基于指靜脈識別的唯一性檢測裝置設計

王子龍，陳 偉，陳 浩，朱文碩

（1.煤炭科學技術研究院有限公司，北京 100013；2.煤礦應急避險技術裝備工程研究中心，北京 100013，北京 100013；3.北京市煤礦安全工程技術研究中心，北京 100013）

根據《煤礦井下安全避險“六大系統”建設完善基本規范》、AQ 6210—2007《煤礦井下作業人員管理系統通用技術條件》及AQ 6210《煤礦井下人員定位系統通用技術條件（征求意見稿）》等相關要求：人員不攜帶定位卡或攜帶非本人定位卡，或1 人攜帶多張（含2 張）定位卡，人員入井檢測系統應能發出報警信號[1-3]。在現有的人員入井檢測方法中，主要使用RFID 射頻技術進行帶卡檢測，同時利用人臉識別、虹膜識別、指紋識別等多種識別方式，進行人員識別[4-5]。文獻［6］分析了虹膜、人臉等生物特征識別技術在入井檢測中的基本特點與不足；文獻［7］設計了一款基于虹膜與射頻卡的入井檢測裝置；文獻［8］采用了一種人臉抓拍與虹膜識別技術設計了一套入井檢測方案。目前，以人臉識別、虹膜識別為主導的入井檢測設備正在逐步應用。

但是，煤炭行業有其獨特性和局限性：由于檢測檢卡范圍可控性低，易產生誤讀漏讀現象，導致檢測結果不準確；被檢測部位易受粉塵、煤灰等因素干擾，導致人臉和指紋等技術識別效率低，對被檢測人員要求高，受外部因素影響大。因此，無法滿足煤礦人員快速、精準的檢測要求。為此，設計了一套基于指靜脈識別的唯一性檢測裝置，該裝置具有指靜脈識別與標識卡檢測功能，識別速度較快，識別效率較高，受外部因素影響小。裝置采用低頻喚醒檢測技術，與UWB 超高頻段不同，利用125 kHz 頻段進行帶卡檢測，能夠實現實時、無感讀卡檢測，無需主動刷卡檢測。減少了人員入井檢測時間的同時，保證了入井檢測效率。裝置與人員定位系統數據庫相連接，可滿足煤礦輔助考勤應用，確保了人員安全、合規入井，避免了違規入井等行為。

1 指靜脈識別技術

1.1 指靜脈識別技術簡介

手指靜脈網絡對于個體而言，呈現的網絡結構各不相同，且成年后的手指靜脈結構終身不變[9-10]。因此，指靜脈網絡具有唯一性與穩定性。利用指靜脈網絡特征進行人員識別及身份驗證是十分有效的。指靜脈識別技術通過近紅外光照射被檢測人的手指，由攝像頭采集靜脈圖片，通過與數據庫中錄入的指靜脈信息進行比對，從而進行人員判斷。

指靜脈識別技術與其他生物特征識別技術相同，需要進行預處理、特征信息提取與匹配等過程[11-13]。指靜脈識別技術應用流程如圖1。

圖1 指靜脈識別技術應用流程Fig.1 Application process of finger vein recognition technology

1.2 指靜脈識別技術優勢

4 種主要生物特征識別技術對比見表1。

表1 4 種主要生物特征識別技術對比Table 1 Comparison of four main biometric recognition technologies

根據煤礦自身環境特點，基于人臉識別與指紋識別的入井檢測技術受到了較大的限制。由于礦工面部易被煤灰、安全帽等因素遮擋，導致人臉識別技術受到較大的影響；而指紋技術因手指磨損會直接導致無法識別。目前，煤礦入井檢測裝置多采用虹膜識別進行檢測，但虹膜技術在采集和識別時，需要不斷調整頭部及眼部位置，以完成檢測，從采集和識別的角度來說，效率較低。

