中国城市公共交通收费系统一卡通技术与实践

　一、国内外公共交通一卡通系统发展概述 

　　由江泽民总书记亲自倡导实施的金卡工程建设，在党和国家领导同志的亲切关怀和各级领导的支持、指导下，取得了卓有成效的成果。以电子支付和身份标识为主要应用目标的智能卡在各领域得到了相当规模的应用，尤其在城市内公共交通费用支付方面得到了相当规模的应用，成为推动中国城市公共交通收费、管理和城市基础设施服务事业发展的重要高技术手段。 

　　鉴于非接触IC卡在对移动目标标识和处理的卓越性能，城市公共交通一卡通系统事实上发展成为非接触IC卡的应用系统，随着非接触IC卡技术的不断发展、各项技术标准以及非接触IC卡应用产品产业的不断成熟，以非接触IC卡为应用介质的城市公共交通一卡通系统在国内得到了蓬勃发展。早在1998年，以上海地铁1/2号线为代表的地铁非接触IC卡（含磁卡票）的自动售检票系统就成为成功实施非接触IC卡应用的轨道交通系统的典范，同年深圳公交以LEGIC非接触IC卡为介质的公交IC卡系统同样取得了相当的成功。 

　　由于中国城市市政交通管理和非接触IC卡应用的特殊性使得政府在整合城市公共交通建设、实施、运营和管理资源方面作出努力，实际上城市公共交通一卡通系统的真正目的在于合理地分配和整合城市公共交通管理和运营的宝贵资源，从而使得城市公共交通的IC卡支付系统在政府的宏观调控下，以最小的系统投入产生最大的社会和应用效果，也使得城市居民（即最终用户以最小代价）获取一卡通系统带来的益处，当然实施一卡通系统还可以科学化的手段全面提升城市公共交通的管理和服务水平。 

　　迄今为止，国内大型城市如上海、北京、广州、深圳、大连、武汉、南京、天津、沈阳等地均实施或正在实施城市公共交通一卡通系统，当然还有相当一批中小型城市正准备实施或已经实施城市一卡通系统;其中上海市城市一卡通系统以近300万张发卡使用量，全面覆盖城市的公交、地铁、出租和轮渡应用，具有典型的现实指导意义。 

　　另外中国香港八达通(Octpus)系统成为城市公共交通一卡通系统中最成功的应用和运营管理系统实例,目前系统发卡量720万张,日交易金额逾4000万港币,广泛应用于轨道交通、公交车支付和小额消费，借助良好的运营管理机制，八达通卡已成为香港市民出行交通的主要支付手段，同时由于储值卡的大面积使用（在轨道交通已占70%以上），因此大大减少了单程票的使用量，从而极大节省系统运营和管理费用。 

　　国外已有新加坡、英国伦敦、意大利罗马、韩国汉城/釜山、日本东京等城市实施城市公共交通一卡通系统，其中新加坡、汉城/釜山等地一卡通应用系统已有相当规模，归纳香港一卡通项目和国外城市一卡通系统实施经验，表现在：起步于轨道交通，公交为辅助；重视一卡通系统清算、发卡储值系统实现尤其是系统服务功能的实现；市场化手段的运作，达到各建设单位和运营实体之间的经济和社会效益的综合平衡。 

　　本文拟从城市一卡通系统建设和运营的角度提出城市一卡通系统IC卡发行和管理以及系统服务的解决方案。 


　　二、公共交通一卡通系统需要解决的核心问题 

　　市政交通一卡通是在城市公共交通应用环境中（包括公交、地铁、轻轨、出租车），通过IC卡支付介质和相应计算机及通信等先进技术手段所实行的一卡多支付应用平台， 

　　是通过政府干预并通过市场机制形成的在城市范围内的新型交通收费模式,即通过统一发行的非接触IC卡介质作为市政公共交通储值票,实现在市政不同公共交通工具的统一支付,并通过按照协定的商务规则由统一建设的清算中心完成对应交通费用的结算和划转,从而达到方便用户,同时又全面提高各公共交通应用业主的经济和管理效益的目的。 

