基于人脸识别的刷脸检（验）票技术研究与实现

李 政，化小刚，王永峰

（中铁程科技有限责任公司，北京 100081）

随着高速铁路日新月异的快速发展，旅客使用纸制磁票、二代身份证[1]、IC卡[2]检票进出站越来越频繁，同时由于国内外人脸识别技术已经成熟，探讨将二者有效地结合成一种新型的检票方式，即人脸识别[3]检票，将会极大地提升铁路行业科技化水平。本文将详细阐述以下3个方面：人脸识别检（验）票业务分析；人脸识别检（验）票设计；合验加刷脸检（验）票一体化方案。

1　刷脸检（验）票业务分析

1.1　业务流

业务流主要涉及公安系统、12306客票系统[4]、人脸识别数据中心[5]、检（验）票系统、闸机机内软件、中铁银通卡系统，如图1所示。

图1　验票检票业务流图

（1）旅客通过12306网站或窗口注册信息，12306客票系统到公安系统进行旅客身份核验，核验通过后将由公安系统传入的照片信息和身份证号码传送到人脸识别数据中心；

（2）当旅客候车或登乘通过闸机时，通过连接闸机的摄像头采集旅客头像由闸机机内软件上传到检票服务器，检票服务器发送头像到人脸识别数据中心，人脸识别数据中心进行图像识别，返回查找到的用户身份证号码；

（3）检票服务器根据返回的身份证号码到12306客票系统查询该旅客的车票信息，然后通知闸机；

（4）闸机机内软件根据当前开检的列车计划信息和旅客的车票信息进行判断，确定闸机是否开门放行。

对于中铁银通卡用户，记录在中铁银通卡系统中的旅客头像信息传输到人脸识别数据中心，并记录头像数据的来源。

刷脸检票系统可以单独部署完成进站验票功能；也可以单独部署完成进出站检票功能；也可以联合验检功能，即票证人验票通过后的记录作为进站人脸识别的数据源来完成闸机检票功能，满足不同铁路局的检票业务需求。

1.2　人脸识别数据中心

人脸识别数据中心主要完成数据采集，图像传输、存储、识别等功能。由于大数据在铁路客票系统广泛应用，人脸识别数据中心采用和纳入已有的大数据管理之中。

图像数据有以下3个来源：

（1）12306用户注册时（或已注册还没有获得图像数据的），通过公安系统核验身份后，获得用户的头像数据，然后压缩图像并且将该用户包括身份证号码的主要身份信息传输到人脸识别数据中心；

（2）当旅客验票或检票时，将头像数据压缩传入人脸识别数据中心进行识别并保存，可保存近期3张头像照片。根据实际需要可以直接采用第二来源，但是首次验票需要同时提供身份证号码和头图像数据到人脸识别大数据中心；

（3）将中铁银通卡用户预存的照片信息传输到人脸识别数据中心，这样银通卡用户直接刷脸进站，后台完成扣款功能，扣款如同已有的检票系统刷银通卡扣款功能。

1.3　检（验）票服务系统的业务功能

检票服务系统兼容已有的检票系统功能：检票计划管理、生成、下载，闸机设备管理等。

旅客在网上或窗口购票后，进站乘车通过闸机人脸识别后，由闸机将头像及相关数据上传到检票服务系统，检票服务系统到人脸识别大数据中心进行图像识别后得到包括身份证号码在内的相关信息，检票服务系统根据旅客身份证号码到12306客票系统查询该旅客的购票信息，然后指示闸机是否开门通行。

1.4　中铁银通卡用户刷脸功能

当旅客进站乘车通过闸机时，通过连接闸机的摄像头采集旅客头像信息，由闸机机内软件上传到检票服务器，检票服务器发送头像到人脸识别数据中心，人脸识别数据中心进行图像识别返回该用户中铁银通卡卡号等信息；检票服务器根据返回的中铁银通卡卡号进行预扣款(出站完成实际扣款)，通知闸机机内软件开闸门放行。中铁银通卡检票作为刷脸检票的一种特殊情况，除了刷脸和刷卡的动作不一致，其流程大致一致，不再单独说明。

2　刷脸检（验）票设计

2.1　结构图

铁路局（或独立大站）所有闸机通过负载中心[6]连接自动检票系统（atms，automatic transaction management service），atms服务可以部署在多台机器上或者一台机器部署多个服务，这样可以解决闸机请求并发性，提高检票效率，同时也避免单点故障；atms服务通过负载中心调用检票数据库，实现检票系统内部的服务和数据交互；atms服务通过传输交易管理服务（ctms，communication transfer management service）接口从12306客票系统查询旅客购票信息；atms服务通过ctms接口从人脸识别数据中心进行人脸识别和数据传输，如图2所示。

2.2　刷脸检（验）票过程

刷脸检（验）票是在已有系统[7]上的功能扩展，检（验）票系统全局参数下载，计划生成和下载，检票管理等功能是成熟的模块不在本文中阐述。下面提到的检票计划是在检票管理功能中提前下载到闸机中。

