城市建设，交通先行。城市轨道交通是公众出行的重要方式，也是城市交通大动脉，属于典型小额高频的应用领域。目前，地铁票务以单程票和储值卡为主，在高峰时段出现排队购票等待时间长、人员滞留、无法容纳更多乘客等问题。随着移动互联网时代的到来，移动支付掀起了热潮，逐渐出现了互联网电子票、NFC、银联闪付、（含Apple Pay）等灵活多样的移动支付方式。但由于手机终端机型、联网交易等限制，现有的移动支付方式无法大规模推广。 二维码支付作为移动支付的一种形式，具有数据输入快速可靠、设备识别简单、经济和使用灵活、不受终端机型限制等优势，且用户庞大、用户习惯培养成熟，这能够有效解决目前移动支付的遗存问题。本文研究的二维码在轨道交通领域的创新应用是基于O D A后付费技术，采用双脱机及信用支付模式，为乘客提供便捷、高效的二维码过闸体验，为地铁业主实现降本增效，全面提高地铁服务质量。
1 现有二维码应用情况
1.1 主要城市地铁二维码应用分析
目前，二维码应用已在北京、上海、西安、广州等多个核心城市
轨道交通上线推广，主要运用于购
票服务和二维码过闸服务。其中，
购票服务包括现场购票二维码支
付、线上购票线下二维码取票；二
维码过闸服务主要包括互联网电子
票（二维码）、/支付宝乘车
码、APP生成二维码三种模式。其
中，广州地铁二维码应用最为多元
化，囊括了目前二维码的主要应用
形式，且涵盖了银联闪付、
（含Apple Pay）、地铁云卡等新型
的移动支付方式。主要城市地铁二
维码应用对比详见表1。
1.2 城市地铁现有支付方式应用
分析
（1）传统支付方式。轨道交
通的传统支付方式主要以单程票、
储值卡为主，乘客需要充值或购
票。储值卡需在票卡内存入一定的
预付费用，无需排队购票，用户乘
车一般享有一定的折扣，但是需要
一定制作成本且卡片易丢失；单程
票适合零散乘客，购票速度慢。
（2）二维码支付方式。二维
码支付主要有二维码（O D A）、
互联网电子票、/支付宝乘车
码三种应用模式。其中，二维码
（ODA）采用双脱机验证，无需受
限手机终端和联网，通行效率高，
市场潜力大，因此本文主要针对该
应用模式进行研究。
（3）其他移动支付方式。其
他移动支付方式包括刷银联金融
表1 主要城市地表铁二维码应用对比
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IC卡、NFC手机（、地铁云卡）等多种方式，能够有效满足乘客多元化、互联网化的支付需求。但是这些移动支付方式应用并不广泛，主要受限于移动网络、终端机型，导致用户人不广。
2 二维码应用难点分析
相对于公交或BRT，地铁是一个人流密度极大的场所，与公交的上下车只有一次交易不同，地铁的交易为区间收费，即进站要进行一次进站交易，出站再进行一次扣费交易，与公交应用相比更加复杂。因此，二维码在地铁的应用中存在以下几个难点：
（1）快速通行。传统二维码采用在线验证的方式，由于受到网络条件的影响，二维码的验证耗时较长，容易造成进站拥堵，影响用
户体验。
（2）防伪造复制。二维码由
于其数据单向传输，信息肉眼可见
的特性，决定了其容易被复制。因
此，如何防止二维码被复制是一个
关键技术点。
（3）单边进出交易。地铁为
区间收费，进出站记录匹配后，最
终形成完整交易。而在二维码应用
场景中，容易造成单边交易，难以
匹配成功，导致对账困难，给地铁
造成不小的经济损失。
（4）多进多出交易。在地铁
站点中，多为闸机编组方式应对大
客流，有可能会出现乘客使用有效
的二维码刷开同站多组闸机，或将
该码传递给他人，从而实现同时多
人进站出站的情形。
3 二维码应用方案设计
3.1 方案概述
本研究是基于O D A后付费技
术，采用二维码双脱机地铁验证模
