DOI: 10.11817/j.issn.1672-7207.2016.04.042

基于手机QR码车票的地铁移动票务系统研究

雷定猷，贾莉

 (中南大学 交通运输工程学院，湖南 长沙，410004)

摘要：为实现地铁票务的移动化，分析现有移动票务形式和地铁票务特点，提出采用QR码作为地铁车票信息媒介的地铁移动票务方案，设计一个基于手机QR码车票的地铁移动票务系统，分析实现该系统所需的关键技术，并对系统进行仿真模拟测试。研究结果表明：此地铁移动票务方案具有可行性，不仅能够实现地铁票务的移动化，而且能够降低地铁自动售检票系统的前期购置成本和后期维护成本、精简车票流通业务和现金管理业务；手机QR码车票具有安全性，可多次循环使用，不可伪造、不可冒用、不可多人同时使用，无需关联乘客隐私；移动票务系统不仅能够完成地铁移动车票的自动售检票功能，而且可向乘客提供地铁增值服务和推送地铁实时消息，给乘客提供优质便捷服务。

关键词：地铁；移动票务；手机QR码车票；移动票务系统；系统仿真

中图分类号：U231⁺.92；TP302.1             文献标志码：A         文章编号：1672-7207(2016)04-1406-08

Metro mobile ticketing system using QR code ticket on personal mobile terminal device

LEI Dingyou, JIA Li

 (School of Traffic and Transport Engineering, Central South University, Changsha 410004, China)

Abstract: In order to realize mobile ticketing in metro, the forms of the existing mobile ticketing and the characteristics of metro ticketing were analyzed, a mobile ticketing scheme using QR code as the medium of tickets was proposed and a metro mobile ticketing system was designed based on QR code tickets on personal mobile terminal devices. Then, several critical technologies and methods required for the system were analyzed and the system was simulated. The results show that the mobile ticketing scheme is feasible and can reduce the cost for streamline tickets distribution and cash management compared with the existing AFC system.Moreover, the QR code tickets in the designed scheme are safe and reusable, and it is unassociated with passengers’privacy, and it is impossible to forge and it can’t be used by more than one passengers at the same time. The designed mobile ticketing system can not only realize mobile ticketing, but also provide value-added services and real-time information for passengers to arrange their travel plans.

Key words: metro; mobile ticketing; QR code ticket on personal mobile terminal device; mobile ticketing system; system simulation

随着智能手机和移动通信技术的迅速发展、移动支付业务的逐渐普及，以手机终端为载体的移动票务作为一种新型的无纸化、无卡化票务，成为票务发展的趋势和国内外研究的热点。近年来，一些国家或地区对移动票务在公共交通领域的应用进行了多种形式的探索与实践^[1-6]，国内外研究者也进行了一系列相关研究^[7-19]，如：进行了集中于移动票务载体形式的探索，并根据移动票务载体形式设计相应的移动票务系统^[7-10]；关注于移动票务验证问题的探讨，构建票务验证算法，分析对比离线、在线2种票务验证方式，并提出2种验证方式的适用范围^[11-12]；致力于移动票务安全问题的研究，提出用户隐私保护策略、构建系统安全交易协议^[13-15]；从消费者心理学和行为学的视角，对用户接受度进行理论研究和实证分析^[16-19]等。当前研究主要依据公共交通领域票务的特性、科学技术发展的现状和趋势，进行移动票务载体的探索和移动票务系统的设计，完成移动票务的自动售检票功能，具有普适性。虽然地铁属于公共交通运输方式的一种，但地铁系统中票务验证方式和运费计算模式与常规公交不同，现有地铁系统中广泛应用的自动售检票系统(AFC系统)功能和结构都具有一定的独特性，而且基于磁卡或非接触式IC卡的AFC系统建设成本较高、票务组织复杂，因此，研究适用于地铁的移动票务解决方案和设计相应的移动票务系统具有重要的现实意义。通过对国外案例和相关研究成果可知，以手机终端为载体的移动票务有多种形式的解决方案，包括基于手机短信(SMS或MMS)功能、基于手机NFC(near field communication)功能和基于手机定位功能等。基于手机短信的移动票务通常是一次性的，简单、易用，适合乘车频次不高的乘客^[3]；基于手机定位功能的移动票务解决方案需要乘客在起讫点主动拨打固定电  话^[6]，具有一定的局限性。目前只有部分智能手机嵌入NFC功能的现状制约NFC移动票务的推广和使用。QR码(quick response code)具有信息容量大、可靠性高、可表示汉字、译码质量高、纠错能力和保密防伪性强、能高速全方位识读等特点^[20]，已在公共交通、航空、影院等多个领域作票务凭证使用。本文作者选择QR码作为地铁车票信息的媒介，开发地铁票务手机客户端作为地铁QR码车票的载体，实现地铁票务的移动化；设计基于手机QR码车票的地铁移动票务系统(metro mobile ticketing system，简称MMT系统)，分析实现该系统所需的关键技术，并对系统进行仿真  模拟。