图2　检（验）票结构图

检（验）票过程如图3所示。

图3　检（验）票过程

（1）旅客通过闸机时，摄像头获得的旅客3张头像信息、乘车日期、站内码、闸机编号等向atms发起客票查询申请；

（2）atms服务程序将头像信息通过ctms服务接口，向人脸识别大数据中心识别查询该旅客的信息，返回该旅客的身份证号码信息，并且在数据中心保存最近的3张照片；

（3）atms接收到用户身份证号码后，通过ctms服务接口，向12306客票中心查询该旅客是否购票信息；

（4）atms将旅客购票信息返回到闸机；

（5）闸机根据检票计划、购票信息、旅客的合法性判断确定是否开门放行；

（6）闸机将信息返回atms，将记录保存到数据库中。

闸机和atms通信采用半长连接的socket通信模式，采用统一的消息传输机制，在进行数据交互前需要对设备进行校验，保证数据的一致性和安全。atms通过ctms接口连接人脸识别数据中心和12306客票中心，起到网络隔离和应用服务层的隔离功能。

2.3　闸机工作原理

闸机检（验）票系统主要包括闸机管理功能、闸机检票功能及应急处理3部分。

2.3.1闸机管理设计

用户管理：闸机监控及应急处置操作员定义功能，包括基本信息与权限管理。

设备管理：实现对闸机的设备信息维护，以及与应急处置终端的管理关联定义。

参数控制：通过窗口信息维护、参数控制和定义实现对闸机权限的统一控制，如允许发车前多长时间的车票进站、人脸识别的相似度阀值定义等参数。

统计查询：实现对车站各检票口的信息统计、查询功能。

2.3.2闸机业务设计

闸机软件包括和atms接口层、摄像头控制、机内业务处理软件、机内逻辑处理软件等。

（1）atms接口层：负责和atms通讯，接收atms下载的全局参数、计划、检票交互以及一切指令；

（2）摄像头控制：参数化控制摄像头的采样值、相似度值、曝光参数、环境参数、拍摄模式、动态调整角度、人脸识别、人脸跟踪，以及摄像头智能学习提高环境适应能力；

（3）机内业务处理软件：根据闸机管理的设备、参数等定义进行业务控制，负责控制头像扫描、头像数据的编码和安全，管理计划，处理全局参数，然后通过接口将信息反馈给机内逻辑处理软件；

（4）机内逻辑处理软件：根据车票、计划判断结果调用驱动库操作闸机的开门/关门、语音/屏幕/灯光提示等。

2.3.3应急处理

如果刷脸检票在使用过程中出现问题，通过后台管理控制，可以切换到使用磁票、身份证、银通卡等有效的乘车凭证刷闸机检票进站，也就是切换到已有的闸机检票系统[8]。

3　合验加刷脸检（验）票一体化方案

合验指旅客进入候车室核查票、证、人的过程，包括人工口核验，闸机核验验票过程。

一体化方案主要是在人、证、票合验的基础上完成刷脸检票，如图4所示。包括两种情况：（1）进站票证人核验的票和头像信息作为进站检票的数据依据；（2）中铁银通卡用户情况。

图4　检（验）票一体化结构图

一体化方案如下：

（1）旅客进站验票时通过人脸核验功能，即票、证、人核验，然后把采集到的头像数据和身份信息保存到人脸识别数据中心，旅客身份证信息、票信息保存到实名制核验数据库中；

（2）当列车开始检票，旅客通过闸机检票乘车时不再使用任何票证，摄像头采集到旅客头像信息；atms根据头像信息到人脸识别数据中心进行图像识别返回旅客身份证号码，atms根据身份证号码到实名制验票库查询记录返回旅客的验票记录给闸机；

（3）闸机匹配开检的车次信息，判断闸机是否开门，开门后将检票记录通过atms服务保存在检票数据库。

对于中铁银通卡用户，其头像信息定期复制到人脸识别数据中心，银通卡用户进站检（验）票不再出示票证，可以直接刷脸检（验）票，系统后台完成扣款，扣款过程如同既有的检（验）票系统刷卡扣款一样。

这个方案只是针对某个铁路局部署小型化的人脸识别验票、刷脸检票，实名制验票库代替12306客票系统作为客票源。

4　结束语

采用全路集中的人脸数据中心模式，或铁路局独立部署模式，只是应用规模上的差异。提高、改进人脸图像采集、压缩、存储和识别效率，优化图像识别算法，采用分布式体系、云计算和云服务模式对图像进行存储和识别。票、证、人进站人脸识别验票已经在多个铁路局部署使用，合验加刷脸检（验）票一体化方案对于银通卡用户已经测试使用，为铁路全面实施刷脸检（验）票提供技术支撑。

参考文献：

[1]刘 琳，吴国英，刘小杰，等.第二代居民身份证阅读器原理和应用[J].警察技术，2004（5）：30-32.

[2]王 成,史天运,蒋秋华.基于RFID技术的高速铁路自动检票系统研发[C]//第五届中国智能交通年会优秀论文集，2009：266-273.

[3]安 然，王辉麟.人脸识别系统在铁路车站安检区域应用的研究[J].铁路计算机应用，2012，21（9）：21-24.

[4]朱建生.新一代客票系统总体技术方案的研究[J].铁路计算机应用，2012，21（6）：1-6.

[5]阎志远，翁湦元，戴琳琳，等.铁路客运大数据平台的数据采集技术研究[J].铁路计算机应用，2016，25（9）：17-21.

[6]江 琳，王洪业，贾 佳，等.席位自动负载均衡在客票系统的研究和应用[J].铁路计算机应用， 2015 ，24（7）：21-24.

[7]王永峰，化小刚，李 政. 铁路自动检票系统的设计与实现[J].铁路计算机应用， 2015，24（11）：46-51.

[8]李 政，化小刚，苏建飞.铁路检票系统二代居民身份证检票研究与实现[J].铁路计算机应用，2016，25（2）：20-23.