基于人臉識別技術(shù)實(shí)現(xiàn)地鐵AFC閘機(jī)無感通行的應(yīng)用研究

姜 海

(中鐵電氣化局集團(tuán)有限公司設(shè)計(jì)研究院，北京 100036)

1 概述

目前，城市軌道交通采用購置一次性車票或IC卡通過在閘機(jī)處刷卡通過閘機(jī)，利用讀卡器進(jìn)行車票讀取，實(shí)現(xiàn)“票、站”統(tǒng)一的查驗(yàn)。而在乘車過程中若出現(xiàn)車票丟失的現(xiàn)象，就會造成乘客出站解釋不清等問題，從而影響出站。

隨著城市發(fā)展的步伐不斷加快，社會經(jīng)濟(jì)的發(fā)展，城市規(guī)模、數(shù)量和人口都在持續(xù)增多，為使城市出行與管理變得更加智能化、高效化，研究基于人臉識別技術(shù)實(shí)現(xiàn)軌道交通AFC閘機(jī)無感通行應(yīng)用勢在必行。通過融合當(dāng)前最先進(jìn)的計(jì)算機(jī)技術(shù)、視頻分析技術(shù)、射頻識別技術(shù)、機(jī)電控制技術(shù)，實(shí)現(xiàn)高速、精確地識別、調(diào)取和比對“人、票、站”，實(shí)現(xiàn)0票卡通行閘機(jī)，從而提高驗(yàn)票工作質(zhì)量和乘客檢票通過速度，打造城市軌道交通智慧閘機(jī)通行。

2 AFC閘機(jī)無感通行系統(tǒng)

2.1 工作原理

AFC閘機(jī)無感通行系統(tǒng)的核心是人臉檢測和識別。人臉通過攝像頭時，攝像頭將掃描的面部圖像截取下來，并對掃描下的圖像進(jìn)行計(jì)算處理，再利用人臉特征定位算法將掃描的實(shí)時人臉圖像轉(zhuǎn)換為特征值。利用人臉特征算法將照片轉(zhuǎn)換為特征值，或通過二維碼掃描槍掃描讀取車票上的二維碼，系統(tǒng)通過后臺計(jì)算，自動獲取有效的車站信息，將人、票、站三者進(jìn)行比對，三者均驗(yàn)證通過則放行乘客；若驗(yàn)證的乘客購票信息不是本站進(jìn)/出的，系統(tǒng)將通過判斷，閘機(jī)自動關(guān)閉。驗(yàn)證通過后，乘客將無感通過AFC閘機(jī)，從而實(shí)現(xiàn)進(jìn)/出站；所有乘客的驗(yàn)人臉驗(yàn)票信息將統(tǒng)一保存到中心數(shù)據(jù)庫服務(wù)器，方便存儲和調(diào)取，從而為車站提供人臉和票卡信息的統(tǒng)計(jì)和分析；AFC閘機(jī)無感通行系統(tǒng)能實(shí)時監(jiān)控到車站每個閘機(jī)的工作狀態(tài)和客流信息。

2.2 系統(tǒng)構(gòu)成

AFC閘機(jī)無感通行系統(tǒng)拓?fù)淙鐖D1所示。

圖1 系統(tǒng)拓?fù)涫疽鈭DFig.1 System topology diagram

1）人臉票中心

在控制中心設(shè)置一套人臉識別系統(tǒng)平臺，包括人臉識別與比對服務(wù)器、人臉存儲服務(wù)器、人臉管理服務(wù)器、三層交換機(jī)、人臉管理工作站、機(jī)柜及人臉注冊終端，系統(tǒng)應(yīng)在云平臺中部署及管理。

系統(tǒng)平臺由人臉比對分析系統(tǒng)、計(jì)算節(jié)點(diǎn)、存儲節(jié)點(diǎn)、網(wǎng)絡(luò)和信息安全構(gòu)成。

