NFC通信技術在城市軌道交通中的應用分析

摘要：隨著移動通信和無線射頻識別技術的發展，越來越多的場合需要手機進行身份認證。城市公共交通中也應用了近距離無線通信技術（Near"Field"Communication，NFC），它實現移動支付的主要方式有NFC"近場通信技術、藍牙低能耗（Bluetooth"Low"Energy，BLE）技術、Wi-Fi"Direct技術、基于NFC芯片的智能卡技術。利用NFC技術可以在地鐵自動售檢票系統、地鐵門禁、考勤等其他方面有著廣泛應用。為此，對NFC通信技術現階段存在的問題和未來的研究方向進行深入探討，為推動我國城市地鐵交通的發展提供了一定的理論支持和技術參考。

關鍵詞：NFC通信技術"城市軌道交通"系統支付"""應用措施

Application"Analysis"of"NFC"Communication"Technology"in"Urban"Rail"Transit

SHAO"Dan

Harbin"Vocational"College"of"Science"and"Technology，"Harbin，"Heilongjiang"Province，"150300"China

Abstract："With"the"development"of"mobile"communication"and"wireless"radio"frequency"identification"technology，"more"and"more"occasions"need"mobile"phone"for"identity"authentication."Near"Field"Communication"（NFC）"technology"is"also"applied"in"urban"public"transportation，"and"its"main"ways"to"realize"mobile"payment"include"NFC"near"field"communication"technology，"Bluetooth"Low"Energy"（BLE）"technology，"Wi-Fi"Direct"technology"and"smart"card"technology"based"on"NFC"chip."NFC"technology"can"be"widely"used"in"subway"automatic"ticketing"systems，"subway"access"control，"attendance"and"other"aspects."Therefore，"in-depth"exploration"of"the"current"problems"and"future"research"direction"of"NFC"communication"technology"provides"certain"theoretical"support"and"technical"reference"for"promoting"the"development"of"urban"subway"transportation"in"China.

Key"Words："NFC"communication"technology;"Urban"rail"transit;"System"payment;"Application"measures

隨著地鐵客流的持續增加，地鐵系統所承載的客流量越來越大。在公共交通領域中，地鐵已成為最重要、最便捷的城市公共交通工具。在此背景下，本文提出了近距離無線通信技術（Near"Field"Communication，NFC）技術的城市軌道交通票務管理與乘客身份認證解決方案。NFC技術是一種近距離無線通信方式，其允許電子設備之間進行非接觸式點對點數據傳輸，可以在互不信任的兩個設備之間建立連接并交換數據，從而實現智能手機、信用卡等移動設備之間的移動支付、身份識別和防偽等功能。NFC作為一種新興的通信技術，具有安全、快捷、易用、可擴展性強等優點，目前，NFC技術已經被廣泛應用于手機支付、門禁控制、防偽標簽、酒店入住登記、考勤、購物結賬等眾多領域。本文主要討論NFC技術在我國城市軌道交通中的應用，同時分析該技術在地鐵系統其他業務領域的應用情況，并指出其存在的問題及未來的研究方向。

1.NFC技術及其相關標準

NFC是近距離無線通信的簡稱，其定義為：在規定范圍內具有指定頻率、時間、位置和數據容量的交換與傳輸功能。NFC技術通過感應耦合方式實現了移動終端之間，以及移動終端和基礎設施之間的雙向信息交換[1]。它使用射頻信號自動識別目標對象并獲取相關數據，而無須人工干預。由于NFC技術的工作頻段為13.56"MHz，所以不會受到現有手機頻段的干擾。

NFC標準包括硬件規范層、設備應用層、系統服務層3個層次。其中，硬件規范層包含不同的核心組件，如主控制器、安全元件、NFC控制器等。設備應用層是用戶可以接觸到的部分，包括讀卡器、打印機、指紋傳感器等；系統服務層是管理控制系統的一部分，可以發揮出密鑰管理、加密解密、認證、密鑰協商等功能。當前在電子現金、交通收費、票務支付等場景都可以利用NFC技術；雖然各大標準組織均推出了自己的NFC相關標準，但是彼此間仍存在差異，因此，各個標準之間的互操作性比較差，給實際的應用帶來不便。為了進一步促進NFC技術的發展，相關技術人員需要加大研究力度，制定NFC的最新標準。

