面向科技創(chuàng)城交通文明路口場景的數(shù)字視網(wǎng)膜交通路口秩序管理一體機應(yīng)用與研究

呂曉鵬 LV Xiao-peng；郝維佳 HAO Wei-jia；史曉蒙 SHI Xiao-meng；魏健康 WEI Jian-kang；毛寧 MAO Ning

（北京易華錄信息技術(shù)股份有限公司，北京 100026）

0 引言

數(shù)字視網(wǎng)膜交通路口秩序管理一體機通過大數(shù)據(jù)分析挖掘數(shù)據(jù)中隱含的內(nèi)在規(guī)律，全面支撐領(lǐng)導(dǎo)統(tǒng)籌全局、科學決策、創(chuàng)新城市治理模式，努力實現(xiàn)共創(chuàng)共享的文明創(chuàng)建新格局，為全國科技創(chuàng)城建設(shè)工作提供技術(shù)支撐。文明城市創(chuàng)建部門依靠AI 視頻分析和邊緣計算技術(shù)，能夠做到事件及時反饋、及時處理，讓數(shù)據(jù)在邊側(cè)得到價值提煉，提升云端文明創(chuàng)建動態(tài)管理系統(tǒng)的處理能力和效率，已成為科技賦能城市交通治理的重點方向。本文以科技創(chuàng)城的交通文明路口場景為例，簡單介紹數(shù)字視網(wǎng)膜交通路口秩序管理一體機的功能應(yīng)用。

1 研究背景

1.1 交通文明路口創(chuàng)建背景

全國文明城市是含金量最高、綜合性最強、影響力最大的城市品牌，是一座城市的最高榮譽。創(chuàng)建全國文明城市是深入貫徹習近平總書記關(guān)于精神文明建設(shè)重要論述的具體行動，是順應(yīng)文明城市創(chuàng)建新形勢、開啟精神文明建設(shè)新征程的迫切需要，關(guān)系城市長遠發(fā)展和群眾切身利益[1]。

在科技創(chuàng)城工作中，交通視頻數(shù)據(jù)體量大，治理交通違法行為、保障道路交通安全伴隨著車輛基數(shù)、違法事件數(shù)量的增加，挑戰(zhàn)越來越嚴峻，因此，交通文明示范路口成為了文明城市創(chuàng)建工作的重中之重。

1.2 交通文明路口創(chuàng)建現(xiàn)狀

傳統(tǒng)通過交警巡查監(jiān)控成本較高，且受諸多環(huán)境因素影響，交管部門視頻監(jiān)督員人工審查視頻效率低下，證據(jù)留存不完整。在實際工作中存在創(chuàng)建精準度低、覆蓋面不足、運動式創(chuàng)城、不文明現(xiàn)象反復(fù)等問題。面對上述問題，多數(shù)地區(qū)還是以“人海戰(zhàn)術(shù)”為主，這與地區(qū)本地人員少、任務(wù)重的現(xiàn)實所矛盾?，F(xiàn)有智能攝像頭算力不足，可抓拍的違法事件單一；云端視頻解析受限于網(wǎng)絡(luò)條件及硬件設(shè)備，事件響應(yīng)不及時[2-3]。

因此，以問題導(dǎo)向、標本兼治為原則；以構(gòu)建長效常態(tài)創(chuàng)建機制為核心目標，對標文明城市測評體系，以“數(shù)字視網(wǎng)膜”為主要技術(shù)手段，以已建設(shè)視頻監(jiān)控作為城市的“眼睛”，自動識別不文明現(xiàn)象。通過大數(shù)據(jù)分析挖掘數(shù)據(jù)中隱含的內(nèi)在規(guī)律，全面支撐領(lǐng)導(dǎo)統(tǒng)籌全局、科學決策、創(chuàng)新城市治理模式，努力實現(xiàn)共創(chuàng)共享的文明創(chuàng)建新格局。

2 數(shù)字視網(wǎng)膜交通路口秩序管理一體機

數(shù)字視網(wǎng)膜交通路口秩序管理一體機依托全新升級的仿生物視網(wǎng)膜的計算架構(gòu)，利用攝像頭捕捉到的視頻數(shù)據(jù)[4-5]，使用視頻接入的方式傳輸?shù)綌?shù)字視網(wǎng)膜軟交通路口秩序管理一體機中，通過AI 算法推理平臺進行模型管理、任務(wù)調(diào)度等操作，使其可以將檢測到的不文明的交通違法行為結(jié)果通過標準接口傳輸至AI 服務(wù)平臺及其他業(yè)務(wù)系統(tǒng)，其工作流程如圖1。

