城市轨道交通自动售检票系统所面临的技术挑战分析

城市轨道交通自动售检票系统所面临的技术挑战分析1.前言在轨道交通机电设备系统中，绝大多数的机电设备系统在建设初期的设计阶段所赋予的功能，在其十年乃至数十年的整个生命周期内都较少发生变化，系统投入运营后，需要做的基本就是保证设备系统已有功能处于正常状态，即保证该设备系统能够满足或符合最初的设计规格和技术指标。唯独自动售检票系统是个例外，在其生命周期中恐怕会不断地演变，甚至不排除革命性的变化。这主要源于自动售检票系统并不是保证列车运行所不可或缺的机电设备系统。事实上，城市轨道交通自动售检票系统是城市公共交通电子收费系统的一个组成部分，是一个信息管理和自动化系统，其职能是方便、高效、准确地实现公共交通系统收费管理的自动化和智能化。轨道交通自动售检票系统的基本属性如下：(1)为了实现自动收费而建立的系统;(2)一个直接面向公众的系统，需要根据市民大众不断提升的服务要求不断寻求技术进步，以提高服务质量;(3)系统的技术规格需要适应市民大众的消费支付方式和手段的变化;(4)运营企业为了追求经营效益，需要寻求新的票务运营模式以吸引客流;(5)为政府的城市规划服务，如：疏导客流、引导出行等;(6)为运营商的决策服务，如：通过客流统计预测来编制车辆运行图等;(7)随着信息技术的进步，需要考虑可能给系统带来的革命性变化需求等。正因为如此，就意味着城市轨道交通自动售检票系统与整个城市的公共交通电子收费系统密不可分。本文试图通过探讨城市轨道交通自动售检票系统可能面临的技术发展与演变，想借此来给正在建设、运营，和即将建设城市轨道交通自动售检票系统的投资方、运营方和设计方提供一个参考和借鉴。2.导致城市轨道交通自动售检票系统技术发展和变化的因素目前主流的轨道交通自动售检票系统是以IT技术(计算机、网络、通信、软件、数据库、自动控制、非接触IC卡、模式识别、传感技术等)和机电一体化技术为核心的大型高科技机电装备系统和信息化系统。由于IT技术和机电一体化装备的工艺及材料发展极为迅速，因此，轨道交通自动售检票系统的技术规格和性能指标必然会随着其核心技术的进步而发展和变化。2.1用户需求的变化轨道交通自动售检票系统建设的目的是实现乘客收费及客流引导与控制的电子化、自动化和信息化，其功能和技术性能要求与城市公共收费政策和城市经济发展密切相关。为配合城市公共交通收费政策的变化，常常需要对系统进行技术调整和技术改造，以支持新的收费政策和客流调控需要。这种政策方面的变化有时可能会很频繁，而有些变化甚至可能会导致技术上进行重大改变与调整。2.2技术发展与进步随着技术的发展，当出现了新的支付工具时，通常会给电子收费系统带来重大的技术变革。例如：国内外轨道交通中曾经流行的磁卡电子收费系统，目前已被IC卡电子收费系统所取代，而正在快速兴起的手机支付电子收费和移动互联网支付等必定会对城市公共电子收费系统带来革命性的变化。2.3城市轨道交通路网建设城市轨道交通自动售检票系统通常是按线路规划和建设的，而收费系统的网络化运营(多条线路无障碍换乘的联合收费)是对城市轨道交通收费系统的基本要求，因此要求后续建设系统必须要与先前建设的系统互联互通。然而先前建设的系统与后续建设的系统在技术上可能存在着巨大的差异，尤其是建设年代相隔久远的系统之间，这种差异就更加突出，这可能导致让新系统改变去迁就老系统，也可能会通过改造老系统来适应新系统。未来的趋势是城市轨道交通与城市其他公交系统之间的联合收费，如地面公交系统与地下的轨道交通系统联合收费(如换乘优惠等)，以及城际之间电子收费系统互联互通的需求。2.4市民大众对公共服务要求的提升随着城市的进步与发展，对于城市轨道交通自动售检票这样一个通过技术手段的进步来直接服务于市民大众的自动化系统平台，如果长期停留在一个低层次上，会被市民大众所诟病，必须要不断寻求技术进步与改良来提高服务水平。2.5运营企业的经营要求在地铁的长期运营过程中，运营企业必定要从降低系统运营成本，提高系统的可用性、安全性、可维护性和可扩展性等角度提出技术改进的需求，以及从提高服务质量吸纳更多客流的角度出发寻求技术进步与改变。2.6城市轨道交通运营商的变化城市轨道交通的运营并没有固定的模式，常常会因为一些外部因素的变化而改变。