自動售檢票(Automatic Fare Collection，簡為AFC) 系統是城市軌道交通的重要組成部分。AFC系統對軌道交通的現代化運營起到了十分重要的作用。非接觸式IC卡融合了IC卡和射頻技術，解決了無源和免接觸問題，成為城市軌道交通AFC系統的主要使用介質。非接觸式IC卡讀寫器是城市軌道交通AFC系統中的核心部件之一，主要用于實現對票卡的讀寫，在AFC系統中的閘機、自動售票機、半自動售票機、自助充值機、自主查詢機中大量用。

    隨著城市軌道交通AFC系統的網絡化運營，在多條線路中可能采用不同品牌的讀寫器產品。當票卡處理流程需要調整時，不同品牌的讀寫器產品提供的接口不一樣，這給AFC系統升級改造帶來很大困難。AFC系統非接觸式IC卡讀寫器中間件，在IC卡讀寫器與系統軟件之間提供標準接口，作為一個軟硬件集成的橋梁，完成與上層復雜應用的信息交換；系統升級改造也可通過讀寫器中間件來完成，保證了系統的統一性和標準性。因此，研究城市軌道交通AFC系統讀寫器中間件是十分必要的。

    1 城市軌道交通AFC系統的讀寫器

    城市軌道交通AFC系統通常采用的非接觸式IC卡讀寫器可分為普通型IC卡讀寫器和功能型IC卡讀寫器。普通型IC卡讀寫器，即為各行業通用的IC卡讀寫器，是指IC卡讀寫器在主機的控制下，對IC卡的扇區或文件進行讀寫操作。城市軌道交通AFC系統功能型IC卡讀寫器亦稱票卡處理型IC卡讀寫器，是指IC卡讀寫器內置AFC系統業務規則以及票卡處理流程，是結合城市軌道交通AFC業務而發展起來的IC卡讀寫器。在AFC系統中，票卡交易的主要處理流程由IC卡讀寫器完成；IC卡讀寫器根據需要讀取IC卡相應的扇區或文件，對相應的數據進行處理，向IC票卡寫入相應的信息，并把處理的結果返還給主機。

    城市軌道交通AFC系統的票務處理是一個十分復雜的過程。當發生如下變更時，需要對票卡處理程序進行升級更新。

    1)票卡的更新。隨著技術發展以及市場因素的影響，將有新的性價比更好的IC卡類型推入市場，也有可能會發生系統選用的IC卡類型退出市場。因所選用的IC卡類型退出市場而使整個系統推倒重建的事例曾發生過多次。

    2)票卡結構的變更。隨著城市軌道交通路網的建設和完善，采用城市軌道交通出行必然是市民的首選。為了更好地服務于市民，同時也為了加強與道路公交、出租車的合作和競爭，城市軌道交通應考慮多種票卡產品。雖然在標準的制定階段，應盡可能地考慮各種可能的因素來設計票卡結構，但隨著城市軌道交通運營策略的拓展，目前考慮的票卡結構可能不完全滿足將來運營的需求。

    3)票卡業務規則的變更。在城市軌道交通運營過程中，已發現現有業務規則在某些方面不能滿足運營需求；或當運營政策改變的時候，與票卡相關的業務規則也將進行變更。

    4) 不同版本票卡的混用。對于計次票、儲值票以及紀念單程票而言，當票卡結構或票卡密鑰發生變更時，必將存在不同版本的票卡混用的情況。普通型IC卡讀寫器向上位機提供的是對票卡中文件或扇區的底層操作接口，票卡的處理流程則由主機實現。如需對票卡處理流程進行修改，需要各AFC系統集成商對原有的票卡處理函數、程序、接口等進行修改，屆時將有大量的談判和技術標準修訂工作。其工作量大，程序調試、測試工作繁雜。

