新冠肺炎疫情防控期異地車輛行車智能監(jiān)控系統(tǒng)設(shè)計(jì)

王雪婷，趙化啟

（佳木斯大學(xué)，黑龍江 佳木斯 154000）

隨著我國社會(huì)經(jīng)濟(jì)水平的提高，人們的生活質(zhì)量也在不斷提高，我國現(xiàn)階段汽車數(shù)量也在穩(wěn)步攀升[1]。由于2019年年底至2020年年初新型冠狀病毒肺炎出現(xiàn)在武漢市并迅速傳遍全國[2]，全國各地啟動(dòng)了重大突發(fā)公共衛(wèi)生事件一級(jí)響應(yīng)。在抗擊疫情的過程中，武漢在十余日內(nèi)建造火神山、雷神山醫(yī)院，為集中收治和隔離新冠肺炎患者、阻擊疫情蔓延發(fā)揮了重大作用。在采取隔離措施的同時(shí)限制人員流動(dòng)，是阻止疫情擴(kuò)散的有效措施[3]。2020年上半年，新冠肺炎疫情已呈全球蔓延之勢(shì)，我國也經(jīng)歷了新型冠狀病毒的肆虐。為了應(yīng)對(duì)疫情，世界上很多國家都采取了和我國相類似的封城措施，盡量縮小病毒的傳播范圍，各城區(qū)對(duì)于外來車輛及人員的流動(dòng)管控已刻不容緩，及時(shí)對(duì)流動(dòng)車輛進(jìn)行監(jiān)控及跟蹤尤為重要，對(duì)異地車輛的智能行車監(jiān)控系統(tǒng)做分析與研究具有現(xiàn)實(shí)意義。

1 關(guān)鍵技術(shù)

1.1 車牌識(shí)別

車牌識(shí)別（License Plate Recognition，LPR）通常包括4個(gè)步驟：圖像采集、目標(biāo)檢測(cè)、分割和光學(xué)字符識(shí)別[4]。

第一步，圖像采集。圖像可以從視頻、圖像集合和攝像機(jī)中提取出來。通常，在研究領(lǐng)域，圖像收集是由開放數(shù)據(jù)集提供的。第二步，檢測(cè)圖像中的車牌，通常發(fā)生在對(duì)象檢測(cè)步驟中，邊緣檢測(cè)是車牌檢測(cè)的常用方法。第三步，分割。檢測(cè)到車牌后進(jìn)入分割階段，將區(qū)域分割成不同的位置，進(jìn)行數(shù)字和字母的檢測(cè)。第四步，將每個(gè)分割區(qū)域識(shí)別為數(shù)字和字母來讀取車牌。

LPR主要由兩部分構(gòu)成：車牌檢測(cè)和車牌識(shí)別。車牌檢測(cè)的任務(wù)是從采集的車輛圖像中檢測(cè)并提取車牌區(qū)域，主要包括車牌定位和車牌矯正。車牌識(shí)別的任務(wù)是從檢測(cè)到的車牌區(qū)域中識(shí)別出車牌字符，主要包括字符分割和字符識(shí)別。

選擇顏色定位法進(jìn)行車牌定位，利用二值化圖像的感興趣區(qū)域計(jì)算車牌水平的偏斜角和垂直偏斜角，再將原彩車牌通過剛才計(jì)算的角度矯正；最后，對(duì)車牌區(qū)域進(jìn)行字符分割，采用改進(jìn)的LeNet-5深度網(wǎng)絡(luò)模型進(jìn)行車牌字符識(shí)別。

1.2 目標(biāo)檢測(cè)跟蹤

該監(jiān)控系統(tǒng)主要包括檢測(cè)模塊與跟蹤模塊，檢測(cè)模塊是整個(gè)系統(tǒng)的核心所在。目標(biāo)檢測(cè)的含義是計(jì)算機(jī)的卷積神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)進(jìn)行大量數(shù)據(jù)的學(xué)習(xí)，使其能夠在一堆的RGB像素中，比較好地分辨出圖片或視頻中的檢測(cè)對(duì)象。對(duì)多種算法比較后，選出了當(dāng)前最好的檢測(cè)框架之一—YOLOv3。跟蹤模塊采用基于深度學(xué)習(xí)的目標(biāo)跟蹤算法ROLO，先用YOLO的檢測(cè)算法得到了跟蹤的初始框，然后利用長(zhǎng)短時(shí)記憶網(wǎng)絡(luò)（Long Short-Term Memory，LSTM）進(jìn)行空間回歸，得到目標(biāo)所在的位置信息。

