Railway multi-media automatic ticket checking system for electronic tickets
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摘要:
随着铁路电子客票的全面推广,亟需构建一套高效、稳定的多介质自动检票系统。文章设计并实现了一种基于大数据集群处理、近场通信(NFC,Near Field Communication)和二维码技术的铁路多介质自动检票系统,支持身份证、二维码(如铁路e卡通、支付宝)、IC卡(如中铁银通卡)、人脸识别等多种检票方式;阐述了该系统的总体架构和网络架构,优化了检票业务流程,实现了联机实时检票与数据同步,并设计了3种故障应急模式保障该系统的高可用性。试验结果表明,该系统单台闸机检票速度达20人/min,可7×24 h稳定运行,显著提升了客运管理效率和旅客出行体验。
Abstract:With the comprehensive promotion of railway electronic tickets, it is urgent to build an efficient and stable multimedia automatic ticket checking system. This paper designed and implemented a railway multi-media automatic ticket checking system based on big data cluster processing, Near Field Communication (NFC) and two-dimensional code technology. The system supported ID card, two-dimensional code (railway e-card, Alipay), IC card (China Railway Yintong card), face recognition and other ticket checking methods. The paper elaborated on the overall architecture and network architecture of the system, optimized the ticket checking business process, implemented online real-time ticket checking and data synchronization, and designed three fault emergency modes to ensure the high availability of the system. The experimental results show that the ticket checking speed of a single gate of the system can reach 20 people/min, and it can operate stably for 7 × 24 hours, significantly improves the efficiency of passenger management and passenger travel experience.
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传统的磁介质车票在使用过程中存在诸多弊端,如车票成本高、设备维护难度大、容易出现卡票等问题。因此,在中国国家铁路集团有限公司(简称:国铁集团)的统一部署下,全面推广电子客票[1-2],电子客票已成为铁路客运的重要组成部分。然而,电子客票的推广也对自动检票系统提出了更高的要求,如系统的稳定性、可靠性、运行效率和应急处置能力等。此外,随着多种支付方式和乘车介质(中铁银通卡、铁路e卡通、地方公交卡、计次定期票、二维码、支付宝等)的出现,如何实现面向电子客票的多介质自动检票系统成为亟待解决的问题。
目前,交通领域的众多学者都在对检票系统进行深入研究。在架构方面,韩鹰[3]对智能自动售检票系统(AFC,Automatic Fare Collection System)进行了相关分析研究,提出构建云平台和微服务架构的检票系统;在系统建设方面,王宁[4]从降低运营成本考虑,提出了基于云平台的检票系统搭建思路;在检票应急方面,李琪[5]、乔实[6]等人分别从虚拟化技术和超融合技术的角度提出了票务系统的应急方案。但由于铁路检票业务和既有架构体系的自身特点,上述研究成果不能直接适配,需要针对电子客票下的铁路多介质自动检票展开进一步研究。
