Безопасность через технологии - досмотровые сканеры R&S QPS (body-scanner)

Типичный авиапассажир имеет противоречивые чувства по поводу безопасности. Согласно опросу, представленному Федеральной Ассоциацией Германии по Информационным Технологиям, Телекоммуникациям и Медиа (Bitkom), большинство пассажиров одобряет широкое использование технологий безопасности в аэропортах, включая сканеры. В то же время их раздражает множество неудобств, начиная от ограничений по поводу багажа и необходимости снимать различные предметы одежды при проверках безопасности, до неестественного положения, требуемого обычными сканерами тела, и обыск сотрудниками службы безопасности. И это только усугубляется длительным ожиданием на контрольно-пропускных пунктах. Поскольку маловероятно, что стандарты безопасности в ближайшее время будут смягчены, перед технологией стоит новая задача найти решение этой проблемы вопреки даже более жестким мерам безопасности.

Рис. 1: Сканер R&S QPS200 с двумя панелями предназначен в первую очередь для использования в аэропортах. Он может быть интегрирован практически в любые ворота. Модель R&S QPS100 (не показана) имеет только одну панель; человек поворачивается на 180 ° для полного сканирования

Целью является поддержание самого высокого уровня безопасности при сохранении максимально возможного удобства для пассажиров. Новый досмотровый сканер (боди-сканер) R&S QPS (Рис.1) является важным шагом в этом направлении.

Появление продукта на рынке

Первые сканеры были разработаны в начале 1990-х, еще до того момента, как для них появился заметный рынок. Эти устройства обратного рассеивания, работающие в рентгеновском диапазоне, использовались в аэропортах. За ними через несколько лет последовали устройства, работающие в микроволновом диапазоне, хотя спрос оставался ограниченным. После драматических событий 11 сентября стало ясно, что рынок оборудования для обеспечения безопасности будет стремительно развиваться. В результате, Rohde & Schwarz очень быстро решили в 2007 году стать партнером в консорциуме, работающем над проектом, чтобы предложить европейскую альтернативу продуктам из Соединенных Штатов, которые были первооткрывателями в этой категории. Завершилась трехлетняя фаза исследований и разработок в доказательство концепции, которая подтвердила путь консорциума. Однако, расходящиеся концепции серийной модели производства заставили участвующих партнеров в данной отрасли выработать их собственные, отдельные пути. В рамках QPASS, последовал проект, инициированный Rohde & Schwarz и финансируемый Федеральным министерством образования и исследований Германии. Rohde & Schwarz вместе с Институтом микроволн и фотоники в Университете Эрланген-Нюрнберг, Германия, работал над подготовкой производства опытного образца, который показал потенциал для удовлетворения всех ожиданий, несмотря на то, что новые требования ЕС ставят дополнительные задачи.

Раньше устройства были предназначены для создания изображений, которые затем могли быть оценены людьми, проводящими скрининг. Тот факт, что интимные подробности были также видны, вызвал эмоционально напряженные общественные дебаты, которые вынудили власти США и Европы изменить свои правила. Теперь на контрольно-пропускных пунктах запрещено отображать фотоизображения. По-видимому, это простое регулирование, но с чрезвычайно серьезными техническими последствиями. Теперь задача заключалась в разработке метода автоматического обнаружения подозрительных объектов. Это потребовало расширения технологии миллиметровых волн с помощью быстрой системы обработки изображений, которая могла бы надежно отфильтровывать аномалии из измеренных данных для отображения (Рис.2). Команда разработчиков, собранная для этой задачи, сделала такой быстрый прогресс, что серийная модель производства R&S QPS100 была готова к внедрению в 2014 году. Протестированная в реальных условиях, постоянно улучшаемая, со всеми применимыми сертификатами и расширення для того, чтобы включить модель R&S QPS200, платформа R&S QPS сегодня служит инновационным решением безопасности не только для аэропортов, но и для всех сфер, требующих высокого уровня безопасности и ограниченного доступа. Спрос высок. Такие страны как Германия следуют примеру США, которые в 2010 году начали последовательно оборудовать все аэропорты сканерами. С подписанием в июле 2016 года Соглашения между Федеральным министерством внутренних дел Германии и Rohde&Schwarz о поставке 300 единиц товара, R&S QPS200 на пути к тому, чтобы стать привычным оборудованием в аэропортах Германии.

