基于指靜脈識別的唯一性檢測裝置設(shè)計(jì)

王子龍，陳 偉，陳 浩，朱文碩

（1.煤炭科學(xué)技術(shù)研究院有限公司，北京 100013；2.煤礦應(yīng)急避險(xiǎn)技術(shù)裝備工程研究中心，北京 100013，北京 100013；3.北京市煤礦安全工程技術(shù)研究中心，北京 100013）

根據(jù)《煤礦井下安全避險(xiǎn)“六大系統(tǒng)”建設(shè)完善基本規(guī)范》、AQ 6210—2007《煤礦井下作業(yè)人員管理系統(tǒng)通用技術(shù)條件》及AQ 6210《煤礦井下人員定位系統(tǒng)通用技術(shù)條件（征求意見稿）》等相關(guān)要求：人員不攜帶定位卡或攜帶非本人定位卡，或1 人攜帶多張（含2 張）定位卡，人員入井檢測系統(tǒng)應(yīng)能發(fā)出報(bào)警信號[1-3]。在現(xiàn)有的人員入井檢測方法中，主要使用RFID 射頻技術(shù)進(jìn)行帶卡檢測，同時(shí)利用人臉識別、虹膜識別、指紋識別等多種識別方式，進(jìn)行人員識別[4-5]。文獻(xiàn)［6］分析了虹膜、人臉等生物特征識別技術(shù)在入井檢測中的基本特點(diǎn)與不足；文獻(xiàn)［7］設(shè)計(jì)了一款基于虹膜與射頻卡的入井檢測裝置；文獻(xiàn)［8］采用了一種人臉抓拍與虹膜識別技術(shù)設(shè)計(jì)了一套入井檢測方案。目前，以人臉識別、虹膜識別為主導(dǎo)的入井檢測設(shè)備正在逐步應(yīng)用。

但是，煤炭行業(yè)有其獨(dú)特性和局限性：由于檢測檢卡范圍可控性低，易產(chǎn)生誤讀漏讀現(xiàn)象，導(dǎo)致檢測結(jié)果不準(zhǔn)確；被檢測部位易受粉塵、煤灰等因素干擾，導(dǎo)致人臉和指紋等技術(shù)識別效率低，對被檢測人員要求高，受外部因素影響大。因此，無法滿足煤礦人員快速、精準(zhǔn)的檢測要求。為此，設(shè)計(jì)了一套基于指靜脈識別的唯一性檢測裝置，該裝置具有指靜脈識別與標(biāo)識卡檢測功能，識別速度較快，識別效率較高，受外部因素影響小。裝置采用低頻喚醒檢測技術(shù)，與UWB 超高頻段不同，利用125 kHz 頻段進(jìn)行帶卡檢測，能夠?qū)崿F(xiàn)實(shí)時(shí)、無感讀卡檢測，無需主動刷卡檢測。減少了人員入井檢測時(shí)間的同時(shí)，保證了入井檢測效率。裝置與人員定位系統(tǒng)數(shù)據(jù)庫相連接，可滿足煤礦輔助考勤應(yīng)用，確保了人員安全、合規(guī)入井，避免了違規(guī)入井等行為。

1 指靜脈識別技術(shù)

1.1 指靜脈識別技術(shù)簡介

手指靜脈網(wǎng)絡(luò)對于個(gè)體而言，呈現(xiàn)的網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)各不相同，且成年后的手指靜脈結(jié)構(gòu)終身不變[9-10]。因此，指靜脈網(wǎng)絡(luò)具有唯一性與穩(wěn)定性。利用指靜脈網(wǎng)絡(luò)特征進(jìn)行人員識別及身份驗(yàn)證是十分有效的。指靜脈識別技術(shù)通過近紅外光照射被檢測人的手指，由攝像頭采集靜脈圖片，通過與數(shù)據(jù)庫中錄入的指靜脈信息進(jìn)行比對，從而進(jìn)行人員判斷。

