基于人脸识别技术实现地铁AFC闸机无感通行的应用研究

姜 海

(中铁电气化局集团有限公司设计研究院，北京 100036)

1 概述

目前，城市轨道交通采用购置一次性车票或IC卡通过在闸机处刷卡通过闸机，利用读卡器进行车票读取，实现“票、站”统一的查验。而在乘车过程中若出现车票丢失的现象，就会造成乘客出站解释不清等问题，从而影响出站。

随着城市发展的步伐不断加快，社会经济的发展，城市规模、数量和人口都在持续增多，为使城市出行与管理变得更加智能化、高效化，研究基于人脸识别技术实现轨道交通AFC闸机无感通行应用势在必行。通过融合当前最先进的计算机技术、视频分析技术、射频识别技术、机电控制技术，实现高速、精确地识别、调取和比对“人、票、站”，实现0票卡通行闸机，从而提高验票工作质量和乘客检票通过速度，打造城市轨道交通智慧闸机通行。

2 AFC闸机无感通行系统

2.1 工作原理

AFC闸机无感通行系统的核心是人脸检测和识别。人脸通过摄像头时，摄像头将扫描的面部图像截取下来，并对扫描下的图像进行计算处理，再利用人脸特征定位算法将扫描的实时人脸图像转换为特征值。利用人脸特征算法将照片转换为特征值，或通过二维码扫描枪扫描读取车票上的二维码，系统通过后台计算，自动获取有效的车站信息，将人、票、站三者进行比对，三者均验证通过则放行乘客；若验证的乘客购票信息不是本站进/出的，系统将通过判断，闸机自动关闭。验证通过后，乘客将无感通过AFC闸机，从而实现进/出站；所有乘客的验人脸验票信息将统一保存到中心数据库服务器，方便存储和调取，从而为车站提供人脸和票卡信息的统计和分析；AFC闸机无感通行系统能实时监控到车站每个闸机的工作状态和客流信息。

2.2 系统构成

AFC闸机无感通行系统拓扑如图1所示。

图1 系统拓扑示意图Fig.1 System topology diagram

1）人脸票中心

在控制中心设置一套人脸识别系统平台，包括人脸识别与比对服务器、人脸存储服务器、人脸管理服务器、三层交换机、人脸管理工作站、机柜及人脸注册终端，系统应在云平台中部署及管理。

系统平台由人脸比对分析系统、计算节点、存储节点、网络和信息安全构成。

存储节点：人脸识别存储，存储人脸库数据及存储抓拍人脸照片及进出站信息，方便事后信息查证。

计算节点：人脸识别算法服务器和人脸特征提取服务器，负责将采集的人脸人像图片与票务系统平台下发的刷脸进站白名单库实时比对，反馈比对结果至自动边门检票机通道。

人脸比对分析系统：配置人脸算法服务器及搜索服务器，统计和存储注册的人脸数据并处理前端请求，将注册信息上传至后台中央数据服务器（设在清分中心系统前端，并与之对接），前端与后台比对信息。负责对各站点计算节点及存储节点进行统一管理，数据同步；同时将各站点传回数据信息与系统平台对接，实时接收系统平台更新的目标白名单库，下发新任务至各地铁站内的计算节点。

2）承载网络

无感通行系统承载网络采用ACC、车站二级组网；ACC与车站之间由云平台提供传输网连接。传输网络由云平台统一规划，通信协议为TCP/IP。主要包括：

ACC至 车 站/车 辆 段网络：采用由云平台提供的2 000 Mbit/s以太环网，线路侧为冗余万兆光纤接口；

车站网络:采用1 000 Mbit/s工业环形以太网。

3）车站设备

车站AFC系统终端设备由自动售票机、自动检票机（主要包含进站检票机、出站检票机、普通双向检票机及宽通道双向检票机）、半自动售票机、自动查询机、便携式检验票机等组成。

3 无感通行闸机

3.1 无感通行闸机与传统刷卡闸机的对比分析

无感通行闸机除了具有传统AFC刷卡闸机的全部功能外，通过利用大数据分析、机器学习、人工智能、移动互联网等新技术，在乘客智慧服务、运营智慧规划、设备智慧运维方面进行了深入的挖掘和全面的提升。

乘客可以直接在地铁站自动售票机或APP终端上进行拍照上传，完成人脸单程票的注册与购买。之后通过无感通行闸机的人脸识别器时，通过人脸识别终端扫描的实时面部图像与预先录入的人脸信息进行对比，实现刷脸过闸进/出站。无感通行闸机不仅可以大幅提高检票机的工作寿命，还可以杜绝由于单程票硬件介质产生的交叉病菌传染等问题。通过刷脸进/出站省去了掏交通卡或掏手机的时间，在地铁上下班高峰时，通过刷脸进/出站，可以有效加快通行速度，减少过闸机的排队时间。

无感通行闸机较传统刷卡闸机还有一大优势，即通过人脸识别收集，可以进行快速的搜索，方便寻找走失的老人儿童。也能通过人脸稽查功能，识别犯罪嫌疑人，为市民的安全出行保驾护航。