圖1 數(shù)字視網(wǎng)膜交通路口秩序管理一體機架構(gòu)圖

2.1 交通路口秩序管理一體機概念

數(shù)字視網(wǎng)膜架構(gòu)能夠解決智慧城市中視頻難匯聚、模型更新難問題[6]，數(shù)字視網(wǎng)膜交通路口秩序管理一體機基于數(shù)字視網(wǎng)膜架構(gòu)，為交通路口應(yīng)用場景提供了有效的解決方案。數(shù)字視網(wǎng)膜交通路口秩序管理一體機是一款工業(yè)級軟硬一體智能設(shè)備，充分利用現(xiàn)代化通信、AI 等高新技術(shù)，支持對交通場景的車輛進行結(jié)構(gòu)化分析、流量檢測以及近15 種機動車/非機動車違法行為檢測功能，為交通行業(yè)用戶提供精準違法結(jié)果，支持通暢有序、文明安全的道路交通環(huán)境建設(shè)。

該設(shè)備通過接入卡口、電警等前端視頻數(shù)據(jù)，對視頻中的交通參與元素進行智能分析，捕捉違法行為等事件并及時輸出告警信號，同時提供豐富的接口便于與第三方系統(tǒng)對接，輕松實現(xiàn)對普通攝像頭的智能化升級，為交管部門管理降本增效。

2.2 交通路口秩序管理一體機架構(gòu)

交通路口秩序管理一體機是易華錄自主研發(fā)的工業(yè)級軟硬一體邊緣智能設(shè)備，專為“中小型”深度學習神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)計算而打造，集成了視頻傳輸、編碼解碼、AI 智能分析、數(shù)據(jù)存儲等多種高新技術(shù)，內(nèi)置視頻解析算法、城市視頻管理平臺、AI 算法推理平臺以及AI 服務(wù)平臺。

交通路口秩序管理一體機部署架構(gòu)如圖2 所示。

圖2 交通路口秩序管理一體機設(shè)備部署架構(gòu)圖

首先，接入前端設(shè)備的前端實時視頻流，通過不同的硬件接口，導(dǎo)入數(shù)據(jù)進入設(shè)備的數(shù)據(jù)源處理模塊，通過底層的編解碼芯片，進行H264 格式的編解碼操作，處理成后續(xù)的算法輸出數(shù)據(jù)。

其次，兼容CUDA 及OpenCL 主流生態(tài)，集成X86 和GPU 的計算框架，進行硬件盒子的資源初始化，分割計算、存儲、網(wǎng)絡(luò)傳輸資源塊，釋放的模型計算資源，保證模型推理效果。

最后，綁定硬件設(shè)備的信號傳輸模塊，通過HDMI、告警接口，以視頻、音頻等形式進行告警信息的輸出。

2.2.1 視頻解析算法

交通路口秩序管理一體機結(jié)合業(yè)務(wù)需求以及易華錄在交通領(lǐng)域的技術(shù)和業(yè)務(wù)優(yōu)勢，基于高性能的GPU 服務(wù)器，植入15 種易華錄自研算法，詳細算法功能見表1。

表1 交警創(chuàng)城一體機算法功能

交警創(chuàng)城一體機基于交通路口算法，完善模型快速定制化框架，通過框架的自主可控、高開發(fā)效率、組建靈活、針對不同任務(wù)場景的高適配性等優(yōu)勢特征，設(shè)計檢測、分類、分割等目標特征提取模型。

主要采用人臉關(guān)鍵點檢測模型（RetinaNet、Face++、YOLOFace 等）、頭部姿態(tài)估計（FSA-Net 等）、分類模型（MobilNet、EffcientNet、ResNet50 等）、 檢 測 模 型（EfficientNet、YOLO 等）的技術(shù)手段，根據(jù)具體功能問題分析實現(xiàn)。

將模型拆分為Backbone、Neck 和Head 三大組成模塊，通過對各個模塊的拆解來提高模型組建和優(yōu)化的靈活性，從而提高開發(fā)效率。

2.2.1.1 針對Backbone 進行構(gòu)建

①使用深度和寬度縮放參數(shù)來控制網(wǎng)絡(luò)容量，通過該參數(shù)靈活定義網(wǎng)絡(luò)容量，便于在不同任務(wù)中使用更適合的模型。

