一種新型機場旅客無感安檢系統設計

張軒，張平

一種新型機場旅客無感安檢系統設計

張軒1，張平2

（1.民航成都電子技術有限責任公司，四川 成都 611430； 2.中國民用航空總局第二研究所，四川 成都 610041）

從安檢設備的優化組合及新一代安檢流程設計出發，利用人臉識別技術、行人重識別（ReID）技術、RFID識別技術等新興技術，構建一套安全、便捷、高效的民航機場旅客自助安檢系統，解決市面上“智慧安檢”系統中旅客識別與驗證過程受安檢人員口令、固定攝像頭視覺局限以及旅客配合程度等因素制約導致的安檢效率與體驗不高的問題，從而實現無需口令與無需主動配合的“智能無感”安檢新模式。模擬試驗結果表明，集成ReID技術的新型安檢系統提升了旅客平均過檢效率，為智慧安檢的研究和落地起到借鑒和推進作用。

機場旅客無感安檢系統；行人重識別；旅客全流程識別定位

日益增長的民航旅客運輸流量給現有安檢系統的安全與效率帶來了新的需求與挑戰，如何保證旅客出行的便捷、快速、安全、舒適是衡量民航機場服務，打造智慧、平安機場的關鍵[1]。各大樞紐機場推出了各自的自助安檢方案，如基于機場旅客“人包關聯”的安檢需求，憑借人臉（生物）識別、無線射頻識別（Radio Frequency Identification，RFID）與信息融合等技術，研發了安檢信息集成互通的旅客自助安檢系統，減少旅客排隊時間，提升安檢效率[2-3]。

但這些系統大多仍處于試驗階段，且極大依賴于人臉識別技術的性能表現，對于人臉無法識別情況（口罩遮擋、人臉拍攝不清晰等）沒有有效解決手段；旅客仍需遵循口令頻繁配合機器，在安檢高峰期反而延長過檢時間。作為人臉識別技術缺陷的“補充”，行人重識別（Personre-identification，ReID）技術可分析旅客整體體型特征（衣著外觀、發型等）以實現目標圖像的實時檢索與識別。本文對上述系統應用場景進行分析對比，提出一種基于ReID、人臉識別等多技術的民航機場旅客無感安檢系統方案，實現無需口令、主動配合的“智能無感”安檢，快速完成旅客行李與旅客信息綁定；同時充分利用安檢場景旅客ReID識別與定位信息，實現安檢對象現場數據精確查詢與軌跡追蹤，提升安檢效率與旅客過檢體驗，對特殊安檢對象（如嫌疑犯罪者、無人事能力者等）追蹤提供有力手段，降低安檢員的工作強度。

1 國內外安檢系統現狀分析

國際航空運輸協會（International Air Transport Association，IATA）早在2011年就公布了“未來機場安檢站”（Checkpoint of the Future）的理念雛形[5]，英國史密斯探測、美國達美航空公司等推出了擁有多人并排放、托盤回傳、遠程圖像判讀的智能安檢通道。國內近兩年也出現了一些新型安檢系統應用并正向市場推廣[4]。目前這些推廣的自助安檢系統在業務層面多由八大部分組成，且旅客安檢共需經過四步驟，其安檢場景如圖1所示。

圖1 自助安檢業務場景圖

旅客首先來到驗證閘機位進行步驟1人證合一操作。通過安檢閘機后來到行李放置區，進行步驟2放置隨身行李入（行李）托盤等待行李安檢，完成行李托盤（行李包）與人的信息綁定。將行李托盤推入傳輸帶后，旅客走向金屬探測安檢門進行步驟3人體安檢；與此同時，旅客行李進入X光機進行行李安檢，并完成托盤與X光機圖像的綁定。最后，旅客行至空框回收處前，提取自己行李；安檢員針對可疑行李進行開包與回傳復檢。整個過程中，系統通過托盤上的RFID識別和空框圖像識別進行人與行李（托盤）的綁定與傳輸回收（業務2/5/6/8）。

在實際安檢環節中，上述系統仍存在一些問題。一方面對于不熟悉安檢環節、首次乘機，尤其是人臉遮擋或無法識別的旅客，只依賴于人臉識別的安檢閘機反而會降低通行速度。另一方面，在行李放置區前，旅客必須再一次配合攝像頭進行人臉識別才能完成人、托盤（包）的信息綁定，在人流量高峰期旅客的配合程度和人包信息的綁定效果大打折扣。此外，整個安檢流程中，缺少有效手段針對特殊安檢對象進行追蹤與現場事件追溯。

