关于轨道交通AFC终端设备模块接口标准化的研究

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　　摘 要 随着上海地铁AFC技术的高速发展，AFC终端设备的种类也日益繁多，但不同厂商开发同类设备模块标准不一，使得模块开发周期较长，模块可重用性较低。为了减少同类模块设备上层界面的开发周期、成本以及提高软硬件后期修改和维护的便利性，统一各个厂商同类设备模块通信的标准，实现终端设备模块和上层应用软件的可互换具有重要意义。本文针对本课题主要研究AFC终端设备模块通信标准化，设计和实现AFC系统终端设备的模块软件接口的标准统一提供一种研究方法，为轨道交通运营管理部门合理配置资源、提高管理效率提供理论支持。
　　关键词 城市轨道交通 AFC 标准化
　　中图分类号：U239.5 文献标识码：A
　　0引言
　　轨道交通的运营管理机构面临如下问题：目前AFC终端设备模块包括工控机、CF卡等逐步标准化，但是由于各模块制造商较多，且设备与模块之间 封闭性较高等原因，导致上层应用软件与各下接模块如纸币处理模块、发卡模块、阻挡机构模块等进行串口通信的标准尚未统一。上层应用软件除处理业务逻辑外，对终端模块的指令各厂商自行有其标准，使得上层应用软件无法统一等。如何缩短AFC模块开发周期，提高模块可重用性，减少同类模块设备上层界面的开发周期、成本以及提高软硬件后期修改和维护的便利性，统一各个厂商同类设备模块通信的标准？上述问题都是摆在运营管理部门主管领导面前最为紧迫的问题。
　　轨道交通运营机构需要建立全面的生产管理模式、统一规划设备及关键模块的标准规范管理体系，实现终端设备模块和上层应用软件的互换， 避免重复投资和资源浪费。
　　1现状及问题
　　在地铁各专业系统中，AFC系统扮演着十分重要的角色，它不但为乘客提供自动售票和自动检票服务，也为轨道交通运营公司的科学管理提供可靠的数据。它是现代轨道交通先进性的重要体现。在通常意义上，AFC是英文Automatic Fare Collection的简称，即自动售检票。许多人可能认为自动售检票系统仅仅是售票和检票，仅仅是进站和出站，从严格意义上来说，自动售检票系统（AFC）是基于计算机。
　　从业务流程和技术标准来看，国内每个城市的 AFC系统都建立了自己的标准体系，该标准体系规范了交易数据、设备状态数据、收益数据、寄存器数据和命令的结构和编码格式;还规范了每个层级的界面风格、票卡结构和密钥体系。同时，在该技术标准中也体现了地方的特色。
　　随着上海地铁AFC技术的高速发展，AFC终端设备的种类也日益繁多，但不同厂商开发同类设备模块标准不一，使得模块开发周期较长，模块可重用性较低。为了减少同类模块设备上层界面的开发周期、成本以及提高软硬件后期修改和维护的便利性，统一各个厂商同类设备模块通信的标准，实现终端设备模块和上层应用软件的可互换具有重要意义。
　　目前上海轨道交通AFC终端设备模块包括工控机、CF卡等逐步标准化，但是由于各模块制造商较多，且设备与模块之间封闭性较高等原因，导致上位机与各下接模块如纸币处理模块、发卡模块、阻挡机构模块等进行串口通信的标准尚未统一。上层应用软件除处理业务逻辑外，对终端模块的指令各厂商自行有其标准，使得上位机应用软件无法统一。
　　2解决思路
　　依據国家《城市轨道交通自动售检票（AFC）系统工程质量验收规范》和《上海市工程建设规范 城市轨道交通自动售检票系统通用技术规范》，同时，执行上海市最新颁布的《上海市工程建设规范 城市轨道交通自动售检票系统（AFC）检测规程》。其相关规范与规程明确了AFC系统建设中的标准、规范、检测内容、方法和判据。解决思路主要体现在以下三个方面：
　　2.1实现不同厂商模块之间可互换
　　同一类设备即使厂商、型号不同，各主要模块经简易配置后可互相替换。
　　2.2实现不同厂商上层应用软件可互换
