姚馳甫 沈富可 何印蕾

（1.上海第二工業(yè)大學(xué)計算機(jī)與信息學(xué)院 上海市 201209 2.華東師范大學(xué) 信息化辦公室 上海市 200062）

（3.上海宜馳網(wǎng)絡(luò)科技有限公司 上海市 201318）

第五代移動通信網(wǎng)絡(luò)——5G，因其所具有的高帶寬低時延等特性，催生了很多新的應(yīng)用，也使一些原本因為移動網(wǎng)絡(luò)帶寬小、時延大的原因，效果不佳的應(yīng)用得到了解決。如自動駕駛、無人機(jī)操縱、智能電網(wǎng)[1]、遠(yuǎn)程醫(yī)療等。

云計算能使資源得以集中管理和方便訪問，但從終端設(shè)備到云計算中心，數(shù)據(jù)傳輸要產(chǎn)生大量的時延，這對于實時性要求高的緊急應(yīng)用，產(chǎn)生了極大的制約；而對于高清圖片和音頻、視頻流的傳輸，時延將更加明顯。邊緣計算或者說霧計算[2]，它介于云計算與終端設(shè)備算力之間，雖然算力上比不上云計算，但在時延上卻小得多，且它的出現(xiàn)，降低了云計算中心的負(fù)載，也降低了計算集中式的風(fēng)險。這使得邊緣計算在近幾年中得到了迅猛地發(fā)展，據(jù)預(yù)測，到2022年，邊緣計算市場規(guī)模將超萬億元[3]。

通過霧計算，如果機(jī)器人能夠連接到網(wǎng)絡(luò)，那么一部分繁重的計算任務(wù)就可以卸載到一個 或一組具有更高計算能力的霧節(jié)點上[5]。對于火車站、機(jī)場、汽車站出口、進(jìn)口、售票廳等這種人流量大，急性傳染病發(fā)熱病人檢測需要迅速準(zhǔn)確的地方，傳統(tǒng)的、工作人員使用紅外體溫計及身份證查詢器，對過往人員進(jìn)行人工測體溫和刷身份證的做法，已經(jīng)不適合惡性傳染疫情時期了。研究出一種更安全高效、取代人工方式的排查方法，勢在必行。

通過使用移動性很強(qiáng)的智能機(jī)器人，通過5G快速網(wǎng)絡(luò)連接及邊緣計算的快速身份及來源地識別能力支持，可以在任何進(jìn)出口進(jìn)行紅外體溫檢測及身份核驗工作，取代人工核驗，減少工作人員感染的概率，是目前一種非常高效及切實可行的工作方法。

1 智能機(jī)器人檢測省力安全

使用智能機(jī)器人進(jìn)行急性傳染病發(fā)熱病人初步檢查，其必要性有三點：

（1）急性傳染病發(fā)熱病人傳染性非常強(qiáng)，工作人員的感染率高居不下；此類傳染病一氣一病，癥狀相似，傳染性強(qiáng)，易于流行，而且發(fā)病急驟。如果由人工進(jìn)行檢查，工作人員必須手持體溫計等近距離測試受檢人員，如果受檢人員是感染源，那就很容易傳染到工作人員。

（2）當(dāng)前工作人員非常緊缺，部分工作人員工作負(fù)荷過重，有些甚至累倒、病倒在工作崗位上；檢查人員工作時是高度精力集中和緊張的，工作強(qiáng)度大，一般幾個小時必須更換一次，這使一個卡口一天要配置好幾個班次共好幾個人。

圖1：人工排查發(fā)熱病人卡口[4]

（3）沒法快速確定被檢測人是否是從重點疫區(qū)來。由于擔(dān)心相互傳染，有些工作人員不敢過于靠近受檢人員，這導(dǎo)致測試體溫不準(zhǔn)確；有些則是操作不專業(yè)，造成多次操作才成功。而智能機(jī)器人可以更加靠近并一直保持固定的距離而實現(xiàn)較高的操作水平，這使使用智能機(jī)器人檢測更加快速準(zhǔn)確。

