淺談城市級(jí)視頻解析能力的應(yīng)用思路

鄭州市公安局金水分局 李博 夏強(qiáng)

隨著各類信息技術(shù)的發(fā)展和創(chuàng)新應(yīng)用，城市步入智慧化建設(shè)已成為發(fā)展城市和精細(xì)化治理城市的重要趨勢，建設(shè)智慧城市，能夠促進(jìn)城市治理能力的提升、民生服務(wù)的保障、產(chǎn)業(yè)創(chuàng)新的升級(jí)；其中對于智慧城市當(dāng)中視頻智能化解析的建設(shè)，已經(jīng)成為智慧城市建設(shè)的重要組成部分，通過整合城市當(dāng)中海量的視頻數(shù)據(jù)，利用人工智能技術(shù)能夠?qū)崿F(xiàn)自動(dòng)化的智能分析與信息提取，能夠充分挖掘城市海量視頻數(shù)據(jù)資源的價(jià)值。但隨著前端城市視頻資源的不斷增加，智慧化應(yīng)用在城市管理當(dāng)中的不斷滲透，如何有效利用視頻數(shù)據(jù)實(shí)現(xiàn)精細(xì)化管控成為一個(gè)迫切的需求；本文就分析目前城市治理在建設(shè)城市級(jí)視頻解析平臺(tái)的必要性，通過分析建設(shè)視頻解析平臺(tái)面臨的主要問題，闡述構(gòu)建城市級(jí)視頻解析平臺(tái)的策略設(shè)計(jì)，旨在為智慧城市建設(shè)提供更加貼合城市治理場景應(yīng)用需求的視頻解析能力服務(wù)。

1 建設(shè)城市級(jí)視頻解析平臺(tái)的必要性

1.1 實(shí)現(xiàn)城市治理場景智慧化賦能的需要

在智慧城市建設(shè)過程中視頻解析能力成為了重要的組成部分，利用城市視頻數(shù)據(jù)，配合后端的智能解析，可實(shí)現(xiàn)智慧停車、垃圾暴露識(shí)別、渣土車識(shí)別、道路破損、黃土裸露、非機(jī)動(dòng)車違規(guī)停放等城市精細(xì)化治理的場景應(yīng)用，如圖1 所示。但海量的視頻資源需要大量的視頻解析能力實(shí)現(xiàn)結(jié)構(gòu)化視頻輸出，視頻解析能力必將成為整個(gè)智慧城市的城市級(jí)基礎(chǔ)能力資源，這意味建設(shè)城市級(jí)的視頻解析平臺(tái)可利用視頻數(shù)據(jù)實(shí)現(xiàn)城市全域上萬路視頻解析，滿足城市全域可視化管理能力需求。

圖1 城市治理場景中視頻解析應(yīng)用領(lǐng)域Fig.1 Application fields of video parsing in urban governance scenarios

1.2 多維視頻數(shù)據(jù)維度和類型的利用率需求

智慧城市場景下各行各業(yè)的業(yè)務(wù)場景靈活多變，面對復(fù)雜的場景視頻解析能力如何在系統(tǒng)擴(kuò)展、開放共享以及業(yè)務(wù)的快速搭建方面對系統(tǒng)的能力就提出了更高的要求。因此，需從頂層規(guī)劃與設(shè)計(jì)的角度，充分發(fā)揮視頻數(shù)據(jù)的多維度和多類型，提升視頻解析資源的利用率，并結(jié)合云技術(shù)組件以及多業(yè)務(wù)領(lǐng)域視頻場景構(gòu)建城市級(jí)視頻解析平臺(tái)，如圖2 所示。

圖2 城市級(jí)視頻解析平臺(tái)架構(gòu)Fig.2 City-level video analysis platform architecture

