中小规模城市轨道交通线网AFC系统整体解决方案

何跃齐 刘 洋 张 宁

(1. 北京城建设计发展集团股份有限公司 北京 100037；2. 东南大学智能运输系统研究中心轨道交通研究所 南京 210096)



中小规模城市轨道交通线网AFC系统整体解决方案

何跃齐1刘 洋2张 宁2

(1. 北京城建设计发展集团股份有限公司 北京 100037；2. 东南大学智能运输系统研究中心轨道交通研究所 南京 210096)

论述中小规模城市线网AFC系统的建设和发展，认为传统大城市AFC系统的建设模式存在着标准较高、资源利用不合理、灵活性差等问题，不适合经济实力较弱、线网运营规模较小的中小规模城市。根据中小规模城市的线网规模和资源投入情况，分析线网AFC系统整体解决方案的要求，并从线网AFC系统资源共享、AFC系统架构比选、AFC系统互换性等多个角度提出线网AFC系统整体解决方案，以指导中小规模城市轨道交通AFC系统网络的建设与运营。 关键词 城市轨道交通；资源共享；AFC系统架构；互换性；中小规模城市

1 研究背景

轨道交通自动售检票(automatic fare collection，AFC)系统是基于计算机、自动控制等技术实现购票、检票、收费、统计分析等功能的自动化系统[1]。

随着轨道交通建设的不断发展，起步较早的北京、上海、广州等城市逐步向网络化发展。基于网络化运营特点，各大城市相继研究并出台了地方AFC系统标准规范，但由于大城市自身发展的高要求，AFC系统建设日趋复杂且标准较高，导致新投入建设的经济、技术实力较弱的中小规模城市在AFC系统建设的经验借鉴方面有很大的困难，而且针对中小规模城市线网AFC系统的建设模式和标准，之前也尚未进行专题研究。另外，大城市AFC系统在经历反复改造的摸索发展过程后，其建设思路和系统架构基本稳定成熟，各线路一般独立建设，采用标准5层系统架构[2-3](清分中心、线路中心、车站、设备层、票卡层)，这种建设模式虽然具有层次分明、安全性高、方便线路独立运营等优点，但从中小规模城市轨道交通线网的角度来看，若每条线均设置线路中心，不但增加了中心级设备采购、应用软件开发、维护等的费用，同时也需要增加电力、人力、用房等资源。由于各线路工期不一致，系统集成商所使用的技术不同，设备采用和系统实现方式差异很大，各线路集成商设备之间互不兼容，关键设备模块不能互换，不仅需要为每条线路建立相应的运营维护团队，而且在面对新线的并网运营和运营需求调整时，难以保障多家集成商的统一协调，导致系统的可扩展性、需求适应性差，不利于中小规模城市轨道交通的可持续发展。

针对以上问题，迫切需要根据中小规模城市的线网运营规模、资源投入、运营管理方式等特点，提出线网AFC系统的整体解决方案，并从第1条线路建设开始，长远地指导中小规模城市轨道交通线网AFC系统的建设与运营。

2 中小规模城市线网AFC系统需求

本文所说的中小规模城市是指轨道交通近期规划(未来10年内)建设规模不超过5条线路的城市。相对于大城市来说，中小规模城市线网规模较小、资源投入较少，其线网AFC系统的运营需求主要包括：系统的互联互通，保障线路间的无障碍换乘；系统的统一运营和统一维修管理，实现运维人员灵活配置；系统技术、接口标准统一，满足新线、延伸线的接入要求；线路间设备、关键模块的互换，实现设备与关键模块的调拨使用和及时更换。

基于网络化运营需求，建成后的AFC系统应能收集和处理线网中的各类数据，制定线网AFC系统各类参数，实现运营、票务、维护的集中管理功能，并通过清分中心完成与城市公共交通一卡通公司之间的结算。因此，为建成与中小规模城市轨道交通建设、运营、发展相适应的线网AFC系统，提高轨道交通的资源利用率和管理水平，其整体解决方案主要包括以下3方面。

1) 线网运营。线网AFC系统整体解决方案应站在线网的角度，摒弃以往单线独立建设的思路，提出解决线网建设、运营、维护等多方面问题的方案，并能通过研究形成开放的、统一的技术规范和接口条件，避免因运营需求调整导致线路、车站系统和设备的大量改造，保障AFC系统的可持续发展。