例如：一个城市的轨道交通网，可能会是一家运营商独立运营，利益独享，但也可能会是多家运营商共同运营，利益分享。最为复杂的情况是：一个城市中存在多个公共交通的运营商，而且每个运营商除运营轨道交通外，还兼营其他公共交通运输工具，在不同交通工具之间要求实行联合自动收费，这将导致轨道交通自动售检票系统的覆盖范围进一步扩展，并要求在两个差异较大的电子收费系统之间实现互联互通。不同城市，不同的运营商构成，都会导致电子收费系统的结构、管理和功能发生变化。在一个庞大、统一、面向公众的电子收费系统中，各个独立的运营主体的利益与所运营管理的范围(运营线路)直接相关，如果运营商的既有范围发生了变化，必将导致部分系统功能的变化。综上所述，说明轨道交通自动售检票系统在技术上和运营模式上，会随着时间的推移不断改变，甚至出现重大改变。因此，如何降低这种改变所带来的技术实现的难度，以及如何降低正在运营的系统上进行这种技术改变所到来的运营风险，这无疑是近十年来，国内同行在重点关注和解决了轨道交通自动售检票系统的票制(车票标准)、设备系统需求规格、主要部件选型、线路建设、线路之间互联互通几个难题之后的又一需要关注的重大课题。要解决好这个问题，就需要在系统规划、设计和建设之初考虑到技术上如何适应未来的各种需求变化。3.深圳地铁自动售检票系统的技术发展3.1深圳地铁概况深圳地铁一期工程包括一号线东段15个车站、四号线南段5个车站，中间一个换乘站，按照单线运营，实现一票通无障碍换乘。系统于2004年12月开通运营。深圳地铁二期工程包括一、四号线的延伸线，二号线、三号线和五号线，车站数将近100座，此外，二期工程还包括一个轨道交通票务清算管理中心，五条线实现了一票通无障碍换乘。深圳地铁一期工程由深圳地铁公司建设和运营，二期工程由深圳地铁公司、龙岗地铁公司和香港地铁公司共同建设和运营，其中一、二、五号线由深圳地铁公司负责，三号线由龙岗地铁公司负责，四号线由香港地铁公司负责。2010年6月，深圳地铁四号线一期5个车站的运营由深圳地铁公司转移至香港地铁公司。3.2深圳地铁车票的变迁及其对系统的影响深圳地铁一期工程自动售检票系统于2004年12月投入运行，单程票和储值票(卡)全部采用非接触IC卡，实现了全球首创。最初全部类型的车票(芯片)均为SONY公司的Felica标准系列产品，并且储值车票(深圳通卡)由深圳通公司发行，在深圳地铁投入运营之日，实现了城市一卡通。2007年，深圳通公司为了降低储值卡的采购成本，决定发行了新的储值卡(符合ISO/IEC14443TypeA标准)，同时先前发行的符合Felica标准的储值卡继续使用。这次深圳通公司发行新标准的储值卡，导致深圳地铁一期工程自动售检票系统进行了一次较大的升级改造。这次升级改造包括：更换了全部终端设备读写器的硬件，并对所有终端设备读写器软件、终端设备读写器的驱动软件和终端设备的部分业务软件进行了升级，历时将近一年时间。2008年，深圳地铁公司为了降低单程票的采购成本，也决定使用符合ISO/IEC14443TypeA标准的单程票，同时先前发行的符合Felica标准的单程票继续使用，这次地铁发行新单程票导致所有终端设备的的读写器软件及读写器设备驱动软件进行了升级，目前深圳地铁符合Felica标准和符合ISO/IEC14443TypeA标准的两种单程票同时使用。2010年，深圳轨道交通为了提高车票的安全性，发行了带有较高安全机制的单程票，因此导致了车票的数据规划改变，同时再次对所有终端设备的车票读写器软件及终端设备读写器驱动软件进行了升级。2011年，深圳轨道交通为方便市民出行、节省社会资源、提高城市的信息化水平，在国内率先推出了手机支付电子收费的功能，为此，深圳轨道交通再次对所有终端设备读写器硬件进行了扩展改造，即在原读写器模块上增加了兼容RF-SIM标准(即深圳市国民技术公司的2.4G手机钱包支付标准)的专用模块，同时对车票读写器软件及终端设备读写器驱动软件进行了升级。3.3深圳地铁自动售检票系统的发展与改变深圳地铁自2004年投入运营以来，自动售检票系统经历了一期和二期建设，分别使用了高新现代智能系统股份有限公司的两代系统，两代系统均具有自主的知识产权，其中第一代系统的国产化率达到了75%，第二代系统的国产化率达到了90%，两代系统所使用的软件100%实现了国产化。