中國安檢機有多厲害？連分批寄的槍支零件都能識別

出品| 網易新聞

作者| 常松，清華大學材料加工工程系博士

　　過了正月十五，一年一度的春節便接近了尾聲，全球最大規模的人口遷徙——「春運」也即將落幕。

　　「為了您和他人的乘車安全和便捷，請遵守相關規定，自覺接受安檢！」

　　這句話已經成為了火車站、機場、地鐵進站的標準BGM。對於這個安裝傳送帶的方盒子機器，來去匆匆的我們大都見怪不怪。但是，在世界普遍不太平，很多國家面臨恐怖主義威脅的今天，安檢設備成為了很多公共場所的「剛需」。

　　那麼，這些「透視眼」是怎麼工作的？面對世界日益增長的安檢機市場，中國製造表現如何？

人進入安檢機，究竟有多大危害？

　　今年春節前夕，東莞的安檢小哥在顯視器上突然看到了這麼一個畫面：

　　在顯視器上突然出現的一個人形圖像，把安檢人員嚇得不輕。安檢員發現後立即停機，隨後在安檢機出口出來的還真的是一個大活人。

　　原來，一位女性乘客在聽到「請將隨身小包放入安檢機內接受安檢」的提示後，擔心隨身小挎包內的錢財丟失，竟連人帶包鑽入了安檢機。

　　其實，檢測人的影像本來也是安檢機的功能之一。在大型港口集裝箱的檢測中，X射線安檢設備就是檢測偷渡的利器。現在常見的安檢設備主要的原理都是利用物理化學方法，對於一些物質進行特定的信號捕捉，從而進行形態、成分的檢測。

　　比如，常見的安檢門、手持金屬探測器，是利用金屬導電體受交變電磁場激勵時在金屬導電體中產生的渦電流，對渦電流進行檢測從而發現金屬物體；機場入口檢測爆炸物痕量的「擦試紙」，是利用不同成分的分子在外加電場中漂移速度（用「遷移率」表示）的不同進行成分檢測，特別擅長區分毒品、爆炸物等有機大分子；而在可疑液體檢測中，則是利用了介質在外電場作用下極化程度（用「介電常數」表示）不同，來區分低介電常數的易燃液體。當然，大家絕大多數的時候選擇的是更簡便的方法「試喝一口」。

　　（常見安檢設備）

　　在眾多的安檢設備中，使用最早、應用最廣的仍然是X射線檢測設備。在上文提到的進入安檢機的女乘客的新聞出現後，有專家提示安檢機的X射線輻射對人體有傷害，那麼對她會有多大的傷害呢？

　　在網路上，安檢機輻射的安全問題曾一度傳出謠言，甚至還有人擔心被輻射之後的食物會變質。其實，雖然同樣是利用X射線照射被檢測對象獲得對象內部圖像，但是安檢機的輻射遠遠小於醫用X光設備。這主要是因為，安檢設備並不需要達到醫療診斷級別的解析度，僅僅是對於不同物質進行區別成像。

　　根據國家標準GB15208.1-2005規定，X光安檢儀的單次檢查劑量不應大於5μGy /h（電流輻射能量、吸收劑量單位），同時在距離設備外表面5厘米的任意位置（包括設備入口、出口處），X射線劑量都應小於5μGy /h，此標準與美國FDA的標準相同。

　　而實際上安檢機的X射線輻射劑量比國家標準要低很多，以北京地鐵使用的某品牌X射線安檢設備為例，根據企業技術資料顯示，單次檢測的輻射劑量在0.5μGy，外表面5厘米處的輻射劑量為0.7-0.8μGy /h，僅為國家標準上限的十分之一。（註：「吸收劑量」（absorbed dose）即每千克人體組織吸收輻射的能量大小，單位 「戈瑞」（gray），用符號 Gy表示。1Gy=1J/kg）

　　而根據聯合國原子輻射效應科學委員會（UNSCEAR）報告的數據，一次醫療X光胸透檢查的輻射劑量為50μGy。

　　如果非要拿二者比較的話，鑽進安檢機100次才能達到一次胸透接受的輻射劑量。當然，輻射劑量不是簡單疊加的，就好比說泡了1小時40℃的熱水澡不等於泡了半小時80℃的熱水，它們對人體的作用是完全不同的。

