適用于機場自助安檢的智能閘機系統設計

郝登運，王建楹，李伯男

（1.中船重工海為鄭州高科技有限公司，河南鄭州，450015；2.鄭州機電工程研究所，河南鄭州，450015）

1 系統概述

智能閘機是一種人流通道的控制設備，用于管理人流并規范行人有序出入，主要應用于寫字樓、地鐵、高鐵、機場等場所。隨著互聯網技術的迅速發展，針對當前機場業務規模龐大、運行主體種類繁多、航班延誤頻發、運營效率低、人力成本高等行業問題，“智慧機場”的建設被認為是解決上述行業問題的重要手段和發展趨勢，其中機場自助安檢智能閘系統是智慧機場建設的重要組成部分，而現有智能閘機總體解決方案無法滿足機場自助安檢的需求，本文旨提出一種以“證件+人臉”識別為核心的三開門智能閘機總體解決方案，通過“登記牌+證件”和“人臉+證件”雙重審核方式，結合通行識別算法[3～4]，以實現旅客安檢的自助通行，能有效的防止旅客尾隨，造成登機航班延誤，同時也有效提高了安檢效率和安全性。

通過工控機控制證件信息讀寫設備獲取旅客有效證件信息及攝像頭捕捉旅客的面部特征，由工控機和交換機完成數據交互工作，并借助驗證服務器，將證件信息和實時人臉特征信息與后臺服務器中的用戶信息進行檢索、對比。

2 系統功能

■2.1 基本功能

（1)具備身份證信息、登機牌信息讀取功能；

（2)能夠完成身份證信息有效性識別；

（3)能夠通過與上級系統通信完成登機牌信息真偽查驗；

（4)能夠通過身份證號碼對旅客身份證與登機牌信息一致性核對；

（5)能夠通過人臉識別完成旅客人臉與身份證照片比對，完成旅客身份查驗；

（6)具備第三道門疏解功能。

■2.2 強化功能要求

（1)通過上級系統實現公安黑名單布控：將身份信息發送至黑名單系統并執行反饋指令，如果在黑名單中進行提示報警；

（2)通過本地黑名單數據庫實現公安黑名單布控：通過將身份信息與本地黑名單庫比對實現布控功能，本地黑名單庫能夠方便定期更新。

■2.3 擴展功能

（1)預留與機場離港信息系統對接接口；

（2)預留與公安系統對接接口。

3 系統總體設計

■3.1 系統組成

智能閘機采用2 組對開式拍打門模塊和1 組單開式拍打門模塊的總體布局設計，其系統模擬圖和結構如圖1 和圖2 所示，主要由控制系統、前扇門模塊、通道指示燈、證件閱讀模塊、人臉識別模塊、后扇門模塊、側扇門模塊、傳感器及操作屏等模塊組成；如圖3 所示，按區域劃分包括入口候檢區、通道內檢測區和出口檢測區3 部分。

圖1 智能閘機系統模擬圖

圖2 三開門式智能驗證閘機結構組成圖

圖3 三開門式智能驗證閘機區域布局示意圖

■3.2 控制系統設計

如圖4 所示，三開門式智能閘控制系統由主控模塊、通道控制模塊及電源模塊組成；主控模塊是閘機的信息存儲、中轉和記錄中心，負責整個通行過程中各單元之間的邏輯處理和功能調度。通道控制模塊通過RS232 與主控模塊相連，接收主控模塊發送的身份識別信息并結合通行識別模塊的信息將開/關門命令發送給閘門執行單元，同時將開關門信息反饋給主控模塊并通行指示燈、報警燈及蜂鳴器進行聲光電提示。

