一种矿井人员唯一性识别系统及方法与流程

本发明涉及矿井监控技术领域，尤其涉及一种矿井人员唯一性识别系统及方法。

背景技术：

人员管理系统是煤矿安全避险六大系统之一，在煤矿的安全生产中发挥了重要作用。人员管理系统通过给每一个入井工作人员配备定位卡，对井下工作人员进行位置定位、出入井考勤管理。为保证人员管理系统的有效性，必须保证每一个入口人员携带且仅携带一张定位卡，即每个入井人员携带定位卡要具有“唯一性”。《煤矿井下作业人员管理系统通用技术条件》(aq6210-2007)要求，“各个人员出入井口应设置检测识别卡工作是否正常和唯一性检测的装置”。

实际应用中，难以自动、有效地实现人员定位卡的唯一性识别和检测，一般需要结合一定的制度或人为管理措施加以辅助，难以避免代打卡、替班、漏卡、一人多卡等现象发生，给矿井的安全生产带来了一定的隐患。

现有技术中，专利申请201710589974.1公开了一种基于rssi检测的矿井唯一性识别装置与方法，定位设备的加权平均rssi滤波值，并通过该加权平均滤波值判断位于金属门检测区域内的检测人员是否佩戴定位设备或者是否携带多个定位设备。rssi即接收信号强度指示，极易受定位设备内置天线方向的影响，在人员运动时，rssi容易发生剧烈波动和变化，因此难以对各定位卡进行有效区分，容易发生误判和漏判。

此外，一些生物识别技术也被应用到矿井的唯一性识别上，如人脸识别、虹膜识别、声纹识别等。专利申请201711279864.1公开了一种基于虹膜识别和指纹识别的出入矿井唯一性检测设备，一定程度上缓解了单一生物识别技术识别率偏低的问题。生物识别技术能一定程度上解决代打卡、替卡等现象，但对一人多卡、漏卡等问题不能有效预防。如果发生误识别或漏识别，此时人员未带卡或携带多卡，势必对矿井的安全管理造成一定影响。虽然此种情况发生概率较低，但本着“安全无小事”的原则，应有相应的技术措施，保证在生物识别技术失效的情形下，避免工作人员进入矿井，或进入矿井后对一人多卡等现象加以自动甄别。

技术实现要素：

为解决现有技术中存在的一人多卡、漏卡问题，本发明提供一种矿井人员唯一性识别系统及方法，通过结合惯导模块采集的姿态数据、人脸识别服务器获取的人员编号和定位卡的卡号，对矿井人员的唯一性进行综合检测，从而解决代打卡、替卡、漏卡以及一人多卡等问题。

一方面，本发明提供一种矿井人员唯一性识别系统，该系统包括：定位卡、定位器、人脸识别装置、人员限入装置、限行闸门和自动报警装置；

所述定位卡包括第一通信模块和惯导模块，所述惯导模块用于采集矿井人员的姿态数据，所述第一通信模块用于发送无线信息帧和所述姿态数据，所述无线信息帧携带有定位卡的卡号和无线信号强度rssi；

所述定位器包括所述第二通信模块和天线，所述第二通信模块用于发送无线接入帧，接收定位卡发送的所述无线信息帧，以及将有效定位卡的卡号发送至人脸识别服务器，所述有效定位卡指无线信号强度rssi大于预设强度阈值的定位卡；

所述人脸识别装置包括摄像机和所述人脸识别服务器，所述摄像机用于采集矿井人员的实际人脸数据；所述人脸识别服务器设置有人证数据库和人脸识别软件；所述人证数据库用于存储参考人脸数据和与所述参考人脸数据对应的人员编号；

