自動售檢票系統(tǒng)中人臉識別技術(shù)的解決方案

■ 郭銳

0 引言

人臉識別技術(shù)是基于人的臉部特征信息進行身份識別的一種生物識別技術(shù)。用攝像機或攝像頭采集含人臉的圖像或視頻流，并自動在圖像中檢測和跟蹤人臉，進而對檢測到的人臉進行識別。

自動售檢票系統(tǒng)（AFC）以計算機及信息傳輸網(wǎng)絡(luò)為基礎(chǔ)，采用非接觸式IC卡作為車票信息載體，車站配備自動售票機、自動充值機、自動檢票設(shè)備，實現(xiàn)售票、充值、檢票、計費、收費、統(tǒng)計、結(jié)算全過程的自動化管理。

在自動售檢票系統(tǒng)中引入人臉識別系統(tǒng)，將乘客購票、檢票動作從被動（乘客刷卡動作驗證通行信息）變?yōu)橹鲃樱ㄖ苯幼x取識別乘客面部信息進行比對產(chǎn)生驗證通行信息），不僅提高乘客乘車效率與系統(tǒng)運營維護水平，還加強乘客對軌道交通技術(shù)服務(wù)水平的認知度，提高居民整體乘車出行體驗。

1 人臉識別技術(shù)應(yīng)用

基于計算機視覺人臉識別技術(shù)的應(yīng)用系統(tǒng)由應(yīng)用層、人臉識別系統(tǒng)及硬件層3部分組成（見圖1）。硬件層主要包括CPU、GPU、現(xiàn)場可編程門陣列（FPGA）和AI專用芯片。深度神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)算法如CNN、RNN需要大量的計算，之前人工智能發(fā)展緩慢，局限于沒有強大的計算資源。隨著GPU和AI專用推理芯片在人工智能和計算機視覺等領(lǐng)域的應(yīng)用，大大拓寬了復(fù)雜算法應(yīng)用領(lǐng)域。應(yīng)用層主要指人臉識別技術(shù)的應(yīng)用場景，如門禁系統(tǒng)、安防系統(tǒng)、身份認證等。人臉識別系統(tǒng)是整個軌道交通人臉識別過閘應(yīng)用場景最核心的系統(tǒng)，人臉識別系統(tǒng)的識別性能和準確率直接關(guān)系到用戶的通行體驗，最終決定系統(tǒng)的成敗。

圖1 人臉識別系統(tǒng)組成

2 目前自動售檢票系統(tǒng)弊端

2.1 乘客方面

對于傳統(tǒng)自動售票機，乘客購票排隊時間較長、現(xiàn)場選擇線路并采用現(xiàn)金購票也較耗時，大大降低了設(shè)備的使用效率和乘客的購票便捷感。

對于互聯(lián)網(wǎng)售票機，在人流峰值時，設(shè)備數(shù)量不夠，同時每個乘客在售票機上買票的耗費時間較長，必須攜帶手機才能完成第三方支付，且手機信號的覆蓋強度也影響手機購票速度。

同樣，傳統(tǒng)的檢票方式，乘客需先購買有效車票（單程票及儲值票）通過閘機上的讀寫器判斷車票是否有效或儲值票余額滿足最低票價要求，確認后開啟閘機扇門允許乘客通行；在出閘端，乘客出示車票由讀寫器對其授權(quán)進行驗證，判斷其是否為黑名單用戶（儲值票）、車票是否有進站信息、是否超時、是否足夠余額、是否是優(yōu)惠票或員工票等一系列信息確認后再進行車票回收或扣除相應(yīng)的乘車費用，加上乘客臨出站時才找尋身上車票等一些乘車習慣，導(dǎo)致閘機通行速率低下，時常在出站閘機處出現(xiàn)客流擁擠現(xiàn)象（尤其是大客流車站）。二維碼過閘同樣由于手機信號覆蓋、二維碼讀頭對二維碼角度的要求以及乘客習慣等原因?qū)е峦ㄐ行实汀?/p>