式，不受移动网络限制，二维码生
成和扫码数据认证均脱机完成，有
效解决了乘客忘带城市通卡、卡片
余额不足、使用移动支付却因信号
不佳无法支付进而导致不能过闸的
情况，为乘客提供更加便捷、高效
的过闸体验。
（1）二维码支付方式。通过
使用特定APP生成一个加密二维码，
乘客在进闸机处通过扫描读取二维码
准后，给予放行。出闸时同样使用产
生的出闸。
（2）二维码交易匹配。系统
采集二维码数据信息，上传到清分
中心，清分中心匹配相关的进出站
数据从而确定票价，最终从乘客注
册账户完成扣款。
3.2 体系架构
针对地铁应用场景中的难点，
制定双脱机模式的二维码体系架
构，该架构由手机客户端、设备
层、网络层和数据处理层组成，各
部分功能简述如下：
（1）手机客户端。手机客户
端负责二维码的生成与展示，为用
户提供界面展示、用户消费记录查
询、账户信息查、用户证书下载、
进出站自助更新、查询欠费订单等
功能。
（2）设备层。包含闸机终端
和节点系统。闸机终端负责二维码
的扫码，成功识别二维码后进行记
录，并将信息实时发送至节点系
统；节点系统负责站点闸机的时间
同步、密钥更新下载、码ID站内广
播、交易准实时上传、黑名单紧急
下发、终端软件更新、读写模块心
表2
城市地铁现有支付方式对比
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中国高新科技2018年第11期
跳监控等。
（3）数据处理层。包括TPP接口层、发码系统、清结算系统、实名账户系统、UID数据同步系统，实现接口对接、清算处理、账户管理和数据同步等。
3.3 系统架构
二维码票卡在原有系统上进行新增和改造功能模块，在特定APP 上生成二维码、新增二维码虚拟卡票种、云闸机交易，在每个站点搭建节点同步系统，对站点数据处理和监控，数据发送到云支付通信网关，进行云码消费，支付通道为银联通道扣款，上送到云支付系统的出入闸交易要做交易匹配，并算出票价，进行扣费。主要系统说明如下：（1）后台功能系统。增加发码系统，以云支付系统连接通信；接入加密机实现二维码参数配置。
（2）实名账户系统。建设二维码账户，对账户有积分设置，完成对用户的积分管理。
（3）票卡管理系统。动态票价，对不同票种的票价定义不同优惠政策，可设置多种优惠方式。
（4）清分系统。增加对二维码交易的清分结算，交易数据同步，生成报表和统计数据。
3.4 安全设计
二维码数据的安全性由机构私
钥和用户级非对称密钥双重签名保
证。二维码数据中发码机构授权信
息签名信息需包含用户级信息，防
止用户信息的伪造。脱机交易数据
需实时地通过云平台和发卡机构同
步至发码机构，并转发给用户。二
维码客户端、应用后台、受理终端
与收单机构后台必须具备时间同步
机制。在机构授权信息有效期、二
维码有效期的判断时，保证时间误
差在一定的范围之内（通常误差不
能超过1分钟）。
3.5 入口设计
通过软件开发工具包SDK嵌入
地铁指定APP，主要功能包括用户
认证、Token申请、本地数据组装
与加密、二维码展示、二维码更
新等。在申请二维码时，根据地铁
方需要，可能需缴纳一定的“信用
金”，以确保用户使用二维码时的
信用出行，该信用金在可申请退
回。由于二维码采取后付费模式，
用户需绑定账户进行划扣，地铁出
行消费后，从该账户进行扣费。
3.6 闸机改造
通过对闸机与地铁业务的分析
可知，目前闸机的主要业务处理功
能集中在ECU与票卡读写器，ECU
主要负责与SC通信，接收SC的下发
参数与上传交易记录数据；控制闸
机各个外围模块的协同，展现人机
交互界面；而读写器主要负责处理
与票卡相关的交互流程与业务。
改造后的闸机不再以ECU为核
心控制器，而是具有两套控制
核
心：一套是闸机主控ECU完成传统
