基于人脸识别技术的铁路实名制进站核验系统研究及设计

贾成强，戴琳琳，徐海涛，苏建飞

（1.中国铁道科学研究院集团有限公司 电子计算技术研究所，北京 100081；2.中铁程科技责任有限公司，北京 100081）

为了解决铁路售票公平、公正、公开的问题，遏制炒票倒票行为，铁路施行车票实名制[1]，成效十分显著，社会公众和旅客对铁路车票实名制满意度较高，在车站治安秩序、遏制和打击“黄牛党”、提升旅客出行体验等方面取得了显著的效果。目前，各大客运站基本都在进站口设置了实名制验证检票口，安排人员进行票证人一致性核验，通过铁路旅客进站验证检票系统[2]实现了票证一致的程序自动核验，同时，将旅客实名信息实时发送至铁路客票实名信息公安核验系统，公安进行重点人员预警管控，保障了铁路旅客运输整体环境的安全。

这种方式的实名制进站核验在执行过程中，因为铁路允许实名制购票的证件有24种，97%以上旅客购票证件为二代居民身份证[3]，但二代证为20年有效期，芯片中存储的照片大多为早期照片，而车站核验人员未经证件识读的专业训练，所以人证一致性核验的难度极大；车站为执行实名制核验的业务要求，需要安排人员轮班进行进站实名制核验作业，耗费大量的人力，长时间对大量进站旅客进行人工核验还会导致核验人员疲劳、效率降低；大多数高铁车站是在铁路执行车票实名制之前设计建设的，普速车站人工检票亭的方式与高铁车站服务形式存在较大差距；铁路公安重点预警管控人员通过实名制进站口进站后，因为相貌等变化，系统照片与实际相貌差异较大，给铁路公安在重点预警管控人员跟踪核查时带来难度。

随着人脸识别技术[4]的发展和成熟，越来越多的政府关键业务的安全核查环节中都引入了人脸识别技术。为此，进一步深化铁路车票实名制，基于“票、证、人”一致性的要求，铁路实名制进站核验系统引入人脸识别技术，可提高实名验票检票效率，推动铁路客运业务向“刷脸”方式发展，同时实时向铁路公安提供“票、证、人”信息，为铁路安全保障提供了支撑。

1 设计目标及原则

1.1 设计目标

在确保安全的前提下，以客票系统现有网络结构为基础，引入人脸识别技术，完善人工口进站核验功能，优化自助进站核验闸机功能，实现铁路车票实名制的“票、证、人”一致性核验，同时满足公安核查重点人员对信息的需求。

1.2 设计原则

1.2.1 实用性

系统设计必须遵循实用性原则，对旅客实行“票、证、人”核验的同时，还要提高旅客进站效率，减少拥挤。旅客操作方便，工作人员维护简单。车票信息和身份证信息及时发送到铁路公安系统。

1.2.2 先进性与成熟性

系统设计必须遵循先进性原则，应符合铁路信息化建设的规划，符合信息技术发展趋势，充分考虑未来发展的需要，借鉴互联网、人工智能等先进技术，在实用性的要求下，既要体现先进性，也要保证成熟性。

1.2.3 开放性

系统设计必须遵循开放性原则，应采用开放的体系结构、开放的技术标准和规范、开放的产品选择、开放的技术路线以及开放的应用设计，能够与外部系统进行信息交互和共享。

1.2.4 高可靠性

作为铁路向全社会提供的实名制进站核验系统，可靠性至关重要，系统设计应在主机、存储、网络等核心层面避免单点故障、加强对外接口的安全监控、加强对资源的有效保护以及应急灾备机制。

1.2.5 可扩展性

系统设计必须遵循扩展性原则，保证系统架构和功能具有扩展性和灵活性，能满足延伸服务业务扩展带来的数据量增长、用户增长以及业务增长的需求。

1.2.6 安全性

系统设计必须遵循安全性原则，保障系统安全稳定运行，保障旅客的信息安全，应符合现有的铁路安全设计规范要求，确保系统核心交易不间断运行；确保系统核心数据不泄密；确保系统运行效率不降低；确保系统基础数据不被盗取。

2 系统需求分析

2.1 业务需求

旅客持纸质或RFID[5]磁质车票，以及二代居民身份证、护照等有效证件，通过车站人工进站核验口进站时，车站验证检票员，通过人工验证检票系统，可识读二代居民身份证，扫描车票二维条码或查询旅客电子票信息[6]，实现“票、证”信息的显示与一致性自动比对；通过人脸采集识别设备采集人脸图像，与二代居民身份证的图像进行自动比对，实现“人、证”的一致性自动比对，并将核验结果进行记录。同时，可以通过验证检票管理系统进行统计查询。