　　同一类设备即使厂商、型号不同，上层应用软件经简易配置后可互相替换。
　　2.3实现嵌入式Linux操作系统不同设备可互换
　　设备工控机即使厂商不同，经使用已灌装的通用Linux操作系统的CF卡后即可使用。
　　可行性方面，上海轨道交通在2005年实现“一票换乘”时，已完成制定了详细的系统标准。十年以来，在系统建设与设备的设计研发时，都基本遵循这个统一的标准，系统和设备可以互相兼容;关键模块基本国产化，除了部分纸币处理模块外，模块控制板基本国内厂商生产与制造，基本可以修改模块的控制板程序，既可定制控制板与上位机的接口。近年来随着全国地铁建设和开通里程增加，为了运营和维护的方便，都在积极做标准化，尤其终端设备的标准化和国产化。由此可见，本课题研究的可行性方面已具备良好的基础与条件。
　　通过标准化AFC终端设备核心模块接口，将在轨道交通运营管理精细度方面得到明显加强：
　　（1）填补AFC行业模块通信标准缺失的空白;（2）填补AFC行业通用上位机软件缺失的空白;（3）填补AFC行业通用嵌入式Linux操作系统缺失的空白。
　　3研究目标
　　3.1形成关于AFC终端设备模块通信标准
　　研究分析AFC系统终端设备（包含自动售票机和自动检票机）的各种硬件模块，并为每个模块定义详细的对外通信标准，标准需具有通用性，能较好的适应各种硬件模块。
　　标准需包含通信报文的格式、命令与应答集（如阻挡机构开启关闭、硬币口开启关闭等命令）、各模块的工作状态（包含故障状态）等。
　　3.2设计实现符合上海现行标准的通用上层应用验证软件
　　设计适配于自动售票机与自动检票机的上层应用软件，需满足该设备基本功能要求如阻挡机构开启关闭、发售测试车票等功能，并具有功能参数设置及查询模块工作状态、唯一标识码、工作时间、使用次数等功能。 　　考察二者的兼容性和该标准的可行性，根据应用情况形成相关报告。
　　3.3设计实现符合上海现行标准的通用嵌入式Linux操作系统
　　该操作系统可通用于自动售票机和自动检票机，适配该设备的通用上层应用软件及其硬件。
　　考察二者的兼容性和该标准的可行性，根据应用情况形成相关报告。
　　4解决方案
　　AFC终端设备模块通信标准化，形成一套模块通信标准化接口，在此基础上对上层应用软件及其使用的嵌入式Linux操作系统进行统一定制，设计和实现AFC系统终端设备的模块软件接口的标准统一，并在此基础上设计一套通用的设备上层应用软件及其搭载的操作系统，实现对各个设备供货商提供设备的控制。
　　4.1 AFC终端设备模块接口标准化
　　AFC终端设备模块接口标准化，从内容上可划分为三大部分，本别是：“通信方式”、“报文格式”、“关键模块标准命令及应答”，基本涵盖了AFC终端设备核心模块通信标准化所必须涵盖的主要部分。通过以上标准化过程，实现相同硬件模块、相同设计功能、相同应用场景的部件与上位控制软件的“松耦合”，从而避免了从前由于不同厂商的部件无法互相替换的问题，从而具备了“兼容性”，解决了核心部件备品备件的资源分类配置、厂商服务变化等现实问题。
　　4.1.1通信方式
　　标准化设计内容：通讯接口（硬件）、波特率、数据位、奇偶校验位、开始/停止位、数据流控制方式以及报文数据格式等。
　　4.1.2报文格式
　　针对通信报文的报文格式进行标准化设计，包括：开始/结束标志（STX/ETX）、转义字符（ESC）、命令帧报文格式。其中，命令帧报文格式定义了在指令报文开始到结束的中间部分所有字段及数据内容对所有控制字符（0x02，0x03，0x10）前增加转义字符，包括：数据长度、命令数据、校验。
　　4.1.3关键模块命令及应答
　　设计关键硬件模块的标准命令及其应答，包括命令码及应答代码定义、具体命令及应答两大部分。
　　命令码及应答代码定义：命令种类及定义;命令代码定义;自发事件代码定义;具体命令及应答：关键设备模块控制及信息交互的具体命令定义标准化，以通讯控制模块为例，见图1。