Рис. 2: Результат сканирования отображается на нейтральном графике. Персональные данные не отображаются и не сохраняются.

Краткая история проверок безопасности в аэропортах

История безопасности в аэропорту, как минимум та, что относится к защите от атак, связана с серией ключевых событий и ответами на эти события. В первые десятилетия коммерческой авиации безопасность аэропорта по сути не существовала, так как полет был эксклюзивным приключением, которое могли себе позволить только состоятельные клиенты, и далек от стадии насильственных преступлений, требующих мер защиты. Даже когда имело место воздушное пиратство, в основном по политическим мотивам, с рекордным числом 82 угонов в 1969 году, власти все еще не видели необходимости в значительных мерах противодействия. Металлические детекторы использовали при осмотре пассажиров только тогда, когда имелись основания для подозрений. И только в 1980-х годах, когда США, в частности, усилили свою войну с наркотиками, были усилены проверки пассажиров и задействованы служебные собаки. В 1988 году бомбардировки Локерби привели к сканированию некоторого багажа в Европе; Однако, только в 2003 году проверка каждого места багажа стала обязательной по регламенту ЕС.

Во многих отношениях атаки 11 сентября 2001 года представляли собой «время начала наступления» с точки зрения политики безопасности. На всех возможных уровнях власти делали все возможное, чтобы предотвратить повторные атаки, начиная от экстенсивного приграничного согласования данных о пассажирах до начала работы воздушных маршалов, запрета на перевозку резких или острых предметов, таких как пилочки для ногтей в ручной клади (Установка такого оборудования обошлась только для одной компании Lufthansa более чем в 30 миллионов евро согласно заявлениям компании). В результате с этого момента произошли кардинальные изменения проверки безопасности перед посадкой. Попытка Ричарда Рида в декабре 2001 г. детонировать взрывчатые вещества, скрытые в пятке его обуви, была сорвана, но США и некоторые другие страны отреагировали введением нового требования от пассажиров снимать обувь для осмотра. Далее был введен запрет на большие объемы жидкости в 2006 после того, как в Великобритании был раскрыт план использования жидких химикатов в нападении. Во время Рождества 2009 года креативность террористов распространилась даже на нижнее белье, когда гражданин Нигерии попытался взорвать взрывчатку, спрятанную в нижнем белье незадолго до посадки в Детройте. Администрация транспортной безопасности, созданная в США в ответ на события 11 сентября, отреагировала на эту попытку, представив сканеры всего тела в аэропортах по всей стране. Установка этих приборов, которые были разработаны в 1990-х годах, началась в 2007 году в аэропортах США и других стран и городов, таких как Амстердам, но их широкое использование началось в 2010 году. Это первое поколение сканеров было основано на технологии рентгеновских лучей, которая сделала видимыми не только потенциально опасные объекты, но также и интимные части тела, что привело к серьезной общественной критике. Кроме того, рентгеновские лучи обладают ионизирующим эффектом и, следовательно, наносят ущерб клеткам, даже несмотря на то, что органы власти исключают любую угрозу для здоровья из-за низкого уровня радиации от приборов (измерения показывают, что уровень с которым сталкиваются пассажиры, приблизительно равен нескольким минутам космической радиации). Тем не менее, эти устройства обратного рассеяния в значительной степени исчезли с рынка и в настоящее время запрещены во многих странах. Даже Администрация транспортной безопасности приняла серьезное решение и исключила все устройства первого поколения в период с осени 2012 до мая 2013 года, заменив их альтернативной технологией миллиметровых волн. Однако этот шаг был сделан не из соображений общественного здравоохранения, а из-за того, что изготовитель устройства не смог реализовать обновление программного обеспечения вовремя, при котором результаты cканирования имели бы безличный характер. В ответ на общественный резонанс власти США включили положение в Акт Модернизации и Реформирования 2012 года о том, что обнаженные изображения, созданные сканерами тела, должны быть заменены символическим изображением тела, идентичным для всех испытуемых.

