基于指静脉识别的唯一性检测装置设计

王子龙，陈 伟，陈 浩，朱文硕

（1.煤炭科学技术研究院有限公司，北京 100013；2.煤矿应急避险技术装备工程研究中心，北京 100013，北京 100013；3.北京市煤矿安全工程技术研究中心，北京 100013）

根据《煤矿井下安全避险“六大系统”建设完善基本规范》、AQ 6210—2007《煤矿井下作业人员管理系统通用技术条件》及AQ 6210《煤矿井下人员定位系统通用技术条件（征求意见稿）》等相关要求：人员不携带定位卡或携带非本人定位卡，或1 人携带多张（含2 张）定位卡，人员入井检测系统应能发出报警信号[1-3]。在现有的人员入井检测方法中，主要使用RFID 射频技术进行带卡检测，同时利用人脸识别、虹膜识别、指纹识别等多种识别方式，进行人员识别[4-5]。文献［6］分析了虹膜、人脸等生物特征识别技术在入井检测中的基本特点与不足；文献［7］设计了一款基于虹膜与射频卡的入井检测装置；文献［8］采用了一种人脸抓拍与虹膜识别技术设计了一套入井检测方案。目前，以人脸识别、虹膜识别为主导的入井检测设备正在逐步应用。

但是，煤炭行业有其独特性和局限性：由于检测检卡范围可控性低，易产生误读漏读现象，导致检测结果不准确；被检测部位易受粉尘、煤灰等因素干扰，导致人脸和指纹等技术识别效率低，对被检测人员要求高，受外部因素影响大。因此，无法满足煤矿人员快速、精准的检测要求。为此，设计了一套基于指静脉识别的唯一性检测装置，该装置具有指静脉识别与标识卡检测功能，识别速度较快，识别效率较高，受外部因素影响小。装置采用低频唤醒检测技术，与UWB 超高频段不同，利用125 kHz 频段进行带卡检测，能够实现实时、无感读卡检测，无需主动刷卡检测。减少了人员入井检测时间的同时，保证了入井检测效率。装置与人员定位系统数据库相连接，可满足煤矿辅助考勤应用，确保了人员安全、合规入井，避免了违规入井等行为。

1 指静脉识别技术

1.1 指静脉识别技术简介

手指静脉网络对于个体而言，呈现的网络结构各不相同，且成年后的手指静脉结构终身不变[9-10]。因此，指静脉网络具有唯一性与稳定性。利用指静脉网络特征进行人员识别及身份验证是十分有效的。指静脉识别技术通过近红外光照射被检测人的手指，由摄像头采集静脉图片，通过与数据库中录入的指静脉信息进行比对，从而进行人员判断。

指静脉识别技术与其他生物特征识别技术相同，需要进行预处理、特征信息提取与匹配等过程[11-13]。指静脉识别技术应用流程如图1。

图1 指静脉识别技术应用流程Fig.1 Application process of finger vein recognition technology

1.2 指静脉识别技术优势

4 种主要生物特征识别技术对比见表1。

表1 4 种主要生物特征识别技术对比Table 1 Comparison of four main biometric recognition technologies

根据煤矿自身环境特点，基于人脸识别与指纹识别的入井检测技术受到了较大的限制。由于矿工面部易被煤灰、安全帽等因素遮挡，导致人脸识别技术受到较大的影响；而指纹技术因手指磨损会直接导致无法识别。目前，煤矿入井检测装置多采用虹膜识别进行检测，但虹膜技术在采集和识别时，需要不断调整头部及眼部位置，以完成检测，从采集和识别的角度来说，效率较低。

与指纹识别技术、人脸识别技术、虹膜识别技术这些生物特征识别技术相比，指静脉识别的优势主要体现在：①不易受外界因素干扰：由于手指静脉网络终身不变，且不受煤灰等外界因素遮挡，容易采集与识别；②识别效率高：检测时，手指放置在指静脉识别装置中及可完成检测，不用反复调整被检测部位位置；③准确率高：拒真率FRR 为0.01%，认假率FAR 为0.000 1%，注册失败率FTE 为0%[14-15]；④唯一性与稳定性：指静脉手指静脉结构相同的概率为34×10-9，且具有极高的稳定性。

2 唯一性检测装置

2.1 系统结构及工作原理

指静脉识别的唯一性检测系统构成如图2。

图2 指静脉识别的唯一性检测系统构成Fig.2 The composition of unique detection system by finger vein recognition

唯一性检测装置及系统由煤矿人员定位系统，指静脉识别模块，UWB 标识卡低频检测模块，UWB读卡分站（器），交换机及闸机等设备组成。其中，指静脉识别模块为非接触式、主动式检测；而UWB 标识卡低频检测为被动式、无感式带卡检测。

入井人员携带具有低频天线的标识卡，该频段为125 kHz 频段与UWB 定位频段不同，当被检测人员进入检测装置时，所携带的标识卡会被特定频段的低频唤醒模块读取。随后，标识卡向人员定位读卡分站发送相关信息，再由读卡分站将信息传送到人员定位服务器，服务器将所得到的标识卡信息写入中间数据库，如检测到多张标识卡或未检到标识卡（即检测异常），则中间数据库存储数据中会出现特定的标识位。

