一种新型机场旅客无感安检系统设计

张轩，张平

一种新型机场旅客无感安检系统设计

张轩1，张平2

（1.民航成都电子技术有限责任公司，四川 成都 611430； 2.中国民用航空总局第二研究所，四川 成都 610041）

从安检设备的优化组合及新一代安检流程设计出发，利用人脸识别技术、行人重识别（ReID）技术、RFID识别技术等新兴技术，构建一套安全、便捷、高效的民航机场旅客自助安检系统，解决市面上“智慧安检”系统中旅客识别与验证过程受安检人员口令、固定摄像头视觉局限以及旅客配合程度等因素制约导致的安检效率与体验不高的问题，从而实现无需口令与无需主动配合的“智能无感”安检新模式。模拟试验结果表明，集成ReID技术的新型安检系统提升了旅客平均过检效率，为智慧安检的研究和落地起到借鉴和推进作用。

机场旅客无感安检系统；行人重识别；旅客全流程识别定位

日益增长的民航旅客运输流量给现有安检系统的安全与效率带来了新的需求与挑战，如何保证旅客出行的便捷、快速、安全、舒适是衡量民航机场服务，打造智慧、平安机场的关键[1]。各大枢纽机场推出了各自的自助安检方案，如基于机场旅客“人包关联”的安检需求，凭借人脸（生物）识别、无线射频识别（Radio Frequency Identification，RFID）与信息融合等技术，研发了安检信息集成互通的旅客自助安检系统，减少旅客排队时间，提升安检效率[2-3]。

但这些系统大多仍处于试验阶段，且极大依赖于人脸识别技术的性能表现，对于人脸无法识别情况（口罩遮挡、人脸拍摄不清晰等）没有有效解决手段；旅客仍需遵循口令频繁配合机器，在安检高峰期反而延长过检时间。作为人脸识别技术缺陷的“补充”，行人重识别（Personre-identification，ReID）技术可分析旅客整体体型特征（衣着外观、发型等）以实现目标图像的实时检索与识别。本文对上述系统应用场景进行分析对比，提出一种基于ReID、人脸识别等多技术的民航机场旅客无感安检系统方案，实现无需口令、主动配合的“智能无感”安检，快速完成旅客行李与旅客信息绑定；同时充分利用安检场景旅客ReID识别与定位信息，实现安检对象现场数据精确查询与轨迹追踪，提升安检效率与旅客过检体验，对特殊安检对象（如嫌疑犯罪者、无人事能力者等）追踪提供有力手段，降低安检员的工作强度。

1 国内外安检系统现状分析

国际航空运输协会（International Air Transport Association，IATA）早在2011年就公布了“未来机场安检站”（Checkpoint of the Future）的理念雏形[5]，英国史密斯探测、美国达美航空公司等推出了拥有多人并排放、托盘回传、远程图像判读的智能安检通道。国内近两年也出现了一些新型安检系统应用并正向市场推广[4]。目前这些推广的自助安检系统在业务层面多由八大部分组成，且旅客安检共需经过四步骤，其安检场景如图1所示。

图1 自助安检业务场景图

旅客首先来到验证闸机位进行步骤1人证合一操作。通过安检闸机后来到行李放置区，进行步骤2放置随身行李入（行李）托盘等待行李安检，完成行李托盘（行李包）与人的信息绑定。将行李托盘推入传输带后，旅客走向金属探测安检门进行步骤3人体安检；与此同时，旅客行李进入X光机进行行李安检，并完成托盘与X光机图像的绑定。最后，旅客行至空框回收处前，提取自己行李；安检员针对可疑行李进行开包与回传复检。整个过程中，系统通过托盘上的RFID识别和空框图像识别进行人与行李（托盘）的绑定与传输回收（业务2/5/6/8）。

在实际安检环节中，上述系统仍存在一些问题。一方面对于不熟悉安检环节、首次乘机，尤其是人脸遮挡或无法识别的旅客，只依赖于人脸识别的安检闸机反而会降低通行速度。另一方面，在行李放置区前，旅客必须再一次配合摄像头进行人脸识别才能完成人、托盘（包）的信息绑定，在人流量高峰期旅客的配合程度和人包信息的绑定效果大打折扣。此外，整个安检流程中，缺少有效手段针对特殊安检对象进行追踪与现场事件追溯。

针对上述问题，可采用ReID技术结合人脸识别，解决单一人脸识别技术缺陷，完成多摄像头下旅客远距离动态实时识别与定位追踪。无需旅客额外配合即可实现智能无感安检，提升安检高峰期旅客过检速度与信息绑定利用率。文献[6]于1961年首次提出ReID的概念，能实现跨视图（跨摄像头）信息关联。通过特征提取和度量学习的方式应对在不同摄像头下行人变化的特征（如脱衣服、戴口罩），并与已知行人图像特征匹配；返回行人在全景图像中的坐标，达到实时识别、跟踪定位的效果[7-9]。目前，行人重识别技术主要用于交通卡口和公共安防的刑侦工作（如“天眼”），在机场安检中尚无应用。

