基于深度學(xué)習(xí)技術(shù)的安防交互指揮系統(tǒng)研究

姚李虎

（陜西歷史博物館（陜西省文物交流中心），陜西 西安 710061）

深度學(xué)習(xí)技術(shù)是一種人腦仿生模擬的先進(jìn)技術(shù)，在圖像的識(shí)別、處理，語(yǔ)音識(shí)別和數(shù)據(jù)特征分析等領(lǐng)域有著重要的應(yīng)用[1]。基于深度學(xué)習(xí)技術(shù)的特性，新的安防交互指揮系統(tǒng)將更加智能，能夠在算法的作用下實(shí)現(xiàn)自我更新和自我升級(jí)。國(guó)內(nèi)的海康威視公司作為安防監(jiān)控領(lǐng)域的巨頭，曾提出“平安城市”的解決方案，并且開(kāi)發(fā)了一套應(yīng)用場(chǎng)景十分廣泛的新型城市安防體系，該體系以數(shù)據(jù)應(yīng)用為核心，以構(gòu)建“云+端”的智慧型社會(huì)防控指揮平臺(tái)為最終目標(biāo)[2]，通過(guò)不斷升級(jí)和改進(jìn)，已經(jīng)在城市的安防體系中發(fā)揮出了重要作用。

1 卷積神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)

1.1 概念介紹

卷積神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)（CNN）最廣泛的應(yīng)用是圖像識(shí)別，特別是在醫(yī)學(xué)圖像處理方面有著極其重要的應(yīng)用，其屬于人工神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)的一種，并且其權(quán)值共享的網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)使得模型的復(fù)雜程度得到了有效控制[3]，在使用時(shí)擁有更強(qiáng)的穩(wěn)定性。特斯拉的自動(dòng)駕駛系統(tǒng)是基于對(duì)路面圖像的采集分析，這一系統(tǒng)廣泛運(yùn)用了卷積神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)實(shí)現(xiàn)圖像的精準(zhǔn)識(shí)別。CNN具有多層神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)，容錯(cuò)率強(qiáng)大且自我學(xué)習(xí)能力優(yōu)秀，從結(jié)構(gòu)上來(lái)講一般是分為4層，即輸入層、卷積層、抽樣層和輸出層[4]。

1.2 R-CNN系列目標(biāo)檢測(cè)算法

R-CNN主要是用于目標(biāo)檢測(cè)領(lǐng)域，是非常經(jīng)典的算法之一，一般分為4個(gè)步驟[5]：

（1）對(duì)輸入的圖像進(jìn)行劃分，區(qū)域劃分的數(shù)量通常在1 000至2 000。

（2）通過(guò)卷積神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)對(duì)每一個(gè)區(qū)域的數(shù)據(jù)特征進(jìn)行提取。

（3）將提取的特征送入每一分類目標(biāo)的SVM分類器，并且對(duì)其分類是否符合作出判定。

（4）通過(guò)回歸器來(lái)修正待選框的位置。

2 安防交互指揮系統(tǒng)功能模塊分析

在安防交互指揮系統(tǒng)中，功能模塊主要分為以下4個(gè)：警情綜合分析模塊、智能交通指揮模塊、人臉識(shí)別實(shí)時(shí)預(yù)警模塊和人群行為分析模塊。

2.1 警情綜合分析模塊

警情綜合分析模塊是在公安部門現(xiàn)有業(yè)務(wù)情報(bào)系統(tǒng)的基礎(chǔ)上，將重要的警情來(lái)源渠道加以整合，實(shí)現(xiàn)三合一業(yè)務(wù)數(shù)據(jù)獲取模式。對(duì)于整個(gè)安防交互指揮系統(tǒng)來(lái)說(shuō)，警情綜合分析模塊是最為主要的可分析數(shù)據(jù)來(lái)源，能夠支撐起對(duì)安防控制體系的策略參考。在出現(xiàn)一些特大警情后，警情的綜合分析也能快速地結(jié)合各渠道已經(jīng)獲得的數(shù)據(jù)信息給公安部門提供出警建議，給出潛在危險(xiǎn)提醒，方便公安部門針對(duì)突發(fā)警情做出快速反應(yīng)。

