[关键字]：现代有轨电车、售检票、MQTT协议、物联网、无线通信。
引言
现代有轨电车售检票系统中，网络环境通常采用无线传输模式来作为数据传输的载体，在电车高速运行下，网络环境经常发生变化，不稳定等情况，我们视为弱网络环境，在这种环境下要确保电车售检票系统与运营管理系统之间通信，保证设备控制命令、交易数据、状态数据、设备软件等数据能正确无误的交互，系统架构尤为重要。
1.售检票系统车上设备网络结构
现代有轨电车售检票系统设备主要包括：车载交换机、无线AP、车载POS刷卡机等。车载网络通过这些设备组成，通过通信LTE网络与控制中心通信，如下图所示：
本文中主要采用五模块列车来进行阐述，五模块列车第三节车厢两侧，第二节、第三节车厢各布置一个AP，用于传输整列车厢无线检票机数据，两个AP信号覆盖互补，一定程度增强了列车内信号强度，如果一个AP故障损坏，另一个AP可继续传输数据，通过车厢里安装的车载交换机与通信网络连接，同时连接两个AP，车载刷卡机再通过无线频段与AP建立连接，组成整个售检票机车载通信网络。
2.售检票系统中涉及到的数据类别
在售检票机系统中，涉及到的交互数据类别主要有以下几种：
（1）运营参数
为了方便售检票系统灵活运营，整个系统的运营规则都是通过参数化的方式进行管理，比如计费体系、接入票种、票卡黑名单、针对交通部标准下白名单参数等。当运营规则发生改变时，通过编辑参数，然后通过网络下发到终端设备。
（2）交易数据、寄存器数据
终端产生的交易数据，乘车的凭证，需要通过网络传输到控制中心进行数据报表统计。为了保证数据传输的完整性，增加寄存器数据进行对交易数据审核，它记录的信息有当天交易总笔数、总交易金额等，每次交易时，POS机会自动累加对应的数据，同时产生交易数据，在运营结束后，后端系统根据寄存器数据与交易数据统计数检查交易数据是否传输完成。
（3）状态数据
终端设备会定时上传当前设备状态，作为运营监控系统的数据来源，状态数据有：参数版本、运营模式、设备模块状态等信息。通过状态数据，运营管理能直观的检查终端设备的当前运营状态。
（4）控制数据
改变终端设备的运营状态，如发送关闭/打开设备命令、设置票价体系：单一票价/计程票价。当运营系统对终端设备下发控制命令时，设备必须能正确的收到指令并做处理。
3.基于MQTT协议、采用订阅/发布机制实现不同数据类别的交互
MQTT协议是一个基于客户端-服务器的消息发布/订阅传输协议，基于TCP/IP基础协议之上的协议，也可以基于其他网络协议，最主要的一个特点是对网络要求特别底，是目前物联网的最主要的协议，运用非常广泛。
协议对传输数据定义了三种服务质量（QoS）：
（1）最多一次”QoS=0”，这一级别会发生消息丢失或重复。
（2）至多一次“QoS=1“，这一级别会确保消息到达，但消息可能会重复。
（3）只有一次“QoS=2”，确保消息只有一次到达。在一些要求比较严格的计费系统中，可以使用此级别。
在售检票系统中，对数据进行了分类，针对不同类别的数据，采用不同的机制实现，本系统中采用设备主动请求、主动发起的方式进行，为了减少网络开销，只对很重要的数据并且不能丢失的数据采用“至多一次 QoS=1”的方式进行传输，如下：
（1）交易数据、控制信息：数据很重要，不能丢失，采用”QoS=1”，虽然消息可能会重复，但是能保证至少不会丢失数据，也减少了网络开销，更好的实现数据传输。
（2）状态数据：采用的是“QoS=0”的方式进行，虽然消息可能会丢失，但是状态是定时任务，到时间还会自动上传，
（3）参数数据：虽然很重要，但采用的是“QoS=0”，采用的是终端设备请求的方式进行，由终端记录需要获取的包序号，发起请求报文，服务端收到后推送对应包序号的数据，终端成功收到后包序号增加，直至终端请求完最后一包后停止请求。
为了数据传输安全及数据合法性，在每次数据交互时，先加密数据以及对数据做MD5校验，收到数据时先验证数据是否合法，后再根据MQTT协议进行解析。
4.方案可靠性测试及测试结果
测试方案采用五辆车处于不同的运行状态，每辆车有8台POS机进行测试，分别进行参数下发、软件更新、命令控制、状态数据、交易数据上传测试，测试结果验证：终端设备与控制中心系统数据都能正确交互。
为了测试控制中心服务器的压力，将状态数据定时上传间隔时间改为2秒，同时每台设备每分钟模拟产生60条交易数据，计算出每台设备每分钟至少产生90条记录以上，五辆车总的设备产生的状态数据、交易记录每分钟总数为3600条记录，通过实测8小时的交易数据都全部上传，状态数据在电车高速运行时偶尔会丢失几条数据，但都是在设计方案能接收的范围内。
5.结束语
现代有轨电车无线通信作为高速运行的有轨电车与控制中心之间主要的通信方式，网络结构比较复杂，并且列车在运行过程中，网络环境随时发生改变，但要确保终端设备与控制中心数据正确交互，当有网络通信中断情况时，也不能丢失重要、关键的数据。 本文阐述车载售检票系统采用MQTT协议，基于几个方面考虑：（1）对网络开销很小；（2）MQTT协议具有轻量、简单等特点，对于受限环境POS机开发运行也足以胜任；（3）MQTT不依赖物理IP地址，对于有轨电车网络环境经常发生改变，要管理底层物理地址很不方便，但通过发布/订阅模式，只要管理到每台设备的ID，无论网络环境怎么改变，控制系统管理POS设备的方式不会发生改变。
参考文献：
姚丹谢 雪松杨 建军 Han FeiWang Shuai基于MQTT协议的物联网通信系统的研究与实现 北京工业大学电子信息与控制工程学院
武欢 现代有轨电车中央运行控制系统原理样机设计与验证 北京交通大学
薛洪峰 北京交通大学 现代有轨电车信号控制关键技术研究
邢赛楠 MQTT传输安全问题浅析 湖北大学计算机与信息工程学院
论文作者:方亚敏
论文发表刊物:《科技中国》2018年5期
论文发表时间:2018/8/10
标签：数据论文; 系统论文; 网络论文; 状态论文; 终端设备论文; 设备论文; 协议论文; 《科技中国》2018年5期论文;