2 机场无感安检系统原理及架构分析

2.1 系统业务描述与流程分析

从安检设施设备的优化组合及新一代安全检查流程出发，本系统将在上述分析的安检业务基础上，新增全场景下多个旅客动态人脸识别与远距离人体外形的实时识别与定位业务（图1中业务9与10），分别由新增架设的人体全景识别与安检通道监控摄像头进行图像采集并传于后台进行数据处理。此外，旅客进行人与行李信息绑定时（图1中业务2），无需再强制正对镜头，可在运动中完成身份的核验与后台行李托盘RFID信息的绑定。整个系统安检业务流程与控制手段如图2所示。

2.2 系统设备模块与网络架构

如图3所示，系统的设备模块与网络架构由旅客自助验证装置、安检通道采集监控摄像头×（假设共4个）、后台服务器（包括应用服务器、图形处理服务器、数据库服务器）、行李安检传输装置、X光机及中央交换机六个模组的设备构成。其中，旅客自助验证装置包括闸机体上的识别、检测各组件，且附加的闸机人体全景采集相机均由闸机控制单元控制，并与外界进行数据互通；行李安检X光机、4个高清安检通道采集监控摄像头与后台三个服务器均连接中央核心交换机进行现场人、行李相关图数据的采集、传输、处理与存储，是后台运算的核心；整个安检系统设备主体——行李输送装备，由多个RFID阅读器、光电开关电机与滚轮组成，同时上述在行李放置区附加的人体识别相机均受传输装置控制单元调度，通过中央交换机完成人包关联、输送滚筒传动控制信号的收发与安检信息数据交互。

2.3 系统架构与功能分析

机场旅客无感安检系统是于民航机场安检区复杂场景下，一套集旅客人证合一及安检信息自动采集、旅客身份快速识别与位置精确跟踪、输送机的控制和空框传送，以及行李托盘、行李安检数据与旅客数据关联为一体的新型智慧安检系统。从数据应用角度出发，本系统将设计信息平台软件，作为本系统各安检环节及子系统的数据/服务集成的界面展示，直观展示旅客实时与历史的安检关联信息。

2.3.1 系统总架构

从功能需求和软件架构进行分析，源型系统设计分为：客户应用层、业务服务层、数据层及基础资源层，如图4所示。

图2 系统安检业务流程与控制手段图

图3 系统设备模块与网络架构图

（1）客户应用层

由人证合一子系统、传输控制子系统、安检信息集成平台组成，主要负责与用户进行数据交互、采集信息，并向用户反馈后台处理结果。其中，人证合一子系统、传输控制子系统均为软硬件结合可独立运行的子系统，信息集成平台主要为安检综合信息的展示界面软件。

（2）业务服务层

负责定义服务内容，完成业务逻辑的处理。向上层客户端应用提供需要的所有服务，包括：

①旅客基础信息采集服务：接收闸机上器件识别信号，解析处理识别信息，完成人证合一等客户端与硬件数据的交互与互通；

②人、行李、X光机信息绑定服务：处理上层客户端发送的人、行李、X光机图像和旅客基础信息进行数据库关联，并实时更新、反馈关联结果；

③旅客真实坐标映射服务：计算上层ReID传输的旅客坐标，根据预设映射规则，向客户端返回旅客真实场景世界坐标；

④安检信息查询服务：根据上层应用查询条件，返回安检信息查询结果；

⑤数据读写存储服务：用于上层应用相关数据的读、写、存储更新。

（3）数据层

数据层提供数据持久化功能，包含结构化数据和非结构化数据。结构化数据通过关系型数据库进行存储，如旅客基本信息，旅客人证、人包关联信息等。非结构化数据通过非关系型数据库进行存储，主要存储旅客现场图形、行李X光机照片等。

（4）基础资源层

基础资源层提供各种服务器、网络、操作系统等基础资源。

图4 系统总体架构图

2.3.2 人证合一子系统功能

（1）旅客基础信息采集

基于市面现有双栏闸机设计，旅客按照现场语音或提示板的提示，在证件扫描区完成登机牌扫描码、身份证号、护照号、旅客现场人脸图片、设备地址、发送时间等信息采集，调用后台采集服务进行数据传输。

（2）旅客全身照片采集与人证合一

旅客验证证件期间，人体全景采集相机采集旅客全身照片，捕捉动态人脸图像进行人脸识别。若成功识别核验无误后，调用信息绑定服务，关联旅客基础信息与人体全景照片。

（3）闸机控制

闸机控制遵守各组件通信协议，进行通信信号收发，同时具有防尾随等警报功能。

2.3.3 传输控制子系统功能

（1）旅客ReID实时识别与定位

旅客进入安检通道直至离开，安检场景四周的监控相机采集旅客全景图像，计算该旅客的ReID识别结果（相似度与旅客图像坐标），根据坐标映射服务定义的规则计算旅客的实时真实坐标，在数据库更新并存储。

（2）托盘RFID识别与人、行李关联

放置行李进入行李托盘后，系统将识别该托盘RFID标记信息，同时进行旅客实时ReID识别与定位。若此时旅客识别成功，调用服务将该行李托盘RFID信息、人的基础与识别信息进行关联；若ReID识别失败，再进行配合式人脸识别。

