一、引言
近年来，全国许多城市陆续建立了公共交通一卡通系统，如北京、上海、深圳、南京、大连等，极大地推进了城市信息化建设的进程。该系统的目标是以交通IC卡为主线，连接公交、地铁、出租等公共交通行业和水、电、煤、物业、超市等非公共交通行业，形成“一卡通用、一卡多用”的综合网络服务体系，最终实现“一卡在手，走遍全城”的梦想，并且能够解决长期困惑公共交通行业和部分非公共交通行业的自动收费问题。
使用公共交通一卡通系统，可以减少手持现金的流量，方便市民出行，同时也提高了营运单位的营运效率。市民持有一张交通卡可以在公共交通行业和部分非公共交通行业通用，乘坐常用的交通工具只需以卡代币，无需支付现金，换乘交通工具也不用换卡，同时市民还可以使用交通卡支付水、电、煤等日常生活费用以及超市、便利店等小额消费支出；营运单位通过开办一卡通业务大大减少了收费业务量，使收费过程自动化，节省了人力和物力，加速了资金的流动和周转。因为一卡通系统由统一的机构来管理，有助于对营运单位的监督，避免了逃税和漏税现象的出现，也有助于上层管理者了解各个营运单位的营运情况，从而更好地从宏观上对行业发展进行调控。
国内城市公共交通一卡通系统的建设还属于起步阶段，对各城市而言，如何建立和建立什么样的交通一卡通系统都没有一个完全可以参照的标准，各地交通一卡通系统都具有较强的本地特色，其系统架构、管理模式、业务模式和技术应用标准等都不尽相同。具体哪个城市的公共交通一卡通系统能够反映该系统的未来的发展趋势，目前尚无定论，但各个城市的系统建设方法和建设经验却是一笔宝贵的财富，其间必定隐含了交通一卡通系统的某种发展方向。 本文将结合上海城市公共交通一卡系统的设计思想和发展规划从应用拓展的角度综合论述该系统的体系结构和应用发展趋势，力求探索一种比较合理的系统架构和业务模式，以供各城市在规划和建设交通一卡通系统时参考。
二、体系结构
城市公共交通一卡通系统一般由持卡人、售卡充值点、消费点、数据采集点、营运单位、售卡充值代理机构、清算中心和清算银行等要素组成，持卡人是交通卡的使用者，售卡充值点是交通卡出售和充资的经营场所，消费点是交通卡使用场所，数据采集点是原始交易数据采集和汇总的场所，营运单位是为持卡人提供消费等服务的业主，售卡充值代理机构是交通卡出售和充值的代理单位，结算中心是交通卡发行和清算的管理部门，清算银行是交通卡营运资金划拨的金融机构。因系统要素种类较多，对各种要素进行不同的布局会形成多种体系结构，哪种体系结构属于比较合理的结构还需经过系统筹建单位论证。为了使交通一卡通系统结构清晰、职责明确，将该系统按如图一所示的方法自上而下划分为五层是一种比较好的选择。由各层分别处理各自的事项，由上层管理其下层充分体现了集中管理和分布处理的原则。
图一 城市公共交通一卡通系统的体系结构
1、第一层
第一层由清算中心和清算银行组成。清算中心统一发卡，负责一卡通系统的密钥生成、发行和管理体系，负责系统的日常运行和维护，建立持卡人帐户、各营运单位的帐户和清算中心的帐户，负责每天的售卡、充值、退卡数据的汇总，消费数据的核对和清分，此外向持卡人及营运单位提供技术服务，负责仲裁持卡人纠纷。清算银行管理一卡通系统中所发生的现金以及根据清算中心提供的清算结果对营运单位、售卡充值代理机构的应收或应付款进行划拨。
2、第二层
第二层由营运单位和售卡充值代理机构组成。公交公司、地铁、出租车公司、自来水公司、煤气公司、商场等都是一卡通系统的营运单位，对持卡人而言，他们是持卡人的业主，公共交通一卡通系统为这些业主提供服务。各营运单位的消费点装有消费终端（如车载机、出租车IC卡计价器、IC卡水表、IC卡气表、商场POS机等），持卡人用IC卡消费后，交易数据经营运单位上传到清算，清算中心根据营运单位的消费记录进行清分结算，及时将各营运单位的营业收入划到其帐户上。售卡充资代理机构为一卡通系统提供售卡充值点的经营单位，该单位可以是银行，也可以是公交公司、地铁、出租车公司等营运单位。售卡充值代理机构汇总售卡充资点的营业资金上交到清算银行并将售卡充资点上送的售卡、充值数据转发到清算中心，清算中心日终清算后通过清算银行进行资金划拨。
3、第三层
