人脸识别技术在工厂智能化管理的应用

陈 锐

（汕头超声印制板公司，广东 汕头 515041）

0 前言

人脸识别技术是当今人工智能浪潮中最热门的技术之一，已渗透到各行各业，该技术不但方便了人们的工作生活，也提高了效率。在制造工厂，上层管理系统的分层操作、底层控制系统的分级控制、设备工艺参数的变更、现场点检签到管理、公共设施/智能货柜的使用管理、门禁通行管理等等，都需要进行身份识别和权限控制。而传统的人工识别、密码识别、工卡识别等身份识别方式存在诸多弊端，常出现弄虚作假、密码丢失/泄漏、疏忽大意出错、过程难以监管等情况。人脸识别技术具有精准的身份识别功能，可以很好解决上述问题，弥补管理上的漏洞，提高操作效率，实现智能化的管理。

要将人脸识别技术全面普及推广应用到工厂中，发挥该技术的优势，最关键的还是要将该技术真正地融合到工厂现有的系统中，即根据实际需求进行集成开发应用。为此，可利用人脸识别设备配套的SDK（软件开发工具包）开发包和API（应用程序编程接口），在业务流程管理系统或设备控制系统中集成人脸识别技术，获取人脸识别输出结果（包括身份信息、人脸图片等），最后通过软件算法和规则实现最终目的。

1 身份识别

1.1 传统身份识别方法

传统的身份识别方法包括身份标识物品和身份标识信息两种，身份标识物品主要有钥匙、IC卡、证件，身份标识信息主要有用户名和密码。这些都属于身外物，存在丢失、遗忘、被盗、被假冒的可能，不安全也不可靠，问题多多，甚至造成重大损失，如公司信息系统密码被盗导致重要信息泄露、设备控制系统密码丢失导致无法更新PLC（可编程逻辑控制器）参数和配方程序、上下班考勤出现代替他人打卡等等。

1.2 生物特征识别方法

常见的生物特征识别方法包括虹膜识别、指纹识别、掌纹识别、人脸识别、声音识别等，相比传统的身份识别方法，其更具有安全性、保密性和方便性，还具有不易遗忘、防伪性能好、不易伪造或被盗、可随身“携带”、随时随地可用等优点，在很多领域都得到重视和应用，其中人脸识别技术就最为广泛、使用最便捷，如支付宝和超市的刷脸支付、手机APP刷脸验证、刷脸考勤等等。

人脸识别是基于人的脸部特征进行身份信息识别的一种生物识别技术，即使用摄像头采集人脸图像并提取人脸特征，通过分析对比后实现身份识别，具有非接触、快速识别、操作简单方便等优点，相比虹膜识别、指纹识别，人脸识别在心理上更容易被人接受。

2 人脸识别技术

2.1 人脸识别技术在工厂的应用场景

在智能工厂的建设中，上层管理系统的分层操作、底层控制系统的分级控制、设备工艺参数的变更、现场巡检签到管理、公共设施/智能货柜的使用管理、门禁通行管理等等，都需要进行身份识别和权限控制，人脸识别技术在这些领域的应用，更能发挥优势体现价值。

2.1.1 人脸识别技术在信息管理系统的应用

在信息管理系统的操作中，用户操作流程是这样的：打开客户端软件，弹出用户名密码框，接着用户输入账号和密码，登录系统进行授权操作。这种方式存在的最大的问题就是存在账号密码泄漏或被盗的可能，特别对于重要受控系统，一旦重要数据被篡改或泄漏，很可能会带来重大的损失，但如果采取人脸识别验证登录的方式，则这种情况可以避免。用户登录系统时，只要对着摄像头，系统会自动识别人脸并判断用户是否得到授权，如果是，则自动登录系统，不需要手工录入账号和密码，即安全可靠又省时省心。当人脸库数据有更新时，可以使用人脸库更新管理软件通过网络更新人脸库。