在YOLO算法結(jié)構(gòu)中，最明顯的特征就是把輸入的圖像作為一個(gè)整體，并將其分割成N×N的網(wǎng)格形式，分別檢測(cè)每一區(qū)域的概率，再通過加權(quán)計(jì)算得到整塊區(qū)域的概率，不僅提升了檢測(cè)速度，還有全局掌控的作用。

2 系統(tǒng)總體設(shè)計(jì)

2.1 系統(tǒng)思路

在新冠肺炎防控期間，對(duì)異地車輛行車智能監(jiān)控的系統(tǒng)設(shè)計(jì)從車牌識(shí)別、檢測(cè)和跟蹤3個(gè)模塊著手，對(duì)監(jiān)控視頻進(jìn)行分析，設(shè)計(jì)了一套完整的系統(tǒng)用于檢測(cè)外來車輛的出入及其軌跡。首先，對(duì)數(shù)據(jù)樣本的選擇與處理、各個(gè)模塊的搭建加以分析；其次，對(duì)圖像中的物體進(jìn)行檢測(cè)，通過車牌識(shí)別模塊判斷車輛歸屬地，對(duì)進(jìn)入本地的外地車輛進(jìn)行標(biāo)記；最后，根據(jù)檢測(cè)結(jié)果跟蹤、判斷駕駛車輛人員進(jìn)入本地區(qū)的活動(dòng)情況，為減少和控制疫情傳播提供幫助。

2.2 系統(tǒng)架構(gòu)設(shè)計(jì)

系統(tǒng)硬件由檢測(cè)層、傳輸層、應(yīng)用層3部分組成：（1）檢測(cè)層，由視頻監(jiān)控系統(tǒng)完成，可以捕捉范圍內(nèi)的多個(gè)目標(biāo)。（2）傳輸層，通過有線傳輸或者無線傳輸。（3）應(yīng)用層，通過檢測(cè)系統(tǒng)達(dá)到向車牌識(shí)別系統(tǒng)提供數(shù)據(jù)依據(jù)的目標(biāo)，通過車牌識(shí)別系統(tǒng)判斷車輛歸屬地及連接數(shù)據(jù)庫存儲(chǔ)相關(guān)車輛信息，通過車輛跟蹤系統(tǒng)跟蹤異地車輛，查看人員流動(dòng)情況，減少新冠肺炎擴(kuò)散。

對(duì)異地車輛的行車監(jiān)控系統(tǒng)的軟件功能主要分為3大模塊：車牌識(shí)別模塊、車輛檢測(cè)模塊和車輛跟蹤模塊。

（1）檢測(cè)模塊，作用是通過使用大量數(shù)據(jù)訓(xùn)練完成的檢測(cè)模塊，對(duì)通過攝像頭撿來的實(shí)時(shí)監(jiān)控視頻進(jìn)行檢測(cè)，分析視頻幀中存在幾個(gè)目標(biāo)車輛，以供后續(xù)的車牌識(shí)別模塊使用。

（2）車牌識(shí)別模塊，用來判斷車輛歸屬地信息，根據(jù)車牌號(hào)與車主相對(duì)應(yīng)的特點(diǎn)在當(dāng)前情況下對(duì)人員流動(dòng)情況進(jìn)行有效管理。當(dāng)車牌屬于本地車輛時(shí)則無需進(jìn)行跟蹤操作，但是需要保存車牌號(hào)并由工作人員提醒車主盡量不要出門；當(dāng)車牌屬于異地車輛時(shí)，對(duì)該車輛進(jìn)行標(biāo)記跟蹤操作，控制人口流動(dòng)，由工作人員做好登記工作，為后續(xù)相關(guān)工作人員排查減輕負(fù)擔(dān)。