第三层由数据采集点组成。数据采集点用于采集消费点发生的交易数据并上送到营运单位，采集固定消费点的交易数据，一般采用线路通讯方式，采集移动消费点的交易数据需通过采集器，采集器通过无线、采集卡等方式采集移动消费点的交易数据。
4、第四层
第四层由售卡充值点和消费点组成。这些点都是机具的使用点，售卡充值点可借用银行、公交公司、地铁、超市等单位的营业场所，也可由清算中心在人口较集中的地点自行设立。根据连接方式可将售卡充值点分为间接售卡充值点和直联售卡充值点，从营运角度分析，间联售卡充值点完全属于代理方式，而直联售卡充值点虽然与清算中心直接相联，但它可以由其他单位代理，也可由清算中心自理。售卡充值点将营业资金汇总后上交到本单位相关部门并将售卡、充值数据传送到本单位营运系统。消费点可分为移动消费点和固定消费点，对于一卡通系统而言，公交车、出租车等属于移动消费点，地铁通道闸机、轮渡入口、商场收银台、停车场收费处等属于固定消费点，这些消费点为持卡人提供消费或支付的场所并通过POS机采集消费等交易数据。
5、第五层
第五层由交通卡和持卡人组成。交通卡最终发放给持卡人，持卡人可到售卡充资网点的任一处去购买交通卡或去充资，持有交通卡后就可乘坐公交车、地铁、出租车等交通工具，也可缴纳水费、电费、煤气费等费用，系统自动将持卡人的消费计入相应的消费项中去。交通卡就是持卡人的电子钱包，可在系统的任一个消费终端上进行消费，避免了现金交易和找零的麻烦，充资时可到分布在全市的任何一个充资点进行充资，方便快捷、安全可靠。
三、跨行业发展趋势
城市公共交通一卡通系统运行初期一般是在公共交通行业内一卡通用，随着系统的不断完善和规模的不断扩大，凭借交通卡的诸多优点，系统将逐渐延伸到部分非公共交通行业，形成跨行业发展的趋势。
由于交通卡具有安全性高、可脱机操作、能在一张卡上提供多种应用并能在各应用之间实现数据的有效隔离以保证数据区安全等特征，所以交通卡能够在许多非公共交通行业内使用。
1、在非公共交通行业内使用交通卡的支付功能和控制功能
本小节以交通卡在高速公路联网收费系统中的应用为例，论述如何在非公共交通行业内使用交通卡的支付功能和控制功能。为了达到有效收取高速公路通行费的目的，全国许多城市已建立了高速公路联网络收费系统，统一对行驶在本市高速公路网内的车辆进行收费。交通卡可以作为带金卡在该系统中使用，如果高速公路采用封闭式收费制，交通还可以作为通行证在该系统中使用，这充分利用了交通卡的支付功能和控制功能。当车辆驶入入口收费车道，系统在交通卡中写入入口信息，车辆到达出口收费车道，系统从交通卡中扣除车辆通行费。
交通卡清算中心与高速公路联网收费系统的连接如图二所示，高速公路联网收费系统由收费车道、收费站、各营运公司收费中心以及高速公路收费结算中心组成。收费结算中心的主要职责是执行通行费的清分、与交通卡清算中心对帐、组织联网收费系统正常运行等；营运公司的收费中心主要负责收集、存储和管理所属收费车道和收费站的各种数据，负责对涉及本营运公司的收费数据进行核查、统计，对收费站进行监督管理以及对通行卷的调配管理；收费站对所属车道进行管理，负责采集所属车道的各种原始数据并与收费结算中心以及收费中心交换数据；收费车道处理联网收费系统网络结构的最低层，负责各种收费的直接操作及特殊情况的处理，原始数据由收费车道产生并上送到收费站。
交通卡在高速公路联网收费系统中的交易数据由收费结算中心汇总后传送到交通卡清算中心，交通卡清算中心日终处理时对高速公路收费结算中心的资金进行清算，清算结束后通知清算银行将应付款划拨到高速公路收费结算中心的开户银行。
图二 交通卡在高速公路联网收费系统中的应用
2、在非公共交通行业内开发交通卡的专用功能
本小节以交通卡在校园收费系统中的应用为例，论述如何利用交通卡跨行业开发专用功能。交通卡清算中心可以与本市的校园联网，使交通卡作为校园卡在校园内使用，该卡除了具有交通卡的通用功能外，还具有校园内部的专用功能。发行校园卡可以方便广大校园师生，逐步实现校园货币流通无纸化。交通卡清算中心与校园收费系统的连接如图三所示，校园收费系统由校园收费中心、食堂收费处、医疗收费处、上机/上网收费处、带门禁的通道等组成，交通卡可作为一种专用卡在该系统中使用。校园收费中心从交通卡清算中心领到交通卡，通过自身的系统将交通卡与校园师生的身份证关联并建立卡帐户信息，使交通卡变成记名卡。当交通卡在校园POS机上使用时，POS机将交易信息实时上送到校园收费中心系统，校园收费中心系统验证卡的合法性并作相应处理。
