一引言

目前公共交通日平均流量達680多萬人次隨著計算機網絡技術和智能卡技術的不斷發展為了方便廣大市民的出行提高城市公共交通的服務水平和管理水平上海市于1999年提出了實施公共交通一卡通系統工程的設想上海公共交通一卡通系統的目標是用三年左右的時間實現公交地鐵輪渡輕軌和出租五大公共交通行業的一卡通用并建成統一的發卡系統和中央清算系統及相關的計算機網絡系統實現一卡在手路路通行本文將結合上海公共交通一卡通系統三年多以來建設和運營的實踐介紹公共交通一卡通系統的設計思路業務流程和運營管理并簡單介紹上海公共交通卡的現狀與發展

二系統的技術實現

1系統的總體架構

上海城市公共交通一卡通系統以中央清算系統為中心連接公交地鐵輪渡輕軌出租等分系統形成了一個覆蓋全市的基于卡業務的計算機網絡系統因而在整個系統的設計結構中必須條理分明地分成為五個層面以適應復雜的管理要求

第一層為中央清算系統

第二層為公交地鐵輪渡輕軌出租的分系統結算中心或營運公司結算中心

第三層為各分系統的基層站點（數據采集點）應用系統

第四層為所有的POS機具（IC卡讀寫機具）

第五層為消費媒體即公共交通非接觸式IC卡

下圖給出了上海城市公共交通一卡通系統的系統總體框圖

2系統的基本設計指標

根據上海市公共交通的現狀和未來幾年的發展預測貫徹實用可靠先進經濟 的方針以應用為導向推進管理上臺階按照急用先上分步到位的原則進行建設從實際情況出發以發展需求為依據總體規劃分步實施確保系統高度集成總體優化安全可靠穩步推進在系統進行總體設計時確定的系統基本技術指標為

1系統容量中央清算系統在三年后應至少可以存儲500萬個卡片帳戶每天的交易量為500萬筆五年后可以擴展到1000萬個卡片帳戶每天的交易數量達到600萬筆每筆交易的數據長度為200字節

2處理能力中央清算系統可以在5小時內完成500萬筆交易的清算并可擴充到600萬筆的交易處理能力

3IC卡的相關指標

典型交易時間完成一次典型的IC卡消費交易的時間小于300毫秒

使用距離正常情況下在距離天線0---80mm的范圍內可以正常進行交易

使用壽命IC卡的寫/擦周期不小于10萬次數據保存時間不小于10年

3主要功能介紹

1發卡中心

發卡中心負責卡片的初始化包括創建卡片文件結構更新卡片密鑰加載初始數據等上海城市交通一卡通系統的發卡中心設在上海東方交通卡股份公司內由多臺先進的自動發卡設備組成發卡系統的基本功能模塊如下圖所示

IC卡發行設備是高度自動化的專用設備通過PC機（發卡工作站）發送指令控制其動作首先將卡片從進卡裝置送入發卡機內并停留在天線區域內然后對卡片進行讀寫讀寫完成后將卡片送至凹字打印模塊將卡片的編號打印在卡片表面打印成功后卡片將被送至正常出卡裝置如果在發卡過程中發生錯誤則卡片將被送至廢卡盒通過程序即可自動完成正常卡片和壞卡的自動分檢發卡過程中所有的密鑰都將通過安全模塊進行運算保證發卡過程中的密鑰安全使用自動發卡設備大大降低了發卡的工作量減少了人為造成發卡錯誤的可能性發卡速度快而且成功率非常高目前整個發卡中心每天可以完成數萬張卡的初始化工作完全可以滿足上海的發卡需求量

由于發卡系統將對卡片的密鑰進行更新因此對發卡中心的安全監管是非常重要的上海一卡通系統的發卡中心采用先進的門禁管理系統和實時監視系統最大程度地保證了發卡中心的安全

2清算中心和結算中心

清算中心是對整個系統的交易數據進行清分的管理中心由于上海城市交通一卡通系統是一個跨行業多應用的系統交易發生在不同的營運公司統一的中央清算中心必須對所有的交易數據進行清分處理將運營收益結算到對應的營運公司清算中心還負責維護所有的卡片帳戶從一張卡片完成初始化開始即在中央清算系統中建立了一個獨立的帳戶此后這張卡片的所有交易數據都將被記錄和跟蹤清算中心是整個系統的大腦其處理能力和處理效率將直接決定了整個系統的最終規模