2) 精简化。精简化并非指系统功能的缺失，而是指在保障线网AFC系统正常运营的情况下，结合中小规模城市线网运营管理规模较小、资源投入较少等因素，高效利用各种资源，实现系统架构的精简，降低建设、运营及维护成本。

3) 灵活性。线网AFC系统的整体解决方案应具备较好的灵活性，针对线网运营的不同阶段，需实现新线和延长线接入容易、系统功能需求易于调整等功能，既要考虑支持已有的业务系统，又要考虑系统的扩展性、兼容性和保护前期投资等一系列问题，避免出现由于新线的并网运营和功能需求的调整导致整个AFC系统的大改。

3 整体解决方案

线网AFC系统的整体解决方案主要包括3方面：线网AFC系统资源共享、线网AFC系统架构比选及AFC系统互换性。

3.1 线网AFC系统资源共享

随着线网规模的不断扩大，AFC系统及设备的规模也在迅速增加，导致投资急剧增长。但由于中小规模城市在人力、财力、物力等方面的资源投入有限，需要对AFC系统的资源共享进行研究，从而有效利用各种资源，保证系统正常、高效运营。线网AFC系统资源共享主要分为线网AFC系统内部资源共享以及线网AFC系统与外部系统间的资源共享。

3.1.1 内部资源共享

传统的AFC系统建设模式中若单独设置线路中心，需配备专门的机构进行管理，并且由于多家集成商参与AFC系统建设，造成各线路功能软件重复开发，使得各系统的可维护性大大降低，造成软件功能升级困难。因此，为有效利用线网AFC系统内部资源，可从3方面考虑资源共享方案。

1) AFC系统架构各层级功能配置优化。由于标准5层架构中线路中心的功能定位模糊，可通过为多条线路合设线路中心或者取消线路中心层级，将线路中心的功能分配给清分中心和车站中心，这样就在线路中心系统开发、设备采购、机房用地等方面节约工程投资。

2) 系统运营维护团队资源共享。由于各线路集成商独自开发、技术各异，导致AFC系统运营维护资源无法共享，可通过统一技术接口标准和规范，为全线网建立统一的票务管理中心、维护管理中心等，从而实现运营维护团队资源的共享。

3) 换乘站资源共享。由于换乘线路建设期的差异，换乘站AFC系统及设备的配置应结合建设、运营、乘客等多方面因素，在条件允许的情况下，合理配置一套AFC系统及设备，实现换乘站资源共享，不仅能够节省投资，而且方便后期的运营管理。

3.1.2 与外部系统间的资源共享

现代化轨道交通的高效运营需保证各个专业的协调配合，但由于各专业系统自成体系，且设备多种多样，要实现系统之间的统一协调管理较为困难。因此，AFC系统需考虑与外部系统间的信息互通及部分通用性资源的共享，主要可从2方面考虑资源共享方案。

1) AFC系统信息资源的共享。在以往的轨道交通系统建设过程中，各专业系统独立组网，难以实现信息互通和协调管理，然而，在网络化运营的背景下，亟须高效利用各种信息资源，以提高运营管理水平。因此，AFC系统有必要实现综合信息平台的互联，包括设备状态及故障告警信息、客流数据信息、票务信息等各类信息的资源共享，以及智能化的辅助决策，提高运营服务质量和应急处理效率。

2) AFC系统与其他弱电系统的通用性资源共享，如用房资源、UPS电源等的共享。轨道交通部分系统单独设置设备室、维修工区、UPS电源等，存在设备用房配置不合理、设备利用率低等问题，可根据中心和车站的设备用房面积、维修人员配置、电源应用需要等，通过AFC系统与其他弱电系统的设备用房合用(除票务室外)、维修工区合设、UPS电源整合等方式，集约利用系统设备用房、电源、维修等资源。

3.2 线网AFC系统架构比选

3.2.1 方案提出

目前，轨道交通AFC系统一般采用标准的5层架构体系，这种系统结构也已经被国内许多城市所采用，但随着轨道交通的快速发展、运营需求的改变和运营管理难度的增加，衍生出一些新的AFC系统架构模式，包括北京多线共用AFC系统线路中心、南京地铁区域线路中心[4]等。因此，应综合考虑中小规模城市的交通状况、线网标准、运营需求等因素，对AFC系统进行灵活的设置，选择适合的AFC系统体系架构。