急性傳染病發(fā)熱病人排查（安檢）的成本非常的高，不僅因為工作人員的成本提高了，還有因為排查人員的緊缺造成一些通道通過的速度變慢了，如果是排查人員業(yè)務(wù)不熟，還會造成通過人群的抱怨。

使用智能機(jī)器人進(jìn)行排查，不但可以減少排查人員，而且還能做到一些人工方式做不到的地方。比如，現(xiàn)在好的智能機(jī)器人不但可以通過人臉進(jìn)行身份的快速識別，還可以通過虹膜、語音進(jìn)行身份識別，能讓被檢人在配戴口罩的情況下識別出身份，這是人工難以實現(xiàn)的。智能機(jī)器人在虹膜識別和身份證查詢時，還可以結(jié)合邊緣計算的大數(shù)據(jù)追蹤平臺查詢是否是來自重點疫區(qū)的？是否是網(wǎng)上在逃嫌疑犯？這是人工檢查所不能比擬的。

本系統(tǒng)設(shè)計的智能機(jī)器人自身配有高能鋰電池，能在無交流供電的情況下持續(xù)工作數(shù)小時。電池用完，接上交流電，能工作的同時還可以給電池充電。智能機(jī)器人左手持額部測溫儀，右手持刷卡式身份證讀卡器；其兩只眼睛是高清攝像頭，可以進(jìn)行面部識別和眼睛的虹膜識別兩種方式；嘴部為揚聲器，用以進(jìn)行語音播報。工作人員還可以使用遙控器遙控本機(jī)器人慢速移動。智能機(jī)器人外觀圖如圖2所示。

圖2：智能機(jī)器人外觀圖

2 用5G移動通信解決移動性和快速信息傳遞

在5G網(wǎng)絡(luò)已經(jīng)覆蓋的公共場所，智能機(jī)器人擺在哪里都不用布網(wǎng)絡(luò)線，甚至可以隨時移動位置。這就解決了排查點的移動性和靈活性問題，對于有些地方根據(jù)人流量臨時設(shè)置的排查點，更加顯示出其優(yōu)越性。智能機(jī)器人使用5G移動通信網(wǎng)絡(luò)與基站進(jìn)行通訊，5G通信產(chǎn)生的空中接口時延大概在1ms以內(nèi)，而服務(wù)器的訪問時延一般可達(dá)到小于50ms。如果在基站附近設(shè)置邊緣計算服務(wù)節(jié)點，則5G傳輸時延加邊緣計算時延的總和可以控制在51ms左右[6]。這樣的解決方案還能使智能巡檢機(jī)器人可以取代民警進(jìn)行快速高效地進(jìn)行在逃人員巡察。

網(wǎng)絡(luò)帶寬方面，5G在設(shè)計上將為終端用戶提供10G的接入帶寬，目前的實測速度已經(jīng)達(dá)到1Gbps以上。而在時延上，在理想情況下端到端時延為將小于1ms，目前4G的則約為10ms，LTE的端到端典型時延是50-100ms。

對于減少空口接入時延采用的主要技術(shù)手段是超短幀和提高載波本振頻率源短期頻率穩(wěn)定度[7]。對于降低承載網(wǎng)時延前傳采用全光網(wǎng)G.Metro技術(shù)并以單纖雙向傳輸減少時延差、對于核心網(wǎng)時延通過優(yōu)化轉(zhuǎn)發(fā)路由和減少映射復(fù)用層次以及網(wǎng)絡(luò)下沉等技術(shù)手段實現(xiàn)低時延。其中，對于提高承載網(wǎng)設(shè)備內(nèi)的時鐘源頻率精度等級以減少緩存時延也是必須的。這也是ITU-T G.8273.2對邊界時鐘（BC）提高要求的原因?？罩薪涌诘碾p向時延如圖3所示。