所述人员限入装置用于限制每次仅通过一人，并用于触发所述人脸识别装置启动人脸识别，以及同时触发所述定位器启动定位卡识别。

进一步地，所述定位卡还包括：定位模块，所述定位模块用于定位矿井人员的井下位置，所述定位模块的定位精度不大于10m。

进一步地，所述天线为定向天线，所述定向天线的天线波束对准所述人员限入装置。

进一步地，所述人员限入装置包括信号屏蔽模块，所述信号屏蔽模块用于屏蔽人员限入装置外部的定位卡。

另一方面，本发明提供一种矿井人员唯一性识别方法，该方法包括：

步骤1、当人员限入装置感应到有矿井人员进入时，触发人脸识别装置启动人脸识别，以及同时触发定位器启动定位卡识别；

步骤2、人脸识别装置收到触发信号后，启动摄像机采集位于所述人员限入装置内矿井人员的人脸数据，并通过人脸识别服务器确定所述矿井人员的人员编号；

步骤3、定位器收到触发信号后，通过第二通信模块发出无线接入帧，位于所述定位器无线覆盖范围内的定位卡收到所述无线接入帧后，通过惯导模块采集矿井人员的姿态数据，并通过第一通信模块向所述定位器回应无线信息帧和所述姿态数据，所述无线信息帧内携带有定位卡的卡号和无线信号强度rssi；

步骤4、所述定位器获取到多个定位卡的卡号和无线信号强度rssi后，将多个定位卡的无线信号强度rssi与预设阈值进行对比，并将无线信号强度rssi大于预设阈值的定位卡记为有效定位卡，然后将所述有效定位卡的卡号发送至人脸识别服务器；

步骤5、所述人脸识别服务器根据所述矿井人员的人员编号、所述姿态数据和所述有效定位卡的卡号得到矿井人员在入井口的唯一性识别结果。

进一步地，所述步骤5具体包括：

步骤51、若人证数据库中无所述人员编号，判定为异常闯入，则自动报警装置进行报警；

步骤52、若有一个卡号和一个人员编号，且所述卡号和所述人员编号一一对应，判定为正常通行，则限行闸门放行；

步骤53、若有至少两个卡号和一个人员编号，则对比与所述至少两个卡号对应的有效定位卡的姿态数据，根据对比结果得到矿井人员在入井口的唯一性识别结果；

步骤54、若有至少两个人员编号，判定为多人进入人脸识别区，发出提示，退出后重新检测；

步骤55、若有一个人员编号，但无与所述人员编号对应的识别卡号，判定为未带卡，则自动报警装置进行报警。

进一步地，所述步骤53具体包括：

根据不同有效定位卡在相同时间段内的姿态数据，计算各有效定位卡的姿态类型和姿态均值；

若各有效定位卡的姿态类型一致，且姿态均值在[-thresh_poseout，thresh_poseout]内，判定为一人多卡，所述自动报警装置进行报警；

若各有效定位卡的姿态类型不一致，或姿态均值不在[-thresh_poseout，thresh_poseout]内，判定为无效检测，发出提示，退出后重新检测，其中所述thresh_poseout为设置的第一姿态阈值。

进一步地，该方法还包括：

步骤6、人脸识别服务器分别统计不同定位卡在时间t内发送的姿态数据，以及各定位卡在所述时间t内的姿态类型和姿态均值；

步骤7、若在所述时间t内，不同定位卡的姿态类型相同，且各自对应的姿态数据均位于[姿态均值-thresh_posein，姿态均值+thresh_posein]内，则所述人脸识别服务器认为所述不同定位卡的姿态为同一种姿态，其中所述thresh_posein为设置的第二姿态阈值；

步骤8、人脸识别服务器分别统计不同定位卡在所述时间t内发送的井下位置数据，以及各定位卡在所述时间t内的平均位置数据；

步骤9、若在所述时间t内，不同定位卡的位置数据均位于平均位置±thresh_xy范围内，则所述人脸识别服务器认为所述不同定位卡在同一个位置，其中所述thresh_xy为设置的位置阈值；