1  手机QR码车票原理分析

地铁手机QR码车票为使用手机QR码代替传统票卡作为地铁的乘车凭证，地铁票务手机客户端为QR码车票的载体，通过第三方支付方式的接入给QR码车票充值，使车票可循环重复使用。QR码车票生成和使用流程如下：

1) 乘客下载安装车票手机客户端，通过客户端申请车票。

2) 服务端生成原始车票信息，对信息进行加密和数字签名后发送给客户端。

3) 客户端利用QR码技术对加密数据进行图像编码，生成QR码图像形式的车票，并在客户端中存储、显示，供乘客乘车使用。

4) 乘客乘坐地铁时，在安装QR码识读设备的自动闸机处对车票进行验证，若验证成功，则闸机放行并将车票数据、闸机编号、时间戳等车票交易数据传送给服务端，否则，闸机发出验证出错提示。

5) 服务端存储车票交易数据，根据车票的进出站信息进行计费、扣款等操作，并将乘车扣费信息推送给客户端供乘客确认。

2  系统设计

2.1  系统总体架构设计

MMT系统总体架构设计如图1所示，包含售票及服务子系统(ticketing & service subsystem，即T&S子系统)和检票及管理子系统(checking & management subsystem，即C&M 子系统)，实现功能主要包括：手机QR码车票的自动售票、检票、充值、查询，地铁票务的统计、清分；地铁票务系统的运营、管理以及向乘客提供增值服务等。C&M子系统处于地铁内网，使用专用传输网络进行通信传输；T&S子系统处于地铁外网，通过网关与C&M子系统相连，共享存储系统和车票数据源。

2.2  售票及服务子系统设计

T&S子系统主要负责处理车票生成、充值等车票相关业务；向乘客提供乘车线路、地面换乘、乘车记录、地铁周边等地铁查询服务。在乘客乘车时，可向乘客推送前方到站、客流预警、紧急警报、乘车确认等实时信息；可定位乘车客户端位置，获得地铁线网实时客流分布，为地铁运营调整提供决策支持。

T&S子系统具有多样终端、并发操作、海量实时数据、安全性要求高等特点，采用C-S-WS架构(mobile client-server-websocket server架构)和MVC(model- view-control)设计模式，实现查询-反馈、订阅-发布、服务器广播3种消息模式，架构设计如图2所示。车票手机客户端实现人机交互，网络交互，客户端数据分析、处理、传输和持久化等操作，在不同移动终端操作平台上开发实现。服务端实现与客户端的交互和对数据的处理：控制层对客户端请求数据进行处理和整理，将指令加工后发送给对应的业务逻辑模块，并对数据回包进行过滤和透传；数据源根据设计的数据字典和存储规范将数据存储在数据库中，通过服务端的控制层对数据进行调用和处理。车票客户端与服务端之间可进行实时双向通信，在乘客乘车时，向乘客推送实时消息。

图1  MMT系统总体架构

Fig. 1  MMT system overall structure

图2  售票及服务子系统MVC设计架构

Fig. 2  MVC design scheme of ticketing & service subsystem

2.3  检票及管理子系统设计

C&M子系统完成对QR码车票的检验和MMT系统的管理，通过在现有AFC系统基础上改进实现：撤除售票系统、改进检票设备和变更交易流程等。

2.3.1  识读装置选型及检票设备设计

在C&M子系统中，仍采用自动闸机对手机QR码车票进行检验。在现有AFC系统的自动闸机上进行改进，撤除IC卡读写装置和单程票回收装置，通过RS-232串口将QR码识读装置连接到闸机的工业控制计算机上，其结构如图3所示。QR码车票识读装置的工作环境为地铁车站，识读介质为手机屏幕，并要求快速识读以保证乘客快速通过，所以，本系统选择可以识读手机屏幕、扫描速度快、扫描景深小、首读率高、自动对焦的摄像式二维条码识读装置^[21]。

QR 码识读装置对车票图像进行采集、处理、译码后，将信息输出到工控机；工控机根据车票类型进行相应业务逻辑处理，根据处理结果调用相关设备部件的API函数执行相应指令；同时，工控机对交易数据进行缓存，并将交易数据实时传输给路网计算机系统(clearing computer system，CC系统)和定时传输给车站计算机系统(station computer system，SC系统)。