圖3：空中接口的雙向時延

3 虹膜識別加身份證認(rèn)證技術(shù)結(jié)合高效可行

如圖4所示，人的眼睛結(jié)構(gòu)由鞏膜、虹膜、瞳孔晶狀體、視網(wǎng)膜等部分組成，如圖4所示。虹膜是位于黑色瞳孔和白色鞏膜之間的圓環(huán)狀部分，其包含有很多相互交錯的斑點、細(xì)絲、冠狀、條紋、隱窩等的細(xì)節(jié)特征。而且虹膜在胎兒發(fā)育階段形成后，在整個生命歷程中將是保持不變的。這些特征決定了虹膜特征的唯一性，同時也決定了身份識別的唯一性[8]。因此，可以將眼睛的虹膜特征作為每個人的身份識別對象。

圖4：人眼結(jié)構(gòu)與虹膜的位置[4]

虹膜識別技術(shù)目前已經(jīng)十分成熟，最新的識別距離接近1.2米，識別速度小于2秒，是所有的生物識別技術(shù)中，最安全可靠的一種之一。在很多火車站、機(jī)場、汽車站等都得到了應(yīng)用，有些車站能使用電子車票，取票時輸入乘車人的虹膜，在后面的車票查檢中，均可以使用虹膜來作為車票憑據(jù)，至今尚未聽說用相似的虹膜來假冒認(rèn)證得以通過的現(xiàn)象，使用改進(jìn)算法后的虹膜識別技術(shù)可以達(dá)到99.423%的識別精度[9]，據(jù)統(tǒng)計如果兩個虹膜紋理相似度達(dá)到70%就可以人為是同一個人，因為其相似的概率是七十億分之一，這就是虹膜唯一性的體現(xiàn)[10]。讀取到被查驗人的虹膜圖像后，通過5G網(wǎng)絡(luò)快速傳遞到邊緣計算服務(wù)器，與服務(wù)器中的副本的虹膜-身份證公安信息數(shù)據(jù)庫進(jìn)行比對，進(jìn)行居民身份證號碼識別，如果數(shù)據(jù)庫中有此人的虹膜-身份證記錄，就到查詢到此人的身份證號碼。再把此身份證號碼與交通部門購票數(shù)據(jù)庫本地副本進(jìn)行查找，如發(fā)現(xiàn)此人最近在主要疫區(qū)上下車或經(jīng)過，就返回隔離提醒。這就實現(xiàn)了用虹膜身份識別或用身份證讀卡器進(jìn)行主要疫區(qū)來源地追蹤的工作方法。

圖5：信息查詢流程與5G、邊緣計算部署方案

當(dāng)虹膜識別不能判斷來人身份時，可以要求其居民身份證，智能機(jī)器人手上持有身份證查驗終端，讀出身份證號后通過5G網(wǎng)絡(luò)快速傳遞到邊緣計算服務(wù)器，通過查詢乘車乘機(jī)起點站或所經(jīng)過的站點，來進(jìn)行“疫區(qū)來源地”追蹤查詢，或其它更人工智能深度學(xué)習(xí)的辨識工作。

4 使用邊緣計算達(dá)到低時延和快速響應(yīng)

