基于RFID技术的智能轨道交通票务系统设计研究

侯培国，马 灿，张航飞，严 晨

基于RFID技术的智能轨道交通票务系统设计研究

侯培国，马 灿，张航飞，严 晨

（燕山大学电气工程学院，河北秦皇岛 066004）

随着城市轨道交通客流量的增加，轨道交通承载的交通压力越来越大，如今迅猛发展的物联网技术可为解决轨道交通出行提供新思路，现提出基于射频识别（radio frequency identification，RFID）技术的智能轨道交通票务系统设计研究。本系统主要由嵌有RFID标签的交通卡、进站系统、里程记录系统和出站系统构成，与数据库大数据完美结合可以为乘客乘车提供便利，同时完善轨道交通收费的合理性。为了提高RFID阅读器识别标签的效率提出一种基于动态帧时隙的防碰撞算法，通过动态调整帧长达到标签被快速识别的效果，来提高整个城轨交通系统的效率，缓解人们的出行压力。

射频识别；轨道交通；票务系统；标签防碰撞

1 新型轨道交通系统设计背景

随着交通需求的快速增长，城市道路交通拥堵日益严重，为了缓解道路交通拥挤，地铁、快轨等轨道交通成为满足人们运输需求的主要途径之一。2016年末，中国大陆地区共30个城市开通城轨交通运营，共计133条线路，运营线路总长4 152.8 km，全年累计完成客运量160.9亿人次，可见城轨交通在城市发展和城市交通中的作用越发显著[1]。轨道交通的交通卡大多采用电子储值卡和电子单次卡，目前这两种卡均为集成电路卡，由IC芯片和感应天线组成，完全封在PVC卡中[2]。然而，传统的进出站刷卡方式存在一些缺点，例如：进出站时乘客必须手持交通卡在闸机的感应处近距离感应才可以进出闸门，对于行李多的乘客会极其不便；经常看到轨道交通车站的售票口或检票设备前排起长队；单次卡乘客必须经历站点信息选择的复杂程序等，这些都给乘坐轨道交通出行的人们带来了不便，也与轨道交通这种现代化出行方式不相符。现提出基于RFID技术的智能轨道交通票务系统设计研究，以解决上述存在的诸多问题。

2 系统设计构架

基于RFID技术的智能轨道交通票务系统是由嵌有RFID标签[3-4]的交通卡、进站系统、里程记录系统和出站系统构成，其中，进站系统由进站门禁上位机、进站门禁RFID读写器、进站门闸、数据库构成；里程记录系统由轨道交通运输车、车厢RFID读写器、车厢上位机和数据库构成；出站系统由出站门禁上位机、出站门禁RFID读写器、出站报警模块、出站门闸、结算模块、数据库构成，整个系统结构如图1所示。

图1 系统结构

其中，1为储值卡进站口；2为单次卡进站口；3为进站门闸；4为进站门禁RFID读写器；5为单次卡取卡处；6为车厢RFID读写器；7为轨道交通运输车；8为出站门禁RFID读写器；9为出站报警模块；10为出站门闸。

2.1 设计原则

本轨道交通票务系统设计目标是为乘客出行提供一个更加方便快捷，安全可靠的轨道交通系统[5-6]，与传统票务系统相比，将RFID技术充分应用于城轨交通会带来很多优势：

1）乘客进出站时无需手持交通卡，只需将交通卡随身携带就能被快速识别，方便乘客乘车；

2）乘客每到一个站点，车厢内部的RFID读写器都会给内嵌RFID标签的交通卡写入本站点信息，方便缴费时实际里程的计算；

3）使临时乘客解决了进行乘车站点信息选择的困难，从而节省了大量时间，同时增加了真实里程记录系统，把常用的入口缴费转为出口缴费，使乘客乘车更加方便快捷；

4）严格的门禁系统，有效避免乘客逃票出站，使轨道交通的管理系统更加完善；

5）可以实时获取到每个站点的准确客流量信息，为轨道交通管理部门提供大数据支持，有效引流，缓解交通压力等。

2.2 交通卡设计

该系统中的所有交通卡均内嵌RFID标签，标签上的信息由对应的读写器读取或写入[7]。

2.3 进站系统设计

进站系统由进站门禁上位机、进站门禁RFID读写器、进站门闸、数据库构成；内嵌RFID标签的交通卡与进站门禁RFID读写器无线连接，进站门禁RFID读写器的输出端与进站门禁上位机连接，进站门禁上位机的输出端分别与数据库、进站门闸通过数据线连接，电池模块与进站门禁上位机连接为进站系统提供电能；进站门禁RFID读写器对内嵌RFID标签的交通卡写入出发站信息[8]，并通过进站门禁上位机将写有进站信息的交通卡数据传输至数据库。进站系统结构如图2所示。