1.3 建立城市級(jí)視頻解析能力賦能平臺(tái)的需要

城市級(jí)視頻解析平臺(tái)具備大規(guī)模的視頻解析能力，在面向智慧城市場景中能夠支撐萬路級(jí)別以上的實(shí)時(shí)視頻分析，通過計(jì)算調(diào)度、任務(wù)調(diào)度和資源調(diào)度能力，充分發(fā)揮分布式計(jì)算集群的能力，通過列出統(tǒng)一的應(yīng)用場景，形成城市級(jí)賦能平臺(tái)，最大程度做到對已建成的平臺(tái)資源復(fù)用，解決日益增長的實(shí)時(shí)、全面、全量的視頻分析需求，讓城市真正擁有感知、預(yù)測、預(yù)警乃至預(yù)防的能力，如圖3 所示。

圖3 城市級(jí)解析平臺(tái)賦能平臺(tái)Fig.3 City-level analysis platform empowerment platform

2 當(dāng)前建設(shè)城市級(jí)視頻解析存在的難題

2.1 視頻解析算力基礎(chǔ)設(shè)施的挑戰(zhàn)

海量的視頻資源需要大量的視頻解析能力實(shí)現(xiàn)結(jié)構(gòu)化視頻輸出，隨著智慧城市業(yè)務(wù)場景對視頻結(jié)構(gòu)化的依賴，視頻解析能力將成為整個(gè)智慧城市的統(tǒng)一基礎(chǔ)能力資源，這意味著利用視頻數(shù)據(jù)實(shí)現(xiàn)城市全域上萬路視頻解析將面臨著大量視頻計(jì)算能力的挑戰(zhàn)，作為政府職能部門需要不斷投資建設(shè)基礎(chǔ)算力設(shè)施，來滿足日益增長的視頻解析算力需求，這將是一筆巨大的投資，建設(shè)后期將出現(xiàn)覆蓋攝像頭數(shù)量越廣，投資資金越高，系統(tǒng)的運(yùn)行維護(hù)成本也將同步增加的情況。

2.2 海量解析需求對網(wǎng)絡(luò)帶寬的需求

視頻解析系統(tǒng)主要采用實(shí)時(shí)取流的方式，從而實(shí)現(xiàn)提取盡可能多的有效信息，但對于覆蓋數(shù)十萬路城市級(jí)全域場景，面臨多維視頻數(shù)據(jù)和類型，就需要拉取海量前端視頻資源，但在達(dá)到一定規(guī)模后，實(shí)時(shí)取流占用的網(wǎng)絡(luò)帶寬就會(huì)成為卡脖子的問題，以4Mbps 碼流為例，在10 萬路場景下，如果還采用實(shí)時(shí)取流，就會(huì)占用400G的帶寬，這對于未來面向城市治理實(shí)行全域視頻解析將是最大的瓶頸。

2.3 城市治理中視頻解析策略與實(shí)際的脫節(jié)

在城市治理場景中存在許多需要用到視頻解析策略的場景，例如機(jī)動(dòng)車亂擺放、黃土裸露、垃圾暴露、違規(guī)擺放經(jīng)營、火災(zāi)識(shí)別等，利用視頻數(shù)據(jù)開展城市治理場景越多，則產(chǎn)生的視頻結(jié)果數(shù)據(jù)就越多，這會(huì)導(dǎo)致推送到實(shí)際處置的網(wǎng)格員、街道辦、消防、環(huán)保等職能人員或部門的事件就會(huì)與日俱增，且在一些場景中，這會(huì)導(dǎo)致事件多，而處理的人少；重復(fù)問題重復(fù)上報(bào)，與實(shí)際業(yè)務(wù)流轉(zhuǎn)中的時(shí)效要求不符。