圖4 三開門式智能驗證閘機控制系統總體框圖

3.2.1 主控模塊設計

主控模塊是閘機的核心設備，其主要由工控機、身份識別模塊、乘客顯示屏、揚聲器及以太網通訊接口等組成。工控機通過與身份識別模塊、閘機控制板等進行數據交互，將相應的處理結果顯示給旅客，控制閘機執行模塊進行相應的開/關門動作。同時工控機通過網絡通訊模塊與監控中心進行數據傳輸，將旅客通行數據、設備工作狀態、客流營運數據等發送給監控中心系統。

3.2.2 通道控制模塊設計

通道控制模塊負責對閘機執行模塊的控制以及對通行指示燈、報警燈、緊急按鈕的控制。通過RS232 與工控機相連，接收工控機發送的身份識別信息，結合通行識別信息通過CAN 通訊將開/關門命令發送給閘門執行模塊，同時將開/關門狀態反饋給工控機。

3.2.3 電源模塊設計

電源模塊主要有漏電保護開關、UPS不間斷電源及開關電源等組成，負責為各子系統供電并保證其正常工作，同時當系統斷電時，UPS 不間斷電源能夠保證各子系統順利地完成一次開門，能夠保障乘客順利疏散。

3.2.4 主要器件選型

控制系統中主要器件的選型詳見表1。

表1 控制系統主要器件選型表

■3.3 程序結構及模塊劃分

系統軟件采用模塊化設計、自上向下的思想，將數據和處理分離，使程序設計、調試和維護等操作簡單化，同時保證了程序的實時性、兼容性、可移植性。程序結構框圖如圖5 所示。程序總體結構主要由身份識別子系統、閘機控制子系統、顯示子系統、網絡通訊子系統等組成。

圖5 三開門式智能驗證閘機控制系統程序結構框圖

3.3.1 身份識別子系統

身份識別子系統包括證件識別子系統和人臉識別子系統。

證件識別子系統主要通過外置的證件閱讀器獲取證件信息。本系統主要采用基于OCR 技術的閱讀器：二代身份證閱讀器和登機牌閱讀器，通過USB 與工控機連接。閱讀器接收到工控機給予的尋卡指令，進入尋卡狀態，當有效的證件置于閱讀器讀卡區后，閱讀器自動進行證件信息讀取，將讀取的文字信息或圖像信息通過USB 傳輸給工控機。然后將讀取到的證件信息與后臺已登記的證件信息數據庫中的信息進行比對，將比對結果發送給工控機，工控機將該信息在旅客顯示屏上顯示，同時將證件信息存儲到臨時證件信息數據庫中。

人臉識別子系統主要通過從前端高清攝像頭獲取的視頻流中進行人臉圖像采集，并檢測提取人臉面部特征信息，即時存儲至臨時人臉數據庫。同時可將捕獲的人臉信息與身份證件識別模塊獲取的身份證上的照片信息比對，進一步確認旅客身份。當旅客進入到視頻監控范圍時，調用視頻捕捉接口，進行視頻捕捉。對捕捉到的視頻或圖像，首先判斷是否存在人臉，然后確定人臉的位置、大小和面部器官的位置，并根據這些信息，進一步提取人臉中蘊含的特征。

3.3.2 閘機控制子系統

當檢測到身份證件信息有效時，若通行識別狀態信息為有效，符合通行條件，工控機發出閘門開啟指令，閘機控制子系統根據指令使閘門打開90°，蜂鳴器響一聲，只允許一人通過，同時閘機控制子系統發送通過一人進站信息給工控機，工控機保存記錄并實時上傳給監控中心。若通行識別狀態信息無效，工控機發出指令，閘機控制子系統根據指令使閘門保持鎖閉狀態，報警燈亮，蜂鳴器響一聲，旅客顯示屏顯示“有尾隨旅客，請重新進入”。當檢測到身份證件信息無效時，蜂鳴器響一聲，旅客顯示屏顯示“證件信息有誤，請重刷”。

