融合RFID和人臉識別技術的智能工器具管理系統

林利祥 陳創 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和人臉識別技術的智能工器具管理系統。該系統主要由RFID信息識別模塊、人臉識別模塊和后臺軟件系統組成。其中，RFID模塊用于自動識別讀取工器具信息;人臉識別模塊則實現使用者身份的自動識別;后臺軟件系統主要實現工器具信息查詢統計、超期告警和狀態分析等應用功能。實踐應用結果表明，利用該智能工器具管理系統能顯著提高工器具管理的速度和準確性，優化管理流程，有效提高工作效率和電力安全生產效益。

關鍵詞：RFID;人臉識別;電力工器具;管理系統;信息識別;信息查詢

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

0 引 言

電力安全生產與國家社會財產安全以及人民生活利益密切相關[1]。電力工器具是電力一線班組從事運行、檢修、維護、消缺和搶修等工作時最基本、不可或缺的生產工具。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的安全穩定運行[2-4]。

傳統的電力工器具管理，一般都依賴于人工登記、統計與查詢的方式，該方法較為原始，存在登記速度慢、統計不便、查詢困難等不足，效率十分低下。隨著計算機技術的發展與應用推廣，部分班組逐漸引入計算機管理系統來輔助工器具管理，該方式提高了數據分析與查詢的便捷程度，但其基礎數據大多采用人工錄入系統的方式，速度較慢且容易出錯，效率提升不夠明顯。隨著電網規模的不斷發展與設備種類的多樣化，電力生產工器具的種類和數量正不斷增加，低效率的電力工器具管理方法已經嚴重影響到供電企業的工作效率。

因此，有必要引入新興的技術和方法，開發更為先進、高效的電力生產工器具管理方法與裝置，實現人工干預盡可能少的工器具自動識別、登記與使用分析，同時可對工器具的出入庫登記、維修報廢等一系列環節進行管理，優化管理流程，提高電力生產工器具的管理效能與人員工作效率，提升生產精益化水平。

1 總體結構設計

針對常規工器具管理方式效率低下的問題，本文提出一種基于RFID和人臉識別技術的電力工器具管理系統。該系統主要由工器具管理一體機和后臺管理軟件組成，其軟硬件設計架構如圖1所示。

工器具管理一體機主要包括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、準確地實現電力生產工器具的自動識別;人臉識別模塊則通過高清人臉機終端來識別人員信息;后臺管理軟件主要實現登記查詢、統計分析、超期預警、狀態評估等功能。利用本文所提電力工器具管理系統，能顯著提高工器具管理效率，優化管理流程，進而提高工作效率，提升安全生產效益。

2 系統主要組成及原理

2.1 工器具管理一體機設計

工器具管理一體機由RFID信息識別模塊、人臉識別模塊與一體機柜體組成，設計圖如圖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，近年來作為物聯網關鍵技術受到人們廣泛的關注[5-8]。其技術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簽的目標物品之間實現無接觸的信息傳遞，從而實現物體的識別、檢測與追蹤[5-6]。RFID模塊通常由電子標簽、閱讀器和應用系統構成。

RFID電子標簽具有可讀寫功能，按工作頻率可劃分為低頻、高頻和超高頻三類。本系統采用高頻電子標簽，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識，標簽典型頻率為13.56 MHz，讀寫距離可根據實際需求進行調節。該類電子標簽具有傳輸速度快、輕便高效等優點，適合工器具管理系統設計要求。RFID閱讀器主要用于讀取標簽信息。為了提高工器具一體機的集成程度，本系統將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：當工作人員攜帶貼有電子標簽的工器具通過管理一體機前，進入設定的識別范圍內，RFID閱讀器將自動快速地獲取每個設備的標簽信息，并上傳回后臺管理系統，實現工器具的自動識別與登記。

2.1.2 人臉識別模塊

人臉識別技術是模式識別領域的一個主要研究方向[9]，該技術利用計算機提取人臉特征，并根據有效特征信息進行身份認證。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、主動性等優點[10-13]。

本系統將人臉識別終端嵌入一體機上半部分，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[10]提出的基于粒子群BP神經網絡的人臉識別算法。

人臉識別模塊的工作原理為：首先，對班組所有人員進行人臉信息采集，將入庫的人臉圖像數據進行特征提取及建模，形成人臉特征文件，并將人員信息存儲于后臺數據庫中;接著，人臉識別模塊通過高清攝像機終端來采集工器具使用人員的臉部信息;最后，利用深度學習算法將其與數據庫中已有的人臉特征信息進行快速特征匹對。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，系統將會發出告警聲響，提醒管理人員注意查看。