2.4 視頻應(yīng)用場景統(tǒng)籌運(yùn)行管理的問題

視頻應(yīng)用場景的需求和建設(shè)，一般都是城市職能部門提出需求和建設(shè)為主，在整體缺乏全局視角的統(tǒng)籌和規(guī)劃的情況下，會(huì)存在視頻資源分布和選型只考慮單一需求，從而造成點(diǎn)位分布不均、設(shè)備選型不科學(xué)、資源投入不合理等問題；在運(yùn)行管理上只重視建設(shè)輕視運(yùn)維，隨著時(shí)間推移，視頻的建設(shè)成效也會(huì)不斷降低，必然會(huì)造成部分建設(shè)資金與資源的浪費(fèi)。

3 基于應(yīng)用場景構(gòu)建統(tǒng)一的視頻解析方案

3.1 基于前端抓圖后端解析框架設(shè)計(jì)

通過深入分析在諸如城市管理、社會(huì)治理、應(yīng)急管理、智慧社區(qū)、環(huán)保、控塵、智慧交通等應(yīng)用場景，可將視頻解析能力融入實(shí)際業(yè)務(wù)場景，例如城市的市容市貌巡查，只需要在1 天24 小時(shí)中固定時(shí)間點(diǎn)完成一次即可；環(huán)保部門對施工工地黃土裸露檢測需求，當(dāng)事件發(fā)現(xiàn)后，則無需再利用算力、帶寬消耗頻繁進(jìn)行解析上報(bào)，可等到環(huán)保部門下達(dá)的整改期到之后再重新發(fā)起解析；基于以上這些具體的場景進(jìn)行精細(xì)化的梳理，對于此類的場景解析需求實(shí)際在整體視頻解析架構(gòu)上可采用前端抓圖后端解析框架設(shè)計(jì)，前端部署抓圖服務(wù)器，配合資源調(diào)度系統(tǒng)，與后端統(tǒng)一視頻平臺(tái)形成編排化的時(shí)間節(jié)點(diǎn)調(diào)度，在固定時(shí)間采用抽幀取圖片的方式，傳送到后端對圖片進(jìn)行結(jié)構(gòu)化的解析，這樣減少海量的視頻流形成匯聚，從而解決實(shí)時(shí)取流策略占用網(wǎng)絡(luò)帶寬、計(jì)算及存儲(chǔ)資源消耗大的問題，逐步可形成覆蓋城市級(jí)的視頻全域解析。

3.2 基于業(yè)務(wù)場景化的分時(shí)視頻解析策略

在城市治理場景中，可基于業(yè)務(wù)場景設(shè)計(jì)分時(shí)輪詢策略，例如黃土裸露頻率為1 天1 次，道路破損頻率1天1 次，機(jī)動(dòng)車亂擺放頻率30 分鐘1 次，垃圾暴露頻率1 小時(shí)1 次，沿街晾掛頻率30 分鐘1 次，違規(guī)戶外廣告頻率1 小時(shí)1 次等，將每一個(gè)場景進(jìn)行細(xì)分，具體時(shí)效需求由城市職能部門相關(guān)時(shí)效決定，形成分時(shí)調(diào)度策略，來控制前端抓圖服務(wù)器進(jìn)行抓圖傳送，由此來解決后端解析能力的投入，如表1 所示。

表1 基于場景的分時(shí)解析策略Tab.1 Scenario-based time-sharing analysis strategy

以5min 內(nèi)完成5000 個(gè)點(diǎn)位輪巡為例，進(jìn)行簡單的網(wǎng)絡(luò)資源需求測算，每個(gè)點(diǎn)位每5min 抓圖一次，抓取兩張圖片，圖片大小以1M 計(jì)算，帶寬占用測算如下：2×5000×1M×8Bit/(5×60)=266 M/s，如果將5min 擴(kuò)大為30min，將調(diào)度策略與解析能力利用率在時(shí)間線上盡可能負(fù)載均衡，則覆蓋的點(diǎn)位不但可突破上萬路，解析能力對基礎(chǔ)計(jì)算設(shè)施資源的消耗將相較于實(shí)時(shí)流大大減少，進(jìn)而節(jié)約投資建設(shè)資金。