综上,本文基于大数据集群处理、近场通信(NFC,Near Field Communication)和二维码技术,设计了面向电子客票的铁路多介质自动检票系统(简称:本文系统),以期为铁路旅客提供更高质量的出行服务。
1 系统设计
1.1 系统总体架构
本文系统的总体架构如图1所示。
1.1.1 设备层
设备层主要包括车站的自动检票闸机、柱式检票闸机和手持检票机等多种设备。检票闸机的主要部件包括读卡器、二维码扫描器、摄像头、门模块、显示屏和指示灯。读卡器用于识读旅客的身份证件、中铁银通卡等信息;二维码扫描器用于识读电子客票、铁路e卡通和支付宝等的二维码信息;摄像头用于采集人脸图像信息;门模块用于开/关门;显示屏和指示灯用于给旅客进行通行指示。
1.1.2 传输层
传输层主要包括实时交易数据、计划、功能参数和设备状态的传输。实时交易数据传输是指国铁集团级旅客交易记录集群(PSR,Passenger Service Record)将购票和刷卡数据传输到闸机;计划传输是指铁路局集团公司检票服务器将检票计划传输到闸机;参数传输是指检票服务器将功能参数传输到闸机;设备状态传输是指闸机将监控数据传输至铁路局集团公司检票服务器。
1.1.3 应用层
应用层主要包括检票计划管理、身份证件检票应用、刷卡检票应用、二维码检票应用和人脸识别应用[7-8]。身份证件检票为先购票后乘车的业务处理;刷卡检票主要进行先乘车后付款的业务处理;二维码检票用于刷码的业务处理;刷脸检票用于刷脸的业务处理;检票计划管理用于对列车早/晚点导致的检票变更等情况进行管理。
1.1.4 用户层
用户层主要包括车站级、铁路局集团公司级和国铁集团级三级用户。
1.2 系统网络架构
当前,中国铁路客票发售和预订系统(简称:客票系统)分为国铁集团、铁路局集团公司和车站三级架构。客票电子化前的检票系统采用铁路局集团公司和车站两级部署。本文综合分析电子客票的检票方式,由脱机检票转为联机检票,因此,本文系统的网络架构调整为国铁集团、铁路局集团公司和车站三级,如图2所示。
1.2.1 国铁集团级
国铁集团级中设置PSR集群、卡交易数据库(AP库)、线上/线下电子客票集群和电子客票数据库等,采用一/二中心双活部署的部署方式。
1.2.2 铁路局集团公司级
铁路局集团公司级主要根据铁路局集团公司既有业务办理方式和设备利旧等因素考虑,设置了检票服务器、席位库和电子客票应急库。
1.2.3 车站级
车站级主要考虑信息安全因素,尽量不设置数据服务器,主要部署业务终端供旅客办理业务使用,因此设置了自动检票闸机、柱式检票闸机和手持检票机等设备。
2 系统功能
根据多种介质检票乘车的特点,本文系统除支持检票计划管理外还需要支持旅客通过各种检票介质检票乘车。因此,系统功能包括检票计划调整、身份证件检票、二维码检票、刷卡检票和刷脸检票。
2.1 检票计划管理
检票计划定义了列车的开、停、检时间和检票口信息。检票计划管理功能基于列车早晚点、停运、更换检票口等情况对列车检票计划的调整,检票计划调整后闸机将根据调整动作,重新计算开、停、检时间。
2.2 身份证件检票
身份证件检票功能用于通过自动识读旅客身份证件检票和手工输入证件号检票,该功能根据旅客身份证件号在国铁集团级PSR集群检索旅客购票信息,并根据购票信息和检票计划进行相应业务处理。
2.3 二维码检票
二维码检票功能可识别旅客二维码类型,根据不同二维码进行相应业务处理,若识别结果为电子客票二维码,则检索旅客购票记录并进行业务处理,若识别结果为支付宝、铁路e卡通等二维码,则进行先乘车后付款业务处理。
2.4 刷卡检票
刷卡检票功能可识别旅客刷卡的种类,然后进行相应异常记录核验、扣款和申请席位等操作,实现刷卡检票业务。
2.5 刷脸检票
基于刷脸检票功能,旅客无须出示任何证件,直接通过扫描人脸信息进行检票,此功能将人脸信息转换为证件信息,检索购票记录并进行相应业务处理。
3 业务流程设计
车站检票业务的核心目标是快速通行,本文系统检票业务流程设计的主要思想是要实现检票过程简单化。因此,检票业务流程采用闸机和后台一次通信来完成闸机开门动作、闸机开门后再更新检票状态的方式来设计。以旅客刷身份证件为例的检票业务流程如图3所示。
(1)闸机读取旅客的身份证件信息,并上传到国铁集团PSR集群检索旅客购票记录。