　　市政交通一卡通系统是一个涉及面广、影响面大、应用需求复杂且具有市政服务性质的庞大系统，因此首先建立一个良好的、可持续发展的且被各行业运营部门接受的运营、管理和服务模式是一卡通系统成功的关键，实际上成功的一卡通系统是通过交通运营部门、用户和一卡通公司的综合利益平衡，从而实现一卡通项目的持续高速发展，并达到最佳的社会总体效益，香港八达通项目的成功运行充分说明了这一点。 

　　一般而言，一卡通管理中心同时又是一卡通清算中心和IC储值票管理中心和服务公司，一卡通公司应建立： 

　　1）具有覆盖全市公共交通领域安全可靠的IC卡交易清算及结算网络运行系统； 

　　2）具有覆盖全市主要服务网点且便于市民的IC卡发行储值管理网络； 

　　3）具有及时消费查询及IC卡服务（及行业相关服务）的中心和网络系统。 

　　一卡通系统从IC卡应用和运营角度来看，具备如下特征： 

　　1）一卡通为公共交通的电子代币（储值）的统一支付和结算平台； 

　　2） 一卡通建设基于基本数据结构标准（如卡片结构、安全密钥处理、基本交易数据结构、基本交易类型及状态定义等）； 

　　3） 一卡通系统同时要求形成统一的卡片（票）发行管理规则、统一的系统编码规则、统一的清算结算规则、统一的收益分配规则等。 

　　4） 一卡通需要通过充分地分析各交通工具的应用需求，并给出具有高度包容和发展能力的系统结构设计； 

　　5）一卡通系统实施后，就具备不可逆特性。 

　　一卡通系统总体结构如下图所示： 




　　公共交通一卡通实施的核心问题及关键技术  


　　(1)安全保密 

　　由于IC卡应用系统具备社会公共支付特性,且应用方式(即支付介质)为开发环境(卡片一直在持卡人手中),因此IC卡应用管理安全尤其是防止欺诈和恶意交易成为系统主要解决的技术问题之一(当然需要配合一整套运营和管理措施),随着IC卡本身技术的不断进步和CPU型非接触IC卡技术的逐步成熟,IC卡应用安全保密将得到更好的保障。除IC卡应用安全外，系统内原始交易数据安全和系统内通信安全以及操作安全都是一卡通系统内需要解决的问题。 

　　一卡通系统安全保密技术包括： 

　　◆ IC卡应用加密体系建立，卡片消费和储值的密钥及储值过程的授权管理； 

　　SAM机制的不断完善使得目前应用的MIFARE 1逻辑非接触IC卡的应用有基本的安全保障。 

　　◆ IC卡交易过程及流程的安全技术（通过密钥分散技术实现）； 

　　◆ 前端卡片消费及储值交易数据在系统内生成和传输环节的安全（通过TAC技术实现）； 

　　◆ 清算软件及网络的运行安全； 

　　◆ 系统内IC卡应用设备的统一确认和认证； 

　　◆ 系统核心数据尤其是清算及转帐数据的安全及紧急恢复处理； 

　　◆ IC卡交易的清算审计及卡片帐户跟踪处理安全 

　　(2)．清算系统 

　　城市一卡通系统在实施上需要各运营部门的配合，特别是公交、地铁等大运 

　　营公司的协作和信任，清算系统对于一卡通系统的总体有着极为重要的作用,在传统收费模式中,各交通应用和运营部门可以完全自主掌握运营的全部收入;实施一卡通系统后,有相当一部分收入通过一卡通清算中心结算的结果获得;因此有效实现清算的及时性、公正性和合理性成为各运营单位重视的指标要求；由于不同公共交通工具在运营和管理上具备鲜明的特征，对于清算系统而言，不仅需要解决通过一卡通IC卡实施的正常的交易收费的及时清算和结账，同时特别需要通过有效的技术手段保证清算的及时、公正和合理，并通过技术手段解决因各种因素产生的非正常交易、不完整交易及错误交易的处理问题,具体包括: 