2.2 運營公司方面

目前地鐵售票機主要有2類：（1）傳統(tǒng)售票機，支付現(xiàn)金買票及交通卡充值；（2）互聯(lián)網(wǎng)售票機，支付第三方支付，實現(xiàn)無現(xiàn)金售票及交通卡充值。

傳統(tǒng)售票機缺點：運維工作量大、機械故障率高、不支持大面額現(xiàn)金支付。

互聯(lián)網(wǎng)售票機缺點：運維工作量大、機械故障率高。優(yōu)點：減少運維、結(jié)算工作量；與互聯(lián)網(wǎng)融合，提升了用戶體驗和地鐵形象。

檢票方式也主要包含2類：（1）傳統(tǒng)檢票閘機，通過車票實物實現(xiàn)進站、出站；（2）云檢票機即二維碼閘機，通過對二維碼的識別判斷乘客進站、出站并進行扣費。

傳統(tǒng)檢票機缺點：運維工作量大、機械故障率高，時常出現(xiàn)卡票現(xiàn)象。

云閘機缺點：二維碼讀頭對手機二維碼角度要求較高、機械故障率高。優(yōu)點：減少運維、結(jié)算工作量；與互聯(lián)網(wǎng)融合，提升用戶體驗和地鐵形象。

3 結(jié)合人臉識別技術(shù)的解決方案

3.1 人臉識別售票方案

隨著互聯(lián)網(wǎng)應(yīng)用的普及，刷二維碼、刷臉過閘等業(yè)務(wù)的成熟，售票機的使用頻率進一步降低，但不會完全消失。因此，傳統(tǒng)售票機也應(yīng)盡快升級，整合第三方支付功能，實現(xiàn)無現(xiàn)金購票，集成人臉識別功能，支持人臉識別買票。

售票機增加人臉識別功能后，一方面可實現(xiàn)遠程（微信公眾號、微信小程序、支付寶城市服務(wù)、支付寶小程序、地鐵APP等）購票，在云售票機上刷臉取票；另一方面也可直接支持用戶刷臉買票，避免使用現(xiàn)金和手機二維碼支付。人臉識別售票機場景案例見圖2。

相比傳統(tǒng)售票機與互聯(lián)網(wǎng)售票機，人臉識別售票機減少了運維、結(jié)算工作量；與互聯(lián)網(wǎng)融合，提升了用戶體驗和地鐵形象；增加實名刷票功能，提升地鐵公共安全，同時通過收集客戶數(shù)據(jù)，為大數(shù)據(jù)分析提供基礎(chǔ)。人臉識別售票系統(tǒng)架構(gòu)見圖3。

3.2 人臉識別過閘方案

軌道交通行業(yè)是一個高新技術(shù)密集的行業(yè)，也是對新技術(shù)比較敏感的行業(yè)，一直以來不惜余力地利用科學技術(shù)發(fā)展的最新成果為乘客提供最好的通行體驗。2017年，部分城市開通二維碼刷碼過閘，以及處于前沿研究階段的人臉識別過閘。除了乘客端通行工具，閘機終端設(shè)備也是整個系統(tǒng)的核心設(shè)備。閘機的硬件組成除了工控機和門單元以外，其他的硬件模塊分別對應(yīng)相應(yīng)的乘客端工具，讀寫器和票卡回收單元對應(yīng)單程票，讀寫器對應(yīng)交通卡和NFC手機虛擬卡，二維碼讀頭對應(yīng)二維碼刷碼過閘，攝像頭用于人臉識別過閘，人臉識別云閘機架構(gòu)見圖4。

圖2 人臉識別售票機場景案例

圖3 人臉識別售票系統(tǒng)架構(gòu)

結(jié)合人臉識別技術(shù)，可實現(xiàn)乘客乘車先乘后付，在進站端乘客能通過人臉識別閘機直接過檢乘車，在出站端通過人臉比對完成乘客信息的進閘出清，形成閉合交易數(shù)據(jù)，并通過第三方支付平臺直接扣款。