指靜脈識別技術(shù)與其他生物特征識別技術(shù)相同，需要進(jìn)行預(yù)處理、特征信息提取與匹配等過程[11-13]。指靜脈識別技術(shù)應(yīng)用流程如圖1。

圖1 指靜脈識別技術(shù)應(yīng)用流程Fig.1 Application process of finger vein recognition technology

1.2 指靜脈識別技術(shù)優(yōu)勢

4 種主要生物特征識別技術(shù)對比見表1。

表1 4 種主要生物特征識別技術(shù)對比Table 1 Comparison of four main biometric recognition technologies

根據(jù)煤礦自身環(huán)境特點(diǎn)，基于人臉識別與指紋識別的入井檢測技術(shù)受到了較大的限制。由于礦工面部易被煤灰、安全帽等因素遮擋，導(dǎo)致人臉識別技術(shù)受到較大的影響；而指紋技術(shù)因手指磨損會直接導(dǎo)致無法識別。目前，煤礦入井檢測裝置多采用虹膜識別進(jìn)行檢測，但虹膜技術(shù)在采集和識別時(shí)，需要不斷調(diào)整頭部及眼部位置，以完成檢測，從采集和識別的角度來說，效率較低。

與指紋識別技術(shù)、人臉識別技術(shù)、虹膜識別技術(shù)這些生物特征識別技術(shù)相比，指靜脈識別的優(yōu)勢主要體現(xiàn)在：①不易受外界因素干擾：由于手指靜脈網(wǎng)絡(luò)終身不變，且不受煤灰等外界因素遮擋，容易采集與識別；②識別效率高：檢測時(shí)，手指放置在指靜脈識別裝置中及可完成檢測，不用反復(fù)調(diào)整被檢測部位位置；③準(zhǔn)確率高：拒真率FRR 為0.01%，認(rèn)假率FAR 為0.000 1%，注冊失敗率FTE 為0%[14-15]；④唯一性與穩(wěn)定性：指靜脈手指靜脈結(jié)構(gòu)相同的概率為34×10-9，且具有極高的穩(wěn)定性。

2 唯一性檢測裝置

2.1 系統(tǒng)結(jié)構(gòu)及工作原理

指靜脈識別的唯一性檢測系統(tǒng)構(gòu)成如圖2。

圖2 指靜脈識別的唯一性檢測系統(tǒng)構(gòu)成Fig.2 The composition of unique detection system by finger vein recognition

唯一性檢測裝置及系統(tǒng)由煤礦人員定位系統(tǒng)，指靜脈識別模塊，UWB 標(biāo)識卡低頻檢測模塊，UWB讀卡分站（器），交換機(jī)及閘機(jī)等設(shè)備組成。其中，指靜脈識別模塊為非接觸式、主動式檢測；而UWB 標(biāo)識卡低頻檢測為被動式、無感式帶卡檢測。

入井人員攜帶具有低頻天線的標(biāo)識卡，該頻段為125 kHz 頻段與UWB 定位頻段不同，當(dāng)被檢測人員進(jìn)入檢測裝置時(shí)，所攜帶的標(biāo)識卡會被特定頻段的低頻喚醒模塊讀取。隨后，標(biāo)識卡向人員定位讀卡分站發(fā)送相關(guān)信息，再由讀卡分站將信息傳送到人員定位服務(wù)器，服務(wù)器將所得到的標(biāo)識卡信息寫入中間數(shù)據(jù)庫，如檢測到多張標(biāo)識卡或未檢到標(biāo)識卡（即檢測異常），則中間數(shù)據(jù)庫存儲數(shù)據(jù)中會出現(xiàn)特定的標(biāo)識位。

指靜脈服務(wù)器負(fù)責(zé)2 個(gè)部分：一是讀取中間數(shù)據(jù)庫信息，二是將被檢測人員信息與指靜脈數(shù)據(jù)庫信息進(jìn)行匹配。如提取的中間數(shù)據(jù)庫信息正常（檢測到特定的唯一的標(biāo)識卡）且指靜脈信息完成正確匹配，則閘機(jī)正常開啟；反之，如中間數(shù)據(jù)庫信息異常（未檢測到標(biāo)識卡或檢測到多張標(biāo)識卡）或指靜脈信息匹配不正確，則閘機(jī)不開啟并語音提示錯(cuò)誤，被檢測人員根據(jù)錯(cuò)誤提示進(jìn)行二次檢測。