　　4.2 AFC终端设备工控机的通用嵌入式Linux操作系统
　　本次标准化研究中，针对AFC终端设备硬件Linux操作系统，进行了标准化定制。定制系统是根据地铁AFC业务特点及业务需求设计裁剪的一款高安全、高稳定性、自主可控、高度定制的标准化工控定制操作系统。基于x86的工控机平台，并针对X86平台Linux系统的内核和核外进行定制。并通过增加、完善客户AFC终端设备系统及项目对客户端应用所需的包括外设驱动和应用功能库，逐步构建而形成的一个符合地铁AFC业务需求工控定制系统。标准化定制系统是完全针对轨道交通领域的自动检票系统所需从内核到核外完全重新构建的，完全支持AFC终端设备系统对多串口设备、多显示、系统大小限制等功能需求。
　　标准化Linux操作系统具备以下优势：
　　4.2.1硬件支持丰富
　　支持X86、兆芯平台的主机;支持多个工控机厂商产品;支持工控机多显、多显卡等各类外设、功能要求。
　　4.2.2全国产化支持
　　支持并提供多种基于国产化CPU的全国产化自主可控主机和外设解决方案;支持并提供以银河麒麟操作系统为核心的全国产化自主可控软件解决方案。
　　4.2.3系统稳定、安全、精巧
　　系统支持安全漏洞的长时间维护;操作系统针对业务场景需求量身定制，没有任何冗余后台;支持7x24小时无人值守连续稳定运行。
　　4.2.4强大的图形支持
　　提供强大、丰富的图形开发支持;提供便捷的显示操作接口。
　　AFC终端设备标准定制操作系统，定制修改的主要内容包括：
　　（1）定制系统增加专用于工控嵌入式领域的内核;（2）内核增加对SM750的驱动支持;（3）内核对SM750+intel双显卡，在扩展显示上做了兼容修改;（4）内核对x86 J1900 CPU 电源管理相关BUG进行了修复;（5）内核增加对兆芯平台系列CPU和VIA芯片集的支持;（6）内核增加对盛博工控机8250-16c554串口卡的支持;（7）内核增加对申通LOGO的支持;（8）显示增加多显设备的翻转、分辨率、左右屏的功能;（9）显示增加多显示设备的关闭鼠标图标、关闭休眠的功能;（10）定制系统增加自动启动业务应用接口的服务;（11）定制系统增加网络唤醒功能模块;（12）定制系统增加AFC硬件终端系统所需所有特殊库文件;（13）定制系统增加对申通LOGO开关机显示支持;（14）定制系统ISO兼容对各个工控机BIOS系统启动要求;（15）定制系统ISO增加对工控类操作系统的安装界面支持。
　　5结论
　　通过本次课题研究，实现终端设备关键模块与上位机接口的统一，为实现不同集成商、不同供应商产品之间的互换起到了决定因素。随着地铁AFC业务的高速发展，AFC终端设备的种类也日益繁多，不同厂商开发同类设备模块标准不一，使得模块开发周期较长，模块可重用性较低。通过本课题的研究成果，为减少同类模块设备上层应用的开发周期、成本以及提高软硬件后期修改和维护的便利性，统一各个厂商同类设备模块通信的标准，实现终端设备模块可互换具有重要的指导、借鉴意义
　　作者简介：王子强（1965.7-）男，汉族，浙江绍兴人，本科，上海申通地铁集团有限公司运管中心高级工程师，研究方向： 轨道交通自动售检票技术;瞿斌（1975.8-）男，汉族，上海人，本科，上海申通地铁集团有限公司运管中心工程师，研究方向：轨道交通自动售检票技术;周晓（1977.12-）男，汉族，上海人，上海申通地铁集团有限公司运管中心高级工程师，研究方向：轨道交通自动售检票技术;徐高峻（1981.11-）男，汉族，浙江绍兴人，本科，上海申通地铁集团有限公司运管中心高级工程师，研究方向：轨道交通自动售检票技术;张屹峻（1985.1-）男，回族，上海人，上海申通地铁集团有限公司运管中心工程师，研究方向：轨道交通自动售检票技术。
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