存儲節(jié)點(diǎn)：人臉識別存儲，存儲人臉庫數(shù)據(jù)及存儲抓拍人臉照片及進(jìn)出站信息，方便事后信息查證。

計(jì)算節(jié)點(diǎn)：人臉識別算法服務(wù)器和人臉特征提取服務(wù)器，負(fù)責(zé)將采集的人臉人像圖片與票務(wù)系統(tǒng)平臺下發(fā)的刷臉進(jìn)站白名單庫實(shí)時比對，反饋比對結(jié)果至自動邊門檢票機(jī)通道。

人臉比對分析系統(tǒng)：配置人臉?biāo)惴ǚ?wù)器及搜索服務(wù)器，統(tǒng)計(jì)和存儲注冊的人臉數(shù)據(jù)并處理前端請求，將注冊信息上傳至后臺中央數(shù)據(jù)服務(wù)器（設(shè)在清分中心系統(tǒng)前端，并與之對接），前端與后臺比對信息。負(fù)責(zé)對各站點(diǎn)計(jì)算節(jié)點(diǎn)及存儲節(jié)點(diǎn)進(jìn)行統(tǒng)一管理，數(shù)據(jù)同步；同時將各站點(diǎn)傳回數(shù)據(jù)信息與系統(tǒng)平臺對接，實(shí)時接收系統(tǒng)平臺更新的目標(biāo)白名單庫，下發(fā)新任務(wù)至各地鐵站內(nèi)的計(jì)算節(jié)點(diǎn)。

2）承載網(wǎng)絡(luò)

無感通行系統(tǒng)承載網(wǎng)絡(luò)采用ACC、車站二級組網(wǎng)；ACC與車站之間由云平臺提供傳輸網(wǎng)連接。傳輸網(wǎng)絡(luò)由云平臺統(tǒng)一規(guī)劃，通信協(xié)議為TCP/IP。主要包括：

ACC至 車 站/車 輛 段網(wǎng)絡(luò)：采用由云平臺提供的2 000 Mbit/s以太環(huán)網(wǎng)，線路側(cè)為冗余萬兆光纖接口；

車站網(wǎng)絡(luò):采用1 000 Mbit/s工業(yè)環(huán)形以太網(wǎng)。

3）車站設(shè)備

車站AFC系統(tǒng)終端設(shè)備由自動售票機(jī)、自動檢票機(jī)（主要包含進(jìn)站檢票機(jī)、出站檢票機(jī)、普通雙向檢票機(jī)及寬通道雙向檢票機(jī)）、半自動售票機(jī)、自動查詢機(jī)、便攜式檢驗(yàn)票機(jī)等組成。

3 無感通行閘機(jī)

3.1 無感通行閘機(jī)與傳統(tǒng)刷卡閘機(jī)的對比分析

無感通行閘機(jī)除了具有傳統(tǒng)AFC刷卡閘機(jī)的全部功能外，通過利用大數(shù)據(jù)分析、機(jī)器學(xué)習(xí)、人工智能、移動互聯(lián)網(wǎng)等新技術(shù)，在乘客智慧服務(wù)、運(yùn)營智慧規(guī)劃、設(shè)備智慧運(yùn)維方面進(jìn)行了深入的挖掘和全面的提升。

乘客可以直接在地鐵站自動售票機(jī)或APP終端上進(jìn)行拍照上傳，完成人臉單程票的注冊與購買。之后通過無感通行閘機(jī)的人臉識別器時，通過人臉識別終端掃描的實(shí)時面部圖像與預(yù)先錄入的人臉信息進(jìn)行對比，實(shí)現(xiàn)刷臉過閘進(jìn)/出站。無感通行閘機(jī)不僅可以大幅提高檢票機(jī)的工作壽命，還可以杜絕由于單程票硬件介質(zhì)產(chǎn)生的交叉病菌傳染等問題。通過刷臉進(jìn)/出站省去了掏交通卡或掏手機(jī)的時間，在地鐵上下班高峰時，通過刷臉進(jìn)/出站，可以有效加快通行速度，減少過閘機(jī)的排隊(duì)時間。