图2 进站系统结构

2.4 里程记录系统设计

里程记录系统由轨道交通运输车、车厢RFID读写器、车厢上位机和数据库构成；在每节车厢中均安装车厢RFID读写器，内嵌RFID标签的交通卡与车厢RFID读写器无线连接，车厢RFID读写器的输出端与车厢上位机相连，车厢上位机与数据库相连，电池模块与车厢上位机连接为里程记录系统提供电能；车厢RFID读写器对内嵌RFID标签的交通卡写入站点信息，并通过车厢上位机将写入站点信息的交通卡数据传输至数据库中。里程记录系统结构如图3所示。

图3 里程记录系统结构

2.5 出站系统设计

出站系统由出站门禁上位机、出站门禁RFID读写器、出站报警模块、出站门闸、结算模块、数据库构成；内嵌RFID标签的交通卡与出站门禁RFID读写器无线连接，出站门禁RFID读写器的输出端与出站门禁上位机连接，出站门禁上位机的输出端分别与出站门闸和出站报警模块通过数据线连接，出站门禁上位机与数据库、结算模块互通连接，电池模块与出站门禁上位机连接为出站系统提供电能；出站门禁RFID读写器读取内嵌RFID标签的交通卡的信息，并通过出站门禁上位机获取数据库中关于该张交通卡的数据，出站门禁RFID读写器结合数据库中的信息通过出站门禁上位机和结算模块对出站门闸或出站报警模块进行控制。出站系统结构如图4所示。

图4 出站系统结构

2.6 系统工作流程

整个系统工作流程如图5所示，其中交通卡分为电子储值卡和电子单次卡。

图5 系统流程

1）乘客使用电子储值卡时，乘客携带嵌有RFID标签的电子储值卡进入进站系统中储值卡进站口的进站门闸口处，进站门禁RFID读写器对该乘客的电子储值卡写入进站信息，同时打开进站门闸，乘客进站上车。上车后，每当到达一个站点，车厢RFID读写器均会发射一定频率的射频信号，该乘客的电子储值卡上的RFID标签产生感应电流，获得能量被激活，之后车厢RFID读写器将本站点信息写入该乘客带有RFID标签的电子储值卡中，同时更改数据库中的数据信息并保存。下车出站时，乘客可直接进入出站系统中出站门闸的闸口处，出站门禁RFID读写器读取该乘客电子储值卡的信息，结合车厢上位机传给数据库的关于该卡的里程信息，利用出站门禁上位机和结算模块对该电子储值卡进行自动扣费，扣费后卡内的RFID标签自行灭活，出站门禁上位机打开出站门闸，乘客出站。如果出站门禁RFID读写器读取到该卡余额不足以扣除本次费用时，出站门闸保持关闭状态，并控制报警模块报警，以便让乘客迅速回到车站充值处充值成功后再缴费出站。

2）乘客使用电子单次卡时，乘客进入进站系统中的单次卡进站口领取单次卡后到达进站门闸闸口处，进站门禁RFID读写器对该乘客的单次卡写入进站信息，同时打开进站门闸，乘客进站上车。上车后，每当到达一个站点，车厢RFID读写器均会发射一定频率的射频信号，该乘客的单次卡上的RFID标签产生感应电流，获得能量被激活，之后车厢RFID读写器将本站点信息写入该乘客带有RFID标签的单次卡中，同时更改数据进行缴费，缴费后，乘客可直接进入出站系统中出站门闸的闸口处，将单次卡插库中的数据信息并保存。乘客下车出站时，乘客要先进入单次卡的缴费区按照实际里程进入出站门闸的检测区域，当出站门闸处的出站门禁RFID读写器读取到嵌入已支付成功的RFID标签的单次卡时，门禁上位机控制出站门闸打开，并清空该单次卡中的所有里程信息，且出站同时对单次卡进行回收。如果出站门禁RFID读写器读取到未缴费的单次卡时，门禁上位机控制出站门闸保持关闭状态，并控制报警模块报警提醒乘客缴费成功后再出站。

将RFID技术应用到轨道交通票务系统中，在大客流情况下传统进出站时难免会遇到阅读器读取人卡不对应的情况，造成秩序混乱，但本系统针对此问题对阅读器读取准标签进行了优化，阅读器会通过自动调整信号的发射功率来改变阅读器的通信范围，更精准地捕获准标签，从而提高准标签的识别效率，有效避免上述情况的发生。