2.1.2 人脸识别技术在设备控制系统中的应用

在生产现场的设备控制系统中，上位机除了监控设备参数外，还负责实现人机交互。实际使用时，有时会因加工工艺的不同而变更工艺参数或者调校设备调校参数，而更改这些关键参数的权限同样也是通过账号密码来验证，一旦这些参数被非法修改，将可能直接导致产品报废，最可怕的是给产品带来潜在的质量隐患，一旦流入客户手中，后果不堪设想。

因此，对于关键受控设备重要参数的变更，可以使用人脸识别授权修改的方式，减少系统潜在风险。

2.1.3 人脸识别技术在现场巡检签到中的应用

制造系统各个部门（如生产/工艺/品质/设备）人员在工作计划中一般都会有巡查点检的要求，每天定时定点的签到确认动作很重要，常用的是现场巡检表签名确认这种方式，这种做法如果在管理层面缺少有效监督，很容易就变成弄虚作假，如滞后签名、提前签名、补签名、代签名等，带来恶劣影响。特别对于厂房公共设施的定期巡检，如天面的冷却塔、废气处理设备等，这些人迹罕至，一旦监管不力，更容易出现做假的可能，而人脸识别签到的应用则可以很轻构解决上述问题。

2.1.4 人脸识别技术在人员进出管理中的应用

工厂中有公共区域和受控共域，对于受控区域，人脸识别技术配合电子锁可实现授权通行，并自动记录人员进出记录，方便查询和追溯。相比钥匙开锁、刷卡开锁，这种方式可避免他人盗用、冒名顶替的情况出现，更加安全可控易管理。

2.2 人脸识别技术应用基础

人脸识别技术的应用基础包括人脸数据存储、人脸数据采集、人脸对比实现方式、人脸识别结果信息获取等几方面，基于AI的人脸识别算法等底层原理则不在本文研究范围。

2.2.1 人脸数据存储

人脸数据存储分本地存储和远端存储。本地存储指将人脸数据存储在摄像头端，远端存储指将数据存储在远程服务器端。

2.2.2 人脸数据采集

人脸数据的采集可通过摄像头直接采集，也可使用相片导入方式。摄像头直接采集方式指通过摄像头拍照采集并存储到人脸库中，需要PC端专用软件配合实现，也有一些一体化摄像头可不借助PC，在摄像头端通过按钮操作实现。导入方式指将用户姓名、工号、标准格式的人脸图片按要求整理到文件（如EXCEL文件）中，然后通过专用软件导入到人脸库中。

2.2.3 人脸对比实现方式

人脸识别对比有前端和后端两种（图1），前端对比方式指人脸的采集和对比都在本地摄像头端实现，人脸库也存储在本地，输出结果在本地；后端对比方式指人脸的对比和人脸库都在服务器端，本地摄像头端只负责采集人脸数据并发送给服务器，输出结果在服务端。实际使用时，需根据应用场景和需求的不同选择合适的方式。

2.2.4 人脸识别结果信息获取

人脸摄像头一般都配有SDK（Software Development Kit），利用该开发包，开发人员就可以从摄像头中获得人脸对比输出结果。SDK里面包含有读取摄像头输出数据的相关文档和工具，主要有DLL（动态链接程序库）、API接口文档和开发实例DEMO。

只要遵从API接口文档中各个函数的语法要求，开发人员就可以通过一串简单的指令，从人脸摄像头中实时取出人脸对比输出数据。编程时，可通过连接指令连接人脸设备（见图2a），通过用户刷脸上报事件获得用户名称、卡号、时间、人脸图片等数据（见图2b），对于编程人员来说，操作非常方便，实现这些功能的关键就是DLL动态链接库，各种操作人脸摄像头的相关指令都集成在里面（见图2）。