3.2 外形尺寸

无感通行闸机分为进站闸机、出站闸机、双向闸机（包括宽通道闸机）3种类型，设在公共区付费区和非付费区的分隔带上。标准闸机的尺寸为2 000 mm×200 mm×1 100 mm（长×宽×高，不包括儿童检测器高度）；标准通道的宽度为550 mm，宽通道的宽度为900 mm，无感通行的控制装置关闭时最小间隔不大于40 mm。读卡器与二维码读头的安装高度为950 mm。如图2所示。

图2 无感通行闸机示意图Fig.2 Schematic diagram of non-inductive passage gate

3.3 结构

无感通行闸机在人脸识别器上的角度设计满足人体工程学的要求，结合后期的运营和维护的需求，将模块布局和维修维护设计到最便捷，最合理。外观所有的边缘无毛刺，无尖角，无90°棱角，且表面光滑，无勾丝等现象。

3.4 材料

通过对强度、硬度、抗氧化性、耐高温性、耐腐蚀性等指标进行评估，最终选定无感通行闸机的材质采用304不锈钢材质。考虑到无感通行闸机整体的刚度和强度，以及支撑部件的强度和硬度，这部分材质选择不低于厚度为2.5 mm的不锈钢。由于外壳非受力部分的强度和硬度，选择不低于2.0 mm的不锈钢。

3.5 系统指标

根据地铁通过闸机的流程和功能需求，乘客无感通行AFC闸机需满足以下指标要求。

1）人脸识别算法

人脸识别算法技术要求：人脸识别采用深度学习算法模型；支持活体检测、活体检测精度≥99.99%；人脸识别速度≤500 ms；千分之一误识率下，人脸识别准确率≥99.99%；支持人脸识别模式包括但不限于1：1、1：N、M：N。

2）人脸注册终端

人脸注册终端能接入轨道交通线网人脸识别系统。能够将采集的人员面部信息数据同步至轨道交通线网人脸识别系统。能够协助鉴别采集到的面部信息是否满足人脸识别的应用要求。人脸注册终端应能通过局域网连接人脸识别系统后台和后台账户系统，实时检测乘客当前状态。在完成相应业务处理后，应实时将相关票务处理信息上传到人脸账户后台。人脸账户与APP账户为统一账户。

人脸注册终端包含人脸识别模组，硬件要求为：采用IPS或更优的高清显示屏，不小于1 920×1 080分辨率、不小于7寸显示屏，支持人脸识别支持角度：平面内左右旋转≥±45°，左右偏转≥±30°，前后偏转≥±30°；支持双摄像头：主摄像头≥1 300万高像素彩色摄像头，1/3英寸CMOS，识别距离0.3～1.7 m；辅摄像头≥100万彩色高清摄像头或更高，1/3英寸COMS；识别范围不小于0.3～1.7 m。

3）人脸识别模组

人脸识别模组硬件要求：采用IPS或更优的高清显示屏，不小于1 024×800分辨率、不小于7寸显示屏。支持人脸识别支持角度：平面内左右旋转≥±45°，左右偏转≥±30°，前后偏转≥±30°；支持双摄像头：摄像头≥1300万高像素彩色摄像头，≥1/3英寸CMOS；辅摄像头30万黑白摄像头，1/3英寸COMS ；识别距离0.3～1.7 m；通讯方式TCP/IP，支持在断网模式下，单机运行功能；支持人脸特征下发。

4 试验过程中存在的问题及解决方案

基于人脸识别技术实现无感通行的闸机，在实验室经过测试，发现以下几点问题。

提示音量小：在客流量较大情况下，针对无感通行闸机语音提示音量小的问题，通过对所有闸机更换功率较大的扬声器并对机身扬声器出口处做特殊处理，更好地实现乘客人脸核验顺利进/出站的目的。

闸机面板划痕：闸机在高频率测试一段时间后，闸机前面板被坚硬物体划出痕迹。为保证闸机的美观性和安全性，后更换为耐磨材质的前面板。

人脸采集购票：最初设计的无感通行闸机只支持人脸识别进行验人验票验站，为解决有些乘客不会进行人脸采集购票，乘客也能顺利通过闸机进行验票验站，升级了系统软件和闸机的验票方式，实现了支持人脸识别，IC卡读卡，二维码扫描的验票验站的目标，大大提升了乘客进/出站的方式。

5 结论与展望

经过大量的试验数据积累和统计表明，AFC闸机无感通行能够实现“人、票、站” 的自动识别、调取和比对，确保验票验站的工作质量。计算机技术和“基于人脸特征点的识别算法”等先进技术的应用，使无感通行AFC闸机在进/出站模式上迈上了一个新的台阶。

城市轨道交通AFC闸机无感通行模式已成为未来城市轨道交通的发展方向。随着5G技术的发展，基于人脸识别技术与5G技术相结合，势必成为未来城市轨道交通无感通行的发展趋势。