張煒， 付元， 劉昕

(1.北京理工大學(xué) 機電學(xué)院， 北京 100081； 2.煤炭科學(xué)技術(shù)研究院有限公司， 北京 100013； 3.煤科院節(jié)能技術(shù)有限公司， 北京 100013)

0 引言

為實現(xiàn)對煤礦井下工作人員的有效管理，根據(jù)AQ 1048—2007《煤礦井下作業(yè)人員管理系統(tǒng)使用與管理規(guī)范》中相關(guān)條款規(guī)定，各個人員出入井口應(yīng)設(shè)置檢測識別卡工作是否正常和唯一性檢測的裝置[1]?；谏鲜鲆?guī)范要求和煤礦安全生產(chǎn)管理中對攜帶多張識別卡、攜帶錯誤識別卡、未攜帶識別卡等違規(guī)行為的檢測需求，研究人員對礦用唯一性檢卡裝置進行了大量研究。

研究人員提出了利用基于掌紋與指紋、人臉圖像、步態(tài)、虹膜等生物特征的唯一性檢測技術(shù)對本人攜帶本卡進行檢測[2-4]。然而，由于礦工長期勞作，掌紋與指紋易被磨損，影響識別效果。井下煤塵較多，導(dǎo)致礦工的人臉易受污染，影響人臉識別效果。為了保證識別精度，步態(tài)識別需采集完整的步態(tài)圖像作為識別特征，造成檢測通道過長，難以適應(yīng)現(xiàn)場需求，不易推廣。虹膜識別的應(yīng)用場景不受礦井環(huán)境限制，且虹膜特征不易損壞，因此虹膜識別適合在礦用唯一性檢卡裝置中使用[5-7]。

針對出入井人員攜帶多張識別卡、攜帶錯誤識別卡、未攜帶識別卡的情況，現(xiàn)有礦用唯一性檢卡裝置對其檢測效果不是很理想，主要是因為受檢測區(qū)域外識別卡干擾，現(xiàn)有裝置不能對檢測區(qū)域內(nèi)識別卡數(shù)量進行正確檢測[8]。433 MHz無線通信技術(shù)支持各種點對點、一對多點等無線數(shù)據(jù)傳輸方式[9-12]，定向天線可以把信號能量集中在某個方向，從而保障某個方向的信號強度增強[13-14]。因此，433 MHz無線通信技術(shù)與定向天線結(jié)合可確定檢卡裝置的檢測區(qū)域，使得433 MHz無線信號只覆蓋到檢測區(qū)域內(nèi)的識別卡。

本文結(jié)合433 MHz無線通信與虹膜識別設(shè)計了一種礦用唯一性檢卡裝置。該裝置利用虹膜識別技術(shù)實現(xiàn)本人攜帶本卡檢測；采用433 MHz無線通信技術(shù)與定向天線對檢測區(qū)域內(nèi)識別卡進行檢測，從而實現(xiàn)出入井人員攜帶多張識別卡、攜帶錯誤識別卡、未攜帶識別卡等違規(guī)行為檢測。

1 裝置硬件設(shè)計

礦用唯一性檢卡裝置由區(qū)域標(biāo)志模塊、讀卡基站、識別卡數(shù)量檢測模塊、虹膜檢測模塊、閘機、語音報警模塊、供電模塊和交換機組成，如圖1所示。區(qū)域標(biāo)志模塊包括433 MHz無線通信模塊與定向天線：通過調(diào)節(jié)定向天線的發(fā)射功率，實現(xiàn)檢測區(qū)域范圍實時配置；433 MHz無線通信模塊通過定向天線向檢測區(qū)域內(nèi)識別卡發(fā)送檢測區(qū)域標(biāo)志符，以排除區(qū)域外識別卡的干擾。讀卡基站讀取檢測區(qū)域內(nèi)的識別卡信息。識別卡數(shù)量檢測模塊主要用于接收讀卡基站的信息并進行識別卡數(shù)量檢測，將識別卡數(shù)量檢測結(jié)果存儲在中間數(shù)據(jù)庫。虹膜檢測模塊主要實現(xiàn)虹膜信息的采集、注冊與識別，通過控制模塊實現(xiàn)語音報警與閘機開啟。供電模塊主要向區(qū)域標(biāo)志模塊、讀卡基站、虹膜檢測模塊、識別卡數(shù)量檢測模塊、交換機等供電。交換機主要實現(xiàn)讀卡基站、識別卡數(shù)量檢測模塊、虹膜檢測模塊的信息交互。

圖1 礦用唯一性檢卡裝置組成

2 裝置軟件設(shè)計

礦用唯一性檢卡裝置的軟件采用模塊化設(shè)計，主要包括識別卡數(shù)量檢測程序、虹膜信息檢測程序和虹膜信息與識別卡信息匹配檢測程序3個部分。

2.1 識別卡數(shù)量檢測程序

一般在井口部署2臺唯一性檢卡裝置，一臺用作入井檢卡，另一臺用作出井檢卡。為了減少2臺裝置互相干擾、檢測區(qū)域外識別卡對檢測結(jié)果的干擾，采用433 MHz無線通信模塊與定向天線對識別卡數(shù)量進行檢測。識別卡數(shù)量檢測流程如圖2所示。待檢人員進入檢測區(qū)域后，首先，通過433 MHz通信模塊發(fā)送檢測區(qū)域標(biāo)志符，識別卡獲取該檢測區(qū)域標(biāo)志符，并將標(biāo)志符嵌入到電文數(shù)據(jù)的字段中。然后，讀卡基站讀取識別卡的電文數(shù)據(jù)，判斷電文數(shù)據(jù)的檢測區(qū)域標(biāo)志符是否與配置的檢測區(qū)域標(biāo)志符相等。若相等，則將識別卡信息與當(dāng)前時間信息寫入映射表，否則不處理該電文數(shù)據(jù)。最后，在映射表中查詢距當(dāng)前時間2 s內(nèi)寫入的識別卡數(shù)量，若查詢到的識別卡數(shù)量大于1，則將查詢到的識別卡的多卡標(biāo)志置為1，否則置為0，并寫入中間數(shù)據(jù)庫的結(jié)果表。

