張軒，張平

一種新型機(jī)場旅客無感安檢系統(tǒng)設(shè)計

張軒1，張平2

（1.民航成都電子技術(shù)有限責(zé)任公司，四川 成都 611430； 2.中國民用航空總局第二研究所，四川 成都 610041）

從安檢設(shè)備的優(yōu)化組合及新一代安檢流程設(shè)計出發(fā)，利用人臉識別技術(shù)、行人重識別（ReID）技術(shù)、RFID識別技術(shù)等新興技術(shù)，構(gòu)建一套安全、便捷、高效的民航機(jī)場旅客自助安檢系統(tǒng)，解決市面上“智慧安檢”系統(tǒng)中旅客識別與驗證過程受安檢人員口令、固定攝像頭視覺局限以及旅客配合程度等因素制約導(dǎo)致的安檢效率與體驗不高的問題，從而實現(xiàn)無需口令與無需主動配合的“智能無感”安檢新模式。模擬試驗結(jié)果表明，集成ReID技術(shù)的新型安檢系統(tǒng)提升了旅客平均過檢效率，為智慧安檢的研究和落地起到借鑒和推進(jìn)作用。

機(jī)場旅客無感安檢系統(tǒng)；行人重識別；旅客全流程識別定位

日益增長的民航旅客運(yùn)輸流量給現(xiàn)有安檢系統(tǒng)的安全與效率帶來了新的需求與挑戰(zhàn)，如何保證旅客出行的便捷、快速、安全、舒適是衡量民航機(jī)場服務(wù)，打造智慧、平安機(jī)場的關(guān)鍵[1]。各大樞紐機(jī)場推出了各自的自助安檢方案，如基于機(jī)場旅客“人包關(guān)聯(lián)”的安檢需求，憑借人臉（生物）識別、無線射頻識別（Radio Frequency Identification，RFID）與信息融合等技術(shù)，研發(fā)了安檢信息集成互通的旅客自助安檢系統(tǒng)，減少旅客排隊時間，提升安檢效率[2-3]。

但這些系統(tǒng)大多仍處于試驗階段，且極大依賴于人臉識別技術(shù)的性能表現(xiàn)，對于人臉無法識別情況（口罩遮擋、人臉拍攝不清晰等）沒有有效解決手段；旅客仍需遵循口令頻繁配合機(jī)器，在安檢高峰期反而延長過檢時間。作為人臉識別技術(shù)缺陷的“補(bǔ)充”，行人重識別（Personre-identification，ReID）技術(shù)可分析旅客整體體型特征（衣著外觀、發(fā)型等）以實現(xiàn)目標(biāo)圖像的實時檢索與識別。本文對上述系統(tǒng)應(yīng)用場景進(jìn)行分析對比，提出一種基于ReID、人臉識別等多技術(shù)的民航機(jī)場旅客無感安檢系統(tǒng)方案，實現(xiàn)無需口令、主動配合的“智能無感”安檢，快速完成旅客行李與旅客信息綁定；同時充分利用安檢場景旅客ReID識別與定位信息，實現(xiàn)安檢對象現(xiàn)場數(shù)據(jù)精確查詢與軌跡追蹤，提升安檢效率與旅客過檢體驗，對特殊安檢對象（如嫌疑犯罪者、無人事能力者等）追蹤提供有力手段，降低安檢員的工作強(qiáng)度。

1 國內(nèi)外安檢系統(tǒng)現(xiàn)狀分析

國際航空運(yùn)輸協(xié)會（International Air Transport Association，IATA）早在2011年就公布了“未來機(jī)場安檢站”（Checkpoint of the Future）的理念雛形[5]，英國史密斯探測、美國達(dá)美航空公司等推出了擁有多人并排放、托盤回傳、遠(yuǎn)程圖像判讀的智能安檢通道。國內(nèi)近兩年也出現(xiàn)了一些新型安檢系統(tǒng)應(yīng)用并正向市場推廣[4]。目前這些推廣的自助安檢系統(tǒng)在業(yè)務(wù)層面多由八大部分組成，且旅客安檢共需經(jīng)過四步驟，其安檢場景如圖1所示。

