自動(dòng)售檢票系統(tǒng)中人臉識(shí)別技術(shù)的解決方案

■ 郭銳

0 引言

人臉識(shí)別技術(shù)是基于人的臉部特征信息進(jìn)行身份識(shí)別的一種生物識(shí)別技術(shù)。用攝像機(jī)或攝像頭采集含人臉的圖像或視頻流，并自動(dòng)在圖像中檢測(cè)和跟蹤人臉，進(jìn)而對(duì)檢測(cè)到的人臉進(jìn)行識(shí)別。

自動(dòng)售檢票系統(tǒng)（AFC）以計(jì)算機(jī)及信息傳輸網(wǎng)絡(luò)為基礎(chǔ)，采用非接觸式IC卡作為車(chē)票信息載體，車(chē)站配備自動(dòng)售票機(jī)、自動(dòng)充值機(jī)、自動(dòng)檢票設(shè)備，實(shí)現(xiàn)售票、充值、檢票、計(jì)費(fèi)、收費(fèi)、統(tǒng)計(jì)、結(jié)算全過(guò)程的自動(dòng)化管理。

在自動(dòng)售檢票系統(tǒng)中引入人臉識(shí)別系統(tǒng)，將乘客購(gòu)票、檢票動(dòng)作從被動(dòng)（乘客刷卡動(dòng)作驗(yàn)證通行信息）變?yōu)橹鲃?dòng)（直接讀取識(shí)別乘客面部信息進(jìn)行比對(duì)產(chǎn)生驗(yàn)證通行信息），不僅提高乘客乘車(chē)效率與系統(tǒng)運(yùn)營(yíng)維護(hù)水平，還加強(qiáng)乘客對(duì)軌道交通技術(shù)服務(wù)水平的認(rèn)知度，提高居民整體乘車(chē)出行體驗(yàn)。

1 人臉識(shí)別技術(shù)應(yīng)用

基于計(jì)算機(jī)視覺(jué)人臉識(shí)別技術(shù)的應(yīng)用系統(tǒng)由應(yīng)用層、人臉識(shí)別系統(tǒng)及硬件層3部分組成（見(jiàn)圖1）。硬件層主要包括CPU、GPU、現(xiàn)場(chǎng)可編程門(mén)陣列（FPGA）和AI專(zhuān)用芯片。深度神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)算法如CNN、RNN需要大量的計(jì)算，之前人工智能發(fā)展緩慢，局限于沒(méi)有強(qiáng)大的計(jì)算資源。隨著GPU和AI專(zhuān)用推理芯片在人工智能和計(jì)算機(jī)視覺(jué)等領(lǐng)域的應(yīng)用，大大拓寬了復(fù)雜算法應(yīng)用領(lǐng)域。應(yīng)用層主要指人臉識(shí)別技術(shù)的應(yīng)用場(chǎng)景，如門(mén)禁系統(tǒng)、安防系統(tǒng)、身份認(rèn)證等。人臉識(shí)別系統(tǒng)是整個(gè)軌道交通人臉識(shí)別過(guò)閘應(yīng)用場(chǎng)景最核心的系統(tǒng)，人臉識(shí)別系統(tǒng)的識(shí)別性能和準(zhǔn)確率直接關(guān)系到用戶(hù)的通行體驗(yàn)，最終決定系統(tǒng)的成敗。

圖1 人臉識(shí)別系統(tǒng)組成

2 目前自動(dòng)售檢票系統(tǒng)弊端

2.1 乘客方面

對(duì)于傳統(tǒng)自動(dòng)售票機(jī)，乘客購(gòu)票排隊(duì)時(shí)間較長(zhǎng)、現(xiàn)場(chǎng)選擇線(xiàn)路并采用現(xiàn)金購(gòu)票也較耗時(shí)，大大降低了設(shè)備的使用效率和乘客的購(gòu)票便捷感。

對(duì)于互聯(lián)網(wǎng)售票機(jī)，在人流峰值時(shí)，設(shè)備數(shù)量不夠，同時(shí)每個(gè)乘客在售票機(jī)上買(mǎi)票的耗費(fèi)時(shí)間較長(zhǎng)，必須攜帶手機(jī)才能完成第三方支付，且手機(jī)信號(hào)的覆蓋強(qiáng)度也影響手機(jī)購(gòu)票速度。