旅客持RFID磁质车票和二代居民身份证，或使用二代居民身份证购买电子票进站时，通过自助进站核验闸机[7]，实现“票、证、人”的一致性核验。核验结果一致时，闸机自动开启闸门；核验结果不一致时，闸机进行提示报警；可通过人工处置闸机是否开门予以放行。通过管理终端可维护自助进站核验口闸机信息，进行“票、证、人”核验纪录数据的查询和统计。

人工进站核验、自助进站核验的“票、证、人”信息及核验状态信息，可通过公安联网控制设备，实时传递到铁路客票实名信息公安核验系统；车站设置公安监控台，监控每个进站口的票证人及状态信息，以及重点人员的比对报警信息。

2.2 功能需求

2.2.1 车站人工进站口验证检票系统

（1）铁路局、车站业务管理员可以维护人工进站口窗口与操作员信息。

（2）验证检票终端机可以通过二维条码扫描设备，扫描车票二维码，还原显示票面信息。

（3）验证检票终端机可以通过身份证居民识读设备，识读二代居民身份证，显示姓名、照片等信息。

（4）验证检票终端机可以通过摄像头进行人脸实时采集。

（5）验证检票终端机自动进行“票、证”一致性和“人、证”一致性的比对，提示相应的比对结果信息。

（6）验证检票终端机具有实时查询铁路电子票等功能。

（7）验证检票终端机通过公安联网控制设备，及时传递到公安核查比对系统。

2.2.2 自助进站闸机自动检票系统

（1）闸机可以识读RFID车票。

（2）闸机可以识读二代居民身份证信息。

（3）闸机可以通过摄像头进行人脸采集。

（4）闸机进行“票、证、人”一致性比对，提示相应的比对结果信息。

（5）闸机可以查询旅客电子票信息。

（6）闸机通过公安联网控制设备，及时传递到公安核查比对系统。

2.3 系统需求

实名制进站核验系统至少保障每个旅客进站核验时间≤5 s，系统实名制核验数据集中保存在铁路局中心级，系统无故障运行时间7×24 h，在网络异常或非系统本身原因导致异常情况下，可以启动应急模式，如连接客票网络异常情况下，实名制进站核验系统应可脱机进行实名制核验，并将核验记录保持本地≥7天，等待网络异常恢复后，再进行续传。

实名制进站核验系统人脸采集频率≥200 ms，采集图片像素≥120×150，图片大小≥5 kB，在应急模式下，可单机保存时间≥15天。

实名制进站核验系统人脸比对核验时间≤2 s，比对结果至少包含人脸比对分数值（取值0～100，80以上认为相似度较高），并且按照比对分数高低返回至少一张现场人脸照片。

3 系统技术方案

3.1 系统架构设计

铁路实名制进站核验系统采用集中式的体系架构，在铁路局设立数据库服务器与应用服务器集群[8]，采用负载均衡技术[9]对外提供一个统一地址进行服务；各人工进站核验口终端和自助进站核验口闸机向上联接到统一的服务地址，将验证检票数据实时记录到数据库中。

这种集中式的体系架构，（1）有利于降低系统整体运维和升级工作的成本，有效地提高系统的运行效率和可靠性，保证核心数据的一致性和实时性，避免了数据同步的问题；（2）可以有效地减轻铁路局相关业务人员的维护工作，保证各铁路局业务数据格式的统一。

系统架构，如图1所示。

3.2 功能设计

3.2.1 人工进站核验系统

3.2.1.1 人工进站核验管理

（1）验证检票操作员定义功能：实现对车站人工验证检票员的信息维护，包括基本信息与权限管理。

（2）验证检票窗口及参数定义功能：实现对车站人工验证检票窗口的信息维护，通过窗口参数定义实现权限的统一维护。

（3）数据统计功能：实现对车站各人工验证检票口的检票信息，进行数量后台统计，及查询功能。

3.2.1.2 人工进站核验

（1）“票、证、人”一致性比对功能：通过二维条码扫描设备，扫描车票二维码，还原显示票面信息；通过身份证居民识读设备，识读二代居民身份证，显示姓名、照片等信息；通过摄像头进行人脸采集；自动进行票、证一致性和人、证一致性的比对，提示相应的比对结果信息。

图1 系统架构

（2）电子票查询功能：对于旅客互联网购票，未换取纸质车票进站时，通过识读二代居民身份证或手工输入身份证号，查询旅客所有符合条件的电子票信息。

（3）信息发送公安系统功能：通过公安联网控制设备，将票证人信息及比对状态信息，实时传递到公安后台系统。

3.2.2 自助进站核验系统

3.2.2.1 自助进站核验管理

（1）用户管理功能：检票系统提供人工核验操作员定义功能，操作员在检票系统里进行定义后方可登陆人工核验系统，每个操作员同时只能登录一台人工核验终端，退出后方可在其他核验终端进行登录。