如果校园卡丢失，校园师生需到校园收费中心挂失，挂失后的卡不再具有校园专用功能，但该卡还具有交通卡的通用功能，除非交通卡清算中心将该卡设置为黑卡。
交通卡在校园收费系统中的交易数据由校园收费中心汇总后传送到交通卡清算中心，交通卡清算中心日终处理时对校园收费中心的资金进行清算，清算结束后通知清算银行将应付款划拨到校园收费中心的开户银行。
图三 交通卡在校园收费系统中的应用
四、跨地区发展趋势
城市公共交通一卡通系统的建立和发展给本市常住人口的出行带来了极大的便利，但给非本市常住人口却造成了一些麻烦，非本市常住人口入城时由于不熟悉售卡充资点的分布，买卡困难，出城时，由于不熟悉退卡流程，退卡繁琐。如何才能解决上述问题，最好的办法是将各地的城市公共交通一卡通系统通过一定的规则联网，实现交通卡跨地区消费。由于建设部已出台了建设事业IC卡应用的相关规范，规范中要求各地交通卡的消费密钥必须由建设部按规定标准统一向下离散，这使交通卡跨地区发展成为可能。城市公共交通一卡通系统跨地区联网的常用方法有以下几种：
1、无区域交换中心的对等模式
无区域交换中心的对等模式如图四所示，这种模式是两两互联的模式，每个节点的交通卡清算中心的作用都是相同的。每个节点在处理交通卡消费交易时，首先根据城市代码区分交通卡的发卡方，如果发卡方属于本城市，则在本城市处理，如果发卡方不属于本城市，则将该类交易按城市代码分类并另行存放，当所有交易处理完成后，然后根据城市代码将异地交通卡消费交易批量发送到对应的发卡方交通卡清算中心，交由发卡方交通卡清算中心处理。节点之间的对帐以发卡方处理结果为准，但受理方可以在第二天对可疑帐务提出调整，对帐结束后，每个节点对应收应付款进行轧差，由付款方通知结算银行划帐。
由于该模式连接方式复杂，对帐和资金划拨也较繁琐，所以只适用于小范围的跨地区联网。
图四 无区域交换中心的对等模式
2、无区域交换中心的从属模式
无区域交换中心的从属模式种类较多，本小节着重论述主节点发卡的从属模式，该模式如图五所示，根据业务处理方式，可将该模式分为两种，一种是由主节点发卡，次节点不建立卡帐户只作为主节点的一个行业中心接入，另一种是由主节点发卡，次节点从主节点处接收卡帐户信息并建立卡帐户，从而作为交通卡清算中心接入。
第一种模式的业务处理类似于高速公路管理结算中心接入，前提是次节点的读卡机具能识别主节点发放的交通卡。第二种模式的业务处理类似于区域交换中心模式的业务处理。
主节点发卡的从属模式的优点是系统方法简单、次节点不需发卡，所以比较适合大城市连接小城市的跨地区联网，如上海交通卡清算中心与无锡、苏州联网就可采用该种模式。
图五 无区域交换中心的从属模式
3、区域交换中心模式
区域交换中心模式如图六所示，参与联网的各城市交通卡清算中心相互独立，它们只与区域交换中心连接，由区域交换中心负责转发和清算交通卡跨地区业务。
每个交通清算中心在处理交通卡消费交易时，首先根据城市代码区分交通卡的发卡方，如果发卡方属于本城市，则在本城市处理，如果发卡方不属于本城市，则将该类交易另行存放，当所有交易处理完成后，然后将异地交通卡消费交易批量发送到区域交换中心，由区域交换中心根据城市代码将该类交易转发到相应的发卡方交通卡清算中心。交通卡清算中心每天与区域交换中心对帐，对帐以发卡方处理结果为准，但受理方可以在第二天对可疑帐务提出调整，对帐结束后，区域交换中心对每个交通卡清算中心的应收应付款进行轧差然后通知结算银行划帐。
该模式结构清晰，连接简单，对帐和资金划拨方便，适用于所有城市公共交通一卡通系统的互联。
图六 区域交换中心模式
五、增值服务发展趋势
公共交通一卡通的普及使用，使得原来需要手工收集的公共交通管理、使用方面的信息实现了电子化，电子化数据与手工数据统计相比，在数据采集的方便性、准确性，以及数据深度开发和利用上，有着明显的优势。