同樣，傳統(tǒng)的檢票方式，乘客需先購(gòu)買(mǎi)有效車(chē)票（單程票及儲(chǔ)值票）通過(guò)閘機(jī)上的讀寫(xiě)器判斷車(chē)票是否有效或儲(chǔ)值票余額滿(mǎn)足最低票價(jià)要求，確認(rèn)后開(kāi)啟閘機(jī)扇門(mén)允許乘客通行；在出閘端，乘客出示車(chē)票由讀寫(xiě)器對(duì)其授權(quán)進(jìn)行驗(yàn)證，判斷其是否為黑名單用戶(hù)（儲(chǔ)值票）、車(chē)票是否有進(jìn)站信息、是否超時(shí)、是否足夠余額、是否是優(yōu)惠票或員工票等一系列信息確認(rèn)后再進(jìn)行車(chē)票回收或扣除相應(yīng)的乘車(chē)費(fèi)用，加上乘客臨出站時(shí)才找尋身上車(chē)票等一些乘車(chē)習(xí)慣，導(dǎo)致閘機(jī)通行速率低下，時(shí)常在出站閘機(jī)處出現(xiàn)客流擁擠現(xiàn)象（尤其是大客流車(chē)站）。二維碼過(guò)閘同樣由于手機(jī)信號(hào)覆蓋、二維碼讀頭對(duì)二維碼角度的要求以及乘客習(xí)慣等原因?qū)е峦ㄐ行实汀?/p>

2.2 運(yùn)營(yíng)公司方面

目前地鐵售票機(jī)主要有2類(lèi)：（1）傳統(tǒng)售票機(jī)，支付現(xiàn)金買(mǎi)票及交通卡充值；（2）互聯(lián)網(wǎng)售票機(jī)，支付第三方支付，實(shí)現(xiàn)無(wú)現(xiàn)金售票及交通卡充值。

傳統(tǒng)售票機(jī)缺點(diǎn)：運(yùn)維工作量大、機(jī)械故障率高、不支持大面額現(xiàn)金支付。

互聯(lián)網(wǎng)售票機(jī)缺點(diǎn)：運(yùn)維工作量大、機(jī)械故障率高。優(yōu)點(diǎn)：減少運(yùn)維、結(jié)算工作量；與互聯(lián)網(wǎng)融合，提升了用戶(hù)體驗(yàn)和地鐵形象。

檢票方式也主要包含2類(lèi)：（1）傳統(tǒng)檢票閘機(jī)，通過(guò)車(chē)票實(shí)物實(shí)現(xiàn)進(jìn)站、出站；（2）云檢票機(jī)即二維碼閘機(jī)，通過(guò)對(duì)二維碼的識(shí)別判斷乘客進(jìn)站、出站并進(jìn)行扣費(fèi)。

傳統(tǒng)檢票機(jī)缺點(diǎn)：運(yùn)維工作量大、機(jī)械故障率高，時(shí)常出現(xiàn)卡票現(xiàn)象。

云閘機(jī)缺點(diǎn)：二維碼讀頭對(duì)手機(jī)二維碼角度要求較高、機(jī)械故障率高。優(yōu)點(diǎn)：減少運(yùn)維、結(jié)算工作量；與互聯(lián)網(wǎng)融合，提升用戶(hù)體驗(yàn)和地鐵形象。

3 結(jié)合人臉識(shí)別技術(shù)的解決方案

3.1 人臉識(shí)別售票方案

隨著互聯(lián)網(wǎng)應(yīng)用的普及，刷二維碼、刷臉過(guò)閘等業(yè)務(wù)的成熟，售票機(jī)的使用頻率進(jìn)一步降低，但不會(huì)完全消失。因此，傳統(tǒng)售票機(jī)也應(yīng)盡快升級(jí)，整合第三方支付功能，實(shí)現(xiàn)無(wú)現(xiàn)金購(gòu)票，集成人臉識(shí)別功能，支持人臉識(shí)別買(mǎi)票。