與指紋識別技術、人臉識別技術、虹膜識別技術這些生物特征識別技術相比，指靜脈識別的優勢主要體現在：①不易受外界因素干擾：由于手指靜脈網絡終身不變，且不受煤灰等外界因素遮擋，容易采集與識別；②識別效率高：檢測時，手指放置在指靜脈識別裝置中及可完成檢測，不用反復調整被檢測部位位置；③準確率高：拒真率FRR 為0.01%，認假率FAR 為0.000 1%，注冊失敗率FTE 為0%[14-15]；④唯一性與穩定性：指靜脈手指靜脈結構相同的概率為34×10-9，且具有極高的穩定性。

2 唯一性檢測裝置

2.1 系統結構及工作原理

指靜脈識別的唯一性檢測系統構成如圖2。

圖2 指靜脈識別的唯一性檢測系統構成Fig.2 The composition of unique detection system by finger vein recognition

唯一性檢測裝置及系統由煤礦人員定位系統，指靜脈識別模塊，UWB 標識卡低頻檢測模塊，UWB讀卡分站（器），交換機及閘機等設備組成。其中，指靜脈識別模塊為非接觸式、主動式檢測；而UWB 標識卡低頻檢測為被動式、無感式帶卡檢測。

入井人員攜帶具有低頻天線的標識卡，該頻段為125 kHz 頻段與UWB 定位頻段不同，當被檢測人員進入檢測裝置時，所攜帶的標識卡會被特定頻段的低頻喚醒模塊讀取。隨后，標識卡向人員定位讀卡分站發送相關信息，再由讀卡分站將信息傳送到人員定位服務器，服務器將所得到的標識卡信息寫入中間數據庫，如檢測到多張標識卡或未檢到標識卡（即檢測異常），則中間數據庫存儲數據中會出現特定的標識位。

指靜脈服務器負責2 個部分：一是讀取中間數據庫信息，二是將被檢測人員信息與指靜脈數據庫信息進行匹配。如提取的中間數據庫信息正常（檢測到特定的唯一的標識卡）且指靜脈信息完成正確匹配，則閘機正常開啟；反之，如中間數據庫信息異常（未檢測到標識卡或檢測到多張標識卡）或指靜脈信息匹配不正確，則閘機不開啟并語音提示錯誤，被檢測人員根據錯誤提示進行二次檢測。

中間數據庫進行人員定位與指靜脈識別間的數據交互，該系統可實現人員定位信息與指靜脈信息的聯動識別檢測。

2.2 系統關鍵流程

系統關鍵流程如圖3。閘機開啟的前提為雙向驗證通過，即中間數據庫所存儲的標識卡信息正確與指靜脈識別信息正確，若有1 項驗證失敗或錯誤，則閘機無法放行被檢測人員。

圖3 系統關鍵流程Fig.3 The key process of the system

2.3 中間數據庫

中間數據庫的結構為數據交互最核心的部分，中間數據庫涉及人員定位信息，人員指靜脈信息及帶卡檢測信息，采用SQL Server 作為中間數據庫，能夠滿足數據交互需求。中間數據庫關鍵部分存儲結構見表2。

表2 中間數據庫關鍵部分存儲結構Table 2 Storage structure of the key parts of the intermediate database

表2 中間數據庫中，STAFF_STATUS 為特殊標識存儲類型，進行帶卡判斷，當低頻檢測模塊未讀到或讀到2 張（含2 張）及以上標識卡時，人員定位服務器將該信息寫入中間數據庫，由指靜脈服務器查詢中間數據庫信息，并結合指靜脈識別結果，去判斷是否開啟閘機。

3 唯一性檢測裝置結構

除唯一性檢測裝置系統設計外，裝置結構與天線對帶卡檢測有著十分重要的影響，如天線范圍覆蓋較廣，則容易產生誤讀，導致閘機無法放行；反之，如天線范圍覆蓋較小，當入井人員進行指靜脈識別時，則無法讀取該人員所攜帶的標識卡。