針對上述問題，可采用ReID技術結合人臉識別，解決單一人臉識別技術缺陷，完成多攝像頭下旅客遠距離動態實時識別與定位追蹤。無需旅客額外配合即可實現智能無感安檢，提升安檢高峰期旅客過檢速度與信息綁定利用率。文獻[6]于1961年首次提出ReID的概念，能實現跨視圖（跨攝像頭）信息關聯。通過特征提取和度量學習的方式應對在不同攝像頭下行人變化的特征（如脫衣服、戴口罩），并與已知行人圖像特征匹配；返回行人在全景圖像中的坐標，達到實時識別、跟蹤定位的效果[7-9]。目前，行人重識別技術主要用于交通卡口和公共安防的刑偵工作（如“天眼”），在機場安檢中尚無應用。

2 機場無感安檢系統原理及架構分析

2.1 系統業務描述與流程分析

從安檢設施設備的優化組合及新一代安全檢查流程出發，本系統將在上述分析的安檢業務基礎上，新增全場景下多個旅客動態人臉識別與遠距離人體外形的實時識別與定位業務（圖1中業務9與10），分別由新增架設的人體全景識別與安檢通道監控攝像頭進行圖像采集并傳于后臺進行數據處理。此外，旅客進行人與行李信息綁定時（圖1中業務2），無需再強制正對鏡頭，可在運動中完成身份的核驗與后臺行李托盤RFID信息的綁定。整個系統安檢業務流程與控制手段如圖2所示。

2.2 系統設備模塊與網絡架構

如圖3所示，系統的設備模塊與網絡架構由旅客自助驗證裝置、安檢通道采集監控攝像頭×（假設共4個）、后臺服務器（包括應用服務器、圖形處理服務器、數據庫服務器）、行李安檢傳輸裝置、X光機及中央交換機六個模組的設備構成。其中，旅客自助驗證裝置包括閘機體上的識別、檢測各組件，且附加的閘機人體全景采集相機均由閘機控制單元控制，并與外界進行數據互通；行李安檢X光機、4個高清安檢通道采集監控攝像頭與后臺三個服務器均連接中央核心交換機進行現場人、行李相關圖數據的采集、傳輸、處理與存儲，是后臺運算的核心；整個安檢系統設備主體——行李輸送裝備，由多個RFID閱讀器、光電開關電機與滾輪組成，同時上述在行李放置區附加的人體識別相機均受傳輸裝置控制單元調度，通過中央交換機完成人包關聯、輸送滾筒傳動控制信號的收發與安檢信息數據交互。

2.3 系統架構與功能分析

機場旅客無感安檢系統是于民航機場安檢區復雜場景下，一套集旅客人證合一及安檢信息自動采集、旅客身份快速識別與位置精確跟蹤、輸送機的控制和空框傳送，以及行李托盤、行李安檢數據與旅客數據關聯為一體的新型智慧安檢系統。從數據應用角度出發，本系統將設計信息平臺軟件，作為本系統各安檢環節及子系統的數據/服務集成的界面展示，直觀展示旅客實時與歷史的安檢關聯信息。

2.3.1 系統總架構

從功能需求和軟件架構進行分析，源型系統設計分為：客戶應用層、業務服務層、數據層及基礎資源層，如圖4所示。

圖2 系統安檢業務流程與控制手段圖

圖3 系統設備模塊與網絡架構圖

（1）客戶應用層

由人證合一子系統、傳輸控制子系統、安檢信息集成平臺組成，主要負責與用戶進行數據交互、采集信息，并向用戶反饋后臺處理結果。其中，人證合一子系統、傳輸控制子系統均為軟硬件結合可獨立運行的子系統，信息集成平臺主要為安檢綜合信息的展示界面軟件。

（2）業務服務層

負責定義服務內容，完成業務邏輯的處理。向上層客戶端應用提供需要的所有服務，包括：

①旅客基礎信息采集服務：接收閘機上器件識別信號，解析處理識別信息，完成人證合一等客戶端與硬件數據的交互與互通；

②人、行李、X光機信息綁定服務：處理上層客戶端發送的人、行李、X光機圖像和旅客基礎信息進行數據庫關聯，并實時更新、反饋關聯結果；

③旅客真實坐標映射服務：計算上層ReID傳輸的旅客坐標，根據預設映射規則，向客戶端返回旅客真實場景世界坐標；

④安檢信息查詢服務：根據上層應用查詢條件，返回安檢信息查詢結果；

⑤數據讀寫存儲服務：用于上層應用相關數據的讀、寫、存儲更新。

（3）數據層

數據層提供數據持久化功能，包含結構化數據和非結構化數據。結構化數據通過關系型數據庫進行存儲，如旅客基本信息，旅客人證、人包關聯信息等。非結構化數據通過非關系型數據庫進行存儲，主要存儲旅客現場圖形、行李X光機照片等。

