基于人臉識(shí)別的刷臉檢（驗(yàn)）票技術(shù)研究與實(shí)現(xiàn)

李 政，化小剛，王永峰

（中鐵程科技有限責(zé)任公司，北京 100081）

隨著高速鐵路日新月異的快速發(fā)展，旅客使用紙制磁票、二代身份證[1]、IC卡[2]檢票進(jìn)出站越來越頻繁，同時(shí)由于國(guó)內(nèi)外人臉識(shí)別技術(shù)已經(jīng)成熟，探討將二者有效地結(jié)合成一種新型的檢票方式，即人臉識(shí)別[3]檢票，將會(huì)極大地提升鐵路行業(yè)科技化水平。本文將詳細(xì)闡述以下3個(gè)方面：人臉識(shí)別檢（驗(yàn)）票業(yè)務(wù)分析；人臉識(shí)別檢（驗(yàn)）票設(shè)計(jì)；合驗(yàn)加刷臉檢（驗(yàn)）票一體化方案。

1　刷臉檢（驗(yàn)）票業(yè)務(wù)分析

1.1　業(yè)務(wù)流

業(yè)務(wù)流主要涉及公安系統(tǒng)、12306客票系統(tǒng)[4]、人臉識(shí)別數(shù)據(jù)中心[5]、檢（驗(yàn)）票系統(tǒng)、閘機(jī)機(jī)內(nèi)軟件、中鐵銀通卡系統(tǒng)，如圖1所示。

圖1　驗(yàn)票檢票業(yè)務(wù)流圖

（1）旅客通過12306網(wǎng)站或窗口注冊(cè)信息，12306客票系統(tǒng)到公安系統(tǒng)進(jìn)行旅客身份核驗(yàn)，核驗(yàn)通過后將由公安系統(tǒng)傳入的照片信息和身份證號(hào)碼傳送到人臉識(shí)別數(shù)據(jù)中心；

（2）當(dāng)旅客候車或登乘通過閘機(jī)時(shí)，通過連接閘機(jī)的攝像頭采集旅客頭像由閘機(jī)機(jī)內(nèi)軟件上傳到檢票服務(wù)器，檢票服務(wù)器發(fā)送頭像到人臉識(shí)別數(shù)據(jù)中心，人臉識(shí)別數(shù)據(jù)中心進(jìn)行圖像識(shí)別，返回查找到的用戶身份證號(hào)碼；

（3）檢票服務(wù)器根據(jù)返回的身份證號(hào)碼到12306客票系統(tǒng)查詢?cè)撀每偷能嚻毙畔?，然后通知閘機(jī)；

（4）閘機(jī)機(jī)內(nèi)軟件根據(jù)當(dāng)前開檢的列車計(jì)劃信息和旅客的車票信息進(jìn)行判斷，確定閘機(jī)是否開門放行。

對(duì)于中鐵銀通卡用戶，記錄在中鐵銀通卡系統(tǒng)中的旅客頭像信息傳輸?shù)饺四樧R(shí)別數(shù)據(jù)中心，并記錄頭像數(shù)據(jù)的來源。

刷臉檢票系統(tǒng)可以單獨(dú)部署完成進(jìn)站驗(yàn)票功能；也可以單獨(dú)部署完成進(jìn)出站檢票功能；也可以聯(lián)合驗(yàn)檢功能，即票證人驗(yàn)票通過后的記錄作為進(jìn)站人臉識(shí)別的數(shù)據(jù)源來完成閘機(jī)檢票功能，滿足不同鐵路局的檢票業(yè)務(wù)需求。

1.2　人臉識(shí)別數(shù)據(jù)中心

人臉識(shí)別數(shù)據(jù)中心主要完成數(shù)據(jù)采集，圖像傳輸、存儲(chǔ)、識(shí)別等功能。由于大數(shù)據(jù)在鐵路客票系統(tǒng)廣泛應(yīng)用，人臉識(shí)別數(shù)據(jù)中心采用和納入已有的大數(shù)據(jù)管理之中。

圖像數(shù)據(jù)有以下3個(gè)來源：

（1）12306用戶注冊(cè)時(shí)（或已注冊(cè)還沒有獲得圖像數(shù)據(jù)的），通過公安系統(tǒng)核驗(yàn)身份后，獲得用戶的頭像數(shù)據(jù)，然后壓縮圖像并且將該用戶包括身份證號(hào)碼的主要身份信息傳輸?shù)饺四樧R(shí)別數(shù)據(jù)中心；