結算中心是聯系清算中心和各營運點的紐帶結算中心負責對收到的交易數據進行處理并轉發到清算中心進行清算同時結算中心從清算中心下載系統運行參數并將參數傳送到各營運點結算中心本身還負責統計分析收到的所有交易記錄并產生對應行業的交易報表結算中心是行業管理所必須的許多行業運行參數（如車費表等）是在結算中心產生并下發到各營運點的使用結算中心和清算中心兩級中心的設計是符合上海公共交通運營特點的這種設計保證了行業管理部門可以及時的獲得各種行業運營信息提供行業運營的數據報表和分析報表充分發揮行業管理部門在整個系統運營中的管理功能同時大大降低了清算中心的通信壓力提高了通信的可靠性和效率

3交易數據采集和轉發

交易數據的采集和轉發的實時性和準確性是整個系統正常運營的基本保證針對上海公共交通卡系統跨行業應用的特點各行業的交易數據的采集方式也多種多樣既需要保證數據的可靠性又要符合行業的運行特點例如公交行業是采用易于攜帶的紅外采集裝置或大容量的IC卡進行采集一般每天采集一次然后通過站點采集機利用PSTN發送到公交結算中心地鐵輕軌則是通過車站計算機采集車站內所有設備的交易數據通常交易發生后5分鐘以內交易數據即可傳送到車站計算機并定時通過地鐵內的專用通信線路傳送到地鐵結算中心輪渡站點的各種設備連接成局域網并接入站點計算機可以實現交易數據的實時傳送到站點計算機并由站點計算機定時通過ISDN傳送到輪渡結算中心出租行業也是使用IC卡進行數據采集當達到一定交易筆數后必須進行數據采集并到附近的數據采集點將IC卡內的交易數據導入采集點的計算機

4充值售卡點

充值售卡點負責銷售（啟用）交通卡和對交通卡進行充值.充值點在進行交易前必須首先鑒別操作員身份并向清算中心簽到鑒別充值點的身份和權限然后才能進行正常的交易并根據中央清算中心的授權定時向中央清算中心發送交易數據交易過程中的安全控制和密鑰運算同樣通過安全模塊來完成安全模塊的使用必須通過了操作員身份認證后才能進行充值點設備的基本功能模塊如下圖所示

此外在上海交通卡系統中還通過與銀行的合作開通了信用卡（借記卡）自動轉帳系統持有信用卡（借記卡）的用戶可以通過自助式設備將信用卡（借記卡）帳戶中的資金轉存到交通卡中整個過程只需要1分鐘左右使用非常方便

5消費設備

由于上海交通卡系統是多應用的系統因此各種消費設備的實現方式也有比較大的區別但所有的設備都遵從同樣的交易流程從而保證了整個系統內的IC卡交易處理的統一所有的消費設備均采用帶有DES協處理器的高速PSAM卡作為安全模塊從而保證了的交易過程和密鑰運算的安全盡管各種消費設備有比較大的區別但其功能模塊基本相同如下圖所示

三系統的運營管理

1系統的安全管理

公共交通一卡通系統雖然是小金額的消費系統但由于數量大分布廣管理難度非常大系統的安全控制措施是非常重要的上海的系統從設計的開始階段就對系統安全十分重視多次邀請各方面的專家共同出謀劃策上海公共交通一卡通系統采取的安全控制措施主要包括

1完善的卡片安全管理由于上海的系統中采用的是擁有自主知識產權的IC卡芯片和接口芯片射頻部分的加密和雙向認證采用了特別的機制提高了射頻通信的安全性卡內的密鑰采用一扇區一密一卡一密的機制使用卡片的唯一性數據對主密鑰進行密鑰分散采用國際流行的3DES算法符合建設部城市公用事業IC卡應用的安全規范極大的提高了整個系統的防攻擊能力

2所有設備內均采用安全模塊（SAM卡）進行密鑰分散和密鑰運算所有敏感數據和中間結果均存放在安全模塊內部無法進行跟蹤保證了設備的安全

3每條交易記錄均使用TAC機制保證數據的完整性使交易數據不可篡改不可偽造清算中心使用硬件加密機進行TAC校驗

4中央清算中心和分系統結算中心之間的所有的數據交換均使用MAC認證采用硬件加密機進行MAC的生成和校驗即保證了處理速度又提高了系統的安全性

5系統黑名單機制可以在24小時使可疑卡片被禁止使用

2系統運行的可靠性保證

隨著系統應用的推進保證系統運行的可靠性將成為運營管理的主要任務特別是當達到一定的發卡量和交易量后如果發生系統崩潰的事故后果將十分嚴重而且會對整個系統的推廣造成毀滅性的打擊上海公共交通一卡通系統的設計采用了多種手段保證系統的可靠性主要的措施包括