（3）跟蹤模塊，根據(jù)前層檢測(cè)模塊傳送過來的檢測(cè)目標(biāo)框?qū)⒏櫦跏蓟笸ㄟ^目標(biāo)跟蹤算法對(duì)目標(biāo)集進(jìn)行跟蹤，主要作用是對(duì)監(jiān)控視頻中出現(xiàn)的標(biāo)記車輛進(jìn)行跟蹤，及時(shí)捕獲車輛位置信息。

3 系統(tǒng)功能

3.1 信息采集功能

車輛信息檢測(cè)模塊完成車輛本身及車標(biāo)識(shí)別和車身顏色檢測(cè)的工作。系統(tǒng)中的車牌識(shí)別模塊識(shí)別，檢測(cè)模塊檢測(cè)車輛車牌，并保存識(shí)別結(jié)果及車輛的車標(biāo)、顏色等信息，以便后續(xù)針對(duì)新冠肺炎進(jìn)行防控操作順利進(jìn)行。

3.2 報(bào)警提示功能

報(bào)警提示功能的作用是在檢測(cè)到有車輛行駛時(shí)，發(fā)出警報(bào)提示工作人員有車輛經(jīng)過，不需要工作人員長(zhǎng)時(shí)間盯著監(jiān)控裝置，減少工作人員負(fù)擔(dān)。當(dāng)確認(rèn)屬于異地車輛時(shí)，可以幫助工作人員進(jìn)行跟蹤定位等相關(guān)操作；當(dāng)確認(rèn)屬于本地車輛時(shí)，幫助工作人員通過車牌號(hào)并及時(shí)聯(lián)系車主。

3.3 跟蹤定位功能

將檢測(cè)出來的異地車輛利用電子地圖可以實(shí)時(shí)顯示出車輛的實(shí)際位置，定位檢測(cè)目標(biāo)車輛的坐標(biāo)并進(jìn)行跟蹤，存儲(chǔ)異地車輛的行車坐標(biāo)軌跡，為存在潛在可能攜帶新冠肺炎病毒的人員跟蹤提供服務(wù)。

3.4 軌跡回放功能

回放的作用是當(dāng)檢查某一輛已經(jīng)經(jīng)過本地區(qū)的異地車輛的活動(dòng)情況時(shí)，可以通過關(guān)聯(lián)數(shù)據(jù)庫查詢?cè)撥嚨能嚺铺?hào)來調(diào)取該車的行車軌跡，查看該車輛去過的地方，在新冠肺炎防控下為國家節(jié)約人力資源。

3.5 話務(wù)警告功能

疫情防控工作人員可以通過車牌號(hào)確定并聯(lián)系車主，與被跟蹤目標(biāo)通話，提醒車主在新冠肺炎傳播期間不要隨意走動(dòng)，以便對(duì)人員流動(dòng)實(shí)行管理，同時(shí)，通過遠(yuǎn)程交流減少工作人員感染概率，以遏制疫情蔓延。

4 結(jié)語

此次新冠肺炎疫情是近年來中國乃至世界范圍內(nèi)少有發(fā)生的重大突發(fā)公共衛(wèi)生事件，嚴(yán)重危害人們的生命健康。控制人口流動(dòng)是在采取隔離措施之外，阻止疫情擴(kuò)散的有效措施，需要根據(jù)交通監(jiān)控視頻，針對(duì)異地私家車輛流動(dòng)量進(jìn)行監(jiān)控。對(duì)異地車輛智能行車監(jiān)控系統(tǒng)的開發(fā)應(yīng)用在疫情防控期間會(huì)極大地減小病毒傳播的風(fēng)險(xiǎn)，及時(shí)反饋車輛和人員流動(dòng)的詳細(xì)情況，為疫情防控提供技術(shù)支持。該系統(tǒng)在交通體系下將智能車牌識(shí)別系統(tǒng)與車輛跟蹤進(jìn)行結(jié)合分析，設(shè)計(jì)實(shí)現(xiàn)對(duì)外來車輛的有效跟蹤和監(jiān)控，提高了對(duì)外來車輛管理能力，滿足了信息化條件下對(duì)外來車輛的管控需求，對(duì)于踐行國家可持續(xù)發(fā)展，推動(dòng)智能交通快速高效發(fā)展具有重要意義，期待為相關(guān)技術(shù)領(lǐng)域的發(fā)展提供信息支持，為遏制疫情蔓延提供幫助。