融合RFID和人臉識別技術(shù)的智能工器具管理系統(tǒng)

林利祥 陳創(chuàng) 王幸 江文東 陳文睿 李津 牛銘 梁旭懿 譚桂軒?

摘 要：針對電力工器具使用登記信息化程度不高、人工手寫或輸入登記的方式效率低下等問題，提出一種融合RFID和人臉識別技術(shù)的智能工器具管理系統(tǒng)。該系統(tǒng)主要由RFID信息識別模塊、人臉識別模塊和后臺軟件系統(tǒng)組成。其中，RFID模塊用于自動識別讀取工器具信息;人臉識別模塊則實(shí)現(xiàn)使用者身份的自動識別;后臺軟件系統(tǒng)主要實(shí)現(xiàn)工器具信息查詢統(tǒng)計(jì)、超期告警和狀態(tài)分析等應(yīng)用功能。實(shí)踐應(yīng)用結(jié)果表明，利用該智能工器具管理系統(tǒng)能顯著提高工器具管理的速度和準(zhǔn)確性，優(yōu)化管理流程，有效提高工作效率和電力安全生產(chǎn)效益。

關(guān)鍵詞：RFID;人臉識別;電力工器具;管理系統(tǒng);信息識別;信息查詢

中圖分類號：TP391 文獻(xiàn)標(biāo)識碼：A 文章編號：2095-1302（2019）06-0-04

0 引 言

電力安全生產(chǎn)與國家社會財(cái)產(chǎn)安全以及人民生活利益密切相關(guān)[1]。電力工器具是電力一線班組從事運(yùn)行、檢修、維護(hù)、消缺和搶修等工作時(shí)最基本、不可或缺的生產(chǎn)工具。因此，其管理效能將直接影響到電力員工的工作效率、人身安全，甚至影響到電力系統(tǒng)的安全穩(wěn)定運(yùn)行[2-4]。

傳統(tǒng)的電力工器具管理，一般都依賴于人工登記、統(tǒng)計(jì)與查詢的方式，該方法較為原始，存在登記速度慢、統(tǒng)計(jì)不便、查詢困難等不足，效率十分低下。隨著計(jì)算機(jī)技術(shù)的發(fā)展與應(yīng)用推廣，部分班組逐漸引入計(jì)算機(jī)管理系統(tǒng)來輔助工器具管理，該方式提高了數(shù)據(jù)分析與查詢的便捷程度，但其基礎(chǔ)數(shù)據(jù)大多采用人工錄入系統(tǒng)的方式，速度較慢且容易出錯(cuò)，效率提升不夠明顯。隨著電網(wǎng)規(guī)模的不斷發(fā)展與設(shè)備種類的多樣化，電力生產(chǎn)工器具的種類和數(shù)量正不斷增加，低效率的電力工器具管理方法已經(jīng)嚴(yán)重影響到供電企業(yè)的工作效率。

因此，有必要引入新興的技術(shù)和方法，開發(fā)更為先進(jìn)、高效的電力生產(chǎn)工器具管理方法與裝置，實(shí)現(xiàn)人工干預(yù)盡可能少的工器具自動識別、登記與使用分析，同時(shí)可對工器具的出入庫登記、維修報(bào)廢等一系列環(huán)節(jié)進(jìn)行管理，優(yōu)化管理流程，提高電力生產(chǎn)工器具的管理效能與人員工作效率，提升生產(chǎn)精益化水平。

1 總體結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

針對常規(guī)工器具管理方式效率低下的問題，本文提出一種基于RFID和人臉識別技術(shù)的電力工器具管理系統(tǒng)。該系統(tǒng)主要由工器具管理一體機(jī)和后臺管理軟件組成，其軟硬件設(shè)計(jì)架構(gòu)如圖1所示。

工器具管理一體機(jī)主要包括RFID信息識別模塊、人臉識別模塊和集成柜體。其中，RFID信息識別模塊主要用于快速、準(zhǔn)確地實(shí)現(xiàn)電力生產(chǎn)工器具的自動識別;人臉識別模塊則通過高清人臉機(jī)終端來識別人員信息;后臺管理軟件主要實(shí)現(xiàn)登記查詢、統(tǒng)計(jì)分析、超期預(yù)警、狀態(tài)評估等功能。利用本文所提電力工器具管理系統(tǒng)，能顯著提高工器具管理效率，優(yōu)化管理流程，進(jìn)而提高工作效率，提升安全生產(chǎn)效益。