（2）當(dāng)旅客驗(yàn)票或檢票時(shí)，將頭像數(shù)據(jù)壓縮傳入人臉識(shí)別數(shù)據(jù)中心進(jìn)行識(shí)別并保存，可保存近期3張頭像照片。根據(jù)實(shí)際需要可以直接采用第二來源，但是首次驗(yàn)票需要同時(shí)提供身份證號(hào)碼和頭圖像數(shù)據(jù)到人臉識(shí)別大數(shù)據(jù)中心；

（3）將中鐵銀通卡用戶預(yù)存的照片信息傳輸?shù)饺四樧R(shí)別數(shù)據(jù)中心，這樣銀通卡用戶直接刷臉進(jìn)站，后臺(tái)完成扣款功能，扣款如同已有的檢票系統(tǒng)刷銀通卡扣款功能。

1.3　檢（驗(yàn)）票服務(wù)系統(tǒng)的業(yè)務(wù)功能

檢票服務(wù)系統(tǒng)兼容已有的檢票系統(tǒng)功能：檢票計(jì)劃管理、生成、下載，閘機(jī)設(shè)備管理等。

旅客在網(wǎng)上或窗口購(gòu)票后，進(jìn)站乘車通過閘機(jī)人臉識(shí)別后，由閘機(jī)將頭像及相關(guān)數(shù)據(jù)上傳到檢票服務(wù)系統(tǒng)，檢票服務(wù)系統(tǒng)到人臉識(shí)別大數(shù)據(jù)中心進(jìn)行圖像識(shí)別后得到包括身份證號(hào)碼在內(nèi)的相關(guān)信息，檢票服務(wù)系統(tǒng)根據(jù)旅客身份證號(hào)碼到12306客票系統(tǒng)查詢?cè)撀每偷馁?gòu)票信息，然后指示閘機(jī)是否開門通行。

1.4　中鐵銀通卡用戶刷臉功能

當(dāng)旅客進(jìn)站乘車通過閘機(jī)時(shí)，通過連接閘機(jī)的攝像頭采集旅客頭像信息，由閘機(jī)機(jī)內(nèi)軟件上傳到檢票服務(wù)器，檢票服務(wù)器發(fā)送頭像到人臉識(shí)別數(shù)據(jù)中心，人臉識(shí)別數(shù)據(jù)中心進(jìn)行圖像識(shí)別返回該用戶中鐵銀通卡卡號(hào)等信息；檢票服務(wù)器根據(jù)返回的中鐵銀通卡卡號(hào)進(jìn)行預(yù)扣款(出站完成實(shí)際扣款)，通知閘機(jī)機(jī)內(nèi)軟件開閘門放行。中鐵銀通卡檢票作為刷臉檢票的一種特殊情況，除了刷臉和刷卡的動(dòng)作不一致，其流程大致一致，不再單獨(dú)說明。

2　刷臉檢（驗(yàn)）票設(shè)計(jì)

2.1　結(jié)構(gòu)圖

鐵路局（或獨(dú)立大站）所有閘機(jī)通過負(fù)載中心[6]連接自動(dòng)檢票系統(tǒng)（atms，automatic transaction management service），atms服務(wù)可以部署在多臺(tái)機(jī)器上或者一臺(tái)機(jī)器部署多個(gè)服務(wù)，這樣可以解決閘機(jī)請(qǐng)求并發(fā)性，提高檢票效率，同時(shí)也避免單點(diǎn)故障；atms服務(wù)通過負(fù)載中心調(diào)用檢票數(shù)據(jù)庫(kù)，實(shí)現(xiàn)檢票系統(tǒng)內(nèi)部的服務(wù)和數(shù)據(jù)交互；atms服務(wù)通過傳輸交易管理服務(wù)（ctms，communication transfer management service）接口從12306客票系統(tǒng)查詢旅客購(gòu)票信息；atms服務(wù)通過ctms接口從人臉識(shí)別數(shù)據(jù)中心進(jìn)行人臉識(shí)別和數(shù)據(jù)傳輸，如圖2所示。