②增加Backbone 特征輸出控制參數(shù)，指定特征的層數(shù)和數(shù)量，后續(xù)Neck 模塊提供更多的多尺度特征組合方式。

③使用MMDetection 提供的接口組建網(wǎng)絡(luò)后，可以通過配置修改網(wǎng)絡(luò)中卷積、正則化和激活函數(shù)等基礎(chǔ)模塊，例如使用深度可分離卷積、空洞卷積、可形變卷積等，可以快速為不同任務(wù)定制不同的模型。

④增加Plugin 參數(shù)，可以在不同Stage 中加入特定模塊，如CBAM、SE 等注意力模塊，DropBlock 等，可以任意構(gòu)建網(wǎng)絡(luò)。

⑤集成PyTorch Image Models （timm）模型庫中的Backbone 網(wǎng)絡(luò)，該模型庫中包含大量state of the art 的模型，可以快速完成多種網(wǎng)絡(luò)Backbone 的替換。

2.2.1.2 修改Neck 參數(shù)

①增加Neck 層數(shù)配置參數(shù)，可以自由定制Neck 的多尺度特征數(shù)，在目標尺度變化較大的場景可以使用更多的多尺度特征來提升性能。

②使用MMDetection 提供的接口組建Neck，后續(xù)可以通過配置修改對應(yīng)的卷積、正則化和激活函數(shù)等，提升模型結(jié)構(gòu)的豐富性，可以適應(yīng)各種場景。

2.2.1.3 完善Head 層參數(shù)

①增加Head 層數(shù)定義參數(shù)，控制Head 處理特征的層數(shù)，來控制不同尺度特征的融合能力。

②Label Assignment 階段加入困難負樣本忽略機制，通過計算Anchor 和GT 的IOU，使用閾值區(qū)間將部分Anchor 設(shè)置為忽略區(qū)域，從而在訓練過程中忽略。

③加入采樣機制，只采樣部分正負樣本，緩解訓練過程中的前后景類別失衡問題。

④在類別損失中加入IOU aware 機制，使前景物體的置信度和IOU 相關(guān)，同時提高檢測和分類的準確性。

⑤在損失函數(shù)計算過程中，使用參數(shù)平衡不同的尺度特征的損失，提高模型性能。

⑥增加坐標點回歸損失，結(jié)合原有的IOU 損失，提升模型收斂能力。

⑦修改Head 的結(jié)構(gòu)和損失部分，使其同時適用于單階段和二階段網(wǎng)絡(luò)。

2.2.2 城市視頻管理平臺

內(nèi)置視頻類業(yè)務(wù)運維平臺，為邊端提供視頻接入、視頻編解碼等服務(wù)，實現(xiàn)視頻數(shù)據(jù)匯聚接入管理。視頻聯(lián)網(wǎng)服務(wù)提供對各地市司法局視頻的接入功能。

對已建視頻平臺且支持GB28281 級聯(lián)的設(shè)備，視頻聯(lián)網(wǎng)服務(wù)支持GB/T28281-2016 標準，通過平臺級聯(lián)的方式，實現(xiàn)與其視頻平臺的聯(lián)網(wǎng)對接，實現(xiàn)其視頻接入。

對已建視頻平臺但不支持GB28281 級聯(lián)的設(shè)備，需要其升級28181 聯(lián)網(wǎng)網(wǎng)關(guān)，以支持級聯(lián)接入。

2.2.3 AI 算法推理平臺

內(nèi)置算法解析類的運維管理平臺，提供算法統(tǒng)一在線管理、發(fā)布的基礎(chǔ)環(huán)境，是一個高效的多算法管理與大規(guī)模任務(wù)資源調(diào)度平臺。核心提供大規(guī)模的資源調(diào)度和計算機視覺算法任務(wù)的執(zhí)行管理服務(wù)，采用彈性可伸縮的推理架構(gòu)，實時監(jiān)控推理服務(wù)資源情況，調(diào)整資源配給；支持從一鍵部署、快速響應(yīng)、日志監(jiān)控、資源管控等方面提供穩(wěn)定高效的算法推理服務(wù)。

2.2.4 AI 服務(wù)平臺

內(nèi)置違規(guī)事件的智能化推送展示和輕處置平臺，提供違規(guī)事件管理的一體化平臺，打通數(shù)據(jù)、算力、算法能力，提供違規(guī)事件跟蹤審核機制，為上層應(yīng)用提供業(yè)務(wù)支持，打通AI 效果反饋機制。AI 服務(wù)平臺主要由態(tài)勢分析、預(yù)警列表、違規(guī)列表、誤報列表、回收站和用戶管理組成。