參考流程如下：

（1）乘客通過移動APP注冊賬戶，綁定第三方支付賬戶，完成實名認證。

（2）乘客通過移動APP和人臉識別系統(tǒng)，采集并且保存用戶人臉特征值。

乘客進出站過閘時存在2種方式：

一是離線式。閘機和手機之間建立藍牙連接，乘客的人臉特征值通過藍牙連接傳給閘機。攝像頭捕獲乘客的臉部特征。2個特征值進行比對，若滿足相似度條件即可通行（見圖5）。

二是在線式。攝像頭會捕獲乘客的臉部特征，上位機程序會上傳人臉圖像到云平臺或者人臉識別庫進行特征值比對，如果滿足相似度條件就可通行（見圖6）。

閘機終端設(shè)備

乘客端工具讀卡器/PSAM工控機+顯示屏

圖4 人臉識別云閘機架構(gòu)

單程票

（3）交易記錄發(fā)送給ACC系統(tǒng)或云平臺，由ACC或云平臺根據(jù)進站和出站記錄計算出金額，向第三方支付平臺發(fā)起扣款操作。

通過引入人臉識別技術(shù)，真正做到無卡出行，乘客進出站時，無需任何操作，用戶體驗最佳。但也存在網(wǎng)絡(luò)傳輸成本高，并且一對多的特征值匹配模式對人臉識別系統(tǒng)的性能和高可用性提出了巨大的技術(shù)挑戰(zhàn)。軌道交通屬于大流量、高頻次公共交通系統(tǒng)，系統(tǒng)的穩(wěn)定性和通行效率是必須要考慮的問題。

3.3 云平臺方案框架

人臉識別云平臺是整個人臉識別技術(shù)在自動售檢票系統(tǒng)中的核心平臺。通過云平臺，可實現(xiàn)云售檢票機的業(yè)務(wù)功能，也可實現(xiàn)云閘機過閘功能。同時云平臺也是地鐵不斷出現(xiàn)的互聯(lián)網(wǎng)新業(yè)務(wù)底面支撐平臺，通過云平臺，除了實現(xiàn)手機APP售票、人臉取票、人臉過閘等新業(yè)務(wù)，也為以后各類互聯(lián)網(wǎng)入口（微信公眾號、微信小程序、支付寶城市服務(wù)、支付寶小程序、地鐵APP等）提供基礎(chǔ)的接入服務(wù)。另外，還可為新業(yè)務(wù)預(yù)留接入平臺，如指紋識別、無感知識別等新的地鐵業(yè)務(wù)。人臉識別系統(tǒng)云平臺框架見圖7。

圖5 離線式人臉識別過閘示意圖

圖6 在線式人臉識別過閘示意圖

圖7 人臉識別系統(tǒng)云平臺框架

4 結(jié)束語

目前人臉識別技術(shù)在自動售檢票系統(tǒng)還沒有實際開通的應(yīng)用案例。該技術(shù)方案可產(chǎn)生具有創(chuàng)新價值的云售票機，除實現(xiàn)無現(xiàn)金售票之外，還能實現(xiàn)刷臉取票及刷臉支付功能，同時在閘機上增加攝像頭，通過人臉識別技術(shù)實現(xiàn)過閘，融合第三方支付輸出的信用付能力，實現(xiàn)先刷臉乘坐地鐵，再自動支付的先享后付業(yè)務(wù)，不僅提高了閘機的通行效率，也提升了用戶的乘坐體驗[2-3]，同時還為今后的大數(shù)據(jù)分析和互聯(lián)網(wǎng)運營提供了基本數(shù)據(jù)。

[1] 夏德春，肖占榮，李海虎，等． 城市軌道交通自動售檢票系統(tǒng)設(shè)計[J]． 鐵路計算機應(yīng)用，2012，21(11)：54-56．

[2] 盛益軍． 智慧車務(wù)及其視頻智能識別技術(shù)應(yīng)用研究[J]． 中國鐵路，2017(4)：91-95．

[3] 王成，史天運． 基于大數(shù)據(jù)分析的鐵路自動售檢票監(jiān)控系統(tǒng)研究[J]． 鐵路計算機應(yīng)用，2015(11)：42-45．