2 系統(tǒng)主要組成及原理

2.1 工器具管理一體機(jī)設(shè)計(jì)

工器具管理一體機(jī)由RFID信息識別模塊、人臉識別模塊與一體機(jī)柜體組成，設(shè)計(jì)圖如圖2所示。

2.1.1 RFID信息識別模塊

無線射頻識別（Radio Frequency Identification，RFID）是一種非接觸式的自動識別技術(shù)，近年來作為物聯(lián)網(wǎng)關(guān)鍵技術(shù)受到人們廣泛的關(guān)注[5-8]。其技術(shù)原理是利用射頻電磁波的空間耦合，在閱讀器與攜帶電子標(biāo)簽的目標(biāo)物品之間實(shí)現(xiàn)無接觸的信息傳遞，從而實(shí)現(xiàn)物體的識別、檢測與追蹤[5-6]。RFID模塊通常由電子標(biāo)簽、閱讀器和應(yīng)用系統(tǒng)構(gòu)成。

RFID電子標(biāo)簽具有可讀寫功能，按工作頻率可劃分為低頻、高頻和超高頻三類。本系統(tǒng)采用高頻電子標(biāo)簽，并以雙編號（即“編碼+名稱”）的信息格式為工器具賦予惟一的標(biāo)識，標(biāo)簽典型頻率為13.56 MHz，讀寫距離可根據(jù)實(shí)際需求進(jìn)行調(diào)節(jié)。該類電子標(biāo)簽具有傳輸速度快、輕便高效等優(yōu)點(diǎn)，適合工器具管理系統(tǒng)設(shè)計(jì)要求。RFID閱讀器主要用于讀取標(biāo)簽信息。為了提高工器具一體機(jī)的集成程度，本系統(tǒng)將RFID閱讀器嵌入于集成柜體中上方，如圖2所示。

RFID信息識別模塊的工作原理為：當(dāng)工作人員攜帶貼有電子標(biāo)簽的工器具通過管理一體機(jī)前，進(jìn)入設(shè)定的識別范圍內(nèi)，RFID閱讀器將自動快速地獲取每個(gè)設(shè)備的標(biāo)簽信息，并上傳回后臺管理系統(tǒng)，實(shí)現(xiàn)工器具的自動識別與登記。

2.1.2 人臉識別模塊

人臉識別技術(shù)是模式識別領(lǐng)域的一個(gè)主要研究方向[9]，該技術(shù)利用計(jì)算機(jī)提取人臉特征，并根據(jù)有效特征信息進(jìn)行身份認(rèn)證。與指紋識別等生物特征識別方法相比，人臉識別具有非接觸性、主動性等優(yōu)點(diǎn)[10-13]。

本系統(tǒng)將人臉識別終端嵌入一體機(jī)上半部分，如圖2所示，用于采集工器具使用人員信息。人臉識別算法采用文獻(xiàn)[10]提出的基于粒子群BP神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)的人臉識別算法。

人臉識別模塊的工作原理為：首先，對班組所有人員進(jìn)行人臉信息采集，將入庫的人臉圖像數(shù)據(jù)進(jìn)行特征提取及建模，形成人臉特征文件，并將人員信息存儲于后臺數(shù)據(jù)庫中;接著，人臉識別模塊通過高清攝像機(jī)終端來采集工器具使用人員的臉部信息;最后，利用深度學(xué)習(xí)算法將其與數(shù)據(jù)庫中已有的人臉特征信息進(jìn)行快速特征匹對。若匹對成功，則獲取該人員信息，并將RFID讀取的工器具信息存入該人員名下;若匹對不成功，系統(tǒng)將會發(fā)出告警聲響，提醒管理人員注意查看。

