北斗定位技術與AI識別技術的高速收費站非法入侵的應用

欒永濤 柳暉 唐軍波

摘 要：當今AI視頻識別技術發(fā)展迅猛，被廣泛應用到各個領域。當前，高速收費廣場信息化建設中，定位技術及AI視頻識別技術不可或缺，其能夠實時監(jiān)控人員流動情況，使現(xiàn)場視頻圖像更加清晰，為應急指揮、大數(shù)據(jù)采集及現(xiàn)場調度等提供了技術支持。本文簡要介紹了北斗定位技術及AI視頻識別技術相融合的高速收費廣場智能監(jiān)控關鍵技術，以期實現(xiàn)指揮監(jiān)控對高速收費廣場全覆蓋，滿足信息化建設要求，提高高速收費廣場運營管理質量及效率，有效防范對高速收費廣場的非法入侵。

關鍵詞：AI視頻識別技術;北斗定位技術;高速收費廣場;非法入侵

中圖分類號：TN967.1 文獻標識碼：A

0 引言

目前的收費廣場大多是開放式的，很多的設備、設施都是非工作人員可以觸碰到的，收費廣場的人力有限，設備、設施的安全管控存在一定問題。伴隨著衛(wèi)星定位技術和人工智能及機器學習等各項技術的廣泛研究與應用，可以通過人工智能技術以及基于北斗的人員定位技術實現(xiàn)收費廣場區(qū)域的自動人員識別、重要區(qū)域的外來人員預警、區(qū)域內(nèi)高溫人員預警等，利用科學技術提高安全防范管控能力，加強收費廣場的管理能力，保障設備、設施的安全性。

1 現(xiàn)有技術分析

1.1 監(jiān)測方法

目前的AI智能監(jiān)控算法主要基于HOG+SVM監(jiān)測算法，由法國研究人員達拉爾2005年在CVPR發(fā)表的一篇論文所提出，并被融入到經(jīng)典的OpenCV算法中，可以直接調用來實現(xiàn)對目標的監(jiān)測。關于目標監(jiān)測的實時性，目前通常采用多功能集成方法和級聯(lián)分類器來獲得更有效的測試結果。使用的特征包括Harry- Like、Hog、RBP、EDHET、CSS、COV、和Centrist等。

1.2 SSD網(wǎng)絡

目前，常規(guī)目標判定算法如Faster R-CAN等存在運行速度較慢的缺點。本文中的高速收費廣場智能監(jiān)控系統(tǒng)采用SSD方法識別目標，其可以大大提高識別速度和精度。SSD內(nèi)核算法采用卷積方法來預測一系列邊界內(nèi)的差分和偏差量，以及提高不同比例視頻圖像上的識別精度。SSD可以實現(xiàn)穩(wěn)定的目標識別，能較好的保證監(jiān)測精確度。

1.3 模型結構

初始網(wǎng)絡層使用圖像分類模型，稱為基礎網(wǎng)絡，在此基礎上，添加一些輔助結構：

（1） 多尺寸特征圖檢測： 在基礎層后，添加一些卷積層，這些層的大小逐漸減小，可以進行多尺度預測。（2） 卷積核進行預測： 每一個新添加的層，可以使用一系列的卷積核進行預測。對于一個大小為m × n、p通道的特征層，使用3 × 3的卷積核進行預測，在某個位置上預測出一個值，該值可以是某一類別的得分，也可以是相對于先驗框的偏移量，并且在圖像的每個位置都將產(chǎn)生一個值。（3） 邊界框： 在特征圖的每個位置預測 K 個框。對于每個框，預測 C 個類別得分，以及相對于邊界框 4個偏移值，這樣需要（C + 4）× k 個預測器，在 m × n 的特征圖上將產(chǎn)生（C + 4）× k × m × n 個預測值。

模型在建構之后需要進行模型訓練。在模型訓練過程中，首先判斷在訓練畫面中的真實背景。確定預設的哪一個復選框符合實際目標，進而匹配負責預測的前復選框。為了最大限度地平衡正負兩個樣本，SSD選擇了負樣本，根據(jù)可靠性偏差（背景預測的可靠性越低，錯誤越多）選擇錯誤較大的TOP-K作為訓練的負樣本，為了保證正負樣品比約為1∶3，預測過程比較簡單。對于每個預測單元，首先確定信度和可靠性，然后在后臺的預測范圍內(nèi)過濾。然后過濾低可靠性閾值預測模塊（如0.5）。以先驗塊為基礎獲取其真實位置參數(shù)，解碼后降低基于可靠性的序列，只保留頂級K（400）預測框架。最后，為了獲得結果，設計了NMS算法，為較大的重疊預測框架提供過濾。