步骤10、若所述不同定位卡的姿态为同一种姿态，且所述不同定位卡在同一个位置，则提示存在一人多卡风险，自动报警装置进行报警。

进一步地，所述位置阈值thresh_xy大于定位卡的定位精度。

本发明的有益效果：

本发明提供的一种矿井人员唯一性识别系统及方法，首先，通过设置在定位卡和定位器内部的通信模块之间的信息交互确定定位卡的卡号及rssi值，并通过设置强度阈值，使得定位器从多个定位卡中筛选出有效定位卡，去掉检测区域外部的干扰定位卡，提高定位卡的识别准确率；其次，通过定向rssi防碰撞和筛选处理后，有效定位卡数量大幅减少，但仍存在无效定位卡进入识别区的可能，因此，采用惯导模块辅助对定位卡进行进一步甄别，即将惯导模块采集到的矿井人员的姿态数据与有效定位卡的卡号和人脸识别服务器获取到的人员编号相结合，具体分析矿井人员在入井口的携卡情况，进一步提高唯一性识别的准确率；进一步地，通过设置定位模块，将定位模块采集到的矿井人员的井下位置信息与惯导模块采集到的姿态数据相结合，对矿井人员在井下的携卡情况进行分析。由上述内容可知，本发明形成了出入井口的唯一性检测和井下的唯一性检测的完整过程，确保矿井工作人员在一个完整的工作流程中，均保持一人一卡的安全状态，进一步规范矿井安全管理机制。

附图说明

图1为本发明实施例提供的一种矿井人员唯一性识别系统的结构示意图；

图2为本发明又一实施例提供一种矿井人员唯一性识别系统的结构示意图；

图3为本发明实施例提供的定位卡的结构示意图；

图4为本发明一实施例提供的定位器天线设置示意图；

图5为本发明又一实施例提供的定位器天线设置示意图；

图6为本发明实施例提供的一种矿井人员唯一性识别方法的流程示意图；

具体实施方式

为使本发明的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚地描述，显然，所描述的实施例是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。

结合图1至图5所示，本发明提供的一种矿井人员唯一性识别系统包括：定位卡11、定位器12、人脸识别装置13、人员限入装置14、限行闸门15和自动报警装置16；其中，

所述定位卡11包括第一通信模块和惯导模块，所述惯导模块用于采集矿井人员的姿态数据，所述第一通信模块用于发送无线信息帧和所述姿态数据，所述无线信息帧携带有定位卡的卡号和无线信号强度rssi；所述定位器12包括所述第二通信模块和天线，所述第二通信模块用于发送无线接入帧，接收定位卡发送的所述无线信息帧，以及将有效定位卡的卡号发送至人脸识别服务器，所述有效定位卡指无线信号强度rssi大于预设强度阈值的定位卡；所述人脸识别装置13包括摄像机和所述人脸识别服务器，所述摄像机用于采集矿井人员的实际人脸数据；所述人脸识别服务器设置有人证数据库和人脸识别软件；所述人证数据库用于存储参考人脸数据和与所述参考人脸数据对应的人员编号；所述人员限入装置14用于限制每次仅通过一人，并用于触发所述人脸识别装置启动人脸识别，以及同时触发所述定位器启动定位卡识别。

具体地，该系统的工作流程如下：定位卡11佩戴在矿井人员身上，所述摄像机设置在入井口，入井人员进入人员限入装置14后，通过红外或重力感应等装置触发人脸识别和定位卡识别。作为本发明的一个实施例，矿井人员阻挡设置在所述人员限入装置14上的红外对射信号，从而触发所述人脸识别装置13启动人脸识别过程，同时触发所述定位器12启动定位卡识别过程。

定位器12收到人员限入装置14发出的触发信号后，定位卡识别过程如下：首先，通过第二通信模块发出无线接入帧，位于定位器12无线覆盖范围内的定位卡11收到所述无线接入帧后，通过第一通信模块向定位器12回应无线信息帧，无线信息帧内携带定位卡的卡号和无线信号强度rssi信息，其次，定位器12收到该无线信息帧后，在该无线信息帧内提取出定位卡的卡号和rssi。定位器12设置有强度阈值，定位器12将接收到的多个定位卡的rssi与该强度阈值进行比较，并将rssi大于强度阈值的定位卡记录为有效定位卡，然后将有效定位卡的卡号发送至人脸识别服务器。再者，通过设置在定位卡11内的惯导模块采集矿井人员的姿态数据。作为本发明的一个实施例，该姿态数据包括加速度、角度数据。定位卡11将该姿态数据通过第一通信模块发送给人脸识别服务器。