售票機(jī)增加人臉識(shí)別功能后，一方面可實(shí)現(xiàn)遠(yuǎn)程（微信公眾號(hào)、微信小程序、支付寶城市服務(wù)、支付寶小程序、地鐵APP等）購(gòu)票，在云售票機(jī)上刷臉取票；另一方面也可直接支持用戶(hù)刷臉買(mǎi)票，避免使用現(xiàn)金和手機(jī)二維碼支付。人臉識(shí)別售票機(jī)場(chǎng)景案例見(jiàn)圖2。

相比傳統(tǒng)售票機(jī)與互聯(lián)網(wǎng)售票機(jī)，人臉識(shí)別售票機(jī)減少了運(yùn)維、結(jié)算工作量；與互聯(lián)網(wǎng)融合，提升了用戶(hù)體驗(yàn)和地鐵形象；增加實(shí)名刷票功能，提升地鐵公共安全，同時(shí)通過(guò)收集客戶(hù)數(shù)據(jù)，為大數(shù)據(jù)分析提供基礎(chǔ)。人臉識(shí)別售票系統(tǒng)架構(gòu)見(jiàn)圖3。

3.2 人臉識(shí)別過(guò)閘方案

軌道交通行業(yè)是一個(gè)高新技術(shù)密集的行業(yè)，也是對(duì)新技術(shù)比較敏感的行業(yè)，一直以來(lái)不惜余力地利用科學(xué)技術(shù)發(fā)展的最新成果為乘客提供最好的通行體驗(yàn)。2017年，部分城市開(kāi)通二維碼刷碼過(guò)閘，以及處于前沿研究階段的人臉識(shí)別過(guò)閘。除了乘客端通行工具，閘機(jī)終端設(shè)備也是整個(gè)系統(tǒng)的核心設(shè)備。閘機(jī)的硬件組成除了工控機(jī)和門(mén)單元以外，其他的硬件模塊分別對(duì)應(yīng)相應(yīng)的乘客端工具，讀寫(xiě)器和票卡回收單元對(duì)應(yīng)單程票，讀寫(xiě)器對(duì)應(yīng)交通卡和NFC手機(jī)虛擬卡，二維碼讀頭對(duì)應(yīng)二維碼刷碼過(guò)閘，攝像頭用于人臉識(shí)別過(guò)閘，人臉識(shí)別云閘機(jī)架構(gòu)見(jiàn)圖4。

圖2 人臉識(shí)別售票機(jī)場(chǎng)景案例

圖3 人臉識(shí)別售票系統(tǒng)架構(gòu)

結(jié)合人臉識(shí)別技術(shù)，可實(shí)現(xiàn)乘客乘車(chē)先乘后付，在進(jìn)站端乘客能通過(guò)人臉識(shí)別閘機(jī)直接過(guò)檢乘車(chē)，在出站端通過(guò)人臉比對(duì)完成乘客信息的進(jìn)閘出清，形成閉合交易數(shù)據(jù)，并通過(guò)第三方支付平臺(tái)直接扣款。

參考流程如下：

（1）乘客通過(guò)移動(dòng)APP注冊(cè)賬戶(hù)，綁定第三方支付賬戶(hù)，完成實(shí)名認(rèn)證。

（2）乘客通過(guò)移動(dòng)APP和人臉識(shí)別系統(tǒng)，采集并且保存用戶(hù)人臉特征值。

乘客進(jìn)出站過(guò)閘時(shí)存在2種方式：

一是離線(xiàn)式。閘機(jī)和手機(jī)之間建立藍(lán)牙連接，乘客的人臉特征值通過(guò)藍(lán)牙連接傳給閘機(jī)。攝像頭捕獲乘客的臉部特征。2個(gè)特征值進(jìn)行比對(duì)，若滿(mǎn)足相似度條件即可通行（見(jiàn)圖5）。

二是在線(xiàn)式。攝像頭會(huì)捕獲乘客的臉部特征，上位機(jī)程序會(huì)上傳人臉圖像到云平臺(tái)或者人臉識(shí)別庫(kù)進(jìn)行特征值比對(duì)，如果滿(mǎn)足相似度條件就可通行（見(jiàn)圖6）。

閘機(jī)終端設(shè)備

乘客端工具讀卡器/PSAM工控機(jī)+顯示屏

圖4 人臉識(shí)別云閘機(jī)架構(gòu)