结合中小规模城市线网运营规模和资源投入状况，提出3种AFC系统架构方案，分别是标准5层架构(方案1)、设置多线路中心(方案2)、合并线路中心和清分中心(方案3)，各方案具体系统架构图可参考文献[5]中所示，本文不再赘述。

1) 标准5层架构。清分中心(AFC clearing center，ACC)主要负责对线路之间以及与一卡通公司之间的清分结算，制定票务规则，发行票卡，全面协调各线路之间的日常运营管理。线路中心(line center，LC)与ACC进行对账并接收ACC的命令和参数，将其下发到各车站系统，完成本线路的票务管理等。此方案具有层次分明、功能清晰等优点，在各大城市AFC系统建设过程中应用广泛。然而，不少运营商意识到如果在每条线路都设置LC，会造成资源的浪费，且此方案接口类型多而复杂，导致运营维护成本高、升级和扩展工作量大。

2) 设置多线路中心。ACC依然是线网AFC系统的控制管理中心，需对各多线路中心进行统一协调管理。多线路中心(multi-line center，MLC)是多条线路的共用管理中心，各线路的车站中心(station center，SC)通过数据汇聚设备与MLC相连接。MLC向ACC上传交易数据并与ACC进行对账，同时，它将各线路车站的管理职能和数据汇总传输职能整合起来，提高了线路之间的协调配合效率，避免了线路中心的重复建设，但需制定ACC与MLC以及MLC与车站之间的接口标准，以保障后续线路车站的接入。

3) 合并线路中心与清分中心。合并线路中心后的ACC是全线网的控制管理中心和中央数据处理系统，采取集中管理模式，负责获取线网所有交易数据，同时负责各车站的运营管理、对账等，各线路的车站中心通过数据汇聚设备直接与ACC相连接。SC负责实时监控本地设备、上传运营数据、接收ACC的指令并与ACC进行对账。在此方案中，原线路中心的功能被分配至清分中心和车站中心，精简了系统架构，减少了线路层级的接口，从而大大减少建设成本，还可实现与运营维护团队的资源共享，若能统一ACC与车站之间的接口标准，则后续线路接入较为容易。

3.2.2 方案对比

以上3种方案各有特点，其优缺点对比见表1。

表1 线网AFC系统架构各方案特点比较

3.2.3 综合比选

在分析上述3种系统架构方案特点的基础上，采用专家调研法及层次分析法[6-7]对3种方案进行综合比较，根据专家意见，在影响AFC系统方案选择的众多因素中，可靠性、经济性、高效性、灵活性的影响较大，且它们之间相互独立，适合用于指标评价。综上，建立了AFC系统架构方案评价指标体系，如图1所示。

结合层次分析模型，由相关专家根据经验和判断对同一层次指标的相对重要性和相对优越性进行打分，并根据1～9标度法进行比较和赋值(以下判别矩阵中，aij表示要素i相对于要素j的比较结果，其值较大，则表明要素i相对于要素j越重要或越优越，1表示同等重要或优越)，准则层、指标层各因素的相对重要性比较打分数值分别见表2～3，方案层各指标的相对优越性比较打分数值见表4。

图1 线网AFC系统架构方案评价层次分析模型

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表3 指标层各因素的相对重要性比较打分数值

表4 方案层各指标的相对优越性比较打分数值

注：表2、表3、表4中的变量含义参见图1。

因此，结合3种AFC系统架构方案特点，通过专家对准则层、指标层的各指标相对重要性及方案指标相对优越性的打分数值情况，计算各方案对目标层的权重分配系数向量后，可得3种方案的最优排序是d3>d2>d1，推荐采用方案3。方案3不仅能够满足中小规模城市线网AFC系统的统一运营维修管理、新线和延伸线的方便接入等需求，而且能够为每条线路节省LC系统投资约1 000万元人民币、LC设备用房面积约150 m2、UPS供电约10 kW，以及减少相应的运维人员，然而ACC系统的建设仅需在传统投资基础上增加500万元左右(系统投资参照近几年的AFC系统招标情况)。综上，方案3合并线路中心和清分中心的AFC系统架构方案，具有良好的应用价值。