2.3.2  检票交易流程设计

QR码车票只能进行读操作，需要检票闸机与CC系统协同完成车票验证、费率计算、交易生成、乘车结算等一系列检票交易处理流程。检票闸机仅对车票进行验证，根据处理结果调用相应设备接口，同时将生成的交易数据实时上行传输给CC系统；CC系统结合车票的进、出站交易数据进行费率计算，将交易数据及计算结果保存到车票数据库中，并将当次乘车及扣费信息通过消息推送方式发送到车票客户端供乘客核查、确认。若车票进出站交易数据错误，则无法进行费率计算，系统将车票加入黑名单并将车票错误信息推送至车票客户端，提示乘客到地铁车站服务中心进行解锁、更新。此车票验证方式和后端计费模式使手机QR码车票能够像传统地铁票卡一样充值和循环使用。

图3  自动闸机系统结构

Fig. 3  Architecture of automatic gate system

3  系统关键技术

3.1  车票客户端与服务端实时通信技术

T&S子系统基于WebSocket协议，分别在车票客户端和服务端开发实现WebSocket功能，实现车票客户端与服务端之间的实时双向通信。

WebSocket客户端侦听、接收实时消息，基于Webkit开发实现。乘客进站验票时，服务端获得客户端进站消息，服务端检测该客户端的连接状态，若该客户端与服务端的socket处在连接中，则将WebSocket服务器的URL通过JavaScript脚本形式返回给客户端；否则，在服务端捕获到此客户端心跳消息后，再进行此操作。客户端调用V8引擎对JavaScript脚本进行解析，调用构造回调函数constructorCallback创建1个WebSocket对象，调用connect操作完成与服务端的Websocket握手，将客户端与服务器之间的普通连接升级为Websocket连接。在建立Websocket握手的过程中，客户端单独创建1个异步读取数据线程AsyncReadSocketThread用于读写数据，通过调用select函数检测socket状态，调用socket API发送数据和接收服务端推送数据。

WebSocket服务端创建、触发实时消息，基于Java WebSocket JSR356规范开发实现。主要通过部署服务端URI空间和继承javax.websocket.Endpoint类、调用Websocket 服务器 API实现服务端的WebSocket功能。服务端接收并解析车票客户端连接请求，获取客户端版本信息，然后进行相应处理，将创建WebSocket连接的报文返回给客户端，完成与客户端的WebSocket握手。服务端采用多线程技术管理 Websocket连接，并且创建连接池类WebSocketSessionPool，给每个连接分配唯一的sessionID，并调用onOpen( )和onClose( )等方法触发打开和关闭连接，实现车票客户端连接的自动管理。服务端设置消息推送缓冲池和实时数据库管理人工录入并接收采集到的需要实时发布的消息。实时数据库通过触器调用、遍历得到相应会话，调用session.getBasicRemote( ).send( )函数将封装成WebSocket帧的更新数据实时推送给相应客户端。

3.2  车票客户端与服务端安全通信模型

为了确保T&S子系统中车票客户端与服务端的通信安全，设计了基于3DES加密算法、ECC椭圆曲线加密算法和签名算法的通信安全模型。3DES加密算法用来对消息数据进行加解密。ECC加密算法用于客户端与服务端之间交换密钥和对消息进行数字签名与验证。

3.2.1  安全通信模型

安全通信模型为

安全通信模型包含8个基本算法：ECC密钥生成算法G_E，ECC加密算法E_E，ECC解密算法D_E，ECC签名算法S_E，ECC验证算法V_E，3DES密钥生成算法G_D，3DES加密算法E_D和3DES解密算法D_D。

其中，需使用7个主要全局参数：q=2²³³，为有限域GF(q)的大小；；a和b，即有限域GF(q)上椭圆曲线中的参数；，为E上基点，；n为素数，为G的阶；，表示余因子。

3.2.2  安全通信方案

安全通信方案包括3种模式：首次通信模式、普通通信模式和WebSocket通信模式。

1) 首次通信模式中，车票客户端首次启动，生成客户端密钥，并与服务端交换密钥。

系统初始化：服务端生成公共参数q，FR，a，b，G，n，h和服务端公钥对：。

Step 1：车票客户端首次启动，向服务端发送链接请求。

Step 2：服务端返回公钥Q_S，公共参数q，FR，a，b，G，n，h和验证码c₀。

Step 3：客户端随机生成公钥对；根据复杂度参数e生成对称密钥；用公钥Q_S对K和公钥Q_C加密：；用客户端私钥d_C对进行签名 ；将发送给服务端。

Step 4：服务端用私钥d_S解密得密钥K和公钥Q_C：；用Q_C对签名进行验证。若验证通过，则生成客户端唯一身份标识CRID，加密签名后返回给客户端；否则，返回“验证失败”。