無感通行閘機(jī)較傳統(tǒng)刷卡閘機(jī)還有一大優(yōu)勢，即通過人臉識別收集，可以進(jìn)行快速的搜索，方便尋找走失的老人兒童。也能通過人臉稽查功能，識別犯罪嫌疑人，為市民的安全出行保駕護(hù)航。

3.2 外形尺寸

無感通行閘機(jī)分為進(jìn)站閘機(jī)、出站閘機(jī)、雙向閘機(jī)（包括寬通道閘機(jī)）3種類型，設(shè)在公共區(qū)付費(fèi)區(qū)和非付費(fèi)區(qū)的分隔帶上。標(biāo)準(zhǔn)閘機(jī)的尺寸為2 000 mm×200 mm×1 100 mm（長×寬×高，不包括兒童檢測器高度）；標(biāo)準(zhǔn)通道的寬度為550 mm，寬通道的寬度為900 mm，無感通行的控制裝置關(guān)閉時最小間隔不大于40 mm。讀卡器與二維碼讀頭的安裝高度為950 mm。如圖2所示。

圖2 無感通行閘機(jī)示意圖Fig.2 Schematic diagram of non-inductive passage gate

3.3 結(jié)構(gòu)

無感通行閘機(jī)在人臉識別器上的角度設(shè)計(jì)滿足人體工程學(xué)的要求，結(jié)合后期的運(yùn)營和維護(hù)的需求，將模塊布局和維修維護(hù)設(shè)計(jì)到最便捷，最合理。外觀所有的邊緣無毛刺，無尖角，無90°棱角，且表面光滑，無勾絲等現(xiàn)象。

3.4 材料

通過對強(qiáng)度、硬度、抗氧化性、耐高溫性、耐腐蝕性等指標(biāo)進(jìn)行評估，最終選定無感通行閘機(jī)的材質(zhì)采用304不銹鋼材質(zhì)?？紤]到無感通行閘機(jī)整體的剛度和強(qiáng)度，以及支撐部件的強(qiáng)度和硬度，這部分材質(zhì)選擇不低于厚度為2.5 mm的不銹鋼。由于外殼非受力部分的強(qiáng)度和硬度，選擇不低于2.0 mm的不銹鋼。

3.5 系統(tǒng)指標(biāo)

根據(jù)地鐵通過閘機(jī)的流程和功能需求，乘客無感通行AFC閘機(jī)需滿足以下指標(biāo)要求。

1）人臉識別算法

人臉識別算法技術(shù)要求：人臉識別采用深度學(xué)習(xí)算法模型；支持活體檢測、活體檢測精度≥99.99%；人臉識別速度≤500 ms；千分之一誤識率下，人臉識別準(zhǔn)確率≥99.99%；支持人臉識別模式包括但不限于1：1、1：N、M：N。

2）人臉注冊終端

人臉注冊終端能接入軌道交通線網(wǎng)人臉識別系統(tǒng)。能夠?qū)⒉杉娜藛T面部信息數(shù)據(jù)同步至軌道交通線網(wǎng)人臉識別系統(tǒng)。能夠協(xié)助鑒別采集到的面部信息是否滿足人臉識別的應(yīng)用要求。人臉注冊終端應(yīng)能通過局域網(wǎng)連接人臉識別系統(tǒng)后臺和后臺賬戶系統(tǒng)，實(shí)時檢測乘客當(dāng)前狀態(tài)。在完成相應(yīng)業(yè)務(wù)處理后，應(yīng)實(shí)時將相關(guān)票務(wù)處理信息上傳到人臉賬戶后臺。人臉賬戶與APP賬戶為統(tǒng)一賬戶。