3 系统设计优势

相对于传统系统，本系统旨在将RFID技术应用到轨道交通的票务系统中，来提高乘客乘车的便利性及缴费的合理性，也为物联网的发展提供大数据支持。

1）对于单次卡乘客，传统系统中乘客进站前均是先进行站点信息的选择，必须确定好自己的出站点，缴纳相应的费用后才可以刷卡进站，而此行为有可能会对乘客的旅程造成不便，比如，乘客进站后有可能会改变自己的路线，不在自己最初选择的出站点出站，这样乘客起初缴费买的单次卡中的金额就有可能不够自己出站金额的要求，此时乘客还需自行补票再出站，造成了时间延误和一些不必要的麻烦；另一种可能是出站时起初缴费买的单次卡中的金额还会有剩余，这时也有可能造成乘客的财产损失。本系统为了避免上述现象的发生，利用RFID相关技术把轨道交通票务系统做了一些改进，即将本系统中的单次卡进站口、里程记录系统、单次卡缴费出口、数据库等完美结合有效解决上述弊端：此系统把单次卡乘客的入口缴费改为了出口缴费，无储值卡的临时乘客只需在单次卡进站口处取卡并进站，此处会省去进出站信息的选择和入口缴费环节，携嵌有RFID标签的单次卡进入后，每到达一站点，里程记录系统中的车厢RFID读写器均会对单次卡写入到达站点信息，出站时根据乘客所经过的所有站点计算出实际里程进行收费，缴费成功的单次卡被灭活，通过出站门禁收卡并出站，此过程中单次卡乘客无需担心中途自己改变目的地所带来的困扰，同时也会节省乘客的旅途时间。

2）解决交通系统存在的部分漏洞。目前轨道交通系统中的AFC里程记录系统仅仅利用起点到终点的距离来计算乘客乘车的费用，忽略了中间换乘的一些信息，这样的收费制度致使某些乘客产生了一些不道德的小心思，例如：一乘客从A站出发送朋友到D站，途径B、C两站点，规定从A站到达D站按现有里程系统收费是5元，推算出A-D、出站、进站、D-A整个来回自己要花费10元，但该乘客为了节省一些费用，将朋友送到D站后，自己并不出站，而是按原路返回A站再出站，此时按目前轨道交通里程记录系统的计费规则只是记录到了该乘客从A站口进站，再从A站口出站（但该乘客实际路程是A-B-C-D-C-B-A），此过程只需按最低票价收费3元，因此按此情况，目前收费系统并不完全合理，存在一些漏洞。对于本设计系统提到的真实里程记录系统，可检测到上述乘客中途所到达的每个站点A-B-C-D-C-B-A，通过途径的真实路程进行计费，这样可以有效解决上述情景下的漏洞，使得轨道交通系统的收费更加合理化。

3）如今已进入物联网、大数据时代，本设计由于增加了里程记录系统，相关部门可以实时获取每个站点的准确客流量信息，即可获取大数据支持，有效引流，缓解交通压力。

4 标签防碰撞算法

防碰撞是RFID系统研究的最为重要的问题之一。在RFID应用中如果一个有效识别区域内出现多个阅读器或多个RFID标签就会出现相互干扰的问题，这就是RFID系统碰撞，后果导致读写器不能正常识别每个标签的信息，最终降低读写器的识别效率和识别速度[9]。因此，为了保证每个乘客嵌有RFID标签的交通卡均能够被有效识别，系统必须采用一定的策略。通常将当前解决多个标签碰撞的方法分为空分多路法、时分多路法、频分多路和码分多路法。其中时分多路法（time division multiple access，TDMA）由于其自身应用简单等特点是实现RFID系统的防碰撞机制最普遍的方法，它是按时间对通信带宽进行分配的一种通信技术[10，11]。TDMA中，常用的多标签防碰撞算法分为两种，一种是基于二进制树的确定型算法，另一种是基于Aloha的统计型算法，由于后者实现相对简单，没有复杂的内部电路，所以本交通票务系统采用基于Aloha的标签防碰撞算法[12]。

基于Aloha的标签防碰撞算法主要包括：纯Aloha算法，时隙Aloha算法，帧时隙Aloha算法，动态帧时隙Aloha算法[13-15]。

4.1 纯ALOHA算法

纯Aloha算法原理最简单，也最容易实现，其实现过程如下：当标签进入读写器识别范围内，它主动将自身信息发送给读写器。在此过程中，若有其他标签也在与读写器通信，则会导致碰撞问题。如果读写器判断通信过程中有碰撞的情况，则中断与标签的通信过程，标签等待随机长的一段时间后再与读写器通信。设标签一个数据帧的传输时间为，某标签数据传输开始于0时刻，则进行一次完整的传输过程要求在（0–）—（0+）的时间范围内没有碰撞，整个传输过程需要该标签单独占有信道至少两个数据帧的时长，即至少为2。正是因为该算法碰撞周期为2，时间较长，所以其识别效率较低。