(2)根据旅客购票记录和检票计划进行业务判断,判断通过后闸机开门,否则不予通行。
(3)闸机开门后更新电子客票数据库内的车票状态为“已检”,并同步到国铁集团PSR集群和铁路局集团公司检票服务器。
4 关键技术
4.1 应急处置技术
电子客票前,旅客购票后有纸质车票作为凭证,检票系统异常时,旅客仍可凭纸质车票进站乘车。电子客票后,旅客仅持身份证件检票乘车,检票系统异常时判断旅客是否购买当日当次列车车票全依赖应急处置手段。根据本文系统架构可分析出检票业务的主要故障点,如图4所示,并根据故障点分别设计3种应急模式。
4.1.1 PSR集群故障应急
国铁集团级PSR集群发生故障或铁路局集团公司级与国铁集团级系统间发生网络异常时(图4①号位置),可将本文系统切换到国铁集团PSR应急模式运行。检票服务器将不再与国铁集团级PSR集群进行业务交互,直接连接铁路局集团公司级应急电子客票库,完成检票业务。
4.1.2 铁路局集团公司检票数据库故障应急
铁路局集团公司检票库发生故障时(图4②号位置),可将本文系统切换到铁路局集团公司检票库应急模式运行。铁路局集团公司级检票服务器将不再连接铁路局集团公司检票数据库进行业务,直接连接国铁集团PSR集群进行业务判断。此模式将不在检票数据库记录检票存根,将对铁路局集团公司的数据统计造成影响,但车站检票业务可正常运行。
4.1.3 检票设备脱机应急
车站级与铁路局集团公司级系统间发生网络故障时(图4③号位置),检票设备可切换至脱机应急模式运行。检票设备将不再判断旅客是否购票,以检票闸机为例,检票时旅客刷证检票,检票闸机先开门,后记录旅客证件信息并保存到本地,网络恢复后,检票闸机将本地信息同步到检票数据库,进行数据比对分析,再对逃票旅客进行相应处置。
4.2 多介质识别技术
本文系统基于二维码、NFC等多种技术,实现了铁路e卡通、支付宝、身份证、中铁银通卡等多种介质快速自动识读功能。本文系统利用二维码识读技术,结合国密算法和SAM卡进行安全验证,实现旅客扫码(铁路e卡通、支付宝等)进出站功能;通过身份证件识读模块,采用NFC双向通信技术,读取身份证件信息,结合检票业务逻辑实现旅客持身份证快速进出站功能;利用IC卡读写和加解密技术,旅客进站时写入进站信息,旅客出站时根据卡片内进站记录实时扣款,完成中铁银通卡的检票进出站功能;利用国际标准OCR识读方法,读取护照芯片内旅客身份信息,实现持护照的检票业务;通过闸机的摄像头获取旅客现场人脸图像,利用人脸识别算法转换成人像特征值,在已登记的人脸特征库中检索旅客身份信息,完成刷脸检票业务。
5 系统部署与试验
5.1 系统部署
电子客票后,车站检票业务压力增大,为确保车站运输组织平稳运行,各铁路局集团公司应对本局车站检票业务相关设备进行适当补强,主要涉及检票闸机和铁路局集团公司检票服务器,结合车站闸机数量、车站发送量(F)、列车车次数量(N)、每趟车开检分钟数(M)、旅客到达数量(G)等多种因素计算各类检票业务相关设备的数量。
进站闸机数量 = F÷N÷M;
出站闸机数量 = G÷N÷M;
铁路局集团公司检票服务器数量 = 3 +进出站闸机数量/300。
本文基于上述公式进行闸机数量和检票服务器的设置,并进行试验。
5.2 试验结果
经试验验证,本文系统的检票速度达到了每台闸机20人/min以上,系统稳定性高,能够7×24 h连续运行半年以上无异常。融合身份证、中铁银通卡、铁路e卡通、支付宝、人脸等多种介质的检票切实可行。在应急处置方面,本文系统能够在网络故障或服务器故障时迅速切换到应急模式,保障旅客有序进出站。
6 应用情况
本文设计并实现的面向电子客票的铁路多介质自动检票系统,于2019年7月上线运行,中铁银通卡、身份证件、二维码等介质的检票功能陆续开通。截至2025年3月,全国铁路所有闸机均支持身份证检票,38条铁路线路支持中铁银通卡检票,108条铁路线路开通了铁路e卡通检票,显著提升铁路部门的客运管理效率和旅客的出行体验。
7 结束语
本文设计并实现了面向电子客票的多介质自动检票系统,设计了系统的总体架构、网络架构、业务功能、检票业务流程和关键技术,为铁路电子客票的推广提供了理论依据和实践经验。下一步的研究方向是:应用区块链技术实现购票记录的不可篡改;研究如何适配城际铁路、跨境联运等复杂业务场景;基于人工智能预测模型动态调整闸机资源配置,提升资源利用率,力求为旅客提供更加便捷、高效的出行体验。
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