2 北斗衛(wèi)星精準定位+圖像生物特征AI分析技術

采用北斗衛(wèi)星精準定位技術，通過給內(nèi)部工作人員佩戴統(tǒng)一的電子定位胸牌，通過北斗衛(wèi)星精準定位，定位精度可以高達0.5米。同一區(qū)域內(nèi)多人同時出現(xiàn)，也同樣能夠精確到具體的人員。

圖像生物特征AI分析技術，不是依據(jù)穿戴的服裝來識別，而是通過人的生物特性來識別，例如，人的體態(tài)習慣、步伐的大小、步伐的頻率、胖瘦身高等生物都有的因數(shù)來識別。目前該技術國外還沒有成熟的解決方案，國內(nèi)公安領域有提出但是沒有應用案例，該技術市場前景可觀，優(yōu)點明顯，不僅不受天氣、光線、角度等影響，而且生物特征是生物的唯一特征，不容易模仿和篡改，可靠性較強，極具說服力。

3 收費廣場智能監(jiān)控系統(tǒng)的結構和主要功能

3.1 監(jiān)控中心

建立監(jiān)控中心需要配備計算機系統(tǒng)與AI智能視頻監(jiān)視設備，結合綜合智能控制臺和報警系統(tǒng)等。主要通過AI視頻識別來實現(xiàn)收費廣場周圍環(huán)境的自動檢測，配合北斗人員定位技術實現(xiàn)對不同人員身份的視頻識別等功能。監(jiān)控中心還可以通過實現(xiàn)科學環(huán)境誘導和綜合信息發(fā)布系統(tǒng)等先進的技術手段，以便于及時地發(fā)現(xiàn)與快速處理高速收費廣場所發(fā)生的各類非法闖入事件，確保收費廣場的安全運行。

（1）實現(xiàn)重點區(qū)域、指定區(qū)域的內(nèi)部工作人員和外部非工作人員的數(shù)量統(tǒng)計，實時監(jiān)控外部非法人員入侵。（2）實現(xiàn)外部人員入侵預警，實時報警，并針對入侵的非法人員通過現(xiàn)場語音廣播等方式進行警告并驅離，達到安全管控的目的。

3.2 基礎支撐環(huán)境設計

（1）設備配置要求。根據(jù)收費廣場現(xiàn)場實際范圍、面積、需求等配置攝像機的數(shù)量，以便實現(xiàn)重點區(qū)域、指定區(qū)域的監(jiān)控。根據(jù)現(xiàn)場實際工作人員數(shù)量確定佩戴電子胸牌的數(shù)量。（2）服務器技術要求。服務器是高速收費廣場非法人員入侵分析監(jiān)控平臺的關鍵設備，實現(xiàn)數(shù)據(jù)采集、存儲、遠傳等功能，需要所配置的服務器應該具有良好的系統(tǒng)開放性、可擴展性、網(wǎng)絡響應能力以及負載能力，并且服務器要適應長時間可持續(xù)的正常運行，需要既有可靠性和易維護性。

3.3 實現(xiàn)的主要功能

（1）實現(xiàn)重點區(qū)域、指定區(qū)域的內(nèi)部工作人員和外部非工作人員的數(shù)量統(tǒng)計，實時監(jiān)控外部非法人員入侵。（2）實現(xiàn)外部人員入侵預警，實時報警，并針對入侵的非法人員通過現(xiàn)場語音廣播等方式進行警告并驅離，達到安全管控的目的。

3.4 北斗定位方案網(wǎng)絡拓撲圖

系統(tǒng)以北斗衛(wèi)星定位技術為依托，通過攝像機和電子胸牌終端設備，采集監(jiān)控并統(tǒng)計重點區(qū)域、指定區(qū)域的人員數(shù)量，識別外部入侵人員，并實時報警，接收衛(wèi)星信號通過運營商基站數(shù)據(jù)遠傳到上層應用層，在WEB端界面進行展示，通過對外部人員非法入侵分析監(jiān)控，對于入侵的非法人員，使用語音廣播進行警告并驅離，實現(xiàn)收費廣場的安全管控。