2.2　刷臉檢（驗(yàn)）票過程

刷臉檢（驗(yàn)）票是在已有系統(tǒng)[7]上的功能擴(kuò)展，檢（驗(yàn)）票系統(tǒng)全局參數(shù)下載，計(jì)劃生成和下載，檢票管理等功能是成熟的模塊不在本文中闡述。下面提到的檢票計(jì)劃是在檢票管理功能中提前下載到閘機(jī)中。

圖2　檢（驗(yàn)）票結(jié)構(gòu)圖

檢（驗(yàn)）票過程如圖3所示。

圖3　檢（驗(yàn)）票過程

（1）旅客通過閘機(jī)時(shí)，攝像頭獲得的旅客3張頭像信息、乘車日期、站內(nèi)碼、閘機(jī)編號(hào)等向atms發(fā)起客票查詢申請(qǐng)；

（2）atms服務(wù)程序?qū)㈩^像信息通過ctms服務(wù)接口，向人臉識(shí)別大數(shù)據(jù)中心識(shí)別查詢?cè)撀每偷男畔?，返回該旅客的身份證號(hào)碼信息，并且在數(shù)據(jù)中心保存最近的3張照片；

（3）atms接收到用戶身份證號(hào)碼后，通過ctms服務(wù)接口，向12306客票中心查詢?cè)撀每褪欠褓?gòu)票信息；

（4）atms將旅客購(gòu)票信息返回到閘機(jī)；

（5）閘機(jī)根據(jù)檢票計(jì)劃、購(gòu)票信息、旅客的合法性判斷確定是否開門放行；

（6）閘機(jī)將信息返回atms，將記錄保存到數(shù)據(jù)庫(kù)中。

閘機(jī)和atms通信采用半長(zhǎng)連接的socket通信模式，采用統(tǒng)一的消息傳輸機(jī)制，在進(jìn)行數(shù)據(jù)交互前需要對(duì)設(shè)備進(jìn)行校驗(yàn)，保證數(shù)據(jù)的一致性和安全。atms通過ctms接口連接人臉識(shí)別數(shù)據(jù)中心和12306客票中心，起到網(wǎng)絡(luò)隔離和應(yīng)用服務(wù)層的隔離功能。

2.3　閘機(jī)工作原理

閘機(jī)檢（驗(yàn)）票系統(tǒng)主要包括閘機(jī)管理功能、閘機(jī)檢票功能及應(yīng)急處理3部分。

2.3.1閘機(jī)管理設(shè)計(jì)

用戶管理：閘機(jī)監(jiān)控及應(yīng)急處置操作員定義功能，包括基本信息與權(quán)限管理。

設(shè)備管理：實(shí)現(xiàn)對(duì)閘機(jī)的設(shè)備信息維護(hù)，以及與應(yīng)急處置終端的管理關(guān)聯(lián)定義。

參數(shù)控制：通過窗口信息維護(hù)、參數(shù)控制和定義實(shí)現(xiàn)對(duì)閘機(jī)權(quán)限的統(tǒng)一控制，如允許發(fā)車前多長(zhǎng)時(shí)間的車票進(jìn)站、人臉識(shí)別的相似度閥值定義等參數(shù)。

統(tǒng)計(jì)查詢：實(shí)現(xiàn)對(duì)車站各檢票口的信息統(tǒng)計(jì)、查詢功能。

2.3.2閘機(jī)業(yè)務(wù)設(shè)計(jì)

閘機(jī)軟件包括和atms接口層、攝像頭控制、機(jī)內(nèi)業(yè)務(wù)處理軟件、機(jī)內(nèi)邏輯處理軟件等。

（1）atms接口層：負(fù)責(zé)和atms通訊，接收atms下載的全局參數(shù)、計(jì)劃、檢票交互以及一切指令；

（2）攝像頭控制：參數(shù)化控制攝像頭的采樣值、相似度值、曝光參數(shù)、環(huán)境參數(shù)、拍攝模式、動(dòng)態(tài)調(diào)整角度、人臉識(shí)別、人臉跟蹤，以及攝像頭智能學(xué)習(xí)提高環(huán)境適應(yīng)能力；