圖1 自助安檢業(yè)務(wù)場景圖

旅客首先來到驗證閘機(jī)位進(jìn)行步驟1人證合一操作。通過安檢閘機(jī)后來到行李放置區(qū)，進(jìn)行步驟2放置隨身行李入（行李）托盤等待行李安檢，完成行李托盤（行李包）與人的信息綁定。將行李托盤推入傳輸帶后，旅客走向金屬探測安檢門進(jìn)行步驟3人體安檢；與此同時，旅客行李進(jìn)入X光機(jī)進(jìn)行行李安檢，并完成托盤與X光機(jī)圖像的綁定。最后，旅客行至空框回收處前，提取自己行李；安檢員針對可疑行李進(jìn)行開包與回傳復(fù)檢。整個過程中，系統(tǒng)通過托盤上的RFID識別和空框圖像識別進(jìn)行人與行李（托盤）的綁定與傳輸回收（業(yè)務(wù)2/5/6/8）。

在實際安檢環(huán)節(jié)中，上述系統(tǒng)仍存在一些問題。一方面對于不熟悉安檢環(huán)節(jié)、首次乘機(jī)，尤其是人臉遮擋或無法識別的旅客，只依賴于人臉識別的安檢閘機(jī)反而會降低通行速度。另一方面，在行李放置區(qū)前，旅客必須再一次配合攝像頭進(jìn)行人臉識別才能完成人、托盤（包）的信息綁定，在人流量高峰期旅客的配合程度和人包信息的綁定效果大打折扣。此外，整個安檢流程中，缺少有效手段針對特殊安檢對象進(jìn)行追蹤與現(xiàn)場事件追溯。

針對上述問題，可采用ReID技術(shù)結(jié)合人臉識別，解決單一人臉識別技術(shù)缺陷，完成多攝像頭下旅客遠(yuǎn)距離動態(tài)實時識別與定位追蹤。無需旅客額外配合即可實現(xiàn)智能無感安檢，提升安檢高峰期旅客過檢速度與信息綁定利用率。文獻(xiàn)[6]于1961年首次提出ReID的概念，能實現(xiàn)跨視圖（跨攝像頭）信息關(guān)聯(lián)。通過特征提取和度量學(xué)習(xí)的方式應(yīng)對在不同攝像頭下行人變化的特征（如脫衣服、戴口罩），并與已知行人圖像特征匹配；返回行人在全景圖像中的坐標(biāo)，達(dá)到實時識別、跟蹤定位的效果[7-9]。目前，行人重識別技術(shù)主要用于交通卡口和公共安防的刑偵工作（如“天眼”），在機(jī)場安檢中尚無應(yīng)用。

2 機(jī)場無感安檢系統(tǒng)原理及架構(gòu)分析

2.1 系統(tǒng)業(yè)務(wù)描述與流程分析

從安檢設(shè)施設(shè)備的優(yōu)化組合及新一代安全檢查流程出發(fā)，本系統(tǒng)將在上述分析的安檢業(yè)務(wù)基礎(chǔ)上，新增全場景下多個旅客動態(tài)人臉識別與遠(yuǎn)距離人體外形的實時識別與定位業(yè)務(wù)（圖1中業(yè)務(wù)9與10），分別由新增架設(shè)的人體全景識別與安檢通道監(jiān)控攝像頭進(jìn)行圖像采集并傳于后臺進(jìn)行數(shù)據(jù)處理。此外，旅客進(jìn)行人與行李信息綁定時（圖1中業(yè)務(wù)2），無需再強(qiáng)制正對鏡頭，可在運(yùn)動中完成身份的核驗與后臺行李托盤RFID信息的綁定。整個系統(tǒng)安檢業(yè)務(wù)流程與控制手段如圖2所示。

2.2 系統(tǒng)設(shè)備模塊與網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)

