融合RFID和人脸识别技术的智能工器具管理系统

林利祥 陈创 王幸 江文东 陈文睿 李津 牛铭 梁旭懿 谭桂轩?

摘 要：针对电力工器具使用登记信息化程度不高、人工手写或输入登记的方式效率低下等问题，提出一种融合RFID和人脸识别技术的智能工器具管理系统。该系统主要由RFID信息识别模块、人脸识别模块和后台软件系统组成。其中，RFID模块用于自动识别读取工器具信息;人脸识别模块则实现使用者身份的自动识别;后台软件系统主要实现工器具信息查询统计、超期告警和状态分析等应用功能。实践应用结果表明，利用该智能工器具管理系统能显著提高工器具管理的速度和准确性，优化管理流程，有效提高工作效率和电力安全生产效益。

关键词：RFID;人脸识别;电力工器具;管理系统;信息识别;信息查询

中图分类号：TP391 文献标识码：A 文章编号：2095-1302（2019）06-0-04

0 引 言

电力安全生产与国家社会财产安全以及人民生活利益密切相关[1]。电力工器具是电力一线班组从事运行、检修、维护、消缺和抢修等工作时最基本、不可或缺的生产工具。因此，其管理效能將直接影响到电力员工的工作效率、人身安全，甚至影响到电力系统的安全稳定运行[2-4]。

传统的电力工器具管理，一般都依赖于人工登记、统计与查询的方式，该方法较为原始，存在登记速度慢、统计不便、查询困难等不足，效率十分低下。随着计算机技术的发展与应用推广，部分班组逐渐引入计算机管理系统来辅助工器具管理，该方式提高了数据分析与查询的便捷程度，但其基础数据大多采用人工录入系统的方式，速度较慢且容易出错，效率提升不够明显。随着电网规模的不断发展与设备种类的多样化，电力生产工器具的种类和数量正不断增加，低效率的电力工器具管理方法已经严重影响到供电企业的工作效率。

因此，有必要引入新兴的技术和方法，开发更为先进、高效的电力生产工器具管理方法与装置，实现人工干预尽可能少的工器具自动识别、登记与使用分析，同时可对工器具的出入库登记、维修报废等一系列环节进行管理，优化管理流程，提高电力生产工器具的管理效能与人员工作效率，提升生产精益化水平。

1 总体结构设计

针对常规工器具管理方式效率低下的问题，本文提出一种基于RFID和人脸识别技术的电力工器具管理系统。该系统主要由工器具管理一体机和后台管理软件组成，其软硬件设计架构如图1所示。

工器具管理一体机主要包括RFID信息识别模块、人脸识别模块和集成柜体。其中，RFID信息识别模块主要用于快速、准确地实现电力生产工器具的自动识别;人脸识别模块则通过高清人脸机终端来识别人员信息;后台管理软件主要实现登记查询、统计分析、超期预警、状态评估等功能。利用本文所提电力工器具管理系统，能显著提高工器具管理效率，优化管理流程，进而提高工作效率，提升安全生产效益。

2 系统主要组成及原理

2.1 工器具管理一体机设计

工器具管理一体机由RFID信息识别模块、人脸识别模块与一体机柜体组成，设计图如图2所示。

2.1.1 RFID信息识别模块

无线射频识别（Radio Frequency Identification，RFID）是一种非接触式的自动识别技术，近年来作为物联网关键技术受到人们广泛的关注[5-8]。其技术原理是利用射频电磁波的空间耦合，在阅读器与携带电子标签的目标物品之间实现无接触的信息传递，从而实现物体的识别、检测与追踪[5-6]。RFID模块通常由电子标签、阅读器和应用系统构成。

RFID电子标签具有可读写功能，按工作频率可划分为低频、高频和超高频三类。本系统采用高频电子标签，并以双编号（即“编码+名称”）的信息格式为工器具赋予惟一的标识，标签典型频率为13.56 MHz，读写距离可根据实际需求进行调节。该类电子标签具有传输速度快、轻便高效等优点，适合工器具管理系统设计要求。RFID阅读器主要用于读取标签信息。为了提高工器具一体机的集成程度，本系统将RFID阅读器嵌入于集成柜体中上方，如图2所示。

RFID信息识别模块的工作原理为：当工作人员携带贴有电子标签的工器具通过管理一体机前，进入设定的识别范围内，RFID阅读器将自动快速地获取每个设备的标签信息，并上传回后台管理系统，实现工器具的自动识别与登记。

2.1.2 人脸识别模块

人脸识别技术是模式识别领域的一个主要研究方向[9]，该技术利用计算机提取人脸特征，并根据有效特征信息进行身份认证。与指纹识别等生物特征识别方法相比，人脸识别具有非接触性、主动性等优点[10-13]。

本系统将人脸识别终端嵌入一体机上半部分，如图2所示，用于采集工器具使用人员信息。人脸识别算法采用文献[10]提出的基于粒子群BP神经网络的人脸识别算法。

人脸识别模块的工作原理为：首先，对班组所有人员进行人脸信息采集，将入库的人脸图像数据进行特征提取及建模，形成人脸特征文件，并将人员信息存储于后台数据库中;接着，人脸识别模块通过高清摄像机终端来采集工器具使用人员的脸部信息;最后，利用深度学习算法将其与数据库中已有的人脸特征信息进行快速特征匹对。若匹对成功，则获取该人员信息，并将RFID读取的工器具信息存入该人员名下;若匹对不成功，系统将会发出告警声响，提醒管理人员注意查看。

