進行關店處理，并通知列服人員人工干預處理，避免故障期間操作影響旅客購物。

（2）數據補償。系統與其他平臺或系統進行數據交換時，若在接口請求過程中發生了網絡抖動或其他問題，會導致接口調用失敗。需要設計一個長效的接口重新調用機制，在發生網絡抖動時自動地補償調用。接口根據業務不同可以分為操作類請求(包括增、刪、改等操作)和查詢類請求。業務操作接口不可多次請求，若請求接口調用失敗或返回失敗，為避免重復請求造成已接收執行但未成功返回結果的情況，不進行再次請求，報失敗轉人工處理。查詢接口可以多次請求，對于單次請求失敗的情況，需要建立請求重試機制。要根據業務性質的不同，設置補償重試的機制。對于出貨業務，考慮旅客在等待的時效性，5 s、10 s、30 s各重試一次，若仍調用失敗或者無返回，則記錄出貨超時，走異常處理流程。

2.2 二維碼生成及識別

二維碼(Quick Response Code，QR Code)是由多行信息組成的條形碼，能夠在橫向和縱向兩個方位同時表達信息，具有數據容量大、支持多種格式、尺寸相對較小、被破壞依然可被讀取等優點[8]，可實現信息獲取、網站跳轉、賬號登錄等功能。二維碼的組成如圖4 所示，位置探測圖形、位置探測圖形分隔符、定位圖形、校正圖形用于二維碼定位和圖形校正，格式信息、版本信息、數據和糾錯碼字用于存儲數據。

圖4 二維碼的組成Fig.4 Components of quick response code

列車運行時，列車不同時刻擔當的車次不同，不同車次的售貨機負責的商家不同，自動售貨機開店時需要維護和校驗當前負責的商家信息，數據維護復雜。二維碼可以作為設備的唯一標識存儲識別信息，供車上信息維護及購物等后續流程識別使用，提高操作的便捷性。

（1）二維碼生成。二維碼編碼時，確定編碼的字符類型并按相應的字符集轉換成符號字符；將數據字符轉換為位流構成數據碼字序列，根據糾錯等級和分塊的碼字產生糾錯碼字，將糾錯碼字放在數據碼字序列后形成新的序列構造最終數據信息；將探測圖形、分隔符、定位圖形、校正圖形和碼字模塊放入矩陣中構造矩陣；將掩模圖形用于符號的編碼區域，生成格式和版本信息放入相應區域內[9]。

平臺管理員設備維護及授權后，將設備信息、設備所在的車底信息等數據存儲在二維碼中。設備二維碼將推送到售貨機上，在設備屏幕上顯示(沒有屏幕時將二維碼貼在售貨機上)。設備更換或變更位置需要重新授權。

（2）二維碼解析。二維碼解碼時，首先去掉掩碼，然后從右下角開始z 字讀取確定編碼格式和大小，并根據編碼格式和大小進行解碼，并使用糾錯碼進行冗余校驗，從而實現二維碼的解碼[8]。

列服人員使用列服人員APP掃描二維碼，二維碼解析將獲得設備信息及車底信息。二維碼掃描后彈出登錄頁面。列服人員登錄成功后，需要輸入本次擔當列車的始發日期和始發車次，與二維碼解析獲得的設備信息和車底信息進行校驗完成設備激活操作。

旅客使用微信掃描二維碼，二維碼解析將獲得設備信息及車底信息。小程序將設備信息及車底信息傳遞到后臺服務，獲取當前售貨機的可售餐食信息供旅客瀏覽及選購。

2.3 智能出貨控制

出貨作為旅客購物的關鍵環節，涉及多次軟硬件通信，容易出現不出貨、少出貨、貨損等問題。出貨故障影響旅客購物體驗，增加自動售貨機運維成本[10]。設計智能出貨控制機制，從出貨防重和出貨順序兩方面實現對出貨的智能管理，提高設備出貨成功率。

（1）出貨防重。商品的出貨操作涉及觸發硬件，硬件從收到出貨指令到完成出貨時間較長，出貨結果同步返回易造成超時，售貨機軟硬件交互時涉及“申請出貨”與“出貨結果查詢”2個接口，自動售貨機出貨業務流程圖如圖5 所示。出貨結果查詢未返回結果、接口調用失敗、商品出貨中時，需要重新查詢出貨狀態；出貨狀態查詢時返回無商品出貨時，需要重新申請出貨。為保證“出貨狀態查詢”查詢的為本次“申請出貨”時的結果及重新申請出貨時不造成重復出貨，在每次出貨申請時生成唯一標識，需要“出貨狀態查詢”時查詢此標識的出貨情況，從而避免重復出貨的情況。

圖5 自動售貨機出貨業務流程圖Fig.5 Shipping flow chart of vending machine

（2）出貨順序控制。旅客下單時，按照旅客的下單順序出貨。若前后訂單接續出貨時，兩個訂單出貨之間無間隔，會出現商品誤拿、錯拿等情況。設計訂單出貨順序控制，當前一訂單正在出貨時，后一訂單僅可瀏覽商品，暫不可下單。等待前一訂單所有商品出貨成功后，頁面推送提醒旅客可以下單。

由于不同種類商品的易碎、怕壓程度不同，根據商品分類劃分出貨優先級，如盒飯類、飲料類、零食類等，怕壓的商品最后出貨，從而保證商品的完整性[11]。出貨時，根據訂單中商品的出貨優先級順序出貨，降低貨損、投訴等狀況。若訂單中某件商品出貨失敗，訂單中的后續商品將不再出貨。

2.4 異常情況處理

由于設備及網絡等原因，出貨失敗的情況不可避免。針對出貨失敗，設計自動處理與人工干預相結合的業務處理機制。自動處理具有處理迅速準確的特點，可迅速做出判斷避免進一步損失；人工處理可以根據現場的實際情況及旅客的意愿做出處理，處理靈活、旅客滿意度高。自動處理與人工干預相結合，共同完成出貨失敗異常處理。

（1）自動處理。出貨失敗后，為了避免造成進一步損失，此訂單待出貨的商品不再進行出貨，同時對設備進行關店處理。設計出貨失敗提醒機制，當自動售貨機出現出貨失敗時，列服人員APP將推送出貨失敗的語音提醒，提醒列服人員進行處理。為了方便列服人員進行人工干預處理，標記出貨失敗的貨道、訂單及商品為異常狀態。

（2）人工干預處理。列服人員收到出貨失敗異常通知后，前往售貨機查看及處理。根據現場設備情況及旅客意愿，列服人員可使用列服人員APP進行手工出貨或退款處理。若商品發生卡貨狀況，列服人員調整卡貨商品，使用手工出貨方式逐件商品進行出貨。當訂單中所有商品均出貨成功后，標記訂單出貨完成。對于手工出貨仍不成功，以及旅客要求退款的情況，列服人員通過列服人員APP進行退款處理。

3 結束語

受制于列車空間、設備限制以及服務人員數量的影響，列車餐食作為旅客出行服務重要一環，提高旅客餐食滿意度一直是鐵路部門努力的方向[12-13]。設計自動售貨機軟件系統，解決了高速運行列車通信不穩定對設備的影響，以及自動售貨機管理難題，實現旅客在自動售貨機實現餐食選購、支付等功能。自動售貨機服務是列車餐食領域的又一探索，完善了列車餐飲服務鏈，為旅客提供多樣化、便捷的列車餐食服務。為進一步擴展服務內容和范圍，可以考慮售貨機在其他動車組列車及普速列車上進行推廣，并不斷豐富自動售貨機的銷售品類，為旅客提供更加優質的服務[14-15]。