人臉注冊終端包含人臉識別模組，硬件要求為：采用IPS或更優(yōu)的高清顯示屏，不小于1 920×1 080分辨率、不小于7寸顯示屏，支持人臉識別支持角度：平面內(nèi)左右旋轉(zhuǎn)≥±45°，左右偏轉(zhuǎn)≥±30°，前后偏轉(zhuǎn)≥±30°；支持雙攝像頭：主攝像頭≥1 300萬高像素彩色攝像頭，1/3英寸CMOS，識別距離0.3～1.7 m；輔攝像頭≥100萬彩色高清攝像頭或更高，1/3英寸COMS；識別范圍不小于0.3～1.7 m。

3）人臉識別模組

人臉識別模組硬件要求：采用IPS或更優(yōu)的高清顯示屏，不小于1 024×800分辨率、不小于7寸顯示屏。支持人臉識別支持角度：平面內(nèi)左右旋轉(zhuǎn)≥±45°，左右偏轉(zhuǎn)≥±30°，前后偏轉(zhuǎn)≥±30°；支持雙攝像頭：攝像頭≥1300萬高像素彩色攝像頭，≥1/3英寸CMOS；輔攝像頭30萬黑白攝像頭，1/3英寸COMS ；識別距離0.3～1.7 m；通訊方式TCP/IP，支持在斷網(wǎng)模式下，單機(jī)運(yùn)行功能；支持人臉特征下發(fā)。

4 試驗(yàn)過程中存在的問題及解決方案

基于人臉識別技術(shù)實(shí)現(xiàn)無感通行的閘機(jī)，在實(shí)驗(yàn)室經(jīng)過測試，發(fā)現(xiàn)以下幾點(diǎn)問題。

提示音量?。涸诳土髁枯^大情況下，針對無感通行閘機(jī)語音提示音量小的問題，通過對所有閘機(jī)更換功率較大的揚(yáng)聲器并對機(jī)身揚(yáng)聲器出口處做特殊處理，更好地實(shí)現(xiàn)乘客人臉核驗(yàn)順利進(jìn)/出站的目的。

閘機(jī)面板劃痕：閘機(jī)在高頻率測試一段時間后，閘機(jī)前面板被堅(jiān)硬物體劃出痕跡。為保證閘機(jī)的美觀性和安全性，后更換為耐磨材質(zhì)的前面板。

人臉采集購票：最初設(shè)計(jì)的無感通行閘機(jī)只支持人臉識別進(jìn)行驗(yàn)人驗(yàn)票驗(yàn)站，為解決有些乘客不會進(jìn)行人臉采集購票，乘客也能順利通過閘機(jī)進(jìn)行驗(yàn)票驗(yàn)站，升級了系統(tǒng)軟件和閘機(jī)的驗(yàn)票方式，實(shí)現(xiàn)了支持人臉識別，IC卡讀卡，二維碼掃描的驗(yàn)票驗(yàn)站的目標(biāo)，大大提升了乘客進(jìn)/出站的方式。

5 結(jié)論與展望

經(jīng)過大量的試驗(yàn)數(shù)據(jù)積累和統(tǒng)計(jì)表明，AFC閘機(jī)無感通行能夠?qū)崿F(xiàn)“人、票、站” 的自動識別、調(diào)取和比對，確保驗(yàn)票驗(yàn)站的工作質(zhì)量。計(jì)算機(jī)技術(shù)和“基于人臉特征點(diǎn)的識別算法”等先進(jìn)技術(shù)的應(yīng)用，使無感通行AFC閘機(jī)在進(jìn)/出站模式上邁上了一個新的臺階。

城市軌道交通AFC閘機(jī)無感通行模式已成為未來城市軌道交通的發(fā)展方向。隨著5G技術(shù)的發(fā)展，基于人臉識別技術(shù)與5G技術(shù)相結(jié)合，勢必成為未來城市軌道交通無感通行的發(fā)展趨勢。