应用于深圳地铁一期工程的自动售检票系统，是国内第一套自主研发的系统，这套系统的设计起点高，大量采用了当时国际上最为先进的IT技术，无论是在系统功能、性能、安全性、可靠性、可用性和可维护性都达到了同期国际领先水平，其系统架构和所选择的技术至今仍几乎与主流技术保持同步，是同时期建设的系统中技术性能表现最为优秀的系统之一。应用于深圳地铁二期工程的自动售检票系统是在一期工程第一代系统的基础上进一步完善和提高的系统，其中尤其注重了系统的人性化设计和技术的统一性和标准化，在安全性、准确性、可扩展性、可维护性方面进一步提升，国产化程度进一步提高，用户操作更为方便、界面更加友好，同时为轨道交通的长期运营扩展和变化以及售后服务提供了全面保障。深圳地铁二期工程的首个系统于2009年9月成功投入运营。深圳地铁自动售检票系统自2004年投入运营以来的变化：(1)硬件方面a.全部的车票读写器进行了升级更换变化的原因：2007年深圳通公司发行ISO/IEC14443TypeA标准的储值IC卡，因此，地铁公司要求售检票系统不仅能支持Felica标准的储值卡(2007年之前深圳地铁自动售检票系统只支持该标准)，同时要兼容ISO/IEC14443TypeA和TypeB标准的储值卡，因此集成商不得不开发了同时兼容两种标准的车票读写器以替代之前的读写器。b.终端设备读写器增加RE-SIM模块变化的原因：深圳市城市信息化的发展要求，为方便市民出行、增加小额消费支付手段，由政府主导提出了要在深圳市的公共交通领域实现使用手机刷卡完成支付的功能。为此，集成商与深圳市国民技术公司合作，开发支持手机RF-SIM卡的2.4G射频读写模块，并将其嵌入到读写器中，实现了读写器同时兼容Felica、ISO/IEC14443TypeA和RF-SIM三个标准，使得多个标准的非接触IC卡及加载了RF-SIM的中国移动手机可同时在深圳地铁使用。这也是全球支持最多标准支付工具的地铁自动售检票系统。c.终端设备主控单元(工控机)升级变化的原因：进入2006年，深圳地铁(一号线)客流明显增加，尤其是像老街站、华强北站、罗湖站和世界之窗站的客流成倍大幅增加，导致这些车站的乘客在售、检票过程中排长队的情况日益突出，也给地铁安全运营带来了威胁。地铁公司为了提升服务质量，决定在部分大客流车站增加售、检票终端设备，而此时深圳地铁一期工程售检票终端设备所使用的工业控制计算机已经停产，只能采购新规格的产品来替代原有产品。为此，对售、检票终端设备的局部结构、硬件和软件进行了相应的改造和升级。d.自动售票机乘客界面改造升级变化原因：为了适应深圳轨道交通多线路网络化运营的需要，在二期工程(五条地铁线路)的设计中，确定自动售票机的乘客界面(乘客自助方式购票的人机操作界面)为触摸、显示一体化屏，并采用大尺寸显示器，将含有车站站点信息的轨道交通线网图集中显示在自动售票机乘客显示器的一幅画面中。而深圳地铁一期工程自动售票机的乘客界面则采用了触摸屏与显示器分离的结构(香港的模式)，为了统一一期工程设备与二期工程设备的乘客界面，故将原一期工程自动售票机12寸的液晶显示器及固定式红外触摸屏更换为22寸的触摸、显示一体化屏。为此，2008年对深圳地铁一期工程自动售票机的结构和显示器驱动软件进行了改造升级。e.硬币处理模块(钱币识别、分拣、循环找赎和储存的系统)替代更换变化原因：硬币处理模块的国外供货商停止了该产品的技术服务和零部件供货，集成商不得不自主研发替代产品。从2010年开始，国产的替代产品开始逐步替换因故障无法修复的进口产品。这导致了一期工程的自动售票机内部结构的局部改造，以及硬币模块的设备驱动软件的升级。(2)软件方面a.终端设备读写器软件及终端设备读写器驱动软件变化原因：深圳通公司发行符合ISO/IEC14443TypeA标准的储值卡和地铁公司发行符合ISO/IEC14443TypeA标准的单程票，以及深圳地铁使用2.4G手机作为乘客乘坐地铁的支付工具。b.检票机通行识别算法变化原因：一期工程自动检票机的通行识别和控制系统采用国外产品，其识别算法按照发达国家的情况(即乘客数量较少、素质较高、检票秩序良好)设计，不适合中国国情(拥挤、无序的客流情况)。