圖2 識別卡數(shù)量檢測流程

2.2 虹膜信息檢測程序

虹膜信息檢測流程：采集工作人員的虹膜信息，并將其與該工作人員的識別卡信息進行綁定；采集檢測區(qū)域內(nèi)待檢人員的虹膜信息，識別該虹膜信息對應(yīng)的工作人員基礎(chǔ)信息，并查詢該工作人員的識別卡信息，為虹膜信息與識別卡信息匹配檢測提供依據(jù)。

2.3 虹膜信息與識別卡信息匹配檢測程序

虹膜信息與識別卡信息匹配檢測流程如圖3所示。若中間數(shù)據(jù)庫的結(jié)果表中不包括根據(jù)虹膜信息查詢到的識別卡信息，則判斷為待檢人員未攜帶識別卡；若中間數(shù)據(jù)庫的結(jié)果表中包括根據(jù)虹膜信息查詢到的識別卡信息但不一致，則判斷為待檢人員攜帶錯誤識別卡；若中間數(shù)據(jù)庫的結(jié)果表中識別卡信息與根據(jù)虹膜信息查詢到的識別卡信息一致，且該識別卡信息中多卡標(biāo)志為1，則判斷為待檢人員攜帶多張識別卡,為0則判斷為待檢人員攜帶了1張識別卡，且為本人的識別卡。

圖3 虹膜信息與識別卡信息匹配檢測流程

3 裝置測試

3.1 測試指標(biāo)

選用多卡檢測率、多卡漏檢率、錯卡檢測率、無卡檢測率、正確卡檢測率、多卡虛警率、錯卡虛警率、無卡虛警率、檢測時間為測試指標(biāo)。

多卡檢測率指待檢人員攜帶多張識別卡被正確檢測的概率；多卡漏檢率指待檢人員攜帶了多張識別卡未被正確檢測的概率；錯卡檢測率指待檢人員攜帶別人的識別卡被正確檢測的概率；無卡檢測率指待檢人員沒有攜帶識別卡被正確檢測的概率；正確卡檢測率指待檢人員攜帶本人識別卡成功通過檢測的概率；多卡虛警率指待檢人員未攜帶多張識別卡被檢測成多卡的概率；錯卡虛警率指待檢人員未帶錯卡被檢測成錯卡的概率；無卡虛警率指待檢人員攜帶了識別卡被檢測成無卡的概率。

3.2 測試方法

(1) 多卡檢測。100名實驗人員，每個實驗人員攜帶2張識別卡通過礦用唯一性檢卡裝置的檢測區(qū)域。

(2) 錯卡檢測。100名實驗人員，每個實驗人員攜帶別人的識別卡通過礦用唯一性檢卡裝置的檢測區(qū)域。

(3) 無卡檢測。100名實驗人員均不攜帶識別卡通過礦用唯一性檢卡裝置的檢測區(qū)域。

(4) 正確卡檢測。100名實驗人員攜帶本人識別卡通過礦用唯一性檢卡裝置的檢測區(qū)域。

(5) 檢測時間。測試人員進入礦井入口時，礦用唯一性檢卡裝置立即對其進行識別，并開始計時；閘機開啟或語音報警時，停止計時。停止計時的時間與開始計時的時間差為檢測時間。

3.3 測試結(jié)果

測試結(jié)果見表1?？煽闯龆嗫z測、錯卡檢測、無卡檢測與正確卡檢測的準(zhǔn)確率均為100%，且平均檢測時間均不超過2 s。

表1 測試結(jié)果

4 結(jié)論

(1) 通過調(diào)節(jié)定向天線的發(fā)射功率，實現(xiàn)檢測區(qū)域范圍實時配置；433 MHz無線通信模塊通過定向天線向檢測區(qū)域內(nèi)識別卡配置檢測區(qū)域標(biāo)志符，以排除區(qū)域外識別卡干擾，對檢測區(qū)域內(nèi)識別卡數(shù)量進行檢測，從而實現(xiàn)出入井人員攜帶多張識別卡、攜帶錯誤識別卡、未攜帶識別卡等違規(guī)行為檢測。

(2) 對檢測區(qū)域內(nèi)待檢人員的虹膜信息進行識別，并查詢該人員的識別卡信息，根據(jù)虹膜信息查詢到的識別卡信息與中間數(shù)據(jù)庫的結(jié)果表信息進行對比，實現(xiàn)本人攜帶本卡的檢測。

(3) 測試結(jié)果表明，針對攜帶多張識別卡、攜帶錯誤識別卡、未攜帶識別卡與本人攜帶本卡的情況，基于433 MHz無線通信與虹膜識別的礦用唯一性檢卡裝置的檢測準(zhǔn)確率均為100%，且平均檢測時間均不超過2 s。