　　◆ 非正常交易的处理（卡片在A交通工具的逃票在B交易工具上处理后的合理分账，入口/出口数据不符、特殊交易方式的分账等），需要在技术上分析非正常交易的各种情况并分别予以处理，当然需要考虑总体清算和管理规则； 

　　◆ 交易数据的审计和是否重复交易数据的甄别（清算系统不仅要求对交易数据进行结算，还需要按顺序对原始交易数据进行审计，如重复判定、TAC检验、交易逻辑判定、卡合法及帐户判定、交易金额判定等），对应一卡通系统而言，由于各交易运行系统的实施差异，如何有效识别交易数据是否重复成为清算系统的重要内容之一； 

　　◆ 清算业主帐户和IC卡帐户的协同管理，在一卡通系统发行到一定规模后，出现一人购买或使用多张卡的情况下，要求清算中心可以实现有效的管理。 

　　清算系统对于行业应用需求的充分适应（如在地铁应用中，可能出现正常交易模式、紧急交易模式、大客流交易模式等交易情况，而这些交易必须在清算系统中及时正确地予以区分处理）。  

　　非正常交易数据/非正常资金数据的处理（由于系统交易数据传输和资金数据传输的时间差，需要确定当交易数据不完整（或不匹配）时的处理，并需在清算中心予以明确；非正常资金数据指电子交易与实际资金数据不符）。  

　　清算系统中适应系统管理、清算规则和业主要求的变化而建立起版本管理和版本生效机制。  

　　◆ 突发事件的应急处理。 

　　（3） 其他 

　　除上述所列明的关键问题及技术解决方案外，一卡通系统还需要对应不同应用需求和用户需求建立合理的系统网络结构和服务结构，特别需要满足在系统不断增长和用户不断发展的条件下的系统适应能力。 

　　在一卡通系统实施过程中，还有一个关键问题需要的解决的是IC卡发行储值管理，本文将另行详细说明。 


　　2、公共交通一卡通需要解决的运营管理问题 

　　实施公共交通一卡通系统就是综合了持卡人、运营业主、销售网络和总清算发卡中心的总运营系统，为实现有序的运转，需要制定出系统内的有关规则，其中包括： 

　　IC卡用户使用规则；  


　　系统数据传输通信接口定义；  


　　IC卡发行储值管理规则；  


　　一卡通设备及IC卡读写设备管理规定；  


　　系统清算及转帐规则；  


　　在制订规则后，尤为重要的是根据系统管理规则和应用卡片（票种），结合公交、地铁行业的系统运行特点，制定出不同类型卡片的操作过程定义及管理规定。 

　　3. IC卡发行和储值系统解决方案 

　　城市公共交通一卡通系统卡片发行储值管理是该系统的核心内容之一,也正是通过卡片这个公共支付介质使得一卡通系统可以将不同的交通行业应用部门连接起来,一卡通系统在设计和实施IC卡发行储值管理系统时间,需要考虑解决如下几个方面的问题： 


　　IC卡片的帐户管理及有效审计和跟踪（包含与清算系统的数据一致处理）;  


　　IC卡在由原始白卡状态-使用状态-回收状态时的数据对应和物流管理;  


　　IC卡发行储值管理应对最终持卡用户和行业用户的服务需要;  


　　IC卡发行储值过程及各操作环节适应系统及卡片安全管理需要。  



　　正如前文所述，一卡通发卡储值管理总中心需要面对两方面的客户应用，首先是运营业主的应用需要如管理卡、员工卡等；另一方面还需要满足最终持卡用户的应用需要，同时由于用户不断出现的增值需求，发卡储值系统中还将出现双向的资金流；因此IC卡发行和储值管理系统是公共交通一卡通系统中综合了数据流、物流、资金流的集成系统，如何有效解决IC卡发行储值管理系统中的数据流、物流和资金流的集成问题对于一卡通的成功实施和稳定发展有着重要的作用。 

　　1） 一卡通系统IC卡票种类 


　　一般而言，一卡通系统所包含的卡片种类包括（说明如下表所示）：