人脸识别装置13收到人员限入装置14发出的触发信号后，人脸识别过程如下：启动摄像机采集位于人员限入装置14内检测区域的矿井人员的实际人脸数据，人脸识别软件将该实际人脸数据与人证数据库中的参考人脸数据进行匹配，从而得到与相匹配的参考人脸数据对应的人员编号。

人脸识别服务器收到定位卡11发送的有效定位卡的卡号和姿态数据后，结合获取到的人员编号，对入井人员的携卡情况进行具体分析，所述具体分析的内容将在下面的方法实施例中进行具体介绍，此处不再赘述。

所述人脸识别服务器可以是具有gpu等视频图像处理功能的计算机，计算机内部安装人证数据库及人脸识别软件。所述人脸识别软件内置基于深度学习的人脸识别引擎，采用井下采集的人脸数据作为训练数据，使人脸识别引擎具备在矿井复杂环境下工作的能力。

所述人员限入装置14限制每次仅通过一人，防止多人同时进入唯一性检测识别区。

由上述内容可知，本发明提供的一种矿井人员唯一性识别系统，首先，通过设置在定位卡和定位器内部的通信模块之间的信息交互确定定位卡的卡号及rssi值，并通过设置强度阈值，使得定位器从多个定位卡中筛选出有效定位卡，去掉检测区域外部的干扰定位卡，提高定位卡的识别准确率；其次，通过定向rssi防碰撞和筛选处理后，有效定位卡数量大幅减少，但仍存在无效定位卡进入识别区的可能，因此，采用惯导模块辅助对定位卡进行进一步甄别，即将惯导模块采集到的矿井人员的姿态数据与有效定位卡的卡号和人脸识别服务器获取到的人员编号相结合，具体分析矿井人员在入井口的携卡情况，进一步提高唯一性识别的准确率。

在上述实施例的基础上，所述定位卡还包括：定位模块，所述定位模块用于定位矿井人员的井下位置，所述定位模块的定位精度不大于10m。

具体地，上述实施例主要解决了矿井人员在入井口出的唯一性识别问题，避免矿井人员在入井时出现代打卡、替卡、一人多卡或者漏卡现象，而本发明实施例通过在定位卡内集成有定位模块，如图3所示，则解决了矿井人员在井下的唯一性识别问题。定位模块实现人员在井下位置的精确定位。由于井下没有gps等信号，地面常用的gps/北斗等定位技术不能使用，在井下可采用但不限于rssi定位、tof定位、tdoa定位、地磁定位等定位技术。为保证通过井下位置数据识别定位卡唯一性的效果，一般地，定位模块的定位精度不应大于10m，可选地，定位模块的定位精度应小于3m。本发明实施例的工作原理将在方法实施例中进行具体介绍，此处不再赘述。

当有多个定位卡位于定位器附近时，定位卡信号可能在空中发生碰撞。作为本发明的一个实施例，所述定位器中的天线采用定向天线，使天线波束指向所述人员限入装置，从而保证进入人员限入装置内部检测区域的矿井人员所携带的定位卡11发送给定位器12的rssi远高于位于人员限入装置外部的矿井人员所携带的定位卡11发送给定位器12的rssi。

作为本发明的另一个实施例，所述人员限入装置14设置有信号屏蔽模块，所述信号屏蔽模块用于屏蔽人员限入装置外部的定位卡。所述信号屏蔽模块可以是金属挡板、金属门或者朝向人员限入装置14内部开口的金属箱或金属盒等金属壳体。所述定位器的天线安装在金属挡板或金属门内侧，或者安装在金属箱或金属盒等金属壳体的内部，天线波束通过开口射向检测区域。如此，可保证进入人员限入装置的矿井人员所携带的定位卡11发送给定位器12的rssi远高于位于人员限入装置外的矿井人员所携带的定位卡11发送给定位器12的rssi。