2.1.3 一体机柜模块

为了使各个功能模块更为高效的协同运作，实现工器具识别与人脸识别快速同步识别，本系统创新性地将RFID、人脸识别和电源模块等集成于一体，形成一体机柜。该柜体主要作用是为人脸识别终端、RFID读写器终端等提供支撑集成，以及电线、数据传输介质的收纳，形成高度集成的柜体式应用装置。柜体采用烤漆木质材料制作。

2.2 软件管理系统

工器具后台软件管理系统由Java语言开发而成，数据库采用SQL2008，开发了基础功能和高级应用功能。其中，基础功能包括：登录账号密码管理、人员管理、工具管理、出入库管理、电力工器具台账、工器具需求识别、设备厂家管理、数据字典、自定义查询及报表导出等;高级应用功能包括：借用超期告警、超检验期告警及LCC全生命周期状态评估等，能协助管理员科学评估工器具状态，保障工器具健康可靠，保障电力安全生产。

3 智能工器具管理系统使用流程

3.1 電力生产工器具借用流程

智能工器具管理系统在处理工器具借用流程时，需要识别读取工器具信息，并读取借用人信息，从而实现将工器具借用明细登记到对应借用人名下。本系统设计的借用流程图如图3所示，详细步骤如下：

（1）工作人员领取电力工器具，进入管理一体机识别范围，RFID信息识别模块读取工器具标签信息;

（2）工器具管理一体机屏幕显示所借阅工器具清单，供工作人员核对;

（3）若核对无误，工作人员脸部对准人脸识别模块，高清摄像头识别人员信息;若核对错误，工作人员检查工器具标签后重新扫描工器具，直到屏幕显示清单无误为止;

（4）一体机将数据上传到后台系统，将工器具信息登记到对应人员信息下;

（5）若一体机读取人脸信息成功，系统提示“借用成功，欢迎使用工器具”;

（6）若一体机识别人脸信息不准确，则提示“请调整位置进行人脸识别”，若识别到的人脸在库中找不到样本，则报警提示“请注意，该人员身份有疑问”;

（7）若一体机3 s内未读取到人脸信息，则发出告警声，并提示“请注意，工器具未登记借出”。

3.2 电力生产工器具归还流程

根据电力生产部门工作实际情况，智能工器具管理系统在处理工器具归还流程时，重点关注工器具是否归还入库，并无需指定借用人亲自归还。因此，与工器具借用流程略有差异，归还流程只需识别读取工器具信息，并登记工器具归还入库。本系统设计的归还流程图如图4所示，详细步骤如下：

（1）工作人员携带电力工器具进入管理一体机识别范围，RFID信息识别模块读取工器具标签信息;

（2）工器具管理一体机屏幕显示所归还工器具清单，供工作人员核对;

（3）若核对无误，进入（4），若核对有误，则工作人员检查工器具标签后重新扫描归还工器具，直到屏幕显示清单无误为止，进入（4）;

（4）工器具管理一体机提示“工器具归还成功，谢谢使用”，同时将归还信息上传保存于后台系统，归还流程结束。

4 应用效果分析

本文所提出的融合RFID和人脸识别技术的智能工器具管理系统在广州供电局开展应用，成效显著。

4.1 系统识别速度分析

将采用常规人工登记方式与采用智能工器具管理系统所耗费的工器具识别登记时间加以统计，结果见表1所列。

由表1可知：采用人工登记方式，需要手写工器具名称、型号、数量及借用人员名称、工牌号、联系电话等，平均耗时为192 s;采用智能工器具管理系统，可实现电力工器具自动识别与登记，平均耗时仅需2.89 s; RFID工器具识别平均耗时为1.52 s，人脸识别平均耗时为1.37 s。由此可见，采用智能工器具管理系统后，每件工器具平均登记时间由192 s减少至2.89 s，耗时减少98.49%，电力工器具识别登记效率大幅提升。

4.2 系统准确度分析

将智能工器具管理系统的RFID工器具识别模块和人脸识别模块工作的准确性加以统计，结果见表2所列。

由表2可知：RFID工器具识别的准确率为98.26%;人脸识别模块识别工作人员身份信息的准确率为99.34%。二者的准确率较高，可满足工器具管理要求。

针对RFID识别出错的案例进行分析，发现主要原因是，RFID电子标签张贴位置过偏或者工器具间互相遮挡导致RFID识别干扰，通过摆正位置重新识别可以纠正错误。针对人脸识别出错的案例进行分析，发现主要原因是，所处环境光线不足，影响人脸机终端采集图像，通过增强环境亮度可进一步提高准率。

总体而言，该系统的识别准确率较高，可大大减少人工干预量，显著提高班组工作效率，解决工具器管理效率低下等问题。

4.3 管理成效分析

实际应用结果表明，采用该智能工器具管理系统可有效优化电力生产部门的工器具管理效能。通过及时告警临近超检验合格期工具，提醒管理员及时送检，提高了工器具的安全可靠性;通过及时告警借用超期工器具，可避免工器具遗漏，保证满足安全生产要求，进而提高社会经济效益。

5 结 语

本文提出一种基于RFID和人脸识别技术的智能工器具管理系统。该系统的硬件部分由RFID识别模块、人脸识别模块和集成柜体组成，可实现工器具及其使用者的自动识别与登记;软件部分利用Java开发，实现工器具查询统计、借用超期告警、超检验期告警等应用功能。利用该智能工器具管理系统，可实现电力工器具登记统计的自动化，提高物资管理信息化水平;同时能协助管理员科学分析工器具使用状态，显著提高工器具健康可靠水平，助力电力安全生产，具有较好的安全效益和社会经济效益。

该研究成果具有较好的实际应用价值和启发意义，可推广应用到类似的物资管理领域，以提高管理效率，提升物资管理的智能化水平。

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