Из соображений здоровья Европейский Союз запретил использование рентгеновских сканеров (и всех технологий, использующих ионизирующее излучение) в постановлении, которое вступило в силу в ноябре 2011 года. Сохранение персональных данных и прав на защиту данных также является обязательным. Германия провела первое испытание сканера миллиметрового диапазона первого поколения в 2010 году в аэропорту Гамбурга. Были проведены полевые испытания, которым центр Федеральной полиции Германии оказал научную помощь. 800 000 добровольцев, в том числе федеральный министр внутренних дел Германии де Мезьер, дали разрешение на сканирование. Целью крупномасштабного испытания было определить, как устройства покажут себя в реальной жизни, чтобы определить любые проблемные места и выяснить, как оптимально реализовать общие методы тестирования. Национальные органы власти работают непосредственно с Европейской конференцией гражданской авиации (ЕКГА), которая отвечает за сертификацию, связанную с воздушным транспортом и испытание в Гамбурге сыграло здесь новаторскую роль. Результаты испытаний (в том числе высокий процент ложных тревог) привели федеральное правительство Германии к выводу о том, что устройства, которые в настоящее время доступны на рынке, еще не подходят для общего использования. С тех пор производители усилили работу над повышением надежности.

Сканеры последнего поколения, такие как R&S QPS от Rohde & Schwarz, более продуманнее, чем их предшественники, и подходят для неограниченного и широкого использования. Регулирующие органы также требуют, чтобы сканеры ускоряли проверки безопасности, а не замедляли их. Быстрые устройства, доступные в настоящее время, делают это возможным. Более широкое использование автоматизированного оборудования для обеспечения безопасности дает оправданную надежду на то, что воспринимаемая пассажирами нагрузка в скором будущем будет снижена до приемлемой степени. Первым шагом в этом направлении стало полное исключение в ЕС запрета на большие объемы жидкостей в ручной клади в 2014 году (хотя и остались ограничения на лекарства, специальные продуктами и товары, приобретенные в зоне duty free). Это стало возможным благодаря новой технологии, позволяющей обнаруживать жидкие взрывчатые вещества. Достижения в области технологий сканирования в скором времени позволят проводить досмотр сквозь толстые слои одежды, чтобы пассажирам больше не требовалось снимать свои пальто и куртки. Решения, не заметные глазу, уже видны на горизонте, то есть пассажиры будут подвергаться проверкам безопасности, даже не замечая этого. Есть надежда, что путешественники смогут осуществить посадку на самолет без проблем, в отличие от женщины, у которой конфисковали ее рождественский пирог в Лас-Вегасе, потому что охранник считал, что глазурь была слишком похожа на взрывчатку.

Новые пути

Боди сканер R&S QPS отличается от конкурирующих продуктов своим видом, тем, как он работает и как выполняется сканирование. Обширные пространства с громоздкими стендами остались в прошлом. Визуально привлекательные, компактные, плоские панели могут быть интегрированы без барьеров в контрольно-пропускной пункт (Рис.1). Открытая конструкция дает персоналу безопасности свободный обзор всего контрольно-пропускного пункта. Процедура сканирования, которая считается неприятной из-за традиционного оборудования, поскольку пассажиры должны держать руки в воздухе, как-будто их остановила полиция, теперь значительно комфортнее для пассажиров. Нужно слегка расправить руки в естественной позе, что возможно даже для физически ослабленных людей, и считается этичным в разных культурах.

R&S QPS, который можно заказать у официального дистрибьютора Rohde&Schwarz в Украине компании ИНКОТЕЛ СИСТЕМ, - это полностью электронный прибор с низким уровнем шума, без подвижных частей. Это единственное устройство на рынке, которое основывается на мультистатическом принципе, знакомым по радиолокационной технологии, где отраженный передаваемый сигнал применяется одновременно к большому количеству приемных антенн (Рис.3). Это обеспечивает лучшее освещение отсканированного человека, что ведет к повышению качества обнаружения.

Рис. 3: Мультистатический принцип работы: В то время как только один из 3008 передатчиков активен в панели, все 3008 приемных антенн принимают отраженный сигнал. Поскольку каждый передатчик также быстро проходит через 128 частот до того, как следующий начинает передачу, каждый цикл сканирования передает более миллиарда (!) комплексных значений на панель (амплитуда и фаза), менее чем за 32 мс.