当人员站在人员限入装置附近时，定位器会收到多个定位卡的信息，多个定位卡的无线信号容易碰撞，且一定概率造成误判，本发明采用定向天线方案，或在人员限入装置上设置屏蔽模块的方案，结合rssi阈值对比，保证定位器仅收到位于人员限入装置附近的定位卡信息。不管定向天线还是屏蔽，都有一定覆盖范围，还是有一定概率误判，进一步地，结合设置于定位卡内部的惯导模块，进行进一步甄别，确保无附近定位卡影响唯一性检测。采用基于深度识别的人脸识别方案，通过采集井下人脸数据，训练人脸识别引擎，使人脸识别引擎具备在矿井复杂环境下工作的能力。相对于传统特征识别的人脸识别系统，基于深度识别的人脸识别具有更高的识别率和识别速度。采用内置有定位模块的定位卡，从而使唯一性识别系统具备通过人员位置来判断人员携卡状态的能力；定位卡内置惯导模块，通过检测人员姿态，结合定位卡位置，判断人员携卡状态；本发明不仅能在入井口进行唯一性识别，在人员进入矿井后，能进一步进行唯一性检测。

本发明提供了一种矿井人员唯一性识别系统，对入井人员进行人脸识别，并通过与后台数据库的人证数据进行对比，输出人证是否一致；通过定向rssi检测，防止发生多卡碰撞；结合设置于定位卡内的惯导模块，通过对入井口人员姿态的判定，将人脸识别结果、检卡结果与惯导测量结果结合，提升唯一性检测的准确性和可靠性；人员进入矿井后，结合人员定位数据和惯导姿态检测，判断是否存在进入矿井后一人多卡的情况。采用基于深度学习的人脸识别技术，使人脸识别更能适应矿井的复杂环境；采用基于惯导和定向rssi检测的定位卡检测技术，避免周边定位卡对唯一性检测的影响，消除误判漏判；采用定位和惯导结合的逻辑判定，解决rssi唯一性判定的准确性问题。本发明综合采用上述技术方案，解决了现有技术应用复杂、漏检率高、进入矿井后不能跟踪检测等问题，为矿井安全生产提供了更加有利的自动化管理方案。

图6为本发明实施例提供的一种矿井人员唯一性识别方法的流程示意图。该方法包括：

s601、当人员限入装置感应到有矿井人员进入时，触发人脸识别装置启动人脸识别，以及同时触发定位器启动定位卡识别；

s602、人脸识别装置收到触发信号后，启动摄像机采集位于所述人员限入装置内矿井人员的人脸数据，并通过人脸识别服务器确定所述矿井人员的人员编号；

s603、定位器收到触发信号后，通过第二通信模块发出无线接入帧，位于所述定位器无线覆盖范围内的定位卡收到所述无线接入帧后，通过惯导模块采集矿井人员的姿态数据，并通过第一通信模块向所述定位器回应无线信息帧和所述姿态数据，所述无线信息帧内携带有定位卡的卡号和无线信号强度rssi；

s604、所述定位器获取到多个定位卡的卡号和无线信号强度rssi后，将多个定位卡的无线信号强度rssi与预设阈值进行对比，并将无线信号强度rssi大于预设阈值的定位卡记为有效定位卡，然后将所述有效定位卡的卡号发送至人脸识别服务器；

s605、所述人脸识别服务器根据所述矿井人员的人员编号、所述姿态数据和所述有效定位卡的卡号得到矿井人员在入井口的唯一性识别结果。

由上述内容可知，首先，通过设置在定位卡和定位器内部的通信模块之间的信息交互确定定位卡的卡号及rssi值，并通过设置强度阈值，使得定位器从多个定位卡中筛选出有效定位卡，去掉检测区域外部的干扰定位卡，提高定位卡的识别准确率；其次，通过定向rssi防碰撞和筛选处理后，有效定位卡数量大幅减少，但仍存在无效定位卡进入识别区的可能，因此，采用惯导模块辅助对定位卡进行进一步甄别，即将惯导模块采集到的矿井人员的姿态数据与有效定位卡的卡号和人脸识别服务器获取到的人员编号相结合，具体分析矿井人员在入井口的携卡情况，进一步提高唯一性识别的准确率。