2.1.3 一體機(jī)柜模塊

為了使各個(gè)功能模塊更為高效的協(xié)同運(yùn)作，實(shí)現(xiàn)工器具識別與人臉識別快速同步識別，本系統(tǒng)創(chuàng)新性地將RFID、人臉識別和電源模塊等集成于一體，形成一體機(jī)柜。該柜體主要作用是為人臉識別終端、RFID讀寫器終端等提供支撐集成，以及電線、數(shù)據(jù)傳輸介質(zhì)的收納，形成高度集成的柜體式應(yīng)用裝置。柜體采用烤漆木質(zhì)材料制作。

2.2 軟件管理系統(tǒng)

工器具后臺軟件管理系統(tǒng)由Java語言開發(fā)而成，數(shù)據(jù)庫采用SQL2008，開發(fā)了基礎(chǔ)功能和高級應(yīng)用功能。其中，基礎(chǔ)功能包括：登錄賬號密碼管理、人員管理、工具管理、出入庫管理、電力工器具臺賬、工器具需求識別、設(shè)備廠家管理、數(shù)據(jù)字典、自定義查詢及報(bào)表導(dǎo)出等;高級應(yīng)用功能包括：借用超期告警、超檢驗(yàn)期告警及LCC全生命周期狀態(tài)評估等，能協(xié)助管理員科學(xué)評估工器具狀態(tài)，保障工器具健康可靠，保障電力安全生產(chǎn)。

3 智能工器具管理系統(tǒng)使用流程

3.1 電力生產(chǎn)工器具借用流程

智能工器具管理系統(tǒng)在處理工器具借用流程時(shí)，需要識別讀取工器具信息，并讀取借用人信息，從而實(shí)現(xiàn)將工器具借用明細(xì)登記到對應(yīng)借用人名下。本系統(tǒng)設(shè)計(jì)的借用流程圖如圖3所示，詳細(xì)步驟如下：

（1）工作人員領(lǐng)取電力工器具，進(jìn)入管理一體機(jī)識別范圍，RFID信息識別模塊讀取工器具標(biāo)簽信息;

（2）工器具管理一體機(jī)屏幕顯示所借閱工器具清單，供工作人員核對;

（3）若核對無誤，工作人員臉部對準(zhǔn)人臉識別模塊，高清攝像頭識別人員信息;若核對錯(cuò)誤，工作人員檢查工器具標(biāo)簽后重新掃描工器具，直到屏幕顯示清單無誤為止;

（4）一體機(jī)將數(shù)據(jù)上傳到后臺系統(tǒng)，將工器具信息登記到對應(yīng)人員信息下;

（5）若一體機(jī)讀取人臉信息成功，系統(tǒng)提示“借用成功，歡迎使用工器具”;

（6）若一體機(jī)識別人臉信息不準(zhǔn)確，則提示“請調(diào)整位置進(jìn)行人臉識別”，若識別到的人臉在庫中找不到樣本，則報(bào)警提示“請注意，該人員身份有疑問”;

（7）若一體機(jī)3 s內(nèi)未讀取到人臉信息，則發(fā)出告警聲，并提示“請注意，工器具未登記借出”。

3.2 電力生產(chǎn)工器具歸還流程

根據(jù)電力生產(chǎn)部門工作實(shí)際情況，智能工器具管理系統(tǒng)在處理工器具歸還流程時(shí)，重點(diǎn)關(guān)注工器具是否歸還入庫，并無需指定借用人親自歸還。因此，與工器具借用流程略有差異，歸還流程只需識別讀取工器具信息，并登記工器具歸還入庫。本系統(tǒng)設(shè)計(jì)的歸還流程圖如圖4所示，詳細(xì)步驟如下：

（1）工作人員攜帶電力工器具進(jìn)入管理一體機(jī)識別范圍，RFID信息識別模塊讀取工器具標(biāo)簽信息;

（2）工器具管理一體機(jī)屏幕顯示所歸還工器具清單，供工作人員核對;

（3）若核對無誤，進(jìn)入（4），若核對有誤，則工作人員檢查工器具標(biāo)簽后重新掃描歸還工器具，直到屏幕顯示清單無誤為止，進(jìn)入（4）;