云計算實現(xiàn)了虛擬化與公布式計算融合的強(qiáng)大的計算能力、服務(wù)能力、存儲容量，但從終端設(shè)備到云需要花費雙倍的長途傳輸時間，這使得一些需要快速查詢響應(yīng)的應(yīng)用不能適應(yīng)。比如自動駕駛，我僅需要查詢前后車及當(dāng)前路口交通燈的狀態(tài)時，如果通過云平臺進(jìn)行查詢和反饋，那從自動駕駛汽車發(fā)送查詢信號到云服務(wù)器的時間T1，再等云服務(wù)器查詢送返還查詢結(jié)果的等待時間T2，再到把查詢結(jié)果傳輸?shù)浇K端設(shè)備的時間T3，這總時間T=T1+T2+T3，讓自動駕駛汽車可能因為時延太長而錯過了處理一些動作。而如果我們在交通燈塔還是附近設(shè)置的5G基站上設(shè)置霧計算節(jié)點，那么相應(yīng)的過程為：從自動駕駛汽車發(fā)送查詢信號到霧計算服務(wù)器的時間t1，再等霧計算服務(wù)器查詢送返還查詢結(jié)果的等待時間t2，再到把查詢結(jié)果傳輸?shù)浇K端設(shè)備的時間t3，這總時間t=t1+t2+t3。從終端設(shè)備到基站，就一段鏈路時間，此時的t1要比T1小得多；再等基站的霧計算服務(wù)器返還查詢結(jié)果，這個時間為t2，它也比T2小得多；查詢結(jié)果從霧計算服務(wù)器到終端設(shè)備的傳輸時間是t3，這個和t1差不多，但相對T3來說要小得多。

5 架構(gòu)工作機(jī)理與信息流程

智能機(jī)器人放置在人流通道出入口，正對著進(jìn)入的人流，其左手持著紅外測溫器[11]，右手持著身份證讀卡器。機(jī)器人的雙眼是虹膜識別攝像頭。智能機(jī)器人身上有發(fā)聲喇叭，位于頭部的嘴巴部位，可以進(jìn)行語音播報。比如被測人員是無發(fā)燒、無可疑情況時說聲“謝謝配合，請往我的左邊走”，并作手勢，示意被檢測人可以通行了；如檢測到是發(fā)熱人員時，則聲光報警，發(fā)聲提示“體溫偏高，請往我的右邊走”，示意被檢查人被截留，需要作進(jìn)一步的檢查確認(rèn)。此時工作人員手機(jī)上的監(jiān)控軟件會顯示體溫過高人員的身份證信息及所測得的體溫值。如圖5所示。

圖6：智能機(jī)器人檢查場景圖

圖7：智能卡口手機(jī)報警軟件界面

圖8：智能卡口與人工卡口性能對比圖

從體溫檢測和人員身份識別，到信息通過5G紅外體溫測量槍使用文獻(xiàn)[11]的一體式測溫儀相同的工作原理，測得的溫度數(shù)字化以后通過5G信號傳輸?shù)竭吘壏?wù)器去處理，以進(jìn)行是否是發(fā)熱病人的判斷和處理。機(jī)器人的雙眼同時拍攝被檢測人的虹膜高清圖像，然后發(fā)送到邊緣服務(wù)器去進(jìn)行身份認(rèn)識，以獲取被測人的身份證信息和行程信息。

如果邊緣計算服務(wù)器的居民虹膜數(shù)據(jù)庫中無該被測人的虹膜信息，則返回虹膜識別失敗的提示信息，返還給機(jī)器人，讓機(jī)器發(fā)音提示被測人需出示身份證，把身份證放到機(jī)器人右手上的身份證讀卡器上進(jìn)行身份識別，識別好的身份證號再發(fā)到邊緣服務(wù)器，通過交通信息數(shù)據(jù)庫鏡像進(jìn)行行蹤查詢，以判斷是否近期經(jīng)過主要疫區(qū)。如圖6所示。

邊緣服務(wù)器不但負(fù)責(zé)虹膜身份識別、體溫是否為“疑似”的判斷和記錄，還同時查詢該被測人員最近是否經(jīng)過或者是來自疫區(qū)等。這依靠邊緣計算服務(wù)器利用大數(shù)據(jù)技術(shù)，與政府的公共交通數(shù)據(jù)庫平臺互聯(lián)，平時就每天進(jìn)行戶籍?dāng)?shù)據(jù)庫、交通乘客數(shù)據(jù)庫的本地鏡像存儲。