Помимо проверки калибровки раз в полгода, система практически не требует технического обслуживания. Конечно же, эти проверки проводятся на месте. Установка и ввод в эксплуатацию занимают менее часа, потому что все предварительные трудоемкие процессы выполняются на заводе.

Традиционные микроволновые сканеры освещают объекты на частотах ниже 30 ГГц. R&S QPS, напротив, достигает более высокого пространственного разрешения, поскольку он работает в полосе частот миллиметрового диапазона между 70 ГГц и 80 ГГц, этот диапазон также используется датчиками парковки транспортных средств. При мощности около 1 мВт пиковая мощность передачи примерно в три раза ниже, чем у излучений от мобильных телефонов, и практически не обнаруживается в том месте, где стоит сканируемый человек.

Объем сканирования - 1,9 мм ×1,9 мм × 5,7 мм вокселей, что достигается не только за счет высокочастотного диапазона, но и благодаря мультистатическому принципу действия. Было трудным реализовать это в сканере с высокой разрешающей способностью и близким диапазоном. Чтобы сделать мультистатический сканер на миллиметровых волнах работоспособным, его поверхность должна быть полностью покрыта антеннами, что подразумевает размещение четверти миллиона антенн на панели для сканера размера R&S QPS. Потребовались годы фундаментальных исследований в попытках сократить количество антенн в разумных пределах и это стало основой более чем для одной докторской диссертации. В результате была разработана конструкция, состоящая из 3008 передатчиков и 3008 приемников, распределенных в 32 кластерах по каждой панели в шахматном порядке (Рис.4). В дополнение к передатчикам и приемникам, кластеры содержат электронику, необходимую для обработки и преобразования частоты. Принятые сигналы преобразуются с понижением частоты до 25 МГц , а сигналы от четырех кластеров принимаются к одному из восьми IF модулей, расположенных позади них. В IF модулях они подвергаются аналогово-цифровому преобразованию и перерабатываются в исходные данные в виде изображений. На последнем этапе данные направляются через две централизованные платы и ПК адаптер к интегрированному модулю межпроцессного взаимодействия (IPC), где происходит окончательный анализ данных. Потенциально опасные объекты автоматически обнаруживаются и рассчитывается, отображается их точное местоположение . На каждой панели также имеется генератор синтеза для инициирования сигнала, а также вспомогательные элементы, такие как батарея, распределение сигналов, порты интерфейса и элементы дисплея.

      Структура панели R&S QPS

Рис. 4: R&S QPS имеет модульную конструкцию. Внешний RF-интерфейс распределяется в 32 кластерах в шахматном порядке.

Body-scanner R&S QPS200 предназначен для полного сканирования всего за 32 мс на панель. Компьютерный анализ в настоящее время занимает несколько секунд, и это время будет значительно сокращено в будущем за счет использования более мощных технологий обработки данных. Высокопроизводительные графические процессоры (GPU), оптимизированные отраслью видеокарт для массовой параллельной обработки, открывают новые возможности на пути к внедрению анализа в реальном времени, что является необходимым предварительным условием для будущего развития.

Задача автоматического обнаружения

На первый взгляд, сканер тела работает так же, как классическая фотокабинка. Человек освещается, отраженный свет воспроизводится на носитель (в случае сканера на данные вместо бумаги) и с помощью программного обеспечения сканера разрабатывается изображение. Однако полностью автоматический сканер не предназначен для создания фотографий для просмотра человеком. Вместо этого его цель состоит в том, чтобы предоставить интерпретацию изображения, его оценку, которая является значительно более сложной задачей.