指静脉服务器负责2 个部分：一是读取中间数据库信息，二是将被检测人员信息与指静脉数据库信息进行匹配。如提取的中间数据库信息正常（检测到特定的唯一的标识卡）且指静脉信息完成正确匹配，则闸机正常开启；反之，如中间数据库信息异常（未检测到标识卡或检测到多张标识卡）或指静脉信息匹配不正确，则闸机不开启并语音提示错误，被检测人员根据错误提示进行二次检测。

中间数据库进行人员定位与指静脉识别间的数据交互，该系统可实现人员定位信息与指静脉信息的联动识别检测。

2.2 系统关键流程

系统关键流程如图3。闸机开启的前提为双向验证通过，即中间数据库所存储的标识卡信息正确与指静脉识别信息正确，若有1 项验证失败或错误，则闸机无法放行被检测人员。

图3 系统关键流程Fig.3 The key process of the system

2.3 中间数据库

中间数据库的结构为数据交互最核心的部分，中间数据库涉及人员定位信息，人员指静脉信息及带卡检测信息，采用SQL Server 作为中间数据库，能够满足数据交互需求。中间数据库关键部分存储结构见表2。

表2 中间数据库关键部分存储结构Table 2 Storage structure of the key parts of the intermediate database

表2 中间数据库中，STAFF_STATUS 为特殊标识存储类型，进行带卡判断，当低频检测模块未读到或读到2 张（含2 张）及以上标识卡时，人员定位服务器将该信息写入中间数据库，由指静脉服务器查询中间数据库信息，并结合指静脉识别结果，去判断是否开启闸机。

3 唯一性检测装置结构

除唯一性检测装置系统设计外，装置结构与天线对带卡检测有着十分重要的影响，如天线范围覆盖较广，则容易产生误读，导致闸机无法放行；反之，如天线范围覆盖较小，当入井人员进行指静脉识别时，则无法读取该人员所携带的标识卡。

传统的入井带卡检测，使用900 MHz 范围左右的RFID 技术最为广泛，但由于频段影响，覆盖范围低，人员需主动将带有标签的标识卡靠近检测装置进行刷卡检测。该频段受检测范围与被检测人员行为影响，无法有效控制人员违规携带多张卡入井。因此，选用低频125 kHz 频段的低频唤醒模块，与人员标识卡上低频天线进行感应。由于该频段入井检测范围覆盖广，且穿透力强，适用于入井检测。低频唤醒电路原理图如图4。

图4 低频唤醒电路原理图Fig.4 Schematic diagram of low-frequency wake-up circuit

控制检测识别区域的方法有2 种：①软件限定法：在误识别区域内（即唯一性检测装置以外进出通道）安装消卡器[16]，即当标识卡靠近该区域时，停止与读卡分站（器）通信；②硬件设置法：将天线进行改造，或采用适当的天线进行区域限制。本方案采用后者方法，通过选用低频唤醒模块，同时根据辐射范围特性，将低频唤醒模块设置在唯一性检测装置顶部，方向向下（即人员进入指静脉识别区域），来进行入井人员带卡检测。当人员进入检测装置进行指静脉识别的同时，同步进行无接触、无感的带卡检测。

将低频唤醒模块设置在唯一性检测装置顶端的优势为：覆盖范围较好且遮挡性较小。如在唯一性检测装置两侧放置该模块，会导致标识卡易被人员遮挡从而产生漏读。例如：被检测人员将标识卡放置在前胸位置，而低频模块设置为被检测人员背面一侧，由于人员遮挡原因，标识卡漏读率较高。因此，设置在检测装置顶部位置，方向向下为最优选择。

4 唯一性检测装置测试

为验证基于指静脉识别的唯一性检测装置的性能，采用指静脉唯一性检测装置与陕西子长县某煤矿部署的基于虹膜识别的唯一性检测装置作为对比，测试100 人次，人员排队依次通过唯一性检测装置，指静脉与虹膜识别对比检测结果见表3。

表3 指静脉与虹膜识别对比检测结果Table 3 Comparison test results of finger vein and iris recognition

在被检测人员使用基于虹膜识别的唯一性检测装置入井时，由于部分矿工需要根据自身身高，调整头部及眼部位置，以完成虹膜检测，识别耗时主要集中在0.1～3.0 s 的区间里；而基于指静脉识别的唯一性检测装置识别，识别耗时主要集中在0.1～1.0 s 左右。由于人员识别与带卡检测同步进行，带卡检测基本能在虹膜和指静脉识别完成时，相应的完成带卡检测。因此，整个耗时长度主要由识别检测和人员进出检测装置组成。

检测表明，虹膜识别相对于指静脉识别来说，识别用时由于个体差异性，差别较大，导致用时均值较高；而指静脉识别用时个体差异性较小，用时程度较统一，均值较低。识别用时情况对全流程速度有较大的影响，在入井人员较为集中式，用时差距较明显。由于识别重复率与误读率受多种因素影响，二者在重复率和误读率上，差别不明显。

因此，指静脉识别能够兼顾识别效率与识别准确率，在100 人次的入井检测中，识别效率提升了38.9%左右。综上所述，在入井人员较为集中的煤矿企业，设备优势较为明显，能够满足煤矿高效、快速、安全的入井需求。

5 结 语

针对煤矿现有入井检测方法及装置中，存在检测效果不理想，检测效率低，检测结果不准确等问题；提出了基于指静脉识别技术的唯一性检测装置的设计方案，详细探讨了系统结构、流程、数据库等关键部分的设计思路；在实现多卡检测与人员识别的同时，减少了人员违规入井的行为，最大化的提升了入井效率。