图1 人脸识别对比

图2 人脸识别信息指令

2.3 人脸识别技术的应用实例

2.3.1 智能货柜无人化管理

背景：设备精密工具仪表等公共物品以往都是存储在上锁的柜子中管理，拿钥匙开锁、借用、归还物品都需逐一登记，还需专人监管、盘点，非常繁琐耗时。

思路：利用人脸摄像头和电子锁，实现刷脸自动开柜门，替代钥匙，并自动记录开锁用户姓名；利用RFID（射频识别）技术在公共物品上张贴电子标签，自动识别物品的借用、归还操作，再配合刷脸开锁时取出的用户名，实现物品借用归还自动登记，实现无人化管理。

技术方案：智能主机、人脸摄像头和RFID感应器分别接入以太网，智能货柜管理软件使用C#高级语言编写，通过调用人脸摄像头的DLL动态链接库获取授权用户刷脸数据，并输出开锁信号给门禁模块，如发现是未授权用户则不进行任何动作；通过调用RFID感应器的DLL动态链接库获取电子标签感应状态，通过算法识别用户借用归还操作并实现自动登记、盘点，系统结构（见图3）。

人脸识别技术解决了公共物品管理中最关键的用户身份自动识别的问题，同时又确保安全可靠，对推动无人化管理起到了非常重要的作用。

图3 智能货柜结构

2.3.2 重要管理数据分级查看

背景：部门信息化管理系统（B/S架构）中有一些敏感数据需要授权才能查看，传统的根据登录用户级别来区分查看权限的方采存在密码泄露、被盗的风险，可能会导致公司大量重要数据外泄；用户对于系统密码的设置，通常会有一码通的习惯，即为了方便记忆，不同的系统采用同一个密码，这种做法大大增加了密码泄露的可能。

思路：对于高级授权用户，账号密码登录方式改为刷脸登录。

技术方案：在用户电脑前安装一个人脸摄像头，在系统登录程序中增加人脸识别登录程序，让用户通过刷脸登录系统，做到既安全又方便。系统结构见图4。

图4 信息系统中的人脸识别登录结构

2.3.4 设备重要参数授权更改

背景：生产线自动化设备一般都带有人机交互界面，如上位机或触摸屏，除了监控设备参数外，还可以修改参数，其中设备重要参数（如工艺参数、PLC控制参数等）的修改是受到密码保护的，但下放的密码难免会出现泄露、被盗的可能，一旦这些重要参数被恶意修改，将会导致严重损失，而实际上设备重要参数被非法更改的情况也是偶有发生。

思路：对于设备重要参数的修改由密码确认改为刷脸确认，避免出现非法篡改。

技术方案：刷脸授权确认可分上位机方案和触摸屏方案两种。对于上位机方案（见图5），可在上位机程序中调用人脸动态库获取刷脸用户信息，若判断为授权者则允许登录参数修改页面进行修改。对于触摸屏方案（见图6），首先PLC端采集人脸摄像头输出的识别结果（开关信号，授权通过为1、不通过为0），然后触摸屏则从PLC取得这个授权信号，最后在宏指令中增加条件判断指令，若判断为授权者则允许进入参数修改页。即只要刷脸通过，触摸屏则自动进入重要参数修改页。两者区别在于，前者需要修改上位机程序代码，后者需要修改触摸屏程序代码，但达到的结果是一样的。

图5 上位机确认授权结构

3 结论

人脸识别技术具备的身份精准识别功能，可以有效解决传统身份识别方式存在的种种问题，减少出错和损失，简化操作、高效实用，尤其是和工厂现有系统的集合应用，更能发挥该技术的优势，帮助我们从一个全新的角度去解决之前难以解决的问题，而人脸识别技术的集成开发应用则是该技术得以在工厂推广普及的关键，否则再好的技术也只是摆设。文章简单介绍了几个人脸识别技术集成开发应用案例，希望能推动更多新技术在工厂的转化应用和推广，秉持技术为基、应用为王，全力推进工厂的智能化建设。

图6 触摸屏确认授权结构