6 實現(xiàn)與模擬仿真

為了實現(xiàn)這個架構(gòu)的一整套應(yīng)用模擬測試，在學(xué)校圖片館大樓的網(wǎng)絡(luò)中心機(jī)房設(shè)置一高性能數(shù)據(jù)庫服務(wù)器，存放被檢測人的人身份證信息、眼部虹膜信息，以及模擬最近乘車軌跡的交通大數(shù)據(jù)庫；在實訓(xùn)大樓的五樓小IDC機(jī)房放置邊緣計算服務(wù)節(jié)點，在小IDC機(jī)房隔壁的通訊實驗室入口處放置智能檢測機(jī)器人，智能檢測機(jī)器人通過實驗室的5G信息，接入到小IDC機(jī)房。

先在網(wǎng)絡(luò)中心的服務(wù)器上采集一批受測人的身份信息，并使用虹膜采集器也采集這些人的虹膜信息（即這些被檢測人的高清虹膜照片）；并錄入這些被檢測人最近經(jīng)過城市的仿真交通軌跡數(shù)據(jù)，定義其中一小部分城市為主要疫區(qū)，大部分為非疫區(qū)或風(fēng)險等級為較小的疫區(qū)。為了仿真，給這些被檢測人都輸入一些乘車和乘機(jī)經(jīng)過的城市，他們當(dāng)中有少量經(jīng)過主要疫區(qū)，其余大部分經(jīng)過的城市則不是主要疫區(qū)。

然后再在小IDC機(jī)房的邊緣計算服務(wù)器上建立和網(wǎng)絡(luò)中心相應(yīng)的數(shù)據(jù)庫，使用數(shù)據(jù)庫訂閱服務(wù)設(shè)置，每晚24時整進(jìn)行數(shù)據(jù)同步一次，確保邊緣計算服務(wù)器上的數(shù)據(jù)和模擬政府大數(shù)據(jù)平臺的網(wǎng)絡(luò)中心數(shù)據(jù)庫當(dāng)天同步一次。手機(jī)端的監(jiān)控軟件使用PHP+MySQL+Apache編寫基于WEB的實時更新程序，部分代碼如下：

在邊緣計算服務(wù)器部署后，在手機(jī)上登陸網(wǎng)頁查看的效果和界面如圖7所示。

當(dāng)被檢查人的體溫雖然正常，但經(jīng)過邊緣計算服務(wù)器的政府公共交通數(shù)據(jù)庫查詢，查詢到被檢測人是來自于“重點疫區(qū)”時，機(jī)器人也發(fā)出聲光報警。不管哪類報警，都將呼叫和通過網(wǎng)絡(luò)把消息傳給工作人員，讓工作人員進(jìn)一步根據(jù)是發(fā)熱或“重點疫區(qū)”人員進(jìn)行相應(yīng)地隔離或醫(yī)學(xué)觀察等處理。

7 工作效果與展望

使用基于5G與邊緣計算的發(fā)熱病人出入口排查系統(tǒng)后，原先需要兩三個人的卡口只需一人就足夠了，而由于此時的人是輔助和監(jiān)督為主，站在機(jī)器人身后幾米，工作強(qiáng)度比使用智能機(jī)器人之前大大降低了，因此他們的工作時間比之前的兩小時一班延長了，實際上每個卡口日均使用人數(shù)減少得更多。

由于使用機(jī)器人持紅外體溫槍，不用擔(dān)心工作人員感染，因此比人工檢測距離更加穩(wěn)定精準(zhǔn)，測量得的體溫更加快速準(zhǔn)確。機(jī)器人的兩個視頻攝像頭可以快速通過虹膜識別，通過邊緣計算的大數(shù)據(jù)分析可以快速知道被檢查人的身份及是否來源于重點疫區(qū)，并決定截留或放行。