3 交通路口秩序管理一體機的價值

3.1 部署便捷

1U 標準機架式鋁合金機箱，深度505mm，靈活輕便，易于部署。通過千兆以太網(wǎng)芯片連接，對外提供千兆電口，可擴展4G/5G 通訊。采用寬溫設(shè)計、被動散熱、穩(wěn)定抗塵，適用于多種工業(yè)級場景，輕松實現(xiàn)智能化升級。

3.2 設(shè)備利舊

支持對接多品牌普通交通電警、卡口攝像頭，實現(xiàn)對原建視頻資源的充分利用，為利舊、新建、新舊組合多種業(yè)務(wù)模式提供統(tǒng)一的支持，輕松完成對普通攝像頭的智能化升級。

3.3 性能優(yōu)越

支持15 種AI 算法功能，支持接入24 路/48 路高清視頻流實時解析；支持對同一視頻流并發(fā)解析10 種以上違法檢測算法，面向用戶提供高自動化、高實時、高可靠的違法抓拍結(jié)果。

3.4 端云協(xié)同

云端智能管理平臺不但支持輕松管理邊緣節(jié)點，還支持高效管理算法模型、任務(wù)調(diào)度、告警機制等，通過一鍵發(fā)布和無感部署的方式，極大提高智能迭代的速度。接口豐富，對接靈活，方便第三方系統(tǒng)集成應(yīng)用。

4 典型應(yīng)用

數(shù)字視網(wǎng)膜交通路口秩序管理一體機目前已在多個城市落地，完成科技創(chuàng)城建設(shè)并取得良好成效。經(jīng)統(tǒng)計對比，視頻網(wǎng)格員發(fā)現(xiàn)事件的效率是人類網(wǎng)格員的10-100倍；較之前，可以節(jié)省運營人力1/3，通過大數(shù)據(jù)輔助決策，提供不文明案件的線索分析，以遠程喊話、遠程取證等方式實現(xiàn)非現(xiàn)場執(zhí)法，提高工作效率2 倍以上。

交通路口秩序管理一體機的推廣應(yīng)用能夠為社會帶來巨大的經(jīng)濟效益和社會效益。從經(jīng)濟效益上講，由視頻網(wǎng)格員輔助人工巡查，不僅可以大大降低巡查成本，還可釋放有限的人力資源，集中攻堅創(chuàng)城薄弱環(huán)節(jié)。從社會效益上講，全域創(chuàng)建、全面創(chuàng)建、全民創(chuàng)建，推動城市文明程度不斷提升。構(gòu)建“多元問題上報、統(tǒng)一調(diào)度管理；事務(wù)分流、聯(lián)動處置；過程監(jiān)管、績效催動”的創(chuàng)建體系，形成跨部門協(xié)同聯(lián)動的業(yè)務(wù)流程；引導(dǎo)市民自覺監(jiān)督和糾正各種不文明行為，變“政府創(chuàng)城”為“全民參與”，變“要我創(chuàng)”為“我要創(chuàng)”，真正有效提升群眾知曉率、支持率、參與率[7]。

5 結(jié)束語

當前文明城市創(chuàng)建呈現(xiàn)出齊頭并進、方興未艾的良好態(tài)勢，為促進經(jīng)濟社會發(fā)展提供了強大的精神支撐。但在持續(xù)推進的過程中也遇到了瓶頸，需要創(chuàng)新工作方式，提升城市精細化管理水平；健全工作機制，確保文明城市創(chuàng)建常態(tài)長效；樹立工作情懷，以人民為中心創(chuàng)建文明城市[8-9]。

交通路口秩序管理一體機利用城市已建的視頻資源，以“人工智能+大數(shù)據(jù)”為主要科技手段打造“視頻網(wǎng)格員”，自動發(fā)現(xiàn)不文明現(xiàn)象，對比傳統(tǒng)創(chuàng)城模式可以實現(xiàn)三方面的提升。一是釋放資源、降低成本，提升創(chuàng)建覆蓋面。由視頻網(wǎng)格員替代人工巡查，不僅可以提升創(chuàng)建覆蓋面，還可釋放有限的人力資源，集中力量攻堅創(chuàng)城薄弱環(huán)節(jié)，降低創(chuàng)建成本。二是精準巡查、杜絕偏差。自動識別并反應(yīng)處置，提升了事件巡查、處置的精準度和效率，實現(xiàn)了“街道智能吹哨、部門自動報道”，形成常態(tài)長效的創(chuàng)建機制。三是數(shù)據(jù)支撐、科學決策。通過構(gòu)建分析決策系統(tǒng)，將事件多發(fā)地按區(qū)域、時段等多維度分析排序，并提出分析報告和整改意見，可進行人員定向布防，壓實責任、傳遞壓力。