基于人臉識別技術實現地鐵AFC閘機無感通行的應用研究

姜 海

(中鐵電氣化局集團有限公司設計研究院，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卡通過在閘機處刷卡通過閘機，利用讀卡器進行車票讀取，實現“票、站”統一的查驗。而在乘車過程中若出現車票丟失的現象，就會造成乘客出站解釋不清等問題，從而影響出站。

隨著城市發展的步伐不斷加快，社會經濟的發展，城市規模、數量和人口都在持續增多，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實現軌道交通AFC閘機無感通行應用勢在必行。通過融合當前最先進的計算機技術、視頻分析技術、射頻識別技術、機電控制技術，實現高速、精確地識別、調取和比對“人、票、站”，實現0票卡通行閘機，從而提高驗票工作質量和乘客檢票通過速度，打造城市軌道交通智慧閘機通行。

2 AFC閘機無感通行系統

2.1 工作原理

AFC閘機無感通行系統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行計算處理，再利用人臉特征定位算法將掃描的實時人臉圖像轉換為特征值。利用人臉特征算法將照片轉換為特征值，或通過二維碼掃描槍掃描讀取車票上的二維碼，系統通過后臺計算，自動獲取有效的車站信息，將人、票、站三者進行比對，三者均驗證通過則放行乘客；若驗證的乘客購票信息不是本站進/出的，系統將通過判斷，閘機自動關閉。驗證通過后，乘客將無感通過AFC閘機，從而實現進/出站；所有乘客的驗人臉驗票信息將統一保存到中心數據庫服務器，方便存儲和調取，從而為車站提供人臉和票卡信息的統計和分析；AFC閘機無感通行系統能實時監控到車站每個閘機的工作狀態和客流信息。

2.2 系統構成

AFC閘機無感通行系統拓撲如圖1所示。

圖1 系統拓撲示意圖Fig.1 System topology diagram

1）人臉票中心

在控制中心設置一套人臉識別系統平臺，包括人臉識別與比對服務器、人臉存儲服務器、人臉管理服務器、三層交換機、人臉管理工作站、機柜及人臉注冊終端，系統應在云平臺中部署及管理。

系統平臺由人臉比對分析系統、計算節點、存儲節點、網絡和信息安全構成。

存儲節點：人臉識別存儲，存儲人臉庫數據及存儲抓拍人臉照片及進出站信息，方便事后信息查證。

計算節點：人臉識別算法服務器和人臉特征提取服務器，負責將采集的人臉人像圖片與票務系統平臺下發的刷臉進站白名單庫實時比對，反饋比對結果至自動邊門檢票機通道。

人臉比對分析系統：配置人臉算法服務器及搜索服務器，統計和存儲注冊的人臉數據并處理前端請求，將注冊信息上傳至后臺中央數據服務器（設在清分中心系統前端，并與之對接），前端與后臺比對信息。負責對各站點計算節點及存儲節點進行統一管理，數據同步；同時將各站點傳回數據信息與系統平臺對接，實時接收系統平臺更新的目標白名單庫，下發新任務至各地鐵站內的計算節點。

2）承載網絡

無感通行系統承載網絡采用ACC、車站二級組網；ACC與車站之間由云平臺提供傳輸網連接。傳輸網絡由云平臺統一規劃，通信協議為TCP/IP。主要包括：

ACC至 車 站/車 輛 段網絡：采用由云平臺提供的2 000 Mbit/s以太環網，線路側為冗余萬兆光纖接口；

車站網絡:采用1 000 Mbit/s工業環形以太網。

3）車站設備

車站AFC系統終端設備由自動售票機、自動檢票機（主要包含進站檢票機、出站檢票機、普通雙向檢票機及寬通道雙向檢票機）、半自動售票機、自動查詢機、便攜式檢驗票機等組成。