2.NFC技術原理

近年來，NFC技術逐漸實現了標準化，同時也開始兼容各種非接觸式智能卡架構[2]。手機NFC的應用模式包括仿真卡、讀卡器與點對點。當前，在軌道交通中利用的NFC技術主要是利用卡片仿真模式。

利用NFC支付階段，無須利用互聯網，將手機靠近NFC的寫讀器，這是因為無須在公共無線網絡中暴露支付方式，可以規避數據截獲問題。第三方不會獲取交易信息，可以保護個人隱私。在手機終端中的安全模塊上存儲設備賬號和指紋解鎖信息，可以獨立于操作系統，這樣在操作系統出現病毒感染的時候，仍舊可以保證硬件安全模塊的安全性，在規避病毒的同時，也可以規避篡改風險。

NFC技術在軌道交通中的應用需要滿足自動檢票機端具備NFC支付功能的讀寫器模塊、具備NFC支付功能的手機、支持NFC支付數據的傳輸，以及NFC支付數據和銀行及運營商之間對賬的安全機制等條件。通過NFC技術實現的移動支付方式，提升了用戶體驗，使乘客能夠更加便捷地完成支付過程，減少了排隊購票和充值的時間，提高了通行效率。

3.NFC技術實現移動支付的主要方式分析

NFC技術使基于手機的移動支付成為可能。而NFC主要被應用于門禁卡、公交卡等領域。除此之外，還可用于電子門票、數據采集、身份識別等方面。目前，NFC技術主要有以下幾種實現方式。

3.1近場通信技術

NFC技術采用非接觸式射頻技術和安全傳輸協議，具有較高的安全性。用戶可以用智能手機或其他個人設備（如掌上電腦）通過天線讀取標簽信息并進行通信[3]。在這個過程中，智能手機或個人設備與讀寫器之間的距離不能超過10"cm，這就保證了讀寫雙方的安全。

3.2藍牙低能耗

這是一種新的低功耗無線通信技術，它允許設備在沒有聯網的情況下進行數據交換。相對于藍牙而言，藍牙低能耗（Bluetooth"Low"Energy，BLE）最大的優點是能夠對信道狀態進行檢測，并根據其結果選擇使用最佳信道進行數據傳輸，這樣就提高了信道利用率，降低了通信能耗。同時，由于BLE工作在2.4"GHz頻段上，因此，不必擔心其他無線設備的干擾問題。

3.3"Wi-Fi"Direct

Wi-Fi"Direct是由Wi-Fi聯盟提出的一個開放標準，主要被用于為各種設備提供更快的無線連接。相較于傳統的Wi-Fi解決方案，Wi-Fi"Direct提供了更多的功能和更好的性能[4]。例如：當你正在咖啡廳上網時，若有人在附近發送廣告，此時Wi-Fi"Direct就會自動將你的瀏覽網頁速度調整至最快。

3.NFC芯片

智能卡NFC芯片一般包含感應天線、存儲單元和微處理器三部分，可以記錄大量數據。這些功能非常適合應用于移動支付，如充值、消費、余額查詢、金融業務辦理、信用卡管理、優惠券管理等。

4.NFC"技術在地鐵票務系統中的應用

4.1應用概述

地鐵票務是指乘客購買地鐵車票和地鐵月票的行為。地鐵作為城市公共交通系統，具有運量大、速度快、安全可靠等特點。為了保證地鐵運行的有序性，地鐵售票需要進行嚴格的控制管理，因此，必須采用先進的技術來實現對地鐵售票系統的監控[5]。目前，國內大部分城市都已經建立了地鐵自動售票機系統，其中絕大多數系統是基于磁卡/CPU技術的，但是經濟的發展和人們生活水平的提高對地鐵售票系統的要求越來越高，在安全性、可靠性、實時性、使用便捷性等方面均有了更高的要求，原有的磁卡/CPU技術已經無法滿足地鐵售票的需求。這就為NFC移動支付技術進入地鐵票務系統提供了機會。NFC技術不依賴特定的硬件環境，任何帶NFC功能的智能卡都可以與手機實現無線通信，從而使手機成為一種新的支付工具。同時，NFC技術還可以提供豐富的功能，如訪問互聯網、電子錢包、小額轉賬等，從而極大地方便用戶的日常生活。下面將詳細介紹利用NFC技術構建的地鐵票務系統模型與實現方式

