适用于机场自助安检的智能闸机系统设计

郝登运，王建楹，李伯男

（1.中船重工海为郑州高科技有限公司，河南郑州，450015；2.郑州机电工程研究所，河南郑州，450015）

1 系统概述

智能闸机是一种人流通道的控制设备，用于管理人流并规范行人有序出入，主要应用于写字楼、地铁、高铁、机场等场所。随着互联网技术的迅速发展，针对当前机场业务规模庞大、运行主体种类繁多、航班延误频发、运营效率低、人力成本高等行业问题，“智慧机场”的建设被认为是解决上述行业问题的重要手段和发展趋势，其中机场自助安检智能闸系统是智慧机场建设的重要组成部分，而现有智能闸机总体解决方案无法满足机场自助安检的需求，本文旨提出一种以“证件+人脸”识别为核心的三开门智能闸机总体解决方案，通过“登记牌+证件”和“人脸+证件”双重审核方式，结合通行识别算法[3～4]，以实现旅客安检的自助通行，能有效的防止旅客尾随，造成登机航班延误，同时也有效提高了安检效率和安全性。

通过工控机控制证件信息读写设备获取旅客有效证件信息及摄像头捕捉旅客的面部特征，由工控机和交换机完成数据交互工作，并借助验证服务器，将证件信息和实时人脸特征信息与后台服务器中的用户信息进行检索、对比。

2 系统功能

■2.1 基本功能

（1)具备身份证信息、登机牌信息读取功能；

（2)能够完成身份证信息有效性识别；

（3)能够通过与上级系统通信完成登机牌信息真伪查验；

（4)能够通过身份证号码对旅客身份证与登机牌信息一致性核对；

（5)能够通过人脸识别完成旅客人脸与身份证照片比对，完成旅客身份查验；

（6)具备第三道门疏解功能。

■2.2 强化功能要求

（1)通过上级系统实现公安黑名单布控：将身份信息发送至黑名单系统并执行反馈指令，如果在黑名单中进行提示报警；

（2)通过本地黑名单数据库实现公安黑名单布控：通过将身份信息与本地黑名单库比对实现布控功能，本地黑名单库能够方便定期更新。

■2.3 扩展功能

（1)预留与机场离港信息系统对接接口；

（2)预留与公安系统对接接口。

3 系统总体设计

■3.1 系统组成

智能闸机采用2 组对开式拍打门模块和1 组单开式拍打门模块的总体布局设计，其系统模拟图和结构如图1 和图2 所示，主要由控制系统、前扇门模块、通道指示灯、证件阅读模块、人脸识别模块、后扇门模块、侧扇门模块、传感器及操作屏等模块组成；如图3 所示，按区域划分包括入口候检区、通道内检测区和出口检测区3 部分。

图1 智能闸机系统模拟图

图2 三开门式智能验证闸机结构组成图

图3 三开门式智能验证闸机区域布局示意图

■3.2 控制系统设计

如图4 所示，三开门式智能闸控制系统由主控模块、通道控制模块及电源模块组成；主控模块是闸机的信息存储、中转和记录中心，负责整个通行过程中各单元之间的逻辑处理和功能调度。通道控制模块通过RS232 与主控模块相连，接收主控模块发送的身份识别信息并结合通行识别模块的信息将开/关门命令发送给闸门执行单元，同时将开关门信息反馈给主控模块并通行指示灯、报警灯及蜂鸣器进行声光电提示。

图4 三开门式智能验证闸机控制系统总体框图

3.2.1 主控模块设计

主控模块是闸机的核心设备，其主要由工控机、身份识别模块、乘客显示屏、扬声器及以太网通讯接口等组成。工控机通过与身份识别模块、闸机控制板等进行数据交互，将相应的处理结果显示给旅客，控制闸机执行模块进行相应的开/关门动作。同时工控机通过网络通讯模块与监控中心进行数据传输，将旅客通行数据、设备工作状态、客流营运数据等发送给监控中心系统。

3.2.2 通道控制模块设计

通道控制模块负责对闸机执行模块的控制以及对通行指示灯、报警灯、紧急按钮的控制。通过RS232 与工控机相连，接收工控机发送的身份识别信息，结合通行识别信息通过CAN 通讯将开/关门命令发送给闸门执行模块，同时将开/关门状态反馈给工控机。

3.2.3 电源模块设计

电源模块主要有漏电保护开关、UPS不间断电源及开关电源等组成，负责为各子系统供电并保证其正常工作，同时当系统断电时，UPS 不间断电源能够保证各子系统顺利地完成一次开门，能够保障乘客顺利疏散。

3.2.4 主要器件选型

控制系统中主要器件的选型详见表1。

表1 控制系统主要器件选型表

■3.3 程序结构及模块划分

系统软件采用模块化设计、自上向下的思想，将数据和处理分离，使程序设计、调试和维护等操作简单化，同时保证了程序的实时性、兼容性、可移植性。程序结构框图如图5 所示。程序总体结构主要由身份识别子系统、闸机控制子系统、显示子系统、网络通讯子系统等组成。

图5 三开门式智能验证闸机控制系统程序结构框图

3.3.1 身份识别子系统

身份识别子系统包括证件识别子系统和人脸识别子系统。

证件识别子系统主要通过外置的证件阅读器获取证件信息。本系统主要采用基于OCR 技术的阅读器：二代身份证阅读器和登机牌阅读器，通过USB 与工控机连接。阅读器接收到工控机给予的寻卡指令，进入寻卡状态，当有效的证件置于阅读器读卡区后，阅读器自动进行证件信息读取，将读取的文字信息或图像信息通过USB 传输给工控机。然后将读取到的证件信息与后台已登记的证件信息数据库中的信息进行比对，将比对结果发送给工控机，工控机将该信息在旅客显示屏上显示，同时将证件信息存储到临时证件信息数据库中。