　　而對於我們自己的行李們，它們在安檢機下其實是這種畫風：

　　（小拉車上帶了些單薄的衣服）

　　（心形的小禮物）

　　（朋友來了有好酒）

　　（90後給小侄子的直升飛機）

　　（春節很忙的炒勺）

　　（大吉大利，今年吃雞）

　　（女士的高跟鞋和其他不可描述的東西）

　　（春節加班族包里的電腦，雨傘和瓶子）

　　（一個吉他的旅行）

X射線安檢設備是如何「透視」的？

　　透視，是人類一直追求的一種「超能力」，X射線的發現和應用讓「透視」成為了現代檢測手段之一。

　　X射線與不同物質發生相互作用，主要有4種：光電效應，瑞利散射，康普頓效應和電子對效應。簡單來說就是，射線遇到物體後，有如下幾種情況：或透過、或被吸收、或被散射。通過檢測這些不同的信號就能判斷物體的形態和成分。

　　這其中最有價值的信息是，從理論上來講，已知物體的密度和有效原子序數，就可以準確地確定物質的類型。

　　（X射線成像下的機槍）

　　早期的安檢設備是採用單個X射線發射源，圖像處理也比較單一，還是黑白影像。（其實相當多醫用、科研用X射線儀器都是黑白像）。這還不算什麼，早期安檢設備的最大缺點，是由於Ｘ射線的衰減與被測物質的密度、厚度和平均原子序數都有關係，當多重因素疊加影響時就很難判斷了。

　　比如，在安檢過包時，透射後得到的數據圖像是不能很好地對一個高原子序數、低厚度的物品與一個低原子序數但是高厚的物品進行有效區分的。

　　（雙能系統探測器示意圖）

　　而現在的安檢設備已經採用多個發射源進行多視角的立體成像，而且圖像處理也能彩色顯示。這主要是由於雙能系統的不斷開發升級。

　　雙能系統一般由一個連續能譜的Ｘ射線源及一套能夠分別接收高低能數據的探測器系統組成。對於高能和低能，不同平均原子序數的物質的衰減程度是不一樣的——低原子序數的物質衰減劇烈，高原子序數的物質衰減平緩。

　　因此在雙能系統中，高能和低能在同一種物質中的衰減程度是不一樣的，通過對高能和低能不同衰減係數的運算和比較，就可將不同種類、不同厚度的物質有效地區分開來。再配合上後期圖像信號處理，就能很明顯反映出物體的成分和結構。

　　（探測器高低能量光譜反應）

　　簡單來說，橙色代表有機物，例如食品、水、塑料等；書本、陶瓷等顯示為綠色；金屬則顯示為藍色。這時，安檢員快速查看X射線掃描的透視圖像，就能憑藉豐富的經驗判斷是否有違禁品。

　　因此，在整個檢測過程中，處理控制、電源、傳送之外，安檢最核心的部件便是由3個系統組成——X射線發射系統、信號探測系統、圖像處理系統。

　　安檢設備的「光源」就是一組工業用X射線管。它包含有陽極和陰極兩個電極，分別用於接受電子轟擊的靶材和發射電子的燈絲。兩級均被密封在高真空的玻璃或陶瓷外殼內。當高速電子到達靶面，運動突然受到阻止，其動能的一小部分便轉化為輻射能，以 X 射線的形式放出。

　　目前，國產的安檢儀中使用的X射線管額定電壓為80-160KV不等，最大達到800W。一個工作電壓150KV的發射器可以發出頂角為60°的圓錐形X射線束，經過準直器後變成角度為60°的扇形平面射線束。

　　（常用檢測管性能參數）

　　探測系統主要用途是接收射線並將其轉化為電信號供計算機後續處理，是安檢設備中的感測樞紐。

　　過去的探測方式屬於計數探測器，通過電脈衝信號來檢測，當帶電粒子進入探測器後，與物質發生相互作用，不論是激發還是電離，最終以電脈衝的方式來表達入射粒子的信息。如今的安檢設備中主要使用的是閃爍晶體－光電管探測器。Ｘ射線被探測器吸收穿過探測器表面的不透明物質到達內部的閃爍體，使閃爍體放光，光線經由反射面的反射最終透過透明薄膜層到達光電二極體，光電二極體將光信號轉化為電信號傳輸至ＰＣ機進行處理。