考慮到用戶可能會同時攜帶多部手機或其他移動設備，因此可以采用分時段策略，即不同時間使用不同的交易流程。具體來說，用戶刷卡進站后，在當前站點完成一次交易，并開始下一站的交易流程；在此之后，若用戶到達2個以上的站點，則其所在的站點均須執行同一交易流程；如果用戶在任意站點重復刷卡，那么其所有交易流程將被終止。這樣，既能夠保證了地鐵售票系統的正常運營，又能夠防止乘客利用偽造卡片逃票。由于NFC終端一般比較輕薄小巧，故難以支持大容量存儲空間，也很難擴展存儲空間。同時，由于NFC終端體積較小，其天線一般設計為短距離發射天線，因此，只能進行單向通信，并且其通信范圍受到物理限制，即通信雙方之間的最小通信半徑約為10"cm。

4.2應用案例

某市地鐵1、2號線開通了NFC支付的SWP-SIM模式，由運營商定制SIM卡，配合用戶NFC功能，發揮移動支付功能的時候，通過對接地鐵自動售檢票系統（Automatic"Fare"Collection，AFC）系統和移動支付平臺，可以對其他項目發揮出借鑒作用。

4.2.1平臺對接

通過對接AFC系統和移動支付憑條，在保證AFC系統安全性運行的前提下，可以減少改造AFC平臺的次數。開展系統對接工作，不會改變現有的票卡發行規則，無須分散處理加密機密鑰，只需對功能接口進行調用[6]。發卡系統是獨立的，無須改造現行的發卡系統。

剝離現有的票卡調配方式，不會影響現有的運營規則。在AFC系統中處理相關業務，其他部門不會干涉，無須協調多個部門，可以維持現有運營體系運行的正常性。

4.2.2實施過程

在第一階段測試手機票卡，手機票卡是一種儲值卡，為了可以在地鐵線路上正常使用，需要在相關線路上開展讀卡和常規業務以及異常情況的測試工作。第二階段對批量發卡系統生產的手機票卡進行測試，為了正常使用，需要在地鐵線路上測試地鐵線路讀卡和常規業務等。第三階段需要驗證移動支付的各項功能。對移動支付平臺和清分系統（AFC"clearing"center"system，ACC）對接結算功能的實現情況進行測試分析。

5結語

本文通過分析NFC技術及其相關標準，對其主要的應用方式進行了介紹，并詳細闡述了NFC技術在地鐵自動售檢票系統中的應用。雖然NFC技術在票務系統中的應用已經取得了一定的成效，但仍然有許多問題有待解決：（1）在實際應用中，如何保證交易雙方的信息安全；（2）如何保證數據傳輸的可靠性；（3）如何降低系統的運行成本，提高系統的穩定性；（4）如何使系統更易被普通乘客接受等。這些問題將會影響NFC技術在軌道交通領域中的進一步推廣和應用，因此，要不斷地總結經驗，改進不足之處，推動NFC技術在軌道交通行業的發展。

參考文獻

[1]"王曉芳.基于智能支付技術的軌道交通新型閘機研究與開發[J].自動化與儀表，2021，36（11）：100-102.

[2]陳濤.5G無線通信技術在城市軌道交通領域的應用研究[J].中國信息界，2024（4）：90-91.

[3]王海晉.無線通信技術在城市軌道交通通信中的應用[J].交通科技與管理，2024，5（14）：14-16.

[4]吳旭容.5G無線通信技術在城市軌道交通中的應用[J].長江信息通信，2024，37（7）：226-229.

[5]李思捷.5G移動通信技術在城市軌道交通PIS系統中的應用[J].現代傳輸，2024（2）：33-36.

[6]楊春雨，胡建兵，王國慶，等.基于編碼器與NFC修正融合的帶式輸送機軌道式巡檢機器人定位方法[J].工程科學學報，2023，45（8）：1417-1424.