雖不是發(fā)熱病人，但要查驗身份證，看看是不是來自重點疫區(qū)，要掏出身份證，插入讀卡器，還回給受檢人，這個過程增加了急性傳染病傳播的概率，使用虹膜識別技術(shù)則可以減少甚至避免這個過程的發(fā)生，在紅外測體溫時一次完成。

經(jīng)過對上海76個機(jī)場、火車站、地鐵、菜場、小區(qū)出入口、校園大門口、商場入口等傳統(tǒng)的人工檢查卡口的調(diào)研，有些卡口24小時通行，安檢人員分為6班；有些卡口只有白天開放，只有兩班人。經(jīng)過數(shù)據(jù)統(tǒng)計，和使用智能機(jī)器人檢查的智能卡口的通行性能及使用工作人員數(shù)對比，得如表1所示。

表1：智能卡口與人工卡口對比

由表1制作出的二維百分比堆積柱狀圖如圖8所示。

從表1和圖8中可以看出智能機(jī)器人卡口在身份識別時間、每卡口全天需要的工作人員數(shù)都大幅度降低，花在體溫測量的時間相當(dāng)，體溫的準(zhǔn)確度方面還因操作準(zhǔn)確穩(wěn)定，而稍有所提升。

使用智能機(jī)器人進(jìn)行檢查，可以方便地進(jìn)行卡口設(shè)置?？梢愿鶕?jù)人流情況，整個車站等檢查通行的速度決定是否增加新的卡口，如果增加新的卡口，只要在待檢隊列兩側(cè)的地面設(shè)置警界標(biāo)示，出口處站立一個智能機(jī)器人，就立即完成，不用象別的檢測方式要安裝門框等復(fù)雜的施工過程。

由于5G的工作頻率接近4900MHz，所以它的波長比4G、3G更短了，所以它的傳輸距離和穿透距離都變小了，地下建筑信號強(qiáng)度就比不上4G、3G了,有時需要使用傳統(tǒng)的室內(nèi)覆蓋方式和微站覆蓋方式12結(jié)合來解決地下場所的5G信號覆蓋問題。

8 結(jié)束語

要能使用虹膜識別技術(shù)，要求國家的戶籍管理數(shù)據(jù)庫對公民進(jìn)行虹膜信息采集為前提。在短短的幾年時間里，我們差不多都實現(xiàn)了臉部識別技術(shù)的應(yīng)用，近幾年急性傳染病疫情的出現(xiàn)，逼迫我們早日實現(xiàn)全民的虹膜采集，這樣可以在佩戴口罩的情況下進(jìn)行無接觸的居民身份識別。對于每個人來說，虹膜的結(jié)構(gòu)各不相同，并且這種獨特的虹膜結(jié)構(gòu)在人的一生中幾乎不發(fā)生變化13。有了真實準(zhǔn)確的身份數(shù)據(jù)，就可以查詢可種交通部門數(shù)據(jù)庫，知道被檢測人從哪里來、剛剛經(jīng)過了哪些車站、機(jī)場等等。還可以把此身份信息進(jìn)行網(wǎng)上追逃查詢等，實現(xiàn)對犯罪分子的震懾作用，協(xié)助公安機(jī)關(guān)抓捕逃犯。

基于5G與邊緣計算的發(fā)熱病人智能排查系統(tǒng)利用先進(jìn)的5G通信技術(shù)、邊緣計算技術(shù)、大數(shù)據(jù)技術(shù)及紅外體溫自動測試、虹膜身份識別技術(shù)等，只要國家提供身份信息查詢接口和交通乘車國家大數(shù)據(jù)庫，就能實現(xiàn)從體溫測試、身份認(rèn)識到發(fā)熱病人發(fā)現(xiàn)、來自重點疫區(qū)人員排查的快速、全自動、高效發(fā)現(xiàn)過程。該系統(tǒng)的投入使用，必將大大提高發(fā)熱病人排查卡口的工作效率和工作質(zhì)量，減輕工作人員的數(shù)量和工作強(qiáng)度，這是一項利國利民的緊迫的工作。