3 無感通行閘機

3.1 無感通行閘機與傳統刷卡閘機的對比分析

無感通行閘機除了具有傳統AFC刷卡閘機的全部功能外，通過利用大數據分析、機器學習、人工智能、移動互聯網等新技術，在乘客智慧服務、運營智慧規劃、設備智慧運維方面進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或APP終端上進行拍照上傳，完成人臉單程票的注冊與購買。之后通過無感通行閘機的人臉識別器時，通過人臉識別終端掃描的實時面部圖像與預先錄入的人臉信息進行對比，實現刷臉過閘進/出站。無感通行閘機不僅可以大幅提高檢票機的工作壽命，還可以杜絕由于單程票硬件介質產生的交叉病菌傳染等問題。通過刷臉進/出站省去了掏交通卡或掏手機的時間，在地鐵上下班高峰時，通過刷臉進/出站，可以有效加快通行速度，減少過閘機的排隊時間。

無感通行閘機較傳統刷卡閘機還有一大優勢，即通過人臉識別收集，可以進行快速的搜索，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航。

3.2 外形尺寸

無感通行閘機分為進站閘機、出站閘機、雙向閘機（包括寬通道閘機）3種類型，設在公共區付費區和非付費區的分隔帶上。標準閘機的尺寸為2 000 mm×200 mm×1 100 mm（長×寬×高，不包括兒童檢測器高度）；標準通道的寬度為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 無感通行閘機示意圖Fig.2 Schematic diagram of non-inductive passage gate

3.3 結構

無感通行閘機在人臉識別器上的角度設計滿足人體工程學的要求，結合后期的運營和維護的需求，將模塊布局和維修維護設計到最便捷，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，無勾絲等現象。

3.4 材料

通過對強度、硬度、抗氧化性、耐高溫性、耐腐蝕性等指標進行評估，最終選定無感通行閘機的材質采用304不銹鋼材質。考慮到無感通行閘機整體的剛度和強度，以及支撐部件的強度和硬度，這部分材質選擇不低于厚度為2.5 mm的不銹鋼。由于外殼非受力部分的強度和硬度，選擇不低于2.0 mm的不銹鋼。

3.5 系統指標

根據地鐵通過閘機的流程和功能需求，乘客無感通行AFC閘機需滿足以下指標要求。

1）人臉識別算法

人臉識別算法技術要求：人臉識別采用深度學習算法模型；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人臉識別系統。能夠將采集的人員面部信息數據同步至軌道交通線網人臉識別系統。能夠協助鑒別采集到的面部信息是否滿足人臉識別的應用要求。人臉注冊終端應能通過局域網連接人臉識別系統后臺和后臺賬戶系統，實時檢測乘客當前狀態。在完成相應業務處理后，應實時將相關票務處理信息上傳到人臉賬戶后臺。人臉賬戶與APP賬戶為統一賬戶。

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：平面內左右旋轉≥±45°，左右偏轉≥±30°，前后偏轉≥±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：平面內左右旋轉≥±45°，左右偏轉≥±30°，前后偏轉≥±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，支持在斷網模式下，單機運行功能；支持人臉特征下發。

4 試驗過程中存在的問題及解決方案

基于人臉識別技術實現無感通行的閘機，在實驗室經過測試，發現以下幾點問題。

提示音量小：在客流量較大情況下，針對無感通行閘機語音提示音量小的問題，通過對所有閘機更換功率較大的揚聲器并對機身揚聲器出口處做特殊處理，更好地實現乘客人臉核驗順利進/出站的目的。

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

人臉采集購票：最初設計的無感通行閘機只支持人臉識別進行驗人驗票驗站，為解決有些乘客不會進行人臉采集購票，乘客也能順利通過閘機進行驗票驗站，升級了系統軟件和閘機的驗票方式，實現了支持人臉識別，IC卡讀卡，二維碼掃描的驗票驗站的目標，大大提升了乘客進/出站的方式。

5 結論與展望

經過大量的試驗數據積累和統計表明，AFC閘機無感通行能夠實現“人、票、站” 的自動識別、調取和比對，確保驗票驗站的工作質量。計算機技術和“基于人臉特征點的識別算法”等先進技術的應用，使無感通行AFC閘機在進/出站模式上邁上了一個新的臺階。

城市軌道交通AFC閘機無感通行模式已成為未來城市軌道交通的發展方向。隨著5G技術的發展，基于人臉識別技術與5G技術相結合，勢必成為未來城市軌道交通無感通行的發展趨勢。