如圖3所示，系統(tǒng)的設(shè)備模塊與網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)由旅客自助驗證裝置、安檢通道采集監(jiān)控攝像頭×（假設(shè)共4個）、后臺服務(wù)器（包括應(yīng)用服務(wù)器、圖形處理服務(wù)器、數(shù)據(jù)庫服務(wù)器）、行李安檢傳輸裝置、X光機(jī)及中央交換機(jī)六個模組的設(shè)備構(gòu)成。其中，旅客自助驗證裝置包括閘機(jī)體上的識別、檢測各組件，且附加的閘機(jī)人體全景采集相機(jī)均由閘機(jī)控制單元控制，并與外界進(jìn)行數(shù)據(jù)互通；行李安檢X光機(jī)、4個高清安檢通道采集監(jiān)控攝像頭與后臺三個服務(wù)器均連接中央核心交換機(jī)進(jìn)行現(xiàn)場人、行李相關(guān)圖數(shù)據(jù)的采集、傳輸、處理與存儲，是后臺運(yùn)算的核心；整個安檢系統(tǒng)設(shè)備主體——行李輸送裝備，由多個RFID閱讀器、光電開關(guān)電機(jī)與滾輪組成，同時上述在行李放置區(qū)附加的人體識別相機(jī)均受傳輸裝置控制單元調(diào)度，通過中央交換機(jī)完成人包關(guān)聯(lián)、輸送滾筒傳動控制信號的收發(fā)與安檢信息數(shù)據(jù)交互。

2.3 系統(tǒng)架構(gòu)與功能分析

機(jī)場旅客無感安檢系統(tǒng)是于民航機(jī)場安檢區(qū)復(fù)雜場景下，一套集旅客人證合一及安檢信息自動采集、旅客身份快速識別與位置精確跟蹤、輸送機(jī)的控制和空框傳送，以及行李托盤、行李安檢數(shù)據(jù)與旅客數(shù)據(jù)關(guān)聯(lián)為一體的新型智慧安檢系統(tǒng)。從數(shù)據(jù)應(yīng)用角度出發(fā)，本系統(tǒng)將設(shè)計信息平臺軟件，作為本系統(tǒng)各安檢環(huán)節(jié)及子系統(tǒng)的數(shù)據(jù)/服務(wù)集成的界面展示，直觀展示旅客實時與歷史的安檢關(guān)聯(lián)信息。

2.3.1 系統(tǒng)總架構(gòu)

從功能需求和軟件架構(gòu)進(jìn)行分析，源型系統(tǒng)設(shè)計分為：客戶應(yīng)用層、業(yè)務(wù)服務(wù)層、數(shù)據(jù)層及基礎(chǔ)資源層，如圖4所示。

圖2 系統(tǒng)安檢業(yè)務(wù)流程與控制手段圖

圖3 系統(tǒng)設(shè)備模塊與網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)圖

（1）客戶應(yīng)用層

由人證合一子系統(tǒng)、傳輸控制子系統(tǒng)、安檢信息集成平臺組成，主要負(fù)責(zé)與用戶進(jìn)行數(shù)據(jù)交互、采集信息，并向用戶反饋后臺處理結(jié)果。其中，人證合一子系統(tǒng)、傳輸控制子系統(tǒng)均為軟硬件結(jié)合可獨(dú)立運(yùn)行的子系統(tǒng)，信息集成平臺主要為安檢綜合信息的展示界面軟件。

（2）業(yè)務(wù)服務(wù)層

負(fù)責(zé)定義服務(wù)內(nèi)容，完成業(yè)務(wù)邏輯的處理。向上層客戶端應(yīng)用提供需要的所有服務(wù)，包括：

①旅客基礎(chǔ)信息采集服務(wù)：接收閘機(jī)上器件識別信號，解析處理識別信息，完成人證合一等客戶端與硬件數(shù)據(jù)的交互與互通；

②人、行李、X光機(jī)信息綁定服務(wù)：處理上層客戶端發(fā)送的人、行李、X光機(jī)圖像和旅客基礎(chǔ)信息進(jìn)行數(shù)據(jù)庫關(guān)聯(lián)，并實時更新、反饋關(guān)聯(lián)結(jié)果；