3.3.3 網絡通信子系統

工控機將閘機的營運信息傳給監控中心，同時將旅客信息、進出站客流量信息上傳。上傳分實時和定時兩種方式。若工控機和監控中心的通信網絡中斷，在通信恢復時，工控機能自動上傳營運數據和監控數據。也可通過外接的維護終端，人工上傳營運數據和監控數據，以及下載系統參數。

■3.4 智能驗證閘機工作流程

當旅客在入口候檢區將證件放在證件閱讀器上讀取證件信息，分別讀取身份證信息與登機牌信息，并且將身份證上的照片信息寫入內存，應用軟件判斷證件的有效性，若證件信息有效且相符，智能驗證閘機的前門打開，通行的旅客進入通道內檢測區，前門隨即關閉；若信息無效或不符，智能閘機的前門閉鎖，禁止旅客進入。

當通過入口候檢區后，旅客進入通道內檢測區，將上一步的身份證照片與攝像頭采集的人臉信息進行比對，若比對成功，智能閘機的后門打開放行；若比對無效前門和后門均閉鎖，打開側門，系統提示旅客人臉識別比對失敗，要求旅客從側門退出閘機通道；如果人臉識別判斷旅客在黑名單中，前門、后門與側門均閉鎖，并發出警報，工作流程如圖6 所示。

圖6 三開門式智能驗證閘機工作流程框圖

4 關鍵問題解決

■4.1 提高尾隨攔截率

防尾隨是機場自助登機通道閘機系統技術的一個難點問題。目前多數機場自助登機通道閘機多采用單門閘機或人工安檢模式，在閘機高中低部均全部采用傳統的紅外傳感器對成年人、兒童、拉桿箱及隨身行李等進行檢測識別，雖然能夠識別出大部分尾隨，但是對于特殊尾隨（如緊身尾隨、懷抱兒童等)出現漏檢的概率很大，一旦閘門開啟，漏檢旅客在沒有受檢就進入候機區，給機場安全帶來隱患。

如圖7 所示，本方案由“三開門式總體結構”+“閘機尾隨檢測”相互配合實現，其中光幕區將傳統的對射式紅外傳感器改為測量光幕，提高了尾隨檢測的精度[5～6]，在閘機通道內裝設有高清攝像頭，在旅客進入閘機通道內時，攝像頭抓拍旅客并統計出閘機通道內安檢旅客人數。前后雙門閘機采用雙門互鎖形式，除特殊情況外，最多僅有一道門處于打開狀態，尾隨者闖入第一道門后，安檢乘客進入人臉識別區同時尾隨乘客進入光幕區，因此控制系統會根據人臉識別區與光幕區的識別處尾隨者，當在通道內檢測區檢測到尾隨者后閘機發出報警提示后側門會打開或由工作人員進行處理，由于第二道門未開啟，因此尾隨者仍然無法進入候機區，同時尾隨者無須后退，因此成功提高尾隨攔截成功率。

圖7 三開門式智能驗證閘機尾隨檢測示意圖

■4.2 提高人臉識別率

目前，機場安檢驗證系統大多采用靜態人臉識別[7]，抓拍旅客面部特征時對旅客的位置、角度、距離都有著較高要求，且識別效率低。本系統采用動態人臉識別技術，系統直接從高清視頻中采集最佳人臉照片，并在前端閘機處進行人臉特征分析，輸出旅客面部特征并傳輸至安檢驗證系統后臺服務器，在后臺服務器快速完成人臉特征與身份證照片比對、人臉特征與公安數據庫黑名單人員面部比對，提高了人臉比對的準確度和效率。

5 結語

本文詳細介紹了三開門式智能驗證閘機系統的總體設計。系統采用“證件+人臉”雙重驗證，做到人證合一，提高了系統的安全性和可靠性；采用“三開門式總體結構”+“閘機尾隨檢測”相互配合的方案可以提高尾隨的檢測精度，能有效防止尾隨的發生。智能驗證閘機目前已經運用于許多行業，如機場、高鐵、地鐵、海關等，未來將廣泛運用于各行各業。