（3）人、行李、X光机图像关联

通过X光机前后布置的RIFD阅读器识别进入X光机行李托盘RFID信息，同时采集行李外观图像，调用绑定服务和存储服务完成人、行李、行李安检图像信息的关联与存储。

（4）空框识别及解绑

旅客提取行李时，位于空框回收口的托盘暂停传输，由相机采集托盘图像进行空框图像识别判定，确认无行李后托盘由空框回收口下方的RFID阅读器识别，解除该托盘绑定信息。

（5）传输机构控制及回传

对于可疑行李，X光机后方RFID识别托盘编号，并控制电机自动分流至开包台等待开包检查；对于开包后仍可疑的行李，通过复检线传输机回传至X光机前再次复检。系统识别为空的托盘，由传输机下层的回传线自动回传至行李提取区。整个传输机上的RFID阅读器、红外传感、电机、扫码器等设备的调用，均遵守可编程逻辑控制方式。传输机构及回传系统结构设计参考文献[10]，由于器件和调用逻辑较多且原理研究成熟，本文不对具体传动控制进行阐述。系统传输与控制信号流程可参考图2。

2.3.4 自助安检集成平台功能

（1）行李开包查询

行李开包子系统用于安检人员当面对旅客的行李进行开包检查；开包台RFID读码器读取行李筐RFID，调取旅客信息与行李安检图像信息、行李外观图像等，并在显示器上显示，方便开包员快速确认行李信息。开包员确认该行李安检状态正常后，后台安检查询服务更新该行李异常状态为正常。

（2）旅客人包实时关联识别信息展示

实时记录并刷新当前安检场景中，多个旅客的人、行李包识别定位信息记录，进行列表详情展示与查询。系统提供旅客与行李在设定的监控区域内的识别、定位信息与运动轨迹可视化展示。

（3）实时视频监控信息采集与识别管理

对各监控识别摄像头的实时监控画面，可进行监控管理，并在其图像上展示旅客识别的属性信息和结果。

（4）历史安检信息查询与旅客追溯

对于历史安检数据，提供多种条件查询功能，可查看对应查询旅客的安检相关综合信息，展示该旅客此次安检历史视频中的运动轨迹。

（5）安检信息统计分析

安检人员可通过数据库检索人、行李的关联历史信息，根据查询条件以图表的形式统计在某段时间内的安检人数、行李数量和异常行李信息，提供差异化安检的数据依据。同时统计旅客识别率与误识率、安检异常数据告警率，直观显示本系统的安检性能指标，横向对比现有安检系统，便于系统修正与改进。

3 现场测试

为验证上述系统设计的性能效果，在民航二所新津产业基地部署试验测试装置与环境（完成整体架构与主要功能组建）。针对人体和人脸的图像视频数据来自清华Market-1015与香港中文大学CelebA数据集，同时使用试验现场模拟采集数据用于ReID与百度开源人脸识别算法进行训练。ReID算法采用Mutiple Granularity Network（MGN）模型[11]，兼顾识别速度与效果。

试验选取包含衣着相似、戴口罩的十多个安检目标，模拟了当下自助安检系统安检流程，并与本系统性能进行对比。如图5所示，本系统针对面部遮挡、衣着外观相似的旅客能进行有效的识别并返回识别相似度，而现有自助安检系统表现较差；同时根据场景监控视频图像，系统识别并返回多个安检对象在试验场地的运动轨迹，具有独特功能性。经过多次试验测试统计，单一使用百度人脸识别的安检系统比本系统过检速度平均慢9 s（人流越大差值越明显），这也表明了本系统安检效率优越性

图5 综合识别效果及安检场景多人识别与轨迹追踪

4 结论与展望

本文提出一种新型机场旅客无感自助安检系统设计，该系统集测控技术、人脸识别、RFID识别及数据关联等技术于一体，引入ReID识别与定位追踪技术，解决安检系统实际应用中人脸识别效果不佳、频繁机器口令导致过检体验不高的问题，实现了旅客在安检过程中人、行李、X光机图像信息快速绑定，形成无口令无配合的无感安检模式。

此外，本系统充分利用旅客安检关联信息及ReID识别数据，在应用层面设计安检信息机场平台，直观展示安检旅客在应用场景下实时与历史运动轨迹与安检绑定信息。通过部署测试验证装置与环境，验证了本系统设计的无感识别、定位追踪功能与良好性能表现，提升了机场安检系统智能化水平，为智慧安检的研究和落地起到借鉴和推进作用。

由于本文提及人脸识别技术与ReID技术融合只涉及定义，面对人脸、人体均无法有效区分的情况（面部遮挡、相似衣着体型），如何设计一套融合机制，对于复杂场景下多人同时进行人脸、人形、步态等多模态的旅客综合识别，是作者团队下一步研究的核心目标。

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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

四川省科技计划项目（2019YFG0052）

张轩（1992－），男，陕西汉中人，硕士研究生，主要研究方向为机场安全及5G虚拟化资源分配，E-mail：zhangxuan@caacetc.com；张平（1977－），男，四川成都人，硕士研究生，高级工程师，主要研究方向为机场安全与安保。