傳統的入井帶卡檢測，使用900 MHz 范圍左右的RFID 技術最為廣泛，但由于頻段影響，覆蓋范圍低，人員需主動將帶有標簽的標識卡靠近檢測裝置進行刷卡檢測。該頻段受檢測范圍與被檢測人員行為影響，無法有效控制人員違規攜帶多張卡入井。因此，選用低頻125 kHz 頻段的低頻喚醒模塊，與人員標識卡上低頻天線進行感應。由于該頻段入井檢測范圍覆蓋廣，且穿透力強，適用于入井檢測。低頻喚醒電路原理圖如圖4。

圖4 低頻喚醒電路原理圖Fig.4 Schematic diagram of low-frequency wake-up circuit

控制檢測識別區域的方法有2 種：①軟件限定法：在誤識別區域內（即唯一性檢測裝置以外進出通道）安裝消卡器[16]，即當標識卡靠近該區域時，停止與讀卡分站（器）通信；②硬件設置法：將天線進行改造，或采用適當的天線進行區域限制。本方案采用后者方法，通過選用低頻喚醒模塊，同時根據輻射范圍特性，將低頻喚醒模塊設置在唯一性檢測裝置頂部，方向向下（即人員進入指靜脈識別區域），來進行入井人員帶卡檢測。當人員進入檢測裝置進行指靜脈識別的同時，同步進行無接觸、無感的帶卡檢測。

將低頻喚醒模塊設置在唯一性檢測裝置頂端的優勢為：覆蓋范圍較好且遮擋性較小。如在唯一性檢測裝置兩側放置該模塊，會導致標識卡易被人員遮擋從而產生漏讀。例如：被檢測人員將標識卡放置在前胸位置，而低頻模塊設置為被檢測人員背面一側，由于人員遮擋原因，標識卡漏讀率較高。因此，設置在檢測裝置頂部位置，方向向下為最優選擇。

4 唯一性檢測裝置測試

為驗證基于指靜脈識別的唯一性檢測裝置的性能，采用指靜脈唯一性檢測裝置與陜西子長縣某煤礦部署的基于虹膜識別的唯一性檢測裝置作為對比，測試100 人次，人員排隊依次通過唯一性檢測裝置，指靜脈與虹膜識別對比檢測結果見表3。

表3 指靜脈與虹膜識別對比檢測結果Table 3 Comparison test results of finger vein and iris recognition

在被檢測人員使用基于虹膜識別的唯一性檢測裝置入井時，由于部分礦工需要根據自身身高，調整頭部及眼部位置，以完成虹膜檢測，識別耗時主要集中在0.1～3.0 s 的區間里；而基于指靜脈識別的唯一性檢測裝置識別，識別耗時主要集中在0.1～1.0 s 左右。由于人員識別與帶卡檢測同步進行，帶卡檢測基本能在虹膜和指靜脈識別完成時，相應的完成帶卡檢測。因此，整個耗時長度主要由識別檢測和人員進出檢測裝置組成。

檢測表明，虹膜識別相對于指靜脈識別來說，識別用時由于個體差異性，差別較大，導致用時均值較高；而指靜脈識別用時個體差異性較小，用時程度較統一，均值較低。識別用時情況對全流程速度有較大的影響，在入井人員較為集中式，用時差距較明顯。由于識別重復率與誤讀率受多種因素影響，二者在重復率和誤讀率上，差別不明顯。

因此，指靜脈識別能夠兼顧識別效率與識別準確率，在100 人次的入井檢測中，識別效率提升了38.9%左右。綜上所述，在入井人員較為集中的煤礦企業，設備優勢較為明顯，能夠滿足煤礦高效、快速、安全的入井需求。

5 結 語

針對煤礦現有入井檢測方法及裝置中，存在檢測效果不理想，檢測效率低，檢測結果不準確等問題；提出了基于指靜脈識別技術的唯一性檢測裝置的設計方案，詳細探討了系統結構、流程、數據庫等關鍵部分的設計思路；在實現多卡檢測與人員識別的同時，減少了人員違規入井的行為，最大化的提升了入井效率。