單程票

（3）交易記錄發(fā)送給ACC系統(tǒng)或云平臺(tái)，由ACC或云平臺(tái)根據(jù)進(jìn)站和出站記錄計(jì)算出金額，向第三方支付平臺(tái)發(fā)起扣款操作。

通過(guò)引入人臉識(shí)別技術(shù)，真正做到無(wú)卡出行，乘客進(jìn)出站時(shí)，無(wú)需任何操作，用戶(hù)體驗(yàn)最佳。但也存在網(wǎng)絡(luò)傳輸成本高，并且一對(duì)多的特征值匹配模式對(duì)人臉識(shí)別系統(tǒng)的性能和高可用性提出了巨大的技術(shù)挑戰(zhàn)。軌道交通屬于大流量、高頻次公共交通系統(tǒng)，系統(tǒng)的穩(wěn)定性和通行效率是必須要考慮的問(wèn)題。

3.3 云平臺(tái)方案框架

人臉識(shí)別云平臺(tái)是整個(gè)人臉識(shí)別技術(shù)在自動(dòng)售檢票系統(tǒng)中的核心平臺(tái)。通過(guò)云平臺(tái)，可實(shí)現(xiàn)云售檢票機(jī)的業(yè)務(wù)功能，也可實(shí)現(xiàn)云閘機(jī)過(guò)閘功能。同時(shí)云平臺(tái)也是地鐵不斷出現(xiàn)的互聯(lián)網(wǎng)新業(yè)務(wù)底面支撐平臺(tái)，通過(guò)云平臺(tái)，除了實(shí)現(xiàn)手機(jī)APP售票、人臉取票、人臉過(guò)閘等新業(yè)務(wù)，也為以后各類(lèi)互聯(lián)網(wǎng)入口（微信公眾號(hào)、微信小程序、支付寶城市服務(wù)、支付寶小程序、地鐵APP等）提供基礎(chǔ)的接入服務(wù)。另外，還可為新業(yè)務(wù)預(yù)留接入平臺(tái)，如指紋識(shí)別、無(wú)感知識(shí)別等新的地鐵業(yè)務(wù)。人臉識(shí)別系統(tǒng)云平臺(tái)框架見(jiàn)圖7。

圖5 離線(xiàn)式人臉識(shí)別過(guò)閘示意圖

圖6 在線(xiàn)式人臉識(shí)別過(guò)閘示意圖

圖7 人臉識(shí)別系統(tǒng)云平臺(tái)框架

4 結(jié)束語(yǔ)

目前人臉識(shí)別技術(shù)在自動(dòng)售檢票系統(tǒng)還沒(méi)有實(shí)際開(kāi)通的應(yīng)用案例。該技術(shù)方案可產(chǎn)生具有創(chuàng)新價(jià)值的云售票機(jī)，除實(shí)現(xiàn)無(wú)現(xiàn)金售票之外，還能實(shí)現(xiàn)刷臉取票及刷臉支付功能，同時(shí)在閘機(jī)上增加攝像頭，通過(guò)人臉識(shí)別技術(shù)實(shí)現(xiàn)過(guò)閘，融合第三方支付輸出的信用付能力，實(shí)現(xiàn)先刷臉乘坐地鐵，再自動(dòng)支付的先享后付業(yè)務(wù)，不僅提高了閘機(jī)的通行效率，也提升了用戶(hù)的乘坐體驗(yàn)[2-3]，同時(shí)還為今后的大數(shù)據(jù)分析和互聯(lián)網(wǎng)運(yùn)營(yíng)提供了基本數(shù)據(jù)。

[1] 夏德春，肖占榮，李?；?，等． 城市軌道交通自動(dòng)售檢票系統(tǒng)設(shè)計(jì)[J]． 鐵路計(jì)算機(jī)應(yīng)用，2012，21(11)：54-56．

[2] 盛益軍． 智慧車(chē)務(wù)及其視頻智能識(shí)別技術(shù)應(yīng)用研究[J]． 中國(guó)鐵路，2017(4)：91-95．

[3] 王成，史天運(yùn)． 基于大數(shù)據(jù)分析的鐵路自動(dòng)售檢票監(jiān)控系統(tǒng)研究[J]． 鐵路計(jì)算機(jī)應(yīng)用，2015(11)：42-45．