在整個(gè)警情綜合分析模塊中，又包括了指揮調(diào)度、警情細(xì)致分析和警情大數(shù)據(jù)展示等核心功能[6]，可以滿足日常情況下的警情優(yōu)先級(jí)分析。

2.2 智慧交通指揮模塊

智慧交通指揮模塊是配合警情的處理智能化地給出交通控制和卡口設(shè)置建議，對(duì)于一些特殊警情，公安部門需要在最短的時(shí)間內(nèi)趕到案發(fā)現(xiàn)場(chǎng)，想要為警情的處理爭(zhēng)取更多的時(shí)間，交通管制必不可少。通過(guò)智慧交通卡口的控制，能夠?qū)崿F(xiàn)交通信號(hào)燈的智能控制，盡可能地保證出警路線的通暢。也能夠提供車輛查詢分析功能，在卡口處進(jìn)行嚴(yán)格的車輛識(shí)別，對(duì)經(jīng)過(guò)的車輛采取車牌記錄、司機(jī)人像采集等操作，獲取車流量數(shù)據(jù)和動(dòng)態(tài)交通路況。同時(shí)，也能夠?qū)崿F(xiàn)車輛的布控分析，通過(guò)數(shù)據(jù)分析處理和圖像采集來(lái)篩查目標(biāo)車輛信息，對(duì)車輛的行駛軌跡進(jìn)行跟蹤查詢。

2.3 人臉識(shí)別實(shí)時(shí)預(yù)警模塊

在一些重要的場(chǎng)所設(shè)置人臉模塊裝置，通過(guò)精準(zhǔn)的人臉圖像采集和圖像智能分析，識(shí)別出重要場(chǎng)所的人流量數(shù)據(jù)，可以通過(guò)在數(shù)據(jù)庫(kù)設(shè)置黑名單等方式來(lái)添加重點(diǎn)排查對(duì)象，抓拍的群像圖像經(jīng)過(guò)數(shù)據(jù)分析比較之后發(fā)送給預(yù)警系統(tǒng)，從而實(shí)現(xiàn)警情的預(yù)知。

系統(tǒng)還可以根據(jù)抓拍的照片進(jìn)行人員軌跡刻畫，用戶可以在連續(xù)抓拍的圖像中自行選擇一張圖片，也可以使用智能手機(jī)等設(shè)備自行上傳自己的照片，有著很高的靈活度。系統(tǒng)在獲取用戶的圖像之后就可以根據(jù)抓拍的內(nèi)容精準(zhǔn)地刻畫出人員的活動(dòng)軌跡，通過(guò)智能算法來(lái)分析人員軌跡是否存在異常，針對(duì)異常情況及時(shí)給出預(yù)警。

2.4 人群行為分析模塊

對(duì)于一些人流量比較密集的園區(qū)或景區(qū)，人群行為分析模塊可以提供必要的輔助功能。以應(yīng)用場(chǎng)景舉例來(lái)說(shuō)，當(dāng)系統(tǒng)通過(guò)人群行為分析模塊識(shí)別出某人有隨地吐痰或者亂扔垃圾現(xiàn)象時(shí)，系統(tǒng)會(huì)將此現(xiàn)象反饋給園區(qū)的工作人員，工作人員即可趕往事發(fā)地點(diǎn)進(jìn)行提醒或處罰。另外，在新冠肺炎疫情防控常態(tài)化的今天，通過(guò)人群行為分析模塊也可以快速識(shí)別出未戴口罩的旅游人員，防止疫情防控漏洞的出現(xiàn)。實(shí)現(xiàn)此模塊主要是使用計(jì)算機(jī)的圖像視覺(jué)技術(shù)和深度學(xué)習(xí)技術(shù)，通過(guò)圖像比對(duì)等技術(shù)實(shí)現(xiàn)對(duì)人群行為的快速分析，檢測(cè)徘徊逗留等反常現(xiàn)象。

3 基于深度學(xué)習(xí)技術(shù)的安防交互指揮系統(tǒng)設(shè)計(jì)

3.1 運(yùn)行環(huán)境需求

系統(tǒng)采用典型的B/S+C/S模式，用戶端分為PC端和移動(dòng)端兩個(gè)類型，對(duì)外開(kāi)放用戶使用個(gè)人電腦或者智能手機(jī)即可以訪問(wèn)本系統(tǒng)。在服務(wù)器中，某一臺(tái)特定的服務(wù)器作為應(yīng)用部署服務(wù)器，提供整個(gè)系統(tǒng)應(yīng)用的系統(tǒng)接口和請(qǐng)求數(shù)據(jù)處理，同時(shí)也有一專門責(zé)任深度學(xué)習(xí)計(jì)算的服務(wù)器。