    城市軌道交通舢IC卡系統的票卡處理型IC卡讀寫器提供與交易相關的接口，票卡交易的流程在讀寫器內部實現，主機只需根據業務的需要調用相應的接口即可。當讀寫器接受到相應的交易命令時，根據檢測到的票卡種類，調用對應的票卡處理流程。當票卡發生上述變更時，只需要求IC卡讀寫器供應商修改自己的軟硬件，修改時對AFC系統的影響小。因此，新線建設時可考慮采用票卡處理型IC卡讀寫器方案。

    對老線改造而言，如果全部更換讀寫器設備，費用相對較高。因此，借鑒功能型I C卡讀寫器的優點，本文設計一種城市軌道交通AFC系統I C卡讀寫器中間件。它是一種性價比較高的老線改造解決案：采用普通型IC卡讀寫器，將城市軌道交通票卡業務規則與票卡處理封裝在中間件中，通過統一接口與應用軟件交互。讀寫器中間件既可以解決系統升級維護問題，又降低了成本。

    2 城市軌道交通AFC系統讀寫器中間件

    為兼容不同IC卡讀寫器、統一費率計算和統一票卡處理流程問題，提出了設置IC卡讀寫器中間件(middle ware)。IC卡讀寫器中間件是位于平臺(硬件和操作系統) 和應用之間的通用服務。這些服務具有標準的程序接口和協議，可以兼容不同的操作系統和硬件平臺。IC卡讀寫器中間件負責實現與IC卡讀寫器硬件以及配套設備的信息交互與管理，同時作為一個軟硬件集成的橋梁，完成與上層復雜應用的信息交換。IC卡讀寫器中間件扮演IC卡讀寫器和應用程序之間的中介角色。應用程序通過中間件提供的一組通用的應用程序接口，即能完成相應的票卡讀寫操作。因此，即使票卡處理流程軟件修改，或IC卡種類增加、類型更換時，應用軟件不需作修改也能處理票卡，以免產生“多對多”連接的維護復雜性問題。

    2．1  IC卡讀寫器中間件的特點

    對于應用軟件開發，IC卡讀寫器中間件遠比操作系統和讀寫器設備更為重要。IC卡讀寫器中間件包含大部分AFC系統業務處理，為AFC系統應用軟件提供的程序接口定義了一個相對穩定的高層應用環境。不管底層的IC卡讀寫器硬件和操作系統軟件怎樣更新換代，只要對中間件做出相應的升級更新，并保持中間件對應用軟件的接口定義不變，應用軟件幾乎不需作任何修改，從而保護了城市軌道交通AFC系統在應用軟件開發和維護中的重大投資。特別是在網絡化運營環境下的AFC系統，IC卡讀寫器中間件保證了系統的統一性和標準性。IC卡讀寫器中間件應具有如下的一些特點：①滿足大量應用的需要；②能夠運行于多種硬件和OS( 操作系統) 平臺；③提供統一標準的協議；④提供統一標準的應用程序接口。

    2．2 IC卡讀寫器中間件的結構

    IC卡讀寫器中間件是連接讀寫器和AFC系統應用軟件的紐帶，可保證費率計算快速性和票卡處理流程的完整性。AFC系統應用軟件不用關心IC卡讀寫器細節。IC卡讀寫器中間件的結構包括初始化、安全認證、票卡驗證、費率計算、交易生成等模塊，如圖1所示。 

    2．2．1讀寫器初始化模塊

    讀寫器初始化模塊完成讀寫器設備的初始化和軟件初始化，檢查IC卡讀寫器的狀態，確認讀寫器的工作是否正常；同時對設備進行測試，如果初始化錯誤，則設備無法工作；還完成設備與車站系統的注冊認證，保證讀寫器在AFC系統中是合法設備。