2.1.3 一體機柜模塊

為了使各個功能模塊更為高效的協同運作，實現工器具識別與人臉識別快速同步識別，本系統創新性地將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、數據傳輸介質的收納，形成高度集成的柜體式應用裝置。柜體采用烤漆木質材料制作。

2.2 軟件管理系統

工器具后臺軟件管理系統由Java語言開發而成，數據庫采用SQL2008，開發了基礎功能和高級應用功能。其中，基礎功能包括：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、設備廠家管理、數據字典、自定義查詢及報表導出等;高級應用功能包括：借用超期告警、超檢驗期告警及LCC全生命周期狀態評估等，能協助管理員科學評估工器具狀態，保障工器具健康可靠，保障電力安全生產。

3 智能工器具管理系統使用流程

3.1 電力生產工器具借用流程

智能工器具管理系統在處理工器具借用流程時，需要識別讀取工器具信息，并讀取借用人信息，從而實現將工器具借用明細登記到對應借用人名下。本系統設計的借用流程圖如圖3所示，詳細步驟如下：

（1）工作人員領取電力工器具，進入管理一體機識別范圍，RFID信息識別模塊讀取工器具標簽信息;

（2）工器具管理一體機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，工作人員臉部對準人臉識別模塊，高清攝像頭識別人員信息;若核對錯誤，工作人員檢查工器具標簽后重新掃描工器具，直到屏幕顯示清單無誤為止;

（4）一體機將數據上傳到后臺系統，將工器具信息登記到對應人員信息下;

（5）若一體機讀取人臉信息成功，系統提示“借用成功，歡迎使用工器具”;

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

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

3.2 電力生產工器具歸還流程

根據電力生產部門工作實際情況，智能工器具管理系統在處理工器具歸還流程時，重點關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。本系統設計的歸還流程圖如圖4所示，詳細步驟如下：

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

（2）工器具管理一體機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，進入（4），若核對有誤，則工作人員檢查工器具標簽后重新掃描歸還工器具，直到屏幕顯示清單無誤為止，進入（4）;

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

4 應用效果分析

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

4.1 系統識別速度分析

將采用常規人工登記方式與采用智能工器具管理系統所耗費的工器具識別登記時間加以統計，結果見表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、數量及借用人員名稱、工牌號、聯系電話等，平均耗時為192 s;采用智能工器具管理系統，可實現電力工器具自動識別與登記，平均耗時僅需2.89 s; RFID工器具識別平均耗時為1.52 s，人臉識別平均耗時為1.37 s。由此可見，采用智能工器具管理系統后，每件工器具平均登記時間由192 s減少至2.89 s，耗時減少98.49%，電力工器具識別登記效率大幅提升。

4.2 系統準確度分析

將智能工器具管理系統的RFID工器具識別模塊和人臉識別模塊工作的準確性加以統計，結果見表2所列。

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

針對RFID識別出錯的案例進行分析，發現主要原因是，RFID電子標簽張貼位置過偏或者工器具間互相遮擋導致RFID識別干擾，通過擺正位置重新識別可以糾正錯誤。針對人臉識別出錯的案例進行分析，發現主要原因是，所處環境光線不足，影響人臉機終端采集圖像，通過增強環境亮度可進一步提高準率。

總體而言，該系統的識別準確率較高，可大大減少人工干預量，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

實際應用結果表明，采用該智能工器具管理系統可有效優化電力生產部門的工器具管理效能。通過及時告警臨近超檢驗合格期工具，提醒管理員及時送檢，提高了工器具的安全可靠性;通過及時告警借用超期工器具，可避免工器具遺漏，保證滿足安全生產要求，進而提高社會經濟效益。

5 結 語

本文提出一種基于RFID和人臉識別技術的智能工器具管理系統。該系統的硬件部分由RFID識別模塊、人臉識別模塊和集成柜體組成，可實現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，實現工器具查詢統計、借用超期告警、超檢驗期告警等應用功能。利用該智能工器具管理系統，可實現電力工器具登記統計的自動化，提高物資管理信息化水平;同時能協助管理員科學分析工器具使用狀態，顯著提高工器具健康可靠水平，助力電力安全生產，具有較好的安全效益和社會經濟效益。

該研究成果具有較好的實際應用價值和啟發意義，可推廣應用到類似的物資管理領域，以提高管理效率，提升物資管理的智能化水平。

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