對(duì)于開(kāi)放用戶來(lái)說(shuō)，其運(yùn)行配置要求較低，一般來(lái)說(shuō)只需要一臺(tái)可訪問(wèn)網(wǎng)絡(luò)的PC機(jī)或智能手持設(shè)備即可，智能手持設(shè)備可以是平板電腦、PDA、智能手機(jī)或其他安卓設(shè)備等，安卓系統(tǒng)應(yīng)在5.0版本以上。服務(wù)器的配置要求為：內(nèi)在16 G DDR4，硬盤32 G以上，CPU采用目前主流的中高端處理器即可，網(wǎng)卡需求為千兆網(wǎng)卡最佳。

公安系統(tǒng)用戶端為桌面應(yīng)用模式，即C/S，操作系統(tǒng)為Window10系統(tǒng)，處理器Intel core i7 7700，GPU GeForce GTX 1080Ti 11G顯存，網(wǎng)卡為Intel 1000M NIC*2，公安系統(tǒng)終端設(shè)備的配置要求之所以較高，是因?yàn)槠湫枰M(jìn)行大量的圖像渲染，為了保持客戶端使用的流暢度，其計(jì)算機(jī)設(shè)備的配置應(yīng)在推薦配置以上。

3.2 架構(gòu)設(shè)計(jì)

3.2.1 前端數(shù)據(jù)采集感知層

前端數(shù)據(jù)采集感知層有多種數(shù)據(jù)來(lái)源渠道，公安系統(tǒng)的數(shù)據(jù)采集感知和社會(huì)渠道的數(shù)據(jù)采集感知都是其主要來(lái)源[7]，其功能是對(duì)110指揮中心的三合一報(bào)警平臺(tái)數(shù)據(jù)進(jìn)行同步，同時(shí)和天網(wǎng)系統(tǒng)進(jìn)行數(shù)據(jù)對(duì)接。

3.2.2 信息傳輸網(wǎng)絡(luò)層

信息傳輸網(wǎng)絡(luò)主要負(fù)責(zé)整個(gè)系統(tǒng)的數(shù)據(jù)交互及通信，其網(wǎng)絡(luò)構(gòu)成較為復(fù)雜，有公安內(nèi)網(wǎng)、公安視頻專網(wǎng)、自建視頻專網(wǎng)和開(kāi)放型互聯(lián)網(wǎng)等。在這一層中，最大的需求是可以自定義IP，并且需要擁有強(qiáng)大的拓展功能。

3.2.3 計(jì)算存儲(chǔ)中間服務(wù)層

計(jì)算存儲(chǔ)中間服務(wù)層是最為核心的一個(gè)結(jié)構(gòu)層，按照網(wǎng)絡(luò)和來(lái)源將存儲(chǔ)系統(tǒng)劃分為3大部分，分別是公安網(wǎng)數(shù)據(jù)庫(kù)、指揮網(wǎng)數(shù)據(jù)專庫(kù)和視頻緩存數(shù)據(jù)庫(kù)，業(yè)務(wù)數(shù)據(jù)庫(kù)使用MySQL數(shù)據(jù)庫(kù)工具，緩存數(shù)據(jù)庫(kù)則采用Redis數(shù)據(jù)庫(kù)管理工具，一些實(shí)時(shí)采集或日常使用的數(shù)據(jù)都會(huì)被存放于緩存數(shù)據(jù)庫(kù)當(dāng)中，而數(shù)據(jù)的備份等不常用信息則被存放于業(yè)務(wù)數(shù)據(jù)庫(kù)中。

3.2.4 應(yīng)用服務(wù)層

應(yīng)用服務(wù)層主要控制各個(gè)功能模塊的業(yè)務(wù)邏輯，是為用戶提供業(yè)務(wù)和功能的結(jié)構(gòu)層。在功能設(shè)計(jì)上主要是分為指揮系統(tǒng)、警情系統(tǒng)、運(yùn)維系統(tǒng)和視頻系統(tǒng)4個(gè)大型部分。