    2．2．2安全認證模塊

    安全認證模塊主要通過SAM( Security Access Module) 卡與票卡之間的交互驗證票卡合法性。所有AFC設備在進行票卡安全認證時，檢查票卡的MAC(報文鑒別代碼)有效性。MAC有效性檢查由SAM卡完成。SAM卡在檢查MAC時，讀寫器將票卡身份特征數據和MAC一起送人SAM卡。所有的加密運算在PSAM( 消費安全存取模塊) 卡內完成，并在卡內對送入SAM的MAC與PSAM計算所得的MAC進行比對，如果正確將返回成功，否則返回錯誤。

    2．2．3票卡驗證模塊

    票卡驗證是對票卡的有效期、票卡的狀態進行檢查。如票卡超過有效期或者票卡在黑名單表中，則自動鎖卡，并返回相應的鎖卡原因。票卡驗證流程如圖2所示。 

    2．2．4費率計算模塊

    費率計算是根據票卡的類型、人口車站編號、出口車站編號、優惠比例等參數計算從票卡上應扣除的金額。由于票種類型繁多，因此費率計算也比較復雜。隨著運營政策變化，費率計算方式也經常變化。如果增加新的票種，通常需要升級此模塊。費率計算流程如圖3所示。

    費率計算也可以采用參化式，在建立費率計算模型的基礎上，把可能變化的因子用參替代。參數由清結算系統統一制定下發。當AFC系統增加新的票種，或需修改票種的費率計算公式時，只需要根據費率計算模型確定相應的參數，下發到AFC設備即可。費率計算模型參數通常包括日期參數、時間參數、票卡類型、費用等級、聯程優惠、積分優惠等。通過這些參數組合，可查詢得到實際費用。

    2．2．5交易生成模塊

    票卡交易是IC卡讀寫器中間件的核心部分。
    AFC系統交易包括進站交易、出站交易、充值交易、售卡交易、車票更新交易、車票延期交易、讀交易記錄、退票交易、掛失交易、退款交易、換票交易等。交易生成模塊主要保證交易的完整性和一致性，在交易發生異常時，通過交易中間狀態、備份數據和回滾機保證票卡交易的正確。 

    交易生成模塊記錄交易過程中的用戶信息、交易信息和清分信息等，為業務處理提供必需的信息。同時，讀寫器設備配合票卡、SAM卡生成交易的TAC(交易認證碼）。此TAC與SAM卡中密鑰、交易中的關鍵信息有關。當交易被傳輸到清結算中心時，由中心通過認證服務器對這筆交易的TAC進行判別，從而決定這些交易是否合法、有無篡改。

    2.3 IC卡讀寫器中間件的數據流程

     IC卡讀寫器中間件是應用軟件和IC卡讀寫器之間的連接橋梁，通過封裝IC卡讀寫過程和票卡業務處理流程以達到易維護性和統一性的目的。現易出站交易為例闡述IC卡讀寫器中間件數據流程（如圖4所示）：主機應用軟件在程序運行時。首先對IC卡讀寫器初始化，檢查設備狀態，并通過設備與車站系統的注冊認證驗證其合法性；IC卡刷卡后，先讀扇區內容，通過讀寫器中間件實現安全認證；根據入口、出口、時間和優惠信息等計算費率，并生成相應交易信息；回寫扇區內容，返回交易結束。 

    3 結語

    IC卡讀寫器是城市軌道交通AFC系統中的核心部件之一。功能性IC卡讀寫器將票卡處理集成在讀寫器內部，以便于日后的升級維護，但成本相對較高。老線改造采用IC卡讀寫器中間件的解決方案，既可以解決系統維護升級問題，又可以降低成本，是一種性價比較高的方案。IC卡讀寫器中間件滿足了城市軌道交通AFC系統網絡化應用的需要，提供了統一標準的協議于應用程序接口，可運行于多種硬件及OS平臺，從而保證了系統統一性與標準性。本文研究的IC卡讀寫器中間件是連接讀寫器與AFC應用程序的紐帶，保障了費率計算的快速性和票卡處理流程的完整性及票卡交易的正確性。

    （作者單位：東南大學教育部智能運輸系統研究中心）