Step 5：客户端验证消息，验证成功后解密消息，将CRID存入客户端；否则返回“验证失败”。

2) 普通通信模式与WebSocket通信模式建立连接的方式不同，但安全通信方案相同。

客户端向服务端发送消息：客户端加密消息M_C：；对进行签名 ；将 发给服务端。服务端收到消息验证签名，若验证成功，则解密消息；否则，返回发送失败信息。

服务端向客户端推送消息：服务端加密消息M_P：；对进行签名，然后，将发给客户端。客户端接收消息验证签名，若验证成功，则解密消息，读取并显示信息内容；否则，返回推送失败信息。

3.3  检票交易数据传输方案

现有AFC系统中的检票闸机可离线独立完成检票交易处理流程，然后，将检票交易数据实时或集中逐级上传至SC系统、LC系统、CC系统，用于数据存储、备份、收益核对和清分结算等。MMT系统的检票交易数据需要实时传输至CC系统，进行费率计算、乘车结算，并将交易信息推送至乘客手机客户端供乘客确认；同时，也需要将检票交易数据在各级系统中进行存储、备份，以供核对。因此，本系统采用实时传输和集中传输相结合的方案上行传输检票交易数据。

检票交易数据实时传输具有传输量大、传输频率高、实时性要求高等特点，采用基于分布式对象计算的CORBA(the common object request broker architecture，公共对象请求代理体系结构)实现。闸机产生原始交易数据后，通过延迟同步通信方式，将数据实时传输给CC系统进行处理。

检票交易数据集中传输具有传输量大、传输频次少、正确性要求高等特点，采用文件传输方式(file transfer protocol，FTP)实现。闸机产生原始交易数据后进行缓存，按固定间隔时间将数据传输至SC系统；SC系统接收交易数据，将交易数据打包，按规定间隔时间上传至LC系统；LC系统根据CC系统需求对数据进行拆包、处理、再打包后上传至CC系统。各层系统分别对交易数据进行相应存储、审核、处理，完成相关业务，并对原始数据和处理数据进行备份。

4  系统仿真测试

根据系统设计方案，在实验室环境下对系统主要功能进行模拟仿真，对QR码车票生成、车票识读、车票信息安全、车票显示方案、手机客户端与服务端实时双向通信等功能点进行测试和分析，验证系统的可行性、有效性和安全性。其中，车票手机客户端用Objective-C语言编码，在IOS6.1平台上开发实现。QR码编解码通过调用GB/T 18284—2000标准提供的动态链接库实现；QR码识读装置选用CMOS成像式、分辨率为640×480，识读景深为0~450 mm，支持RS232接口的嵌入式二维码识读器。为了简化乘客使用流程、保护乘客个人隐私，无需乘客注册信息和关联手机号码，车票仅与客户端关联。

4.1  车票生成与车票信息安全测试

系统服务端生成原始QR码车票信息，车票包含：车票性质(ticket type，TT)、车票编号(ticket number，TN)、客户端唯一身份(unique identity，UI)、车票发售时间(selling time，ST)和车票有效期(validity period，VP)等信息，结构格式为：TT‖TN‖UI‖ST‖VP (“‖”表示连接符)，长度为43 byte。乘客手机车票客户端界面如图4所示，服务端生成的车票明文数据如图5所示。

图4  乘客手机车票客户端界面

Fig. 4  Ticketing client interfaces on passengers’ mobile phone

系统采用加密技术对QR码车票进行深层加密防伪，使用先加密再签名后编码方案，即在服务端先用56位3DES加密算法对车票原始信息进行加密，再用160位ECC签名算法对密文进行签名，将加密签名后的数据传输给客户端经QR编码生成QR码图像在客户端车票页面显示，供乘客乘车使用。加密签名后的车票密文数据如图6所示，编码后的QR码车票如图4(c)所示。

系统中对车票进行加密和签名的密钥保密程度高，由服务端生成，仅在系统内部分发，由服务端和闸机等地铁移动票务设备使用，增强车票数据破译难度和确保车票数据不被伪造；服务端将加密签名后的车票数据传输给客户端时，需根据安全通信模型对密文数据进行再次加密签名，确保数据在网络传输中的安全性和可靠性；车票只有通过解密程序才能识读，确保车票信息不被非法识读。车票被非本系统识读装置识读得到的数据如图7所示，测试结果表明本车票生成、加密、传输方案能确保车票信息的安全性。