2006年，高新现代智能系统股份有限公司按照国内乘客的习惯和集中大客流的模型设计开发了采用神经网络技术的智能乘客通行识别及控制系统，取代了原有的乘客通行识别控制系统。由于自主研发的硬件控制系统在尺寸和外部接口方面完全兼容国外产品，因此，改造工程只更换控制电路板及通行识别算法和控制软件。c.终端设备软件和票务系统软件变化原因：地铁公司和深圳通公司提出新需求和系统外部情况发生变化。如：公交与地铁实现换乘优惠(政府要求);发行新芯片标准(ISO/IEC14443TypeA标准)的车票和使用RF-SIM手机支付标准;二期工程轨道交通实现线网化运营;硬件处理模块售后服务受到制约进行替代产品开发。3.4运营管理方面3.4.1将一号线南段和四号先北段由单线运营模式转变为分线运营变化原因：政府将深圳地铁一期工程(一号线东段15各车站和四号线南段4个车站)按照一条线建设的AFC系统，一分为二，将一号线东段的经营权交予了深圳地铁公司，而将四号线南段的经营权给予了香港地铁公司。这导致原来按一条线运营设计和建设的系统分割成分属两家运营公司的两条线运营，因此，不得不对原有系统进行改造分离，将一个线路中心系统一分为二，并在两个线路中心系统之间进行数据迁移和系统割接。3.4.2由一家运营公司运营变为三家运营公司运营变化原因：政府主导。这导致了需要建立一个公平、公正，数据透明的轨道交通票务清算管理中心，以体现各方的责、权、利。需要做到：a.在网络化运营(无障碍的线路换乘)情况下，软件要尽可能准确地分析出乘客出行的路径和换乘车站;b.需要软件准确地统计出单程票流失数量和去向;c.需要软件对异常交易(如单边交易)进行准确跟踪;d.要准确统计降级模式下的收益和行政处罚下的各方收入。因此，要求在系统设计方面进行深化，软件要实现精确计算。4.轨道交通自动售检票系统建设和投入运营后面临的技术挑战通过上述分析，我们可以得出以下结论：对于城市轨道交通自动售检票系统而言，无论是线网建设期间还是每条线投入运营之后，都不可能不面对各种变化，这种变化有可能是升级，也有可能是技术改造，甚至有可能是更替;同时，这种变化可能发生在局部，但也有可能发生在全局，这就决定了城市轨道交通自动售检票系统是一个建设和运营期间都会面对诸多技术挑战的系统。从过往的经验和对未来的预测，可以将这些可能的挑战归纳如下：4.1读写器的变化变化原因：a.发行新技术标准的车票，原读写器不能支持和兼容;b.为提高和改善终端设备性能，终端设备负责的业务下移至读写器;C.新支付工具引入(如手机支付需求提出)。为实现上述变化将要展开系统的设计、改造、升级和扩展工作。4.2通用部件(如：工控机、显示器、电源模块、乘客检票通行识别传感器及其它通用电子零部件等)的变化变化原因：a.IT技术升级换代，使用新技术产品提高设备性能(例如：目前普遍采用的光电式乘客通行识别传感器被图像识别传感器所取代);b.正在使用的产品停产，不能提供技术服务和备品备件，以新产品替代老产品。为实现上述变化将要展开终端设备的改造、升级工作。4.3专用部件(如：车票读写器、车票处理模块、硬币处理模块、纸币识别模块、检票闸门控制单元等)的变化变化原因：a.运营要求提高，原有设备部件不能满足要求;b.人民银行钱币发行变化，原有设备不能识别和处理新的钱币币种;c.正在使用的产品停产，不能提供技术服务和备品备件，以新产品替代老产品。为实现上述变化将要展开终端设备部件的研发、改造和替换工作。4.4终端设备软件架构发生变化，即售、检票终端设备主控系统所承担的业务下移至读写器变化的原因：为适应日益增长的客流和地铁不断发行的新的车票种类给运营带来的压力，需要进一步提升售、检票终端设备的性能。比方说，如果要对检票设备检票速度进行提升，一个可行的办法就是将原来由终端设备主控系统与读写器交互完成的业务处理下移至读写器，由读写器独立完成。这一改变将伴随如下变化：1)读写器的负担加重，而终端设备主控系统的负担减轻，因此，必须提高读写器的硬件配置甚至更换读写器，同时设备主控系统的硬件配置可以适当降低;2)修改读写器软件和设备主控软件;3)有可能的话，在读写器上加载软件操作系统