(3)兩化融合對(duì)我國(guó)制造業(yè)向產(chǎn)業(yè)鏈高端邁進(jìn)，實(shí)現(xiàn)經(jīng)濟(jì)高質(zhì)量發(fā)展具有重要意義 融合催生了協(xié)同設(shè)計(jì)、大規(guī)模個(gè)性化定制、網(wǎng)絡(luò)精準(zhǔn)營(yíng)銷、電子商務(wù)等新模式新業(yè)態(tài)，有效提升我國(guó)企業(yè)研發(fā)、制造、服務(wù)等環(huán)節(jié)附加值，帶動(dòng)我國(guó)產(chǎn)業(yè)結(jié)構(gòu)持續(xù)優(yōu)化，帶來(lái)固定資產(chǎn)投資效率的不斷提升，勞動(dòng)生產(chǎn)率的不斷增長(zhǎng)，以及技術(shù)進(jìn)步的增速發(fā)展，將加速推動(dòng)我國(guó)經(jīng)濟(jì)發(fā)展進(jìn)入質(zhì)量時(shí)代。

3.3 登錄注冊(cè)功能設(shè)計(jì)

系統(tǒng)的驗(yàn)證登錄是安全性第一重保障，通過(guò)用戶驗(yàn)證系統(tǒng)可以對(duì)使用用戶加以初步篩查控制，即用戶在使用本系統(tǒng)之前需要先進(jìn)行登錄，未登錄的用戶將會(huì)觸發(fā)權(quán)限限制功能。在登錄時(shí)用戶設(shè)置了3層信息安全驗(yàn)證，分別為：用戶登錄數(shù)據(jù)對(duì)比驗(yàn)證、人機(jī)測(cè)試驗(yàn)證和權(quán)限驗(yàn)證。不同的角色在登錄之后可以獲取不同的權(quán)限。公安內(nèi)部客戶端由于不對(duì)外開(kāi)放，所以在使用時(shí)并且設(shè)置有注冊(cè)模塊，用戶的添加由超級(jí)管理員統(tǒng)一完成，當(dāng)用戶在獲取到用戶信息之后首次登錄應(yīng)進(jìn)行個(gè)人密碼的修改和其他信息的完善。

3.4 綜合警情分析模塊設(shè)計(jì)

綜合警情分析模塊的時(shí)序設(shè)計(jì)為，首先系統(tǒng)會(huì)開(kāi)啟自動(dòng)更新功能，持續(xù)地從各種數(shù)據(jù)來(lái)源渠道中獲取實(shí)時(shí)警情數(shù)據(jù)。然后啟動(dòng)定時(shí)同步任務(wù)并判斷定時(shí)任務(wù)更新是否成功。第三步為訪問(wèn)三合一平臺(tái)數(shù)據(jù)庫(kù)并獲取到三合一平臺(tái)數(shù)據(jù)，隨后實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)的同步，數(shù)據(jù)獲取成功之后返回到Service進(jìn)行數(shù)據(jù)處理。第四步為數(shù)據(jù)更新的處理，在寫入自建數(shù)據(jù)庫(kù)之后完成數(shù)據(jù)庫(kù)的更新，并返回更新信息，在顯示層更新數(shù)據(jù)視圖信息。

在這一過(guò)程中，每10 s就會(huì)啟動(dòng)一次數(shù)據(jù)同步功能，并且將同步的結(jié)果實(shí)時(shí)反饋，如果同步不成功則會(huì)觸發(fā)故障應(yīng)對(duì)程序。

3.5 智慧交通控制系統(tǒng)功能設(shè)計(jì)