③旅客真實坐標(biāo)映射服務(wù)：計算上層ReID傳輸?shù)穆每妥鴺?biāo)，根據(jù)預(yù)設(shè)映射規(guī)則，向客戶端返回旅客真實場景世界坐標(biāo)；

④安檢信息查詢服務(wù)：根據(jù)上層應(yīng)用查詢條件，返回安檢信息查詢結(jié)果；

⑤數(shù)據(jù)讀寫存儲服務(wù)：用于上層應(yīng)用相關(guān)數(shù)據(jù)的讀、寫、存儲更新。

（3）數(shù)據(jù)層

數(shù)據(jù)層提供數(shù)據(jù)持久化功能，包含結(jié)構(gòu)化數(shù)據(jù)和非結(jié)構(gòu)化數(shù)據(jù)。結(jié)構(gòu)化數(shù)據(jù)通過關(guān)系型數(shù)據(jù)庫進(jìn)行存儲，如旅客基本信息，旅客人證、人包關(guān)聯(lián)信息等。非結(jié)構(gòu)化數(shù)據(jù)通過非關(guān)系型數(shù)據(jù)庫進(jìn)行存儲，主要存儲旅客現(xiàn)場圖形、行李X光機(jī)照片等。

（4）基礎(chǔ)資源層

基礎(chǔ)資源層提供各種服務(wù)器、網(wǎng)絡(luò)、操作系統(tǒng)等基礎(chǔ)資源。

圖4 系統(tǒng)總體架構(gòu)圖

2.3.2 人證合一子系統(tǒng)功能

（1）旅客基礎(chǔ)信息采集

基于市面現(xiàn)有雙欄閘機(jī)設(shè)計，旅客按照現(xiàn)場語音或提示板的提示，在證件掃描區(qū)完成登機(jī)牌掃描碼、身份證號、護(hù)照號、旅客現(xiàn)場人臉圖片、設(shè)備地址、發(fā)送時間等信息采集，調(diào)用后臺采集服務(wù)進(jìn)行數(shù)據(jù)傳輸。

（2）旅客全身照片采集與人證合一

旅客驗證證件期間，人體全景采集相機(jī)采集旅客全身照片，捕捉動態(tài)人臉圖像進(jìn)行人臉識別。若成功識別核驗無誤后，調(diào)用信息綁定服務(wù)，關(guān)聯(lián)旅客基礎(chǔ)信息與人體全景照片。

（3）閘機(jī)控制

閘機(jī)控制遵守各組件通信協(xié)議，進(jìn)行通信信號收發(fā)，同時具有防尾隨等警報功能。

2.3.3 傳輸控制子系統(tǒng)功能

（1）旅客ReID實時識別與定位

旅客進(jìn)入安檢通道直至離開，安檢場景四周的監(jiān)控相機(jī)采集旅客全景圖像，計算該旅客的ReID識別結(jié)果（相似度與旅客圖像坐標(biāo)），根據(jù)坐標(biāo)映射服務(wù)定義的規(guī)則計算旅客的實時真實坐標(biāo)，在數(shù)據(jù)庫更新并存儲。

（2）托盤RFID識別與人、行李關(guān)聯(lián)

放置行李進(jìn)入行李托盤后，系統(tǒng)將識別該托盤RFID標(biāo)記信息，同時進(jìn)行旅客實時ReID識別與定位。若此時旅客識別成功，調(diào)用服務(wù)將該行李托盤RFID信息、人的基礎(chǔ)與識別信息進(jìn)行關(guān)聯(lián)；若ReID識別失敗，再進(jìn)行配合式人臉識別。

（3）人、行李、X光機(jī)圖像關(guān)聯(lián)

通過X光機(jī)前后布置的RIFD閱讀器識別進(jìn)入X光機(jī)行李托盤RFID信息，同時采集行李外觀圖像，調(diào)用綁定服務(wù)和存儲服務(wù)完成人、行李、行李安檢圖像信息的關(guān)聯(lián)與存儲。

（4）空框識別及解綁

旅客提取行李時，位于空框回收口的托盤暫停傳輸，由相機(jī)采集托盤圖像進(jìn)行空框圖像識別判定，確認(rèn)無行李后托盤由空框回收口下方的RFID閱讀器識別，解除該托盤綁定信息。