3.3 基于前端業(yè)務(wù)處置部門的推送頻率設(shè)計(jì)

在推送頻率上應(yīng)充分考慮不同業(yè)務(wù)職能部門的處置能力及人員配備，在發(fā)現(xiàn)所轄業(yè)務(wù)領(lǐng)域出現(xiàn)事件時(shí)，應(yīng)與處置部門人力情況形成聯(lián)動(dòng)，推送頻率策略上要確保關(guān)鍵事件快速預(yù)警處置，小微事件不遺漏推送；同時(shí)掛鉤到業(yè)務(wù)流程，例如當(dāng)監(jiān)控的工地出現(xiàn)黃土裸露，環(huán)保部門形成執(zhí)法單到送達(dá)處置單位，以及給予的整改時(shí)間期限，應(yīng)在二次推送解析策略上進(jìn)行統(tǒng)籌考慮，避免重復(fù)解析、重復(fù)推送，進(jìn)而在場景上視頻解析上進(jìn)一步減少帶寬、計(jì)算力的消耗。

3.4 面向城市級(jí)的資源調(diào)度系統(tǒng)設(shè)計(jì)

要對網(wǎng)絡(luò)帶寬資源、視頻分析資源、視頻圖片存儲(chǔ)等資源進(jìn)行統(tǒng)一的資源管理調(diào)度，就需要構(gòu)建一個(gè)統(tǒng)一的城市級(jí)資源管理調(diào)度系統(tǒng)，實(shí)現(xiàn)對各類資源的集中管理和調(diào)度，高效地利用各類資源；能夠從基礎(chǔ)資源調(diào)度管理、服務(wù)資源調(diào)度管理、算法資源調(diào)度管理等方面提供調(diào)度管理，分別實(shí)現(xiàn)對城市級(jí)視頻解析平臺(tái)的基礎(chǔ)資源、底層服務(wù)資源、算法能力資源的調(diào)度管理，從而高效利用底層資源支撐上層智能應(yīng)用的構(gòu)建。

3.5 構(gòu)建多應(yīng)用場景的視頻解析應(yīng)用平臺(tái)

基于“共建、共享、共用”的思路，構(gòu)建多應(yīng)用場景的視頻解析賦能平臺(tái)，為政府各個(gè)職能部門提供統(tǒng)一的應(yīng)用工具、數(shù)據(jù)服務(wù)接口、智能分析能力等，如圖4所示；不同政府職能部門只需要在應(yīng)用平臺(tái)上，提出各種各樣的視頻智能分析需求，比如日常巡查任務(wù)，像城管巡查、環(huán)保執(zhí)法檢查、消防巡查、河道巡查等，通過基于業(yè)務(wù)部門需求的任務(wù)編排，合理的對分析任務(wù)進(jìn)行編排、配置和管理，為城市管理部門提供強(qiáng)大的便利性，從而更合理、科學(xué)、高效的幫助城市進(jìn)行視頻系統(tǒng)的建設(shè)，將政府投資效益最大化的進(jìn)行利用。

圖4 基于多應(yīng)用場景的視頻解析賦能平臺(tái)Fig.4 Video analysis enabling platform based on multiple application scenarios

4 結(jié)論

綜上所述，基于現(xiàn)有智慧城市視頻建設(shè)資源，通過基于應(yīng)用場景化的視頻資源的匯聚、資源調(diào)度、視頻分時(shí)解析等手段，大大降低統(tǒng)一視頻解析平臺(tái)對大算力存儲(chǔ)設(shè)施、高網(wǎng)絡(luò)帶寬的依賴，真正地形成既節(jié)約投資建設(shè)運(yùn)營成本，又能滿足各類場景化的城市級(jí)視頻解析平臺(tái)，可有效的實(shí)現(xiàn)對已有視頻資源價(jià)值的提升和挖掘，進(jìn)而實(shí)現(xiàn)城市治理智能化、集約化、人性化。

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