3.3 AFC系统互换性

由于AFC系统建设到后期运营时间跨度很大，且市场软硬件模块升级换代很快，若不实现AFC系统的互换性，则会出现后期运营成本高、系统维修难度大、升级改造工作量大等问题。因此，为提高中小规模城市AFC系统的投资经济性、可维护性等，需进行系统互换性研究。

1) 系统功能模块化研究。结合系统功能制定系统业务功能相关标准及实施规范，将系统功能划分为运营监控管理模块、对账管理模块、运营模式管理模块、票卡库存信息管理模块等，研发满足相关功能需求的系统标准应用软件，并验证其可实施性，从而实现系统的功能模块化，有效控制后期运营成本，同时减少维护工作量。

2) 设备互换性研究。结合自动检票机、自动售票机等车站设备的功能要求，制定设备功能、运行模式、接口的相关标准及实施规范，从而实现设备的互换，减少维护、升级、扩展费用，提高维护效率。

3) 关键模块互换性研究。根据读写器软件的交易流程，将读写器软件接口内容模块化，规范读写器软件接口，避免多种软件修改的风险；为使用频率较大的部件制定统一的尺寸规格标准以及与设备之间的接口标准，保证关键硬件模块损坏时能及时更换，从而实现关键模块的互换性，降低系统升级维护的工作量和成本。

4 结语

随着国内各城市轨道交通建设的大力推进，关于城市轨道交通线网AFC系统的建设越来越受到重视。中小规模城市轨道交通线网AFC系统的资源共享、系统架构精简、系统互换性的实现，能够很好地解决传统AFC系统建设模式存在的投资浪费、运营管理难度大等问题，提高了系统资源的利用率和事件处理的响应速度，更加方便后续线路的接入及系统的需求调整和扩展，符合中小规模城市轨道交通的发展趋势。同时，随着中小规模城市线网AFC系统整体解决方案研究成果的进一步应用，还可为大城市的新线接入、既有线改造等方面提供一定的参考，有利于我国城市轨道交通AFC系统的可持续性发展。

[1] 潘攀，张宁，王健.城市轨道交通AFC系统参数管理[J].都市快轨交通,2015,28(3):12-15.

[2] 范巍. 城市轨道交通AFC系统线网读写器的标准与设计[J].都市快轨交通，2016，29(3)：110-113.

[3] 城市轨道交通自动售检票系统技术条件:GB/T 20907—2007[S].北京:中国标准出版社,2007.

[4] 吴娟,徐钟全,毛建.南京地铁AFC区域线路中心的规划

设计[J].铁路通信信号工程技术,2012,9(5):63-65.

[5] 邱华瑞,张宁,徐文,等.城市轨道交通自动售检票系统架构体系研究[J].都市快轨交通,2014,27(2):74-77.

[6] 常建娥,蒋太立.层次分析法确定权重的研究[J].武汉理工大学学报,2007,29(1):153-156.

[7] 李春好,孙永河,贾艳辉,等.变权层次分析法[J].系统工程理论与实践,2010,30(4):723-731.

(编辑：王艳菊)

The Overall Solution of Networked AFC System of Urban Rail Transit for Small and Medium-sized Cities

He Yueqi1Liu Yang2Zhang Ning2

(1. Beijing Urban Construction Design & Development Group Co., Ltd., Beijing, 100037; 2. ITS Rail Transit Research Institute of Southeast University, Nanjing 210096)

The development of networked AFC system for small and medium-sized cities is discussed. The traditional way of establishing the AFC system follows a high standard, incurs irrational resource use, and has poor flexibility, which makes the conventional AFC system unsuitable for small and medium-sized cities. The requirements of an overall solution of networked AFC system for small and medium-sized cities are analyzed in line with the resource capacity of these cities. The overall solution is expounded from the aspects of resource sharing, architecture comparison, interchangeability of the networked AFC system, which is expected to provide guidance for small and medium-sized cities to develop and operate their urban rail transit AFC system networks.Key words: rail transit; resource sharing; AFC system architecture; equipment compatibility; small and medium-sized cities

10.3969/j.issn.1672-6073.2016.06.022

2016-05-15

2016-06-20

何跃齐，男，高级工程师，从事城市轨道交通弱电系统设计与研究，heyq@buedri.com

江苏省科技厅产学研联合创新资金—前瞻性联合研究项目(BY2012197)

U231

A

1672-6073(2016)06-0110-04