（2）设备管理功能：自动验证检票机使用前需在检票系统里进行定义，定义同时指定该自动验证检票机由哪台人工核验服务器代管。

（3）参数控制功能：检票系统为自动验证检票机提供多种参数控制，如允许发车前多长时间的车票进站、是否需要人工核验终端及每个人工终端管理几台验证检票机等参数。

3.2.2.2 自助进站核验功能

（1）车票验票功能：自动验证检票机根据车票二维码信息和读卡器读出的身份证信息，进行票、证核验，通过后，将信息送到检票服务器，检票服务器判断该票是否允许进站，判断通过后进行身份证和人脸核验，核验通过后验证检票机开门。身份证和人脸核验不通过则将身份证照片和人脸照片发送到人工核验服务器，进行人工核验。在核验过程中无论是否核验通过，都将身份信息和车票信息发到公安系统进行重点人员监测，是否为重点人员不影响验票是否通过。

（2）电子票验票功能：自动验证检票机读出身份证信息送到检票服务器，检票服务器根据身份证信息判断是否购买电子票，同时判断是否在允许进站时间范围内，允许进站则进行身份证和人脸核验，核验通过则开门，否则进行人工核验。在核验过程中无论是否核验通过，都将身份信息和车票信息发到公安系统进行重点人员监测，是否为重点人员不影响验票是否通过。

3.2.2.3 闸机监控及应急处置

自动检票系统中需对人脸识别的相似度进行阀值定义，超过阀值则允许通过，否则需到进行人工核验。验证检票机验证身份证和人脸未达到设定阀值，闸机不开门，等待人工核验状态，人工核验服务器会显示身份证照片和摄像头抓拍的3张照片，操作员认为证件和人相符情况下可直接点击通过，闸机开门，操作员认为不相符则选择不通过，闸机不开门。

3.3 接口设计

实名制进站核验系统与客票系统、铁路公安核验系统的数据交互，通过数据库、文件和服务调用等接口方式实现。

3.3.1 客票系统

实名制进站核验系统运行在客票网内，以服务调用方式实现与客票系统的电子票查询接口。以旅客身份证号和乘车日期为条件，访问铁路总公司导航表集群查询服务，获取满足条件的电子票库节点列表，再访问总公司电子票库节点查询服务，获取满足条件的铁路电子票具体车次、席位等信息。

3.3.2 铁路客票实名制公安核验系统

实名进站核验系统运行在客票网内，通过铁路客票数据服务网闸，实现与公安网的加密数据安全传输。具体结构如图2所示。

图2 铁路公安系统接口结构图

4 关键技术

为了确保系统长期稳定运行，保证业务应用的可靠性及效率，系统设计时，应用了人脸识别技术、负载均衡、集群等技术来实现系统目标。

4.1 人脸识别技术

人脸识别技术，是基于人的脸部特征信息进行身份识别的一种生物识别技术。人脸识别系统将提取人脸图像的特征数据进行匹配对比，得到相似度，通过设定一个阈值，当相似度超过这一阈值，则把匹配得到的结果输出。

人脸识别系统主要包括4个组成部分：人脸图像采集及检测、人脸图像预处理、人脸图像特征提取以及匹配与识别。

人脸识别系统，如图3所示。

铁路实名制进站核验系统中，对于人脸图像的采集，采用了预采集与实时采集相结合的模式，保证了图片中人脸信息的有效性，提高了比对的效率与准确性。人脸识别比对可以采用前台离线式比对或后台集中式比对实现，前台离线式比对模式不需要再设置图片比对服务器，各个前台应用之间人脸识别比对相互独立，可以避免比对服务器故障时，引起系统无法完成比对业务；后台集中式比对模式需要再设立一定数量的集中比对服务器，有利于人脸识别算法的集中升级维护。

图3 人脸识别系统图

4.2 应用集群及负载均衡技术应用

铁路实名制进站核验系统中，核验应用程序都要通过应用服务接入系统，为防止由于应用服务故障引起的系统故障，系统在构建应用服务器硬件集群的基础上，同时在各应用服务器上构建多个应用服务，形成应用服务集群。采用负载均衡设备，依据设定的负载均衡方法，实现将多个用户的请求智能地转发到后端的应用服务，确保在即使某个应用服务出现故障的时候，不会中断现有的应用请求，且应用服务集群对外只提供一个统一服务地址。

使用负载均衡架构服务集群，前台请求压力分布在多个服务器上，这样可满足大并发量前台应用接入；同时通过控制应用服务到数据的连接以及应用服务的连接排队控制机制可有效减缓数据库压力，保证系统数据库安全。

5 结束语

系统已在北京、南昌、成都东等车站上线运行，系统整体运行状态良好，在不考虑人为因素的情况下，旅客进站核验终端应用可以2 s内完成“票、证、人”一致性自动核验，同时为铁路安全保障提供了技术支撑。在核验效率和多种站场条件下适用性等方面，铁路旅客进站核验的人脸识别模型还有进一步优化空间，通过人脸图片数据的积累，未来可以对模型算法进行大量的后台训练，提高模型的效率和适用性。