1中央清算系統在每一個環節都實現熱備份的運行機制包括通訊線路路由器交換機UPS硬件加密機和主機系統由3臺HP-N4000的主機組成的主機系統采用專業的實時熱備份軟件保證24小時不停機運行

2采用專業公司的成熟的通信中間件軟件產品保證通信數據的可靠性和完整性

3使用多種數據備份機制保證交易數據的完整保存有利用磁帶陣列（AUTORAID）進行數據備份的有利用應用系統進行交易數據的備份的也有利用ORACLE數據庫進行在線備份的多種的備份方法確保了數據的完整性增加了系統的可靠性

4系統內所有的軟硬件產品在投入生產環境之前均進行了嚴格完整的測試同時建立了完善的維護保障體系保證系統內各種設備的穩定運行

3行業的運行管理

對于一個跨行業的多應用系統來說做好整個系統的協調管理工作是非常復雜和困難的工作上海僅用了不到兩年的時間完成了從開始建設公共交通卡系統到實現五個不同的公共交通行業的接入的工程不能不說是一個奇跡上海的交通卡系統是中國大陸地區第一個也是目前唯一一個在公共交通領域已經實現了多行業多應用的系統其中行業的管理經驗是值得其他城市借鑒的歸納起來主要包括以下幾點

1系統設計時充分考慮不同行業的不同運營需求在需求分析階段設計人員用大量的時間和精力與運營管理部門的管理人員進行溝通盡可能地滿足運營需要人機界面的設計也充分考慮了易用性的問題

2在涉及到需要對原有系統進行改造時盡可能保持兼容或平穩過渡方便用戶的使用和運營管理

3充分發揮各行業主管部門的積極性在行業管理上仍然采用原有的管理層次和管理流程上海交通卡系統的建設和擴容過程中上海東方交通卡公司始終與各行業的主管部門保持著密切的聯系協調各項工作的順利推進

四上海公共交通一卡通系統的現狀和未來

1目前的系統規模

上海公共交通一卡通工程經過三年多的建設和兩年多的運營已在全市形成了相當的規模基本覆蓋了全市主要的公共交通工具系統的穩定性和可靠性有了很大的提高目前已在市區超過8000輛公交車地鐵一號線二號線全線（自動換乘）8條輪渡線路超過32000輛出租車和明珠線輕軌實現了公共交通卡的應用2001年初提前實現了連通五大公共交通行業的既定目標目前公共交通卡已成功應用到包括高速公路收費停車場收費汽車租賃住宅小區收費及門禁等許多相關領域遠遠超出了系統設計時設定的目標目前已累計發卡超過430萬張并建立了1500多個售卡充資點（包括代理售卡點）公共交通卡已為廣大市民接受成為許多市民出行的付費工具每日的交易量已達到100萬筆以上

2未來的建設規劃

城市公共交通一卡通工程是關系到千萬人日常生活的重大工程目前的上海公共交通卡已深入到市民生活的方方面面今年9月上海的公共交通卡與無錫交通卡成功實現了跨地區的聯運這也是國內首次實現跨地區的交通卡聯運上海公共交通卡系統的建設和推廣工作又一次走在了全國前列

由于上海公共交通卡系統從設計時就充分考慮了未來應用的擴展在卡片結構設計安全體系系統架構設計和數據庫設計中都保留了未來其他應用或系統接入的可能從技術上保證了未來新的應用可以靈活的接入整個交通卡系統通過今年系統進行的幾次大數據量模擬實驗已證明系統的性能完全滿足甚至超過了設計指標

上海的公共交通卡系統建設現已進入了良性的循環其應用范圍不斷擴大發卡量使用量和市民的認可程度不斷提高目前推進公共交通卡的應用不僅是公共交通行業的共識而且也受到了其他服務行業的關注公共交通卡為市民提供了巨大的便利

在上海的公共交通建設中軌道交通將成為今后幾年的重要發展方向在未來建設和開通的軌道交通線路中都將可以使用上海公共交通卡作為付費媒介并最終實現交叉線路的自動換乘同時上海公共交通卡的應用還在高速公路收費領域擁有廣闊的應用空間未來的公共交通卡不僅可以為市民的出行提供快捷便利的支付手段還將在市民的日常生活中發揮越來越大的作用

五結束語

上海城市公共交通一卡通工程是國內第一個有如此廣泛應用且完全依靠國內技術力量開發建立的系統通過本項目的成功實施提高了上海市社會公共交通事業的服務管理水平向市民提供了更加便捷的交通服務結算方式與上海作為國際大都市的形象相吻合是上海市信息化建設取得的重要成果上海公共交通一卡通系統的建設與成功運行對今后我國其他大中城市實行城市交通電子結算系統提供了借鑒作用