Цель одновременно и проста и сложна: обнаружить все потенциально опасные объекты, которые перевозятся на теле или в одежде, независимо от типа, размера, местоположения и состава материала.* Всеохватывающий объем этой задачи мгновенно приводит к выводу, что получение положительной оценки по итогам процедуры, то есть обнаружение конкретных объектов путем сравнения с шаблонами, определенно потерпит крах. Например, есть слишком много материалов и форм, которые можно использовать как огнестрельное оружие или ножи. Сканер должен был иметь способность распознавать конкретные предметы, исходя из их характеристик и цели, независимо от формы, материала, а это была безнадежная попытка. Поэтому задача сканирования состоит не в том, чтобы идентифицировать объекты, а в том, чтобы идентифицировать области на теле, которые при оценке с помощью программного обеспечения для анализа значительно отличаются от областей, не вызывающих подозрений. Задача разработчиков состояла в том, чтобы научить программное обеспечение определять то, что считается не вызывающим подозрений. Однако любая попытка сделать это на основе «белого списка» безвредных вещей также является бесполезной задачей по той же причине, что и изложенная выше. Слишком много возможных вариаций возникает даже с легким примером, таким как, например, мужская одежда. Одет ли человек, проходящий осмотр, в пуловер или рубашку, сделана ли она из шерсти или синтетики, закрывается ли она молнией или кнопками, которые, в свою очередь, могут быть большими или маленькими, изготовленными из пластика, металла или перламутра, расположены они по середине или сбоку, стоит ли долговязый парень перед сканером, или здоровенный мужчина высотой шесть с половиной футов - сканер должен оценить все это и многое другое без ошибок и позволить им пройти процедуру осмотра как обычно. Было ясно, что для решения этой проблемы потребуется совершенно новый подход, в котором будут объединены методологии обработки изображений, машинного обучения и, что очень важно,глубокое изучение, современный метод создания искусственного интеллекта.

Каждый цикл сканирования создает огромный набор данных амплитудных и фазовых значений из объема 3D-сканирования, который может быть использован в качестве основы для анализа. Сканер работает аналогично векторному сетевому анализатору. Полученные сигналы сравниваются с передаваемыми сигналами по амплитуде и фазе, а дифференциальное значение содержит всю необходимую информацию об объекте тестирования. Задача состоит в том, чтобы интерпретировать эту информацию посредством правильного моделирования, то есть путем отображения физических данных в конкретных характеристиках и атрибутах объекта. Примеры этих атрибутов включают интенсивность сигнала, шероховатость поверхности и силу множественных отражений. Фактически, более тысячи различных атрибутов могут быть определены и объединены в высокоразмерное пространство атрибутов. Подозрительные объекты или материалы оставляют позади характерные идентификационные данные в том месте, в котором они проявляются в определенных подмножествах атрибутов (= комбинаций атрибутов) определенными способами. Классификаторы используются для моделирования этих подмножеств (Рис.5).

Сопоставление измеренных данных с характеристиками объекта с помощью классификаторов

Рис. 5: Из основной физической информации (радиусы действия и фазы) извлекаются атрибуты  и они объединяются в n-мерные классификаторы, каждый из которых реагирует на специфическую характеристику или класс объекта. В этом примере есть три классификатора, каждый с двумя атрибутами. Объединение всех классификаторов дает окончательный результат обнаружения.

Рис.6 демонстрирует этот принцип, основанный на классификаторе, который использует интенсивность сигнала атрибутов и шероховатость поверхности. В этом двумерном пространстве атрибутов небезопасную область тела можно отличить от области, в которой, например, под одеждой скрывался черный порошкообразный заменитель. При принятии решений что именно выделить как подозрительный объект четкие границы являются важным критерием удобства использования классификатора.

Принцип классификатора

Рис. 6: Пример классификатора с двумя атрибутами для определения характеристики конкретного объекта. Атрибуты должны быть выбраны так, чтобы можно было определить четкую границу принятия решения; Здесь показаны две возможные границы.

В то время, когда была начата разработка R&S QPS, все еще необходимо было определять и осуществлять параметризацию подходящих атрибутов и классификаторов вручную (разработка характерных особенностей). Однако за последние несколько лет были достигнуты огромные успехи в области машинного обучения, в частности глубокого обучения. Последняя версия программного обеспечения для обнаружения R&S QPS также была обучена с использованием алгоритмов глубокого обучения.

Глубокие методы обучения заменили традиционные алгоритмы машинного обучения во многих сферах применения. Распознавание голоса Google Android, распознавание лица Facebook и голосовой перевод Skype основаны на глубоком обучении. В начале 2016 года, компьютерная программа Google AlphaGo привлекла всеобщее внимание, победив многочисленных игроков мирового класса Go, что ранее считалось невозможным. Игровая сила программного обеспечения заключалась в алгоритмах и правилах анализа, генерируемых с помощью нейронных сетей, использующих глубокое обучение.