（4）工器具管理一體機(jī)提示“工器具歸還成功，謝謝使用”，同時(shí)將歸還信息上傳保存于后臺系統(tǒng)，歸還流程結(jié)束。

4 應(yīng)用效果分析

本文所提出的融合RFID和人臉識別技術(shù)的智能工器具管理系統(tǒng)在廣州供電局開展應(yīng)用，成效顯著。

4.1 系統(tǒng)識別速度分析

將采用常規(guī)人工登記方式與采用智能工器具管理系統(tǒng)所耗費(fèi)的工器具識別登記時(shí)間加以統(tǒng)計(jì)，結(jié)果見表1所列。

由表1可知：采用人工登記方式，需要手寫工器具名稱、型號、數(shù)量及借用人員名稱、工牌號、聯(lián)系電話等，平均耗時(shí)為192 s;采用智能工器具管理系統(tǒng)，可實(shí)現(xiàn)電力工器具自動識別與登記，平均耗時(shí)僅需2.89 s; RFID工器具識別平均耗時(shí)為1.52 s，人臉識別平均耗時(shí)為1.37 s。由此可見，采用智能工器具管理系統(tǒng)后，每件工器具平均登記時(shí)間由192 s減少至2.89 s，耗時(shí)減少98.49%，電力工器具識別登記效率大幅提升。

4.2 系統(tǒng)準(zhǔn)確度分析

將智能工器具管理系統(tǒng)的RFID工器具識別模塊和人臉識別模塊工作的準(zhǔn)確性加以統(tǒng)計(jì)，結(jié)果見表2所列。

由表2可知：RFID工器具識別的準(zhǔn)確率為98.26%;人臉識別模塊識別工作人員身份信息的準(zhǔn)確率為99.34%。二者的準(zhǔn)確率較高，可滿足工器具管理要求。

針對RFID識別出錯(cuò)的案例進(jìn)行分析，發(fā)現(xiàn)主要原因是，RFID電子標(biāo)簽張貼位置過偏或者工器具間互相遮擋導(dǎo)致RFID識別干擾，通過擺正位置重新識別可以糾正錯(cuò)誤。針對人臉識別出錯(cuò)的案例進(jìn)行分析，發(fā)現(xiàn)主要原因是，所處環(huán)境光線不足，影響人臉機(jī)終端采集圖像，通過增強(qiáng)環(huán)境亮度可進(jìn)一步提高準(zhǔn)率。

總體而言，該系統(tǒng)的識別準(zhǔn)確率較高，可大大減少人工干預(yù)量，顯著提高班組工作效率，解決工具器管理效率低下等問題。

4.3 管理成效分析

實(shí)際應(yīng)用結(jié)果表明，采用該智能工器具管理系統(tǒng)可有效優(yōu)化電力生產(chǎn)部門的工器具管理效能。通過及時(shí)告警臨近超檢驗(yàn)合格期工具，提醒管理員及時(shí)送檢，提高了工器具的安全可靠性;通過及時(shí)告警借用超期工器具，可避免工器具遺漏，保證滿足安全生產(chǎn)要求，進(jìn)而提高社會經(jīng)濟(jì)效益。

5 結(jié) 語

本文提出一種基于RFID和人臉識別技術(shù)的智能工器具管理系統(tǒng)。該系統(tǒng)的硬件部分由RFID識別模塊、人臉識別模塊和集成柜體組成，可實(shí)現(xiàn)工器具及其使用者的自動識別與登記;軟件部分利用Java開發(fā)，實(shí)現(xiàn)工器具查詢統(tǒng)計(jì)、借用超期告警、超檢驗(yàn)期告警等應(yīng)用功能。利用該智能工器具管理系統(tǒng)，可實(shí)現(xiàn)電力工器具登記統(tǒng)計(jì)的自動化，提高物資管理信息化水平;同時(shí)能協(xié)助管理員科學(xué)分析工器具使用狀態(tài)，顯著提高工器具健康可靠水平，助力電力安全生產(chǎn)，具有較好的安全效益和社會經(jīng)濟(jì)效益。

該研究成果具有較好的實(shí)際應(yīng)用價(jià)值和啟發(fā)意義，可推廣應(yīng)用到類似的物資管理領(lǐng)域，以提高管理效率，提升物資管理的智能化水平。

參 考 文 獻(xiàn)

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