人脸识别子系统主要通过从前端高清摄像头获取的视频流中进行人脸图像采集，并检测提取人脸面部特征信息，即时存储至临时人脸数据库。同时可将捕获的人脸信息与身份证件识别模块获取的身份证上的照片信息比对，进一步确认旅客身份。当旅客进入到视频监控范围时，调用视频捕捉接口，进行视频捕捉。对捕捉到的视频或图像，首先判断是否存在人脸，然后确定人脸的位置、大小和面部器官的位置，并根据这些信息，进一步提取人脸中蕴含的特征。

3.3.2 闸机控制子系统

当检测到身份证件信息有效时，若通行识别状态信息为有效，符合通行条件，工控机发出闸门开启指令，闸机控制子系统根据指令使闸门打开90°，蜂鸣器响一声，只允许一人通过，同时闸机控制子系统发送通过一人进站信息给工控机，工控机保存记录并实时上传给监控中心。若通行识别状态信息无效，工控机发出指令，闸机控制子系统根据指令使闸门保持锁闭状态，报警灯亮，蜂鸣器响一声，旅客显示屏显示“有尾随旅客，请重新进入”。当检测到身份证件信息无效时，蜂鸣器响一声，旅客显示屏显示“证件信息有误，请重刷”。

3.3.3 网络通信子系统

工控机将闸机的营运信息传给监控中心，同时将旅客信息、进出站客流量信息上传。上传分实时和定时两种方式。若工控机和监控中心的通信网络中断，在通信恢复时，工控机能自动上传营运数据和监控数据。也可通过外接的维护终端，人工上传营运数据和监控数据，以及下载系统参数。

■3.4 智能验证闸机工作流程

当旅客在入口候检区将证件放在证件阅读器上读取证件信息，分别读取身份证信息与登机牌信息，并且将身份证上的照片信息写入内存，应用软件判断证件的有效性，若证件信息有效且相符，智能验证闸机的前门打开，通行的旅客进入通道内检测区，前门随即关闭；若信息无效或不符，智能闸机的前门闭锁，禁止旅客进入。

当通过入口候检区后，旅客进入通道内检测区，将上一步的身份证照片与摄像头采集的人脸信息进行比对，若比对成功，智能闸机的后门打开放行；若比对无效前门和后门均闭锁，打开侧门，系统提示旅客人脸识别比对失败，要求旅客从侧门退出闸机通道；如果人脸识别判断旅客在黑名单中，前门、后门与侧门均闭锁，并发出警报，工作流程如图6 所示。

图6 三开门式智能验证闸机工作流程框图

4 关键问题解决

■4.1 提高尾随拦截率

防尾随是机场自助登机通道闸机系统技术的一个难点问题。目前多数机场自助登机通道闸机多采用单门闸机或人工安检模式，在闸机高中低部均全部采用传统的红外传感器对成年人、儿童、拉杆箱及随身行李等进行检测识别，虽然能够识别出大部分尾随，但是对于特殊尾随（如紧身尾随、怀抱儿童等)出现漏检的概率很大，一旦闸门开启，漏检旅客在没有受检就进入候机区，给机场安全带来隐患。

如图7 所示，本方案由“三开门式总体结构”+“闸机尾随检测”相互配合实现，其中光幕区将传统的对射式红外传感器改为测量光幕，提高了尾随检测的精度[5～6]，在闸机通道内装设有高清摄像头，在旅客进入闸机通道内时，摄像头抓拍旅客并统计出闸机通道内安检旅客人数。前后双门闸机采用双门互锁形式，除特殊情况外，最多仅有一道门处于打开状态，尾随者闯入第一道门后，安检乘客进入人脸识别区同时尾随乘客进入光幕区，因此控制系统会根据人脸识别区与光幕区的识别处尾随者，当在通道内检测区检测到尾随者后闸机发出报警提示后侧门会打开或由工作人员进行处理，由于第二道门未开启，因此尾随者仍然无法进入候机区，同时尾随者无须后退，因此成功提高尾随拦截成功率。

图7 三开门式智能验证闸机尾随检测示意图

■4.2 提高人脸识别率

目前，机场安检验证系统大多采用静态人脸识别[7]，抓拍旅客面部特征时对旅客的位置、角度、距离都有着较高要求，且识别效率低。本系统采用动态人脸识别技术，系统直接从高清视频中采集最佳人脸照片，并在前端闸机处进行人脸特征分析，输出旅客面部特征并传输至安检验证系统后台服务器，在后台服务器快速完成人脸特征与身份证照片比对、人脸特征与公安数据库黑名单人员面部比对，提高了人脸比对的准确度和效率。

5 结语

本文详细介绍了三开门式智能验证闸机系统的总体设计。系统采用“证件+人脸”双重验证，做到人证合一，提高了系统的安全性和可靠性；采用“三开门式总体结构”+“闸机尾随检测”相互配合的方案可以提高尾随的检测精度，能有效防止尾随的发生。智能验证闸机目前已经运用于许多行业，如机场、高铁、地铁、海关等，未来将广泛运用于各行各业。