（5）傳輸機(jī)構(gòu)控制及回傳

對于可疑行李，X光機(jī)后方RFID識別托盤編號，并控制電機(jī)自動分流至開包臺等待開包檢查；對于開包后仍可疑的行李，通過復(fù)檢線傳輸機(jī)回傳至X光機(jī)前再次復(fù)檢。系統(tǒng)識別為空的托盤，由傳輸機(jī)下層的回傳線自動回傳至行李提取區(qū)。整個傳輸機(jī)上的RFID閱讀器、紅外傳感、電機(jī)、掃碼器等設(shè)備的調(diào)用，均遵守可編程邏輯控制方式。傳輸機(jī)構(gòu)及回傳系統(tǒng)結(jié)構(gòu)設(shè)計參考文獻(xiàn)[10]，由于器件和調(diào)用邏輯較多且原理研究成熟，本文不對具體傳動控制進(jìn)行闡述。系統(tǒng)傳輸與控制信號流程可參考圖2。

2.3.4 自助安檢集成平臺功能

（1）行李開包查詢

行李開包子系統(tǒng)用于安檢人員當(dāng)面對旅客的行李進(jìn)行開包檢查；開包臺RFID讀碼器讀取行李筐RFID，調(diào)取旅客信息與行李安檢圖像信息、行李外觀圖像等，并在顯示器上顯示，方便開包員快速確認(rèn)行李信息。開包員確認(rèn)該行李安檢狀態(tài)正常后，后臺安檢查詢服務(wù)更新該行李異常狀態(tài)為正常。

（2）旅客人包實時關(guān)聯(lián)識別信息展示

實時記錄并刷新當(dāng)前安檢場景中，多個旅客的人、行李包識別定位信息記錄，進(jìn)行列表詳情展示與查詢。系統(tǒng)提供旅客與行李在設(shè)定的監(jiān)控區(qū)域內(nèi)的識別、定位信息與運(yùn)動軌跡可視化展示。

（3）實時視頻監(jiān)控信息采集與識別管理

對各監(jiān)控識別攝像頭的實時監(jiān)控畫面，可進(jìn)行監(jiān)控管理，并在其圖像上展示旅客識別的屬性信息和結(jié)果。

（4）歷史安檢信息查詢與旅客追溯

對于歷史安檢數(shù)據(jù)，提供多種條件查詢功能，可查看對應(yīng)查詢旅客的安檢相關(guān)綜合信息，展示該旅客此次安檢歷史視頻中的運(yùn)動軌跡。

（5）安檢信息統(tǒng)計分析

安檢人員可通過數(shù)據(jù)庫檢索人、行李的關(guān)聯(lián)歷史信息，根據(jù)查詢條件以圖表的形式統(tǒng)計在某段時間內(nèi)的安檢人數(shù)、行李數(shù)量和異常行李信息，提供差異化安檢的數(shù)據(jù)依據(jù)。同時統(tǒng)計旅客識別率與誤識率、安檢異常數(shù)據(jù)告警率，直觀顯示本系統(tǒng)的安檢性能指標(biāo)，橫向?qū)Ρ痊F(xiàn)有安檢系統(tǒng)，便于系統(tǒng)修正與改進(jìn)。

3 現(xiàn)場測試

為驗證上述系統(tǒng)設(shè)計的性能效果，在民航二所新津產(chǎn)業(yè)基地部署試驗測試裝置與環(huán)境（完成整體架構(gòu)與主要功能組建）。針對人體和人臉的圖像視頻數(shù)據(jù)來自清華Market-1015與香港中文大學(xué)CelebA數(shù)據(jù)集，同時使用試驗現(xiàn)場模擬采集數(shù)據(jù)用于ReID與百度開源人臉識別算法進(jìn)行訓(xùn)練。ReID算法采用Mutiple Granularity Network（MGN）模型[11]，兼顧識別速度與效果。