中間數(shù)據(jù)庫進(jìn)行人員定位與指靜脈識別間的數(shù)據(jù)交互，該系統(tǒng)可實(shí)現(xiàn)人員定位信息與指靜脈信息的聯(lián)動識別檢測。

2.2 系統(tǒng)關(guān)鍵流程

系統(tǒng)關(guān)鍵流程如圖3。閘機(jī)開啟的前提為雙向驗(yàn)證通過，即中間數(shù)據(jù)庫所存儲的標(biāo)識卡信息正確與指靜脈識別信息正確，若有1 項(xiàng)驗(yàn)證失敗或錯(cuò)誤，則閘機(jī)無法放行被檢測人員。

圖3 系統(tǒng)關(guān)鍵流程Fig.3 The key process of the system

2.3 中間數(shù)據(jù)庫

中間數(shù)據(jù)庫的結(jié)構(gòu)為數(shù)據(jù)交互最核心的部分，中間數(shù)據(jù)庫涉及人員定位信息，人員指靜脈信息及帶卡檢測信息，采用SQL Server 作為中間數(shù)據(jù)庫，能夠滿足數(shù)據(jù)交互需求。中間數(shù)據(jù)庫關(guān)鍵部分存儲結(jié)構(gòu)見表2。

表2 中間數(shù)據(jù)庫關(guān)鍵部分存儲結(jié)構(gòu)Table 2 Storage structure of the key parts of the intermediate database

表2 中間數(shù)據(jù)庫中，STAFF_STATUS 為特殊標(biāo)識存儲類型，進(jìn)行帶卡判斷，當(dāng)?shù)皖l檢測模塊未讀到或讀到2 張（含2 張）及以上標(biāo)識卡時(shí)，人員定位服務(wù)器將該信息寫入中間數(shù)據(jù)庫，由指靜脈服務(wù)器查詢中間數(shù)據(jù)庫信息，并結(jié)合指靜脈識別結(jié)果，去判斷是否開啟閘機(jī)。

3 唯一性檢測裝置結(jié)構(gòu)

除唯一性檢測裝置系統(tǒng)設(shè)計(jì)外，裝置結(jié)構(gòu)與天線對帶卡檢測有著十分重要的影響，如天線范圍覆蓋較廣，則容易產(chǎn)生誤讀，導(dǎo)致閘機(jī)無法放行；反之，如天線范圍覆蓋較小，當(dāng)入井人員進(jìn)行指靜脈識別時(shí)，則無法讀取該人員所攜帶的標(biāo)識卡。

傳統(tǒng)的入井帶卡檢測，使用900 MHz 范圍左右的RFID 技術(shù)最為廣泛，但由于頻段影響，覆蓋范圍低，人員需主動將帶有標(biāo)簽的標(biāo)識卡靠近檢測裝置進(jìn)行刷卡檢測。該頻段受檢測范圍與被檢測人員行為影響，無法有效控制人員違規(guī)攜帶多張卡入井。因此，選用低頻125 kHz 頻段的低頻喚醒模塊，與人員標(biāo)識卡上低頻天線進(jìn)行感應(yīng)。由于該頻段入井檢測范圍覆蓋廣，且穿透力強(qiáng)，適用于入井檢測。低頻喚醒電路原理圖如圖4。