票卡（单程票、储值票等）的数据
上传、人机交互、通道传感器的状
态、门开关和扇门等；另一套是以
读写模块为核心，新增二维码模块接
入车票读写模块，在完成传统票卡处
图2 系统架构设计图
图1 二维码体系架构图
·80·中国高新科技2018年第11期
理业务流程之外，增加二维码业务的数据处理与数据上传处理功能。
4 二维码应用建设成效
4.1 采用二维码ODA模式，解决遗存问题，提升乘车体验
通过二维码改造项目，乘客通过在手机APP生成的二维码，直接刷码过闸，加快了地铁客流的流通速度。交易过程中二维码的唯一性和时效性，能够防止人为欺骗；闭合的网络设计，能够保证现金安全，支持在线升级，快速应对复杂的场景应用。
4.2 建立实名用户体系，运营精细化，提高运营安全
通过实名认证，为乘客提供个性化服务并带动地铁商业发展；通过实名体系也可对地铁客流、运营、
乘客出行习惯等方面进行分析，进一步加强地铁运营服务精细化管理，同时对地铁防范等重大违法犯罪事件起到积极防范作用。
4.3 创建两层系统架构，简化数据处理环节，降低运营成本
对地铁原有的AFC五层架构体系做创新性尝试，建立AFC两层架构体系雏形，为AFC两层架构升级提供技术基础，简化数据上送和下发系统环节，提高通信时效性，使交易处理的机制更加多样化，降低
运营成本。
4.4 建立账户ID应用体系，为实
现智慧地铁打下基础
基于二维码改造方案进行扩展
二维码支付
建设，可以很方便地覆盖所有基于
账户ID的应用体系，如人脸、指纹
静脉支付，改进ODA实时性等，为
将来的账户系统多元化、运营大数
据分析打下基础，大大提高城市轨
道交通的智慧程度。
5 二维码应用未来展望
5.1 读写器和ECU集成
摩尔定律芯片技术飞速发展，
硬件性能不断提高，由嵌入式硬
件组成的票卡读写器模块的运算性
能、扩展能力也随之增强。展望未
来，将读写器与闸机ECU进行融合设
计，增强集成能力，将闸机终端简化
为单层架构，同时统一标准，将大大
简化闸机功耗、管理、运营成本，为
未来地铁的运营注入新的动力。
5.2 智慧安检应用
地铁客流量大，人密集，容
易成为的对象，地铁推行
智慧安检势在必行。二维码支付庞
大的用户体以及二维码使用特性
为乘客快速通行提供可行性，可在
二维码基础上结合实名用户数据，
对乘客进行分类，对满足快速通行
条件的用户提供快速通道服务。
5.3 建立地铁大数据
通过大数据解决超大规模运行
安全以大客流预警的行业痛点，可
提供更多增值服务，比如乘客差异
化服务、地铁智能化运行等。结合
互联网、大数据、人工智能技术等
技术，可逐步扩展到智能安防、智
能商业等领域。
6 结语
二维码在轨道交通领域的创新
应用基于二维码双脱机地铁验证模
式，是对现有AFC系统的一个有效
补充，弥补现有移动支付方式过闸
低效、充值不便、终端和网络受限
等问题带来的不足，极大提升轨道
交通互联网业务能力、科技创新能
力及企业品牌影响力，具有很好的可
移植性与推广性。本应用是智慧地铁
AFC行业的又一次飞跃，真正实现了
方便、快捷的地铁出行。
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讨[J]．科技创新与应用，2017，11
（30）.
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[5]于京玄．西安进入刷手机乘地铁新时
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（作者张聪系广州地铁集团
有限公司工程师）图3 改造闸机组成框图
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