試驗選取包含衣著相似、戴口罩的十多個安檢目標(biāo)，模擬了當(dāng)下自助安檢系統(tǒng)安檢流程，并與本系統(tǒng)性能進(jìn)行對比。如圖5所示，本系統(tǒng)針對面部遮擋、衣著外觀相似的旅客能進(jìn)行有效的識別并返回識別相似度，而現(xiàn)有自助安檢系統(tǒng)表現(xiàn)較差；同時根據(jù)場景監(jiān)控視頻圖像，系統(tǒng)識別并返回多個安檢對象在試驗場地的運(yùn)動軌跡，具有獨(dú)特功能性。經(jīng)過多次試驗測試統(tǒng)計，單一使用百度人臉識別的安檢系統(tǒng)比本系統(tǒng)過檢速度平均慢9 s（人流越大差值越明顯），這也表明了本系統(tǒng)安檢效率優(yōu)越性

圖5 綜合識別效果及安檢場景多人識別與軌跡追蹤

4 結(jié)論與展望

本文提出一種新型機(jī)場旅客無感自助安檢系統(tǒng)設(shè)計，該系統(tǒng)集測控技術(shù)、人臉識別、RFID識別及數(shù)據(jù)關(guān)聯(lián)等技術(shù)于一體，引入ReID識別與定位追蹤技術(shù)，解決安檢系統(tǒng)實際應(yīng)用中人臉識別效果不佳、頻繁機(jī)器口令導(dǎo)致過檢體驗不高的問題，實現(xiàn)了旅客在安檢過程中人、行李、X光機(jī)圖像信息快速綁定，形成無口令無配合的無感安檢模式。

此外，本系統(tǒng)充分利用旅客安檢關(guān)聯(lián)信息及ReID識別數(shù)據(jù)，在應(yīng)用層面設(shè)計安檢信息機(jī)場平臺，直觀展示安檢旅客在應(yīng)用場景下實時與歷史運(yùn)動軌跡與安檢綁定信息。通過部署測試驗證裝置與環(huán)境，驗證了本系統(tǒng)設(shè)計的無感識別、定位追蹤功能與良好性能表現(xiàn)，提升了機(jī)場安檢系統(tǒng)智能化水平，為智慧安檢的研究和落地起到借鑒和推進(jìn)作用。

由于本文提及人臉識別技術(shù)與ReID技術(shù)融合只涉及定義，面對人臉、人體均無法有效區(qū)分的情況（面部遮擋、相似衣著體型），如何設(shè)計一套融合機(jī)制，對于復(fù)雜場景下多人同時進(jìn)行人臉、人形、步態(tài)等多模態(tài)的旅客綜合識別，是作者團(tuán)隊下一步研究的核心目標(biāo)。

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Design of an Insensible Security System for Airport Passengers

ZHANG Xuan1，ZHANG Ping2

( 1.Civil Aviation Electronic Technology Co., Ltd., Chengdu 611430, China; 2.The Second Research Institute of CAAC, Chengdu 610041, China )

Security personnel password, fixed camera visual limitations, the degree of passenger cooperation and other factors cause low efficiency and poor passenger experience in smart security systems. In order to solve these problems, this paper intends to build a safe, convenient and efficient self-help passenger security system by using new technologies, like face ID recognition, Personre-identification (ReID), and RFID recognition, based on optimized combination of security equipment and new generation security process. A new "intelligent and insensible" security inspection mode without passwords and active cooperation is proposed. The simulation test results show that the new security inspection system integrated with ReID technology improves the average passenger inspection efficiency and provides a useful reference for the research and implementation of intelligent security inspection.

airport passenger insensible security system；ReID；passenger identification and positioning in the whole process

TP271.4

A

10.3969/j.issn.1006-0316.2021.05.009

1006-0316 (2021) 05-0061-07

2020-10-21

四川省科技計劃項目（2019YFG0052）

張軒（1992－），男，陜西漢中人，碩士研究生，主要研究方向為機(jī)場安全及5G虛擬化資源分配，E-mail：zhangxuan@caacetc.com；張平（1977－），男，四川成都人，碩士研究生，高級工程師，主要研究方向為機(jī)場安全與安保。