圖4 低頻喚醒電路原理圖Fig.4 Schematic diagram of low-frequency wake-up circuit

控制檢測識別區(qū)域的方法有2 種：①軟件限定法：在誤識別區(qū)域內(nèi)（即唯一性檢測裝置以外進(jìn)出通道）安裝消卡器[16]，即當(dāng)標(biāo)識卡靠近該區(qū)域時(shí)，停止與讀卡分站（器）通信；②硬件設(shè)置法：將天線進(jìn)行改造，或采用適當(dāng)?shù)奶炀€進(jìn)行區(qū)域限制。本方案采用后者方法，通過選用低頻喚醒模塊，同時(shí)根據(jù)輻射范圍特性，將低頻喚醒模塊設(shè)置在唯一性檢測裝置頂部，方向向下（即人員進(jìn)入指靜脈識別區(qū)域），來進(jìn)行入井人員帶卡檢測。當(dāng)人員進(jìn)入檢測裝置進(jìn)行指靜脈識別的同時(shí)，同步進(jìn)行無接觸、無感的帶卡檢測。

將低頻喚醒模塊設(shè)置在唯一性檢測裝置頂端的優(yōu)勢為：覆蓋范圍較好且遮擋性較小。如在唯一性檢測裝置兩側(cè)放置該模塊，會導(dǎo)致標(biāo)識卡易被人員遮擋從而產(chǎn)生漏讀。例如：被檢測人員將標(biāo)識卡放置在前胸位置，而低頻模塊設(shè)置為被檢測人員背面一側(cè)，由于人員遮擋原因，標(biāo)識卡漏讀率較高。因此，設(shè)置在檢測裝置頂部位置，方向向下為最優(yōu)選擇。

4 唯一性檢測裝置測試

為驗(yàn)證基于指靜脈識別的唯一性檢測裝置的性能，采用指靜脈唯一性檢測裝置與陜西子長縣某煤礦部署的基于虹膜識別的唯一性檢測裝置作為對比，測試100 人次，人員排隊(duì)依次通過唯一性檢測裝置，指靜脈與虹膜識別對比檢測結(jié)果見表3。

表3 指靜脈與虹膜識別對比檢測結(jié)果Table 3 Comparison test results of finger vein and iris recognition

在被檢測人員使用基于虹膜識別的唯一性檢測裝置入井時(shí)，由于部分礦工需要根據(jù)自身身高，調(diào)整頭部及眼部位置，以完成虹膜檢測，識別耗時(shí)主要集中在0.1～3.0 s 的區(qū)間里；而基于指靜脈識別的唯一性檢測裝置識別，識別耗時(shí)主要集中在0.1～1.0 s 左右。由于人員識別與帶卡檢測同步進(jìn)行，帶卡檢測基本能在虹膜和指靜脈識別完成時(shí)，相應(yīng)的完成帶卡檢測。因此，整個(gè)耗時(shí)長度主要由識別檢測和人員進(jìn)出檢測裝置組成。

檢測表明，虹膜識別相對于指靜脈識別來說，識別用時(shí)由于個(gè)體差異性，差別較大，導(dǎo)致用時(shí)均值較高；而指靜脈識別用時(shí)個(gè)體差異性較小，用時(shí)程度較統(tǒng)一，均值較低。識別用時(shí)情況對全流程速度有較大的影響，在入井人員較為集中式，用時(shí)差距較明顯。由于識別重復(fù)率與誤讀率受多種因素影響，二者在重復(fù)率和誤讀率上，差別不明顯。

因此，指靜脈識別能夠兼顧識別效率與識別準(zhǔn)確率，在100 人次的入井檢測中，識別效率提升了38.9%左右。綜上所述，在入井人員較為集中的煤礦企業(yè)，設(shè)備優(yōu)勢較為明顯，能夠滿足煤礦高效、快速、安全的入井需求。

5 結(jié) 語

針對煤礦現(xiàn)有入井檢測方法及裝置中，存在檢測效果不理想，檢測效率低，檢測結(jié)果不準(zhǔn)確等問題；提出了基于指靜脈識別技術(shù)的唯一性檢測裝置的設(shè)計(jì)方案，詳細(xì)探討了系統(tǒng)結(jié)構(gòu)、流程、數(shù)據(jù)庫等關(guān)鍵部分的設(shè)計(jì)思路；在實(shí)現(xiàn)多卡檢測與人員識別的同時(shí)，減少了人員違規(guī)入井的行為，最大化的提升了入井效率。