4.2  车票识读与车票显示方案测试

根据车票数据容量，本系统选择符号规格为45模×45模的QR码符号版本7-H表示车票；并根据QR码符号的模块像素显示，生成6种QR码车票客户端显示方案，其中3种方案如图8所示。随机选取某市地铁5个地下车站和5个高架车站，在站厅光线环境下，对QR码车票进行识读时间和识读率测试，测试结果如图9所示。从图9可见：当QR码采用3像素/模以上方案显示时，QR码车票的识读率为100%；当QR码采用4像素/模以上方案显示时，QR码车票的平均识读时间小于200 ms/次。

图5  车票明文数据示例

Fig. 5  Example of plaintext data of ticket

图6  车票密文数据示例

Fig. 6  Example of ciphertext data of ticket

图7  车票非法识读测试结果示例

Fig. 7  Example of test result of reading ticket illegally

现有AFC系统票卡应用标准为：非接触式IC卡储值票的读写时间不大于300 ms/次，非接触式IC卡单程票的读写时间不大于200 ms/次。为了确保车票的识读率和车票快速验证，并结合Iphone手机屏幕尺寸和分辨率，本系统QR码车票采用版本7-H的符号表示方案和4像素/模的符号显示方案。

图8  QR码车票显示方案

Fig. 8  Display schemes of QR code tickets

图9  QR码车票识读测试结果

Fig. 9  Test results of reading QR code tickets

4.3  客户端与服务端实时通信模拟

本仿真系统分别在车票客户端和服务端进行WebSocket功能开发，并对车票客户端与服务端建立WebSocket连接进行实时通信的过程进行模拟，验证客户端与服务端实时通信的可行性。先向服务端发送车票进站信息模拟乘客验票进站，服务端获得客户端进站消息，将客户端与服务端之间的普通通信连接升级为Websocket连接；当客户端与服务端建立Websocket连接时，可在服务端创建消息实时推送给客户端；再向服务端发送车票出站信息模拟乘客验票出站，服务端根据车票进出站数据进行计费结算，将乘车信息实时发送给客户端；点击“我知道了”按钮，触发onClose(  )方法关闭Websocket连接，结束客户端与服务端实时双向通信。

由于地铁列车处于移动状态，车票客户端实时位置与客户端显示位置将会出现误差。我国2G移动网络提供上行/下行数据传输速率分别为2.7 kb/s和   9.6 kb/s，3G移动网络提供上行/下行数据传输速率至少分别为384 kb/s和2.8 Mb/s，地铁列车技术速度为47 km/h左右。在2G和3G网络环境下，客户端的位置误差不影响服务端向客户端实时推送前方车站出口提示、线路换乘、地面公交换乘、车站周边地图等与客户端位置相关的信息；服务端也可向客户端实时推送乘车确认信息、地铁客流预警、地铁运营动态等与客户端位置无关的信息；车票的服务端计费方式可确保车票不被他人冒用和不被多人同时使用。

5  结论

1) 基于QR码、加解密、数字签名、WebSocket和CORBA等技术，在现有地铁AFC系统的基础上，设计了一个地铁移动票务方案和地铁移动票务系统(MMT系统)。MMT系统采用QR码作为车票信息媒介，开发手机客户端作为QR码车票载体，设计前后端协同检票交易方案，实现了地铁票务的移动化。在实验室环境下，对MMT系统主要功能进行了仿真测试，验证了该系统的可行性和有效性。

2) 该方案中的QR码车票具有保密、可重复使用、不关联乘客隐私、不可伪造、不可冒用、不可多人同时使用等特点，确保车票的安全性；MMT系统不仅实现了地铁票务的移动化，而且可向乘客提供地铁增值服务和发布地铁实时消息，方便乘客制定乘车计划。

3) 本文仅对MMT系统的主要功能进行了仿真模拟，且MMT系统车票手机客户端开发是基于移动终端平台开发的原生应用程序。下一步研究工作是对MMT系统进行进一步开发；并基于支持HTML5，CSS3和JavaScript的手机浏览器开发地铁车票应用，使一次开发的车票应用能够适用于不同的移动终端平台和设备。

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(编辑  陈灿华)

收稿日期：2015-04-20；修回日期：2015-06-03

基金项目(Foundation item)：国家自然科学基金资助项目(71371193，71501190)(Projects (71371193, 71501190) supported by the National Natural Science Foundation of China)

通信作者：雷定猷，教授，博士生导师，从事交通运输决策支持系统等研究；E-mail：ding@csu.edu.cn