4.2 时隙ALOHA算法

时隙Aloha算法将信道分为若干等长的时隙，标签只能在时隙的分界处响应，这样即使发生碰撞也只能是完整碰撞，这样标签单独占有信道仅为，则吞吐率会比纯Aloha提升，两种算法每帧吞吐量对比图如图6所示。

可见其时隙Aloha算法的吞吐量约为纯Aloha算法的2倍。

图6 纯Aloha和时隙Aloha算法吞吐量对比

4.3 帧时隙ALOHA算法

帧时隙Aloha算法是将帧引入进来，一个帧包含固定数目个时隙，标签在一帧内只能随机选择一个时隙发送信息，这样可以避免碰撞标签反复发送数据，从而提高系统效率。然而，帧长固定导致了如果每帧待识别标签数目明显多于或者明显小于帧长的时候，相应的碰撞时隙或者空闲时隙明显增加，系统吞吐率显著下降，如图7所示。

图7 不同帧长下帧时隙Aloha算法仿真

从图中可以看出，当帧的长度等于标签数目时，系统的吞吐率最大。

4.4 动态帧时隙ALOHA算法

动态帧时隙Aloha算法是在通信时根据前一帧的读取情况来动态改变下一帧的时隙个数，从而使系统吞吐率一直保持在较高的范围。同等条件下，将帧时隙Aloha算法和动态帧时隙Aloha算法的识别过程的总时隙数和总吞吐率对比如图8，图9所示。其中，总时隙是决定系统效率的一个关键因素，完成所有标签识别时的总时隙数越少，系统性能越好。

图8 帧时隙Aloha和动态帧时隙Aloha算法消耗总时隙对比

图9 帧时隙Aloha和动态帧时隙Aloha算法总吞吐率对比

由图8可知，在相同标签数目的情况下，动态帧时隙Aloha算法较之前算法所需时隙数大幅减小；图9则体现出此算法吞吐率相对于传统Aloha算法提高1倍并随着标签数目的增加吞吐率可保持稳定。对于标签识别效率，应用传统防碰撞算法不仅吞吐率低，而且识别标签时间，长速度慢，大大降低了系统的性能。所以本系统采用动态帧时隙Aloha算法解决标签之间的防碰撞问题，提高标签的识别效率，使整个智能轨道交通系统的门禁以及票务系统工作更加高效合理。

5 总结

本系统将RFID技术应用到轨道交通票务系统中，将进站系统、里程记录系统、出站系统及其数据库大数据完美结合，能够达到按乘客经过所有站点的真实里程进行收费，更加完善轨道交通收费的合理性；将单次卡乘客的入口缴费改为出口缴费，省去站点信息选择环节，既为乘客提供了便利，又节省其旅途时间；由于乘客较多难免会遇到标签碰撞问题，经过对4种基本标签防碰撞算法的对比研究，本系统采用动态帧时隙Aloha算法解决相关问题，使整个轨道交通系统更具实用价值。

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（编辑：郝京红）

Design and Investigation of Intelligent Rail Transit Ticketing System Based on RFID Technology

HOU Peiguo, MA Can, ZHANG Hangfei, YAN Chen

(Institute of Electrical Engineering, Yanshan University, Qinhuangdao, Hebei 066004)

Currently, traffic pressure is increasing due to the increase of urban rail transit passenger volume. The rapid development of the Internet of Things technology can provide a new method of solving the problem of rail transit. This paper proposes the design of an intelligent rail transit ticketing system based on the RFID technology. This system is mainly composed of labels embedded with Radio Frequency Identification (RFID), an entry system, a mileage recording system, and an outbound system, which can provide convenience for passengers and improve the rationality of charge. In addition, this paper presents an anti-collision algorithm based on a dynamic frame slot to improve the efficiency of tag identification. A tag can be identified effectively by dynamically adjusting frame length to improve the efficiency of the entire rail system and alleviate traffic pressure.

RFID; urban railway system; ticketing system; anti-collision algorithm

10.3969/j.issn.1672-6073.2018.05.014

TN791

A

1672-6073(2018)05-0069-07

2017-09-10

2017-11-06

侯培国，男，教授，博士生导师，主要从事物联网在智能交通、立体仓储的应用，pghou@ysu.edu.cn

国家自然科学基金资助项目（61601400）