城市交通一卡通系统在运营过程中积累了大量的公共交通设施的使用信息、客户信息和其他相关信息，这些与其他领域的信息相结合，如国家的经济政策、政府的城市整体规划、城市人口的统计信息等，形成了丰富的交通信息资源的宝藏，为深层次、多角度的数据分析和数据挖掘，以及利用数据分析和挖掘技术开发信息增值服务产品打下坚实的基础，对管理决策起到辅助的支持作用，提高交通系统内各行业的获利能力。
信息增值服务产品从分析层次上可以分为当前情况分析和发展趋势分析两个部分，包括时段交通情况、行业发展情况和趋势预测等。信息增值服务产品的服务对象包括政府部门、负责公共交通规划的政府管理部门、交通领域的商业机构、相关的零售服务机构和金融机构。
它为政府部门在宏观角度上为整体交通发展规划提供信息依据，为交通管理部门提供按时间段划分、按区域划分的交通流量、流向和分布情况，为管理部门了解和调整交通工具和线路设置，进行公共交通的规划提供信息依据，例如当交通管理部门需要增加新的交通线路或者工具，利用公共交通一卡通系统的历史数据，就可以对这条线路或者交通工具未来的使用情况、投资回报等信息做出分析，比较采用不同的交通工具优势和缺点，帮助决策的做出；同时，交通领域内的其他商业机构也可以从面向他们的需求的数据分析结果寻找商业机会。
在公共交通一卡通的增值服务产品开发中，相关的技术包括数据仓库技术、统计分析技术和相关工具、建立不同用途的分析和预测模型所需要的分析技术。其中数据层库技术为数据分析和挖掘技术的使用提供数据基础，同传统的应用型数据库不同，数据仓库按照业务分析的需要组织数据，如比较通用的星形和雪花型结构，它的数据性质是面向主题、集成、与时间相关和不可修改的数据集合；统计分析技术和工具在数据仓库的基础上，利用工具实现多角度多层次的查询和OLAP分析，利用表格、图形，得到业务数据的变化趋势，排序，不同时段情况比较，在线数据生成等；模型建立技术利用公共交通一卡通系统积累的历史数据，结合城市规划、人口统计等信息，挖掘潜在数据运行规律，从整体和局部对未来的交通发展趋势做出预测性的分析。
以分析交通卡的客户使用情况为例，我们可以建立如右图所示的星形结构，它有行业分布、时间、卡类型和结算情况等维度坐标，每个维度坐标中包含多个分层次设置的成员，交通卡的使用信息作为一个分析主题。行业分布层次包括交通工具的线路、站点设置，交通工具所属的行业信息，它的层次可以如下设置，第一级是所有、第二级为地铁，公交、出租和高速公路等不同的行业，地铁的第三级为1号线和二号线，公交的第三级为不同线路，出租的第三级为不同出租车公司等，再细分等级可以地铁站点设置、车号设置，时间层次可以分为年、季度、月、日、小时和分等。
同一个维度坐标可以有不同的层次结构，例如时间坐标可以是常规的年、季度、月、日、小时和分，也可以按照和非假日时段、一般假日和较长假日，在小时之上分成高峰时段和一般时段等等，根据具体的分析需求灵活确定。
星型结构的中心表为需要分析的变量，简单的以交通卡客户使用信息为例，包括上下地点、时间、消费金额，交通工具中转情况等信息。
按照以上星型结构在数据仓库中建立数据模型的物理结构，这样的一个结构和多维分析工具结合，业务人员可以使用多维分析中的切片、旋转和向上/向下钻取技术，从不同层次、不同角度进行数据查询。例如可以察看本年度在每天同一时间段内所有地铁站点的客流量，或者某个区内各站点的客流量；相同和不同交通工具在某一时间段内客流量的分布趋势等。
六、结束语
城市公共交通一卡通系统不仅能够方便市民、促使公共交通行业和部分非公共交通行业的管理走向信息化、科学化和规范化，而且还能够提高城市的整体形象，因而它具有广阔发展前景，如：上海城市公共交通一卡通系统在1999年底试运行，截止到2002年8月底，发卡量已达400万，日交易量已达140万，连接的行业有公交、地铁、轮渡、轻轨、出租、旅游集散点、高速公路等，系统呈迅猛发展之势。各城市在筹建公共交通一卡通系统时，应从本市建设事业现状出发，立足于市民，着眼于未来，采用合理的业务模式、管理模式和技术手段对系统进行统筹规划、分步实施，相信系统一定能够适应社会和市场的发展并在城市信息化建设中发挥其主导作用。