　　（閃爍晶體－光電管探測器結構）

　　雙能系統中的高能和低能兩部分信號也是通過兩種探測器進行識別的。它們在結構上是類似的，不同之處在於閃爍體的厚度，高能探測器閃爍體的厚度比較厚，一般在5ｍｍ左右，低能探測器閃爍體的厚度比較薄，一般在1ｍｍ左右。

　　在高能探測器的表面一般會覆蓋一塊銅片，它的主要用途是濾波，濾除X射線的低能部分，留下高能部分用來給高能探測器接收。

　　（Ｌ型探測器陣列）

　　在安檢設備中，通常會將這些探測器布置成一定的陣列。Ｘ射線安檢設備一般使用的是Ｌ型探測器陣列，由多組高低能閃爍探測器組成。Ｘ射線源正對Ｌ型探測器陣列最末端的一個探測器，以扇形的方式照射整個過包通道並被Ｌ型探測器陣列接收。根據安檢設備的型號不一樣，每一個Ｌ型探測器陣列由多塊探測器組成，每一個探測器又由多個探測點組成，每一個探測點代表安檢圖像的一個像素點。探測器上像素的尺寸僅為1.5mm×1.5mm。

　　探測器中的閃爍體將Ｘ射線轉換為可見光，然後光電倍增管會將可見光轉換為電信號。而將電信號最終成像就是圖像處理模塊的功能了。來自探測器的電信號先被放大，並經過A/D晶元量化後傳輸至PC端的上位機軟體。圖像處理軟體是各大製造商的「看家本領」。

　　簡單來說，就是將得到的高能和低能的灰度圖，根據其成分和厚度的不同進行融合和著色。其實，安檢機的彩色圖像是一種「偽彩色圖像」，它不像數碼相機等的拍攝畫面，而是只有灰度信息，然後根據一定的演算法給予灰度圖色彩。

　　根據前文所說，X射線安檢設備檢測的重要參數就是等效原子序數。國家安檢標準規定，等效原子序數小於10的物質是有機物，根據厚度的不同賦予不同飽和度的澄色；等效原子序數高於18的物質是無機化合物，根據厚度的不同賦予不同飽和度的藍色；等效原子序數介於10到18的物質是混合物，根據厚度的不同賦予不同飽和度的綠色。

　　（常見危險品圖像）

　　所以，在安檢機的屏幕上看，人和食物、塑料包都是橙紅色，炒鍋、雨傘是藍色，槍支、彈藥、刀具都是藍色，而大分子有機物的混合成分的炸藥是綠色。

當安檢機遇到人工智慧，會發生什麼？

　　火車站安檢中，總能看到安檢人員的身影，這同時也帶來了人工成本高、誤判漏判、經驗性依賴等問題，特別是在海關、機場等關鍵場所，誤判、漏判等為走私犯罪、運輸安全帶來隱患。隨著人工智慧的發展，在未來，能夠自動識別危險物品、違禁品的智能系統將成為安檢機發展的趨勢。

　　目前，中國的安檢設備製造已經提出了智能雲查驗整體解決方案。

　　該方案採用先進的雲計算、大數據、圖像智能識別技術，結合海關業務數據，建立國家級海關查驗雲平台，統一存儲海量多維數據，支持用戶間的審圖經驗共享，構造基於全量數據的多模態分析模型，實現高並發，實時處理海量查驗數據，對掃描圖像智能分析，有效支持國家級海關100%快速查驗業務，有效避免查驗率低、誤判率高的風險。

　　與此同時，中國也在開發基於神經網路的機器學習的智能安檢設備。目前，該設備已經具備200-1000億次/秒的圖形運算能力，可以自動識別肉眼難以辨認的複雜背景後的槍支，可識別常見的一百種以上刀具、數十種30種以上槍支、常見的上百種瓶裝液體、一百種以上的鋰電池。而且，經過大數據分析，甚至能查驗出分批寄運的槍支零件。

　　更為智能的檢測設備，也將使世界更加安全。

結語：走向世界的中國設備

　　雖然現如今出現在公共場所的安檢設備已經漸漸走向低成本、小型化，但是從整個安檢設備行業來說，這其實是一個高技術門檻的行業。

　　5年前，世界安檢設備的市場份額中，中國只佔有一席，而如今，隨著眾多發展中國家紛紛舉辦世界級賽事、「一帶一路」的戰略背景、世界公共安全面臨恐怖主義威脅加劇等因素，中國在世界安檢設備市場上開始扮演日益重要的角色。

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編輯| 史文慧