Можно добиться удивительных результатов с помощью нейронных сетей, когда дело доходит до распознавания образов. Например, сети особенно подходящие для обработки изображений, которые называются сверточными нейронными сетями, теперь превосходят даже людей в таких задачах, как распознавание дорожных знаков. Для того чтобы нейронная сеть могла выполнить задачу, ее топология и функции переключения нейронов должны быть идеально настроены. Поэтому потребовались большие усилия разработать сети, лежащие в основе программного обеспечения R&S QPS, а также это повлекло за собой огромные расходы. Чтобы выяснить, будет ли сеть работать по назначению, она должна быть сначала достаточно подготовлена с использованием данных, удовлетворяющих высоким требованиям качества**. В этом случае программному обеспечению был предоставлен большой набор помеченных учебных данных, полученных путем сканирования многих тысяч испытуемых объектов***. Метки используются для обозначения любых проблемных зон, если таковы возникают на объекте тестирования. Тип проблемы (нож, взрывчатые вещества и т. д.) не имеет значения. Из огромного количества обработанных образцов, программное обеспечение самостоятельно узнает, как выглядят образцы, вызывающие тревогу. В чрезвычайно интенсивном процессе оптимизации процессора, в котором изменяются миллионы параметров, алгоритм глубокого обучения работает через базу данных, находя те атрибуты и классификаторы, которые лучше всего подходят для идентификации случаев совершения нарушений. Полученное таким образом решение проблемы реализовано в прошивке R&S QPS. Общий цикл обучения и применения крайне неуравновешенны с точки зрения требуемого времени. Расширенная фаза обучения (длинные расчеты выполняются на кластере графического процессора) создает программу, которая при фактическом использовании может принимать решения за считанные секунды.

Глубокое обучение предоставляет решающие преимущества в разработке программного обеспечения сканера. Этот метод не только позволяет достичь высокого качества обнаружения, но также особенно привлекателен, поскольку результаты генерируются автоматически. Программное обеспечение становится партнером в разработке, освобождая инженеров от монотонных рутинных задач. Вместо этого инженеры могут инвестировать свое время на совершенствование нейронных сетей и алгоритмов глубокого обучения, что приведет к еще лучшим результатам обнаружения.

Резюме и дальнейшие разработки

С серией досмотровых сканеров R&S QPS компания Rohde & Schwarz открывает новую главу как для этой категории устройств, так и для безопасности полетов. Инновационные аппаратные и программные решения удовлетворяют требования работников, ответственных за безопасность аэропорта, при этом максимально оправдывая ожидания пассажиров. Операторы могут интегрировать компактные устройства в контрольно-пропускной пункт без барьеров для обеспечения высокой пропускной способности пассажиров. Пассажирам предоставляется удобная и полностью недискриминационная процедура сканирования. Технический дизайн R&S QPS предоставляет возможность для разработки новых моделей в соответствии с будущими требованиями. В среднесрочной перспективе быстрый прогресс, в частности, в области массовых параллельных вычислений выведет на рынок досмотровые сканеры, которые даже не будут восприниматься как оборудование для обеспечения безопасности и не будут препятствовать пассажирским перевозкам.

Фолькер Бах

* Миллиметровые сканеры не могут видеть под кожей, т. е. внутри тела, поскольку их волны отражаются от поверхности или, точнее говоря, от воды, хранящейся в коже, что является одной из причин их незначительного влияния на здоровье.

** Сети обучаются с данными, прошедшими предварительную квалификацию, поэтому этот тип машинного обучения также называется контролируемым обучением.

*** Эти проверки выполняются под контролем Rohde&Schwarz на заводе. Данные, полученные во время нормальной работы на месте установки, никогда не должны использоваться.

Заказать досмотровый сканер QPS или получить консультацию по этому и другому оборудованию Rohde & Schwarz можно, обратившись к специалистам ИНКОТЕЛ СИСТЕМ - мы рады помочь Вам в решении Ваших задач с помощью передового оборудования Rohde&Schwarz. ИНКОТЕЛ СИСТЕМ - официальный дистрибьютор компании Rohde & Schwarz на территории Украины.