（4）基礎資源層

基礎資源層提供各種服務器、網絡、操作系統等基礎資源。

圖4 系統總體架構圖

2.3.2 人證合一子系統功能

（1）旅客基礎信息采集

基于市面現有雙欄閘機設計，旅客按照現場語音或提示板的提示，在證件掃描區完成登機牌掃描碼、身份證號、護照號、旅客現場人臉圖片、設備地址、發送時間等信息采集，調用后臺采集服務進行數據傳輸。

（2）旅客全身照片采集與人證合一

旅客驗證證件期間，人體全景采集相機采集旅客全身照片，捕捉動態人臉圖像進行人臉識別。若成功識別核驗無誤后，調用信息綁定服務，關聯旅客基礎信息與人體全景照片。

（3）閘機控制

閘機控制遵守各組件通信協議，進行通信信號收發，同時具有防尾隨等警報功能。

2.3.3 傳輸控制子系統功能

（1）旅客ReID實時識別與定位

旅客進入安檢通道直至離開，安檢場景四周的監控相機采集旅客全景圖像，計算該旅客的ReID識別結果（相似度與旅客圖像坐標），根據坐標映射服務定義的規則計算旅客的實時真實坐標，在數據庫更新并存儲。

（2）托盤RFID識別與人、行李關聯

放置行李進入行李托盤后，系統將識別該托盤RFID標記信息，同時進行旅客實時ReID識別與定位。若此時旅客識別成功，調用服務將該行李托盤RFID信息、人的基礎與識別信息進行關聯；若ReID識別失敗，再進行配合式人臉識別。

（3）人、行李、X光機圖像關聯

通過X光機前后布置的RIFD閱讀器識別進入X光機行李托盤RFID信息，同時采集行李外觀圖像，調用綁定服務和存儲服務完成人、行李、行李安檢圖像信息的關聯與存儲。

（4）空框識別及解綁

旅客提取行李時，位于空框回收口的托盤暫停傳輸，由相機采集托盤圖像進行空框圖像識別判定，確認無行李后托盤由空框回收口下方的RFID閱讀器識別，解除該托盤綁定信息。

（5）傳輸機構控制及回傳

對于可疑行李，X光機后方RFID識別托盤編號，并控制電機自動分流至開包臺等待開包檢查；對于開包后仍可疑的行李，通過復檢線傳輸機回傳至X光機前再次復檢。系統識別為空的托盤，由傳輸機下層的回傳線自動回傳至行李提取區。整個傳輸機上的RFID閱讀器、紅外傳感、電機、掃碼器等設備的調用，均遵守可編程邏輯控制方式。傳輸機構及回傳系統結構設計參考文獻[10]，由于器件和調用邏輯較多且原理研究成熟，本文不對具體傳動控制進行闡述。系統傳輸與控制信號流程可參考圖2。

2.3.4 自助安檢集成平臺功能

（1）行李開包查詢

行李開包子系統用于安檢人員當面對旅客的行李進行開包檢查；開包臺RFID讀碼器讀取行李筐RFID，調取旅客信息與行李安檢圖像信息、行李外觀圖像等，并在顯示器上顯示，方便開包員快速確認行李信息。開包員確認該行李安檢狀態正常后，后臺安檢查詢服務更新該行李異常狀態為正常。

（2）旅客人包實時關聯識別信息展示

實時記錄并刷新當前安檢場景中，多個旅客的人、行李包識別定位信息記錄，進行列表詳情展示與查詢。系統提供旅客與行李在設定的監控區域內的識別、定位信息與運動軌跡可視化展示。

（3）實時視頻監控信息采集與識別管理

對各監控識別攝像頭的實時監控畫面，可進行監控管理，并在其圖像上展示旅客識別的屬性信息和結果。

（4）歷史安檢信息查詢與旅客追溯

對于歷史安檢數據，提供多種條件查詢功能，可查看對應查詢旅客的安檢相關綜合信息，展示該旅客此次安檢歷史視頻中的運動軌跡。

（5）安檢信息統計分析

安檢人員可通過數據庫檢索人、行李的關聯歷史信息，根據查詢條件以圖表的形式統計在某段時間內的安檢人數、行李數量和異常行李信息，提供差異化安檢的數據依據。同時統計旅客識別率與誤識率、安檢異常數據告警率，直觀顯示本系統的安檢性能指標，橫向對比現有安檢系統，便于系統修正與改進。

3 現場測試

為驗證上述系統設計的性能效果，在民航二所新津產業基地部署試驗測試裝置與環境（完成整體架構與主要功能組建）。針對人體和人臉的圖像視頻數據來自清華Market-1015與香港中文大學CelebA數據集，同時使用試驗現場模擬采集數據用于ReID與百度開源人臉識別算法進行訓練。ReID算法采用Mutiple Granularity Network（MGN）模型[11]，兼顧識別速度與效果。