智慧交通控制系統(tǒng)是智能化安防控制的重要模塊，包括的核心功能為信號(hào)燈控制體系、車輛識(shí)別防控體系和車輛分析功能。其時(shí)序設(shè)計(jì)為：第一步先進(jìn)行登錄，然后進(jìn)入到主頁(yè)面之中打開(kāi)信號(hào)燈圖層；第二步，根據(jù)實(shí)際的需求進(jìn)行信號(hào)燈圖層的縮放，通過(guò)點(diǎn)擊信號(hào)燈的圖標(biāo)快速對(duì)信號(hào)燈進(jìn)行編號(hào)；第三步，查詢第三方提供接口信號(hào)燈狀態(tài)，并從設(shè)備獲取實(shí)時(shí)狀態(tài)，在此過(guò)程中系統(tǒng)會(huì)返回實(shí)時(shí)的信號(hào)燈狀態(tài)信息并在視圖上顯示當(dāng)前實(shí)時(shí)的紅綠燈狀態(tài)；第四步，通過(guò)查詢紅綠燈的可控方案來(lái)制定下一步的信號(hào)燈控制計(jì)劃，可控方案存放于數(shù)據(jù)庫(kù)中，通過(guò)與數(shù)據(jù)庫(kù)的交互查詢獲得；第五步為傳入設(shè)定的方案編號(hào)，系統(tǒng)向控制器發(fā)送相應(yīng)的指令，實(shí)現(xiàn)信號(hào)燈的控制，同時(shí)在控制成功之后系統(tǒng)返回成功信息。

在信息燈智能控制體系中，需要使用到傳感器技術(shù)、GIS技術(shù)、GPS技術(shù)以及深度學(xué)習(xí)技術(shù)，通過(guò)機(jī)器的自我學(xué)習(xí)不斷地更新數(shù)據(jù)庫(kù)中的可控方案，并且也不斷地對(duì)現(xiàn)有的可控方案進(jìn)行調(diào)整，使其控制方案對(duì)社會(huì)車輛的出行影響降到最低。

3.6 AR視頻圖像模塊設(shè)計(jì)

AR視頻圖像采用單獨(dú)的視頻客戶端，客戶端的配置需求滿足高清圖像快速渲染的要求。在這一模塊中，視頻數(shù)據(jù)的采集是由高清云臺(tái)攝像頭、天網(wǎng)系統(tǒng)攝像頭、人臉識(shí)別終端和警察移動(dòng)執(zhí)法記錄儀等設(shè)備完成，通過(guò)這些視頻數(shù)據(jù)的整合來(lái)實(shí)現(xiàn)AR視頻圖像的應(yīng)用。

在這一模塊中，人群行為分析功能是最為核心的功能，包括入侵檢測(cè)、人車密度分析、異常行為分析和目標(biāo)鎖定分析等幾個(gè)關(guān)鍵功能，其詳細(xì)設(shè)計(jì)為：

用戶需要選擇視頻數(shù)據(jù)來(lái)源，單一選擇和多項(xiàng)選擇都被允許。采集到的視頻信息經(jīng)解碼器工作之后完成視頻的解碼和提取。

（1）視頻幀被傳輸?shù)接?jì)算機(jī)服務(wù)器中，并且部署已經(jīng)訓(xùn)練好的深度學(xué)習(xí)模型。

（2）深度學(xué)習(xí)模型對(duì)視頻幀中的危險(xiǎn)信息進(jìn)行識(shí)別，或者對(duì)人的行為特征進(jìn)行識(shí)別分析。

（3）發(fā)現(xiàn)預(yù)警目標(biāo)時(shí)發(fā)出預(yù)警信息。

（4）將預(yù)警相關(guān)的視頻片段截取出來(lái)返回到客戶端中進(jìn)行播放。

（5）實(shí)時(shí)接收處理標(biāo)記好的視頻數(shù)據(jù)。

4 結(jié)束語(yǔ)

安防體系對(duì)國(guó)內(nèi)的治安環(huán)境貢獻(xiàn)突出，創(chuàng)建立體化、動(dòng)態(tài)化的安全防護(hù)交互指揮系統(tǒng)更有利于和諧社會(huì)的實(shí)現(xiàn)。運(yùn)用深度學(xué)習(xí)技術(shù)實(shí)現(xiàn)模型的訓(xùn)練，讓圖像識(shí)別分析更加智能化、精準(zhǔn)化，通過(guò)本系統(tǒng)可以實(shí)現(xiàn)綜合警情的分析研判、交通信號(hào)燈的智能控制、人群行為的異常分析和AR視頻圖像等重要功能，結(jié)合傳感器技術(shù)、云臺(tái)攝像技術(shù)和GIS技術(shù)等，實(shí)現(xiàn)了重要場(chǎng)所內(nèi)的智能安防，為國(guó)家經(jīng)濟(jì)的穩(wěn)定發(fā)展貢獻(xiàn)一份力量。