在上述实施例的基础上，所述步骤s605包括：

s6051、若人证数据库中无所述人员编号，判定为异常闯入，则自动报警装置进行报警；

s6052、若有一个卡号和一个人员编号，且所述卡号和所述人员编号一一对应，判定为正常通行，则限行闸门放行；

s6053、若有至少两个卡号和一个人员编号，则对比与所述至少两个卡号对应的有效定位卡的姿态数据，根据对比结果得到矿井人员在入井口的唯一性识别结果，具体过程如下：

根据不同有效定位卡在相同时间段内的姿态数据，计算各有效定位卡的姿态类型和姿态均值；

若各有效定位卡的姿态类型一致，且姿态均值在[-thresh_poseout，thresh_poseout]内，判定为一人多卡，所述自动报警装置进行报警；

若各有效定位卡的姿态类型不一致，或姿态均值不在[-thresh_poseout，thresh_poseout]内，判定为无效检测，发出提示，退出后重新检测，其中所述thresh_poseout为设置的第一姿态阈值。

s6054、若有至少两个人员编号，判定为多人进入人脸识别区，发出提示，退出后重新检测；

s6055、若有一个人员编号，但无与所述人员编号对应的识别卡号，判定为未带卡，则自动报警装置进行报警。

在上述各实施例的基础上，该方法还包括：

s606、人脸识别服务器分别统计不同定位卡在时间t内发送的姿态数据，以及各定位卡在所述时间t内的姿态类型和姿态均值；

s607、若在所述时间t内，不同定位卡的姿态类型相同，且各自对应的姿态数据均位于[姿态均值-thresh_posein，姿态均值+thresh_posein]内，则所述人脸识别服务器认为所述不同定位卡的姿态为同一种姿态，其中所述thresh_posein为设置的第二姿态阈值；

s608、人脸识别服务器分别统计不同定位卡在所述时间t内发送的井下位置数据，以及各定位卡在所述时间t内的平均位置数据；

s609、若在所述时间t内，不同定位卡的位置数据均位于平均位置±thresh_xy范围内，则所述人脸识别服务器认为所述不同定位卡在同一个位置，其中所述thresh_xy为设置的位置阈值；

s610、若所述不同定位卡的姿态为同一种姿态，且所述不同定位卡在同一个位置，则提示井下人员存在一人多卡风险，自动报警装置进行报警。

具体地，图6所述实施例主要阐述了对矿井人员在入井口的唯一性识别流程，本发明实施例则前述实施例的基础上增加了对矿井人员在井下的唯一性识别流程，即通过将定位模块测量得到的井下位置数据和惯导模块测量得到的姿态数据进行结合，从而综合判断井下人员的携卡情况。

为了进一步提高井下人员的唯一性识别的准确率，定位卡的定位精度小于thresh_xy。

本发明提供的一种矿井人员唯一性识别方法，首先，通过设置在定位卡和定位器内部的通信模块之间的信息交互确定定位卡的卡号及rssi值，并通过设置强度阈值，使得定位器从多个定位卡中筛选出有效定位卡，去掉检测区域外部的干扰定位卡，提高定位卡的识别准确率；其次，通过定向rssi防碰撞和筛选处理后，有效定位卡数量大幅减少，但仍存在无效定位卡进入识别区的可能，因此，采用惯导模块辅助对定位卡进行进一步甄别，即将惯导模块采集到的矿井人员的姿态数据与有效定位卡的卡号和人脸识别服务器获取到的人员编号相结合，具体分析矿井人员在入井口的携卡情况，进一步提高唯一性识别的准确率；进一步地，通过设置定位模块，将定位模块采集到的矿井人员的井下位置信息与惯导模块采集到的姿态数据相结合，对矿井人员在井下的携卡情况进行分析。由上述内容可知，本发明实施例形成了出入井口的唯一性检测和井下的唯一性检测的完整过程，确保矿井工作人员在一个完整的工作流程中，均保持一人一卡的安全状态，进一步规范矿井安全管理机制。

最后应说明的是：以上实施例仅用以说明本发明的技术方案，而非对其限制；尽管参照前述实施例对本发明进行了详细的说明，本领域的普通技术人员应当理解：其依然可以对前述各实施例所记载的技术方案进行修改，或者对其中部分技术特征进行等同替换；而这些修改或者替换，并不使相应技术方案的本质脱离本发明各实施例技术方案的精神和范围。