試驗選取包含衣著相似、戴口罩的十多個安檢目標，模擬了當下自助安檢系統安檢流程，并與本系統性能進行對比。如圖5所示，本系統針對面部遮擋、衣著外觀相似的旅客能進行有效的識別并返回識別相似度，而現有自助安檢系統表現較差；同時根據場景監控視頻圖像，系統識別并返回多個安檢對象在試驗場地的運動軌跡，具有獨特功能性。經過多次試驗測試統計，單一使用百度人臉識別的安檢系統比本系統過檢速度平均慢9 s（人流越大差值越明顯），這也表明了本系統安檢效率優越性

圖5 綜合識別效果及安檢場景多人識別與軌跡追蹤

4 結論與展望

本文提出一種新型機場旅客無感自助安檢系統設計，該系統集測控技術、人臉識別、RFID識別及數據關聯等技術于一體，引入ReID識別與定位追蹤技術，解決安檢系統實際應用中人臉識別效果不佳、頻繁機器口令導致過檢體驗不高的問題，實現了旅客在安檢過程中人、行李、X光機圖像信息快速綁定，形成無口令無配合的無感安檢模式。

此外，本系統充分利用旅客安檢關聯信息及ReID識別數據，在應用層面設計安檢信息機場平臺，直觀展示安檢旅客在應用場景下實時與歷史運動軌跡與安檢綁定信息。通過部署測試驗證裝置與環境，驗證了本系統設計的無感識別、定位追蹤功能與良好性能表現，提升了機場安檢系統智能化水平，為智慧安檢的研究和落地起到借鑒和推進作用。

由于本文提及人臉識別技術與ReID技術融合只涉及定義，面對人臉、人體均無法有效區分的情況（面部遮擋、相似衣著體型），如何設計一套融合機制，對于復雜場景下多人同時進行人臉、人形、步態等多模態的旅客綜合識別，是作者團隊下一步研究的核心目標。

[1]黃小兵.機場自助安檢驗證系統方案探討[J]. 智能建筑與城市信息，2017（12）：39-42.

[2]董禹含. 智慧機場刷新航空出行體驗[J]. 科學之友，2019（8）：14-15.

[3]陳如偉. 淺談人臉識別技術在機場領域的應用[J]. 通訊世界，2019（9）：10-11.

[4]梁春麗. 上海機場推出中國首個全自助通關系統[J]. 金融科技時代，2018，279（11）：91.

[5]奧博佳傳播. 國際航協推出“未來機場安檢站”[J]. 空運商務，2011（11）：44.

[6]PLANTINGA A．Things and persons[J]. Review of Metaphysics，1961，14（3）：493-519．

[7]王亦民. 面向監控視頻的行人重識別技術研究[D]. 武漢：武漢大學，2014.

[8]胡正平，張敏姣，李淑芳，等. 智能視頻監控系統中行人再識別技術研究綜述[J]. 燕山大學學報，2019（5）：377-393.

[9]李夢靜，吉根林. 視頻行人重識別研究進展[J]. 南京師大學報（自然科學版），2020，43（2）：126-136.

[10]黃小兵. 機場安檢智能回筐系統應用探討[J]. 智能建筑，2019（1）：61-64.

[11]Wang G，Yuan Y，et al. Learning Discriminative Features with Multiple Granularities for Person Re-Identification[C]. 2018 ACM Multissmedia Conference. ACM，2018.

Design of an Insensible Security System for Airport Passengers

ZHANG Xuan1，ZHANG Ping2

( 1.Civil Aviation Electronic Technology Co., Ltd., Chengdu 611430, China; 2.The Second Research Institute of CAAC, Chengdu 610041, China )

Security personnel password, fixed camera visual limitations, the degree of passenger cooperation and other factors cause low efficiency and poor passenger experience in smart security systems. In order to solve these problems, this paper intends to build a safe, convenient and efficient self-help passenger security system by using new technologies, like face ID recognition, Personre-identification (ReID), and RFID recognition, based on optimized combination of security equipment and new generation security process. A new "intelligent and insensible" security inspection mode without passwords and active cooperation is proposed. The simulation test results show that the new security inspection system integrated with ReID technology improves the average passenger inspection efficiency and provides a useful reference for the research and implementation of intelligent security inspection.

airport passenger insensible security system；ReID；passenger identification and positioning in the whole process

TP271.4

A

10.3969/j.issn.1006-0316.2021.05.009

1006-0316 (2021) 05-0061-07

2020-10-21

四川省科技計劃項目（2019YFG0052）

張軒（1992－），男，陜西漢中人，碩士研究生，主要研究方向為機場安全及5G虛擬化資源分配，E-mail：zhangxuan@caacetc.com；張平（1977－），男，四川成都人，碩士研究生，高級工程師，主要研究方向為機場安全與安保。