3.5 系統(tǒng)概述

高速收費廣場非法人員入侵分析監(jiān)控平臺是衛(wèi)星精準定位+圖像生物特征AI分析技術相融合的“人工智能人員識別技術”。應用于收費廣場安全預警與收費廣場安全管控的實際業(yè)務場景中。具體解決方案如下：

（1）工作人員佩戴胸牌，通過北斗衛(wèi)星的精準定位，獲取工作人員的精準地理位置數(shù)據(jù)。（2）通過圖像的視頻生物特征識別AI技術，用大數(shù)據(jù)進行學習和分析，判斷識別人物，建立生物特征的模型。（3）把衛(wèi)星精準定位的位置信息，融合到視頻圖像中，使之直觀辨別非法人員和工作人員。（4）通過上述步驟對于現(xiàn)場人員的比對分析，對識別出的非法人員進行廣播驅離，實現(xiàn)現(xiàn)場管控的目的。

系統(tǒng)由北斗差分基站、采集定位終端、軟件系統(tǒng)三大部分構成：（1）北斗差分基站：地面CORS基站以及數(shù)據(jù)中心，實時將差分數(shù)據(jù)發(fā)送到終端設備，通過在終端設備中解算來得到高精度的定位信息。（2）采集定位終端：包括圖像識別設備和便攜式電子胸牌，主要實現(xiàn)區(qū)域內(nèi)人員數(shù)量統(tǒng)計、精準定位、上傳位置信息等功能。（3）智能軟件系統(tǒng)：實時監(jiān)測目標區(qū)域內(nèi)外部人員數(shù)量、位置信息等，當發(fā)生外部人員非法入侵時，系統(tǒng)自動報警。

4 收費廣場智能監(jiān)控系統(tǒng)防非法闖入實驗

根據(jù)實驗工作總體設計目標結合用戶現(xiàn)有需求，以及實驗場地、實驗軟硬件實際情況，工作人員佩戴電子工牌，依托北斗衛(wèi)星通信系統(tǒng)，進行現(xiàn)場工作人員數(shù)量的統(tǒng)計，區(qū)分工作人員和非法入侵人員，從而得出非法入侵人員數(shù)量，自動實時報警，自動分析判斷非法入侵行為并下發(fā)相應指令，并進行廣播驅離。

普通視頻監(jiān)控系統(tǒng)在實驗中，往往出現(xiàn)只能在一定概率上識別人員的情況，因為沒有自動報警系統(tǒng)，當監(jiān)控室人員短暫離崗時，監(jiān)控出現(xiàn)人員無法發(fā)出警告，報警成功率50%左右。而本文的智能監(jiān)控系統(tǒng)可把報警成功率提升至90%。在人員識別場景下，普通視頻監(jiān)控系統(tǒng)的識別成功率僅為30%，而采用基于北斗定位管理人員識別技術的智能監(jiān)控系統(tǒng)的識別成功率同樣可達90%。后期可以通過AI識別技術提高目標識別準確率，未來還可以引入機器學習技術對本智能監(jiān)控系統(tǒng)進行迭代升級。

5 結論

高速收費廣場智能監(jiān)控系統(tǒng)，通過對周圍環(huán)境及人員的智能化監(jiān)控，對于隨時發(fā)生的非法闖入事件能夠積極預防，及時發(fā)現(xiàn)，迅速應對。本文基于AI視頻識別與北斗定位技術的智能監(jiān)控系統(tǒng)較普通視頻監(jiān)控識別，在不同場景下的識別準確率均可提高至90%以上。該監(jiān)控系統(tǒng)的使用能夠真正保障高速收費廣場實現(xiàn)安全、便利和舒適運營的功能設計初衷。而且，建立基于AI視頻識別與北斗定位技術的智能監(jiān)控系統(tǒng)以后，還能夠迅速提升收費廣場綜合管理的科技含量，從而有效地降低系統(tǒng)運營的成本，從而實現(xiàn)高速收費廣場的高效安全運營和智能化管理理念。

參考文獻：

[1]王進.車載GPS動態(tài)監(jiān)控與智能交通平臺[J].民營科技，2019（7）：30.

作者簡介：欒永濤（1986—），男，山東煙臺人，本科，研究方向：公路機電。