（3）機(jī)內(nèi)業(yè)務(wù)處理軟件：根據(jù)閘機(jī)管理的設(shè)備、參數(shù)等定義進(jìn)行業(yè)務(wù)控制，負(fù)責(zé)控制頭像掃描、頭像數(shù)據(jù)的編碼和安全，管理計(jì)劃，處理全局參數(shù)，然后通過接口將信息反饋給機(jī)內(nèi)邏輯處理軟件；

（4）機(jī)內(nèi)邏輯處理軟件：根據(jù)車票、計(jì)劃判斷結(jié)果調(diào)用驅(qū)動(dòng)庫(kù)操作閘機(jī)的開門/關(guān)門、語(yǔ)音/屏幕/燈光提示等。

2.3.3應(yīng)急處理

如果刷臉檢票在使用過程中出現(xiàn)問題，通過后臺(tái)管理控制，可以切換到使用磁票、身份證、銀通卡等有效的乘車憑證刷閘機(jī)檢票進(jìn)站，也就是切換到已有的閘機(jī)檢票系統(tǒng)[8]。

3　合驗(yàn)加刷臉檢（驗(yàn)）票一體化方案

合驗(yàn)指旅客進(jìn)入候車室核查票、證、人的過程，包括人工口核驗(yàn)，閘機(jī)核驗(yàn)驗(yàn)票過程。

一體化方案主要是在人、證、票合驗(yàn)的基礎(chǔ)上完成刷臉檢票，如圖4所示。包括兩種情況：（1）進(jìn)站票證人核驗(yàn)的票和頭像信息作為進(jìn)站檢票的數(shù)據(jù)依據(jù)；（2）中鐵銀通卡用戶情況。

圖4　檢（驗(yàn)）票一體化結(jié)構(gòu)圖

一體化方案如下：

（1）旅客進(jìn)站驗(yàn)票時(shí)通過人臉核驗(yàn)功能，即票、證、人核驗(yàn)，然后把采集到的頭像數(shù)據(jù)和身份信息保存到人臉識(shí)別數(shù)據(jù)中心，旅客身份證信息、票信息保存到實(shí)名制核驗(yàn)數(shù)據(jù)庫(kù)中；

（2）當(dāng)列車開始檢票，旅客通過閘機(jī)檢票乘車時(shí)不再使用任何票證，攝像頭采集到旅客頭像信息；atms根據(jù)頭像信息到人臉識(shí)別數(shù)據(jù)中心進(jìn)行圖像識(shí)別返回旅客身份證號(hào)碼，atms根據(jù)身份證號(hào)碼到實(shí)名制驗(yàn)票庫(kù)查詢記錄返回旅客的驗(yàn)票記錄給閘機(jī)；

（3）閘機(jī)匹配開檢的車次信息，判斷閘機(jī)是否開門，開門后將檢票記錄通過atms服務(wù)保存在檢票數(shù)據(jù)庫(kù)。

對(duì)于中鐵銀通卡用戶，其頭像信息定期復(fù)制到人臉識(shí)別數(shù)據(jù)中心，銀通卡用戶進(jìn)站檢（驗(yàn)）票不再出示票證，可以直接刷臉檢（驗(yàn)）票，系統(tǒng)后臺(tái)完成扣款，扣款過程如同既有的檢（驗(yàn)）票系統(tǒng)刷卡扣款一樣。

這個(gè)方案只是針對(duì)某個(gè)鐵路局部署小型化的人臉識(shí)別驗(yàn)票、刷臉檢票，實(shí)名制驗(yàn)票庫(kù)代替12306客票系統(tǒng)作為客票源。

4　結(jié)束語(yǔ)

采用全路集中的人臉數(shù)據(jù)中心模式，或鐵路局獨(dú)立部署模式，只是應(yīng)用規(guī)模上的差異。提高、改進(jìn)人臉圖像采集、壓縮、存儲(chǔ)和識(shí)別效率，優(yōu)化圖像識(shí)別算法，采用分布式體系、云計(jì)算和云服務(wù)模式對(duì)圖像進(jìn)行存儲(chǔ)和識(shí)別。票、證、人進(jìn)站人臉識(shí)別驗(yàn)票已經(jīng)在多個(gè)鐵路局部署使用，合驗(yàn)加刷臉檢（驗(yàn)）票一體化方案對(duì)于銀通卡用戶已經(jīng)測(cè)試使用，為鐵路全面實(shí)施刷臉檢（驗(yàn)）票提供技術(shù)支撐。

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