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，其能夠實時監控人員流動情況，使現場視頻圖像更加清晰，為應急指揮、大數據采集及現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控關鍵技術，以期實現指揮監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收費廣場區域的自動人員識別、重要區域的外來人員預警、區域內高溫人員預警等，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 現有技術分析

1.1 監測方法

目前的AI智能監控算法主要基于HOG+SVM監測算法，由法國研究人員達拉爾2005年在CVPR發表的一篇論文所提出，并被融入到經典的OpenCV算法中，可以直接調用來實現對目標的監測。關于目標監測的實時性，目前通常采用多功能集成方法和級聯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網絡

目前，常規目標判定算法如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控系統采用SSD方法識別目標，其可以大大提高識別速度和精度。SSD內核算法采用卷積方法來預測一系列邊界內的差分和偏差量，以及提高不同比例視頻圖像上的識別精度。SSD可以實現穩定的目標識別，能較好的保證監測精確度。

1.3 模型結構

初始網絡層使用圖像分類模型，稱為基礎網絡，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，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 北斗衛星精準定位+圖像生物特征AI分析技術

采用北斗衛星精準定位技術，通過給內部工作人員佩戴統一的電子定位胸牌，通過北斗衛星精準定位，定位精度可以高達0.5米。同一區域內多人同時出現，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，人的體態習慣、步伐的大小、步伐的頻率、胖瘦身高等生物都有的因數來識別。目前該技術國外還沒有成熟的解決方案，國內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 收費廣場智能監控系統的結構和主要功能

3.1 監控中心

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

（1）實現重點區域、指定區域的內部工作人員和外部非工作人員的數量統計，實時監控外部非法人員入侵。（2）實現外部人員入侵預警，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 基礎支撐環境設計

（1）設備配置要求。根據收費廣場現場實際范圍、面積、需求等配置攝像機的數量，以便實現重點區域、指定區域的監控。根據現場實際工作人員數量確定佩戴電子胸牌的數量。（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控平臺的關鍵設備，實現數據采集、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開放性、可擴展性、網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的正常運行，需要既有可靠性和易維護性。

3.3 實現的主要功能

（1）實現重點區域、指定區域的內部工作人員和外部非工作人員的數量統計，實時監控外部非法人員入侵。（2）實現外部人員入侵預警，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 北斗定位方案網絡拓撲圖

系統以北斗衛星定位技術為依托，通過攝像機和電子胸牌終端設備，采集監控并統計重點區域、指定區域的人員數量，識別外部入侵人員，并實時報警，接收衛星信號通過運營商基站數據遠傳到上層應用層，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，實現收費廣場的安全管控。

3.5 系統概述

高速收費廣場非法人員入侵分析監控平臺是衛星精準定位+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，通過北斗衛星的精準定位，獲取工作人員的精準地理位置數據。（2）通過圖像的視頻生物特征識別AI技術，用大數據進行學習和分析，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，實現現場管控的目的。

系統由北斗差分基站、采集定位終端、軟件系統三大部分構成：（1）北斗差分基站：地面CORS基站以及數據中心，實時將差分數據發送到終端設備，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，主要實現區域內人員數量統計、精準定位、上傳位置信息等功能。（3）智能軟件系統：實時監測目標區域內外部人員數量、位置信息等，當發生外部人員非法入侵時，系統自動報警。

4 收費廣場智能監控系統防非法闖入實驗

根據實驗工作總體設計目標結合用戶現有需求，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，依托北斗衛星通信系統，進行現場工作人員數量的統計，區分工作人員和非法入侵人員，從而得出非法入侵人員數量，自動實時報警，自動分析判斷非法入侵行為并下發相應指令，并進行廣播驅離。

普通視頻監控系統在實驗中，往往出現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，當監控室人員短暫離崗時，監控出現人員無法發出警告，報警成功率50%左右。而本文的智能監控系統可把報警成功率提升至90%。在人員識別場景下，普通視頻監控系統的識別成功率僅為30%，而采用基于北斗定位管理人員識別技術的智能監控系統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控系統進行迭代升級。

5 結論

高速收費廣場智能監控系統，通過對周圍環境及人員的智能化監控，對于隨時發生的非法闖入事件能夠積極預防，及時發現，迅速應對。本文基于AI視頻識別與北斗定位技術的智能監控系統較普通視頻監控識別，在不同場景下的識別準確率均可提高至90%以上。該監控系統的使用能夠真正保障高速收費廣場實現安全、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控系統以后，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運營的成本，從而實現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動態監控與智能交通平臺[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。