面向科技創城交通文明路口場景的數字視網膜交通路口秩序管理一體機應用與研究

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股份有限公司，北京 100026）

0 引言

數字視網膜交通路口秩序管理一體機通過大數據分析挖掘數據中隱含的內在規律，全面支撐領導統籌全局、科學決策、創新城市治理模式，努力實現共創共享的文明創建新格局，為全國科技創城建設工作提供技術支撐。文明城市創建部門依靠AI 視頻分析和邊緣計算技術，能夠做到事件及時反饋、及時處理，讓數據在邊側得到價值提煉，提升云端文明創建動態管理系統的處理能力和效率，已成為科技賦能城市交通治理的重點方向。本文以科技創城的交通文明路口場景為例，簡單介紹數字視網膜交通路口秩序管理一體機的功能應用。

1 研究背景

1.1 交通文明路口創建背景

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。創建全國文明城市是深入貫徹習近平總書記關于精神文明建設重要論述的具體行動，是順應文明城市創建新形勢、開啟精神文明建設新征程的迫切需要，關系城市長遠發展和群眾切身利益[1]。

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

1.2 交通文明路口創建現狀

傳統通過交警巡查監控成本較高，且受諸多環境因素影響，交管部門視頻監督員人工審查視頻效率低下，證據留存不完整。在實際工作中存在創建精準度低、覆蓋面不足、運動式創城、不文明現象反復等問題。面對上述問題，多數地區還是以“人海戰術”為主，這與地區本地人員少、任務重的現實所矛盾。現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絡條件及硬件設備，事件響應不及時[2-3]。

因此，以問題導向、標本兼治為原則；以構建長效常態創建機制為核心目標，對標文明城市測評體系，以“數字視網膜”為主要技術手段，以已建設視頻監控作為城市的“眼睛”，自動識別不文明現象。通過大數據分析挖掘數據中隱含的內在規律，全面支撐領導統籌全局、科學決策、創新城市治理模式，努力實現共創共享的文明創建新格局。

2 數字視網膜交通路口秩序管理一體機

數字視網膜交通路口秩序管理一體機依托全新升級的仿生物視網膜的計算架構，利用攝像頭捕捉到的視頻數據[4-5]，使用視頻接入的方式傳輸到數字視網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、任務調度等操作，使其可以將檢測到的不文明的交通違法行為結果通過標準接口傳輸至AI 服務平臺及其他業務系統，其工作流程如圖1。

圖1 數字視網膜交通路口秩序管理一體機架構圖

2.1 交通路口秩序管理一體機概念

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

該設備通過接入卡口、電警等前端視頻數據，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對接，輕松實現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

交通路口秩序管理一體機是易華錄自主研發的工業級軟硬一體邊緣智能設備，專為“中小型”深度學習神經網絡計算而打造，集成了視頻傳輸、編碼解碼、AI 智能分析、數據存儲等多種高新技術，內置視頻解析算法、城市視頻管理平臺、AI 算法推理平臺以及AI 服務平臺。

交通路口秩序管理一體機部署架構如圖2 所示。

圖2 交通路口秩序管理一體機設備部署架構圖

首先，接入前端設備的前端實時視頻流，通過不同的硬件接口，導入數據進入設備的數據源處理模塊，通過底層的編解碼芯片，進行H264 格式的編解碼操作，處理成后續的算法輸出數據。

其次，兼容CUDA 及OpenCL 主流生態，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、網絡傳輸資源塊，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合業務需求以及易華錄在交通領域的技術和業務優勢，基于高性能的GPU 服務器，植入15 種易華錄自研算法，詳細算法功能見表1。

表1 交警創城一體機算法功能

交警創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、高開發效率、組建靈活、針對不同任務場景的高適配性等優勢特征，設計檢測、分類、分割等目標特征提取模型。

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

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化的靈活性，從而提高開發效率。

2.2.1.1 針對Backbone 進行構建

①使用深度和寬度縮放參數來控制網絡容量，通過該參數靈活定義網絡容量，便于在不同任務中使用更適合的模型。

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

③使用MMDetection 提供的接口組建網絡后，可以通過配置修改網絡中卷積、正則化和激活函數等基礎模塊，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定制不同的模型。

④增加Plugin 參數，可以在不同Stage 中加入特定模塊，如CBAM、SE 等注意力模塊，DropBlock 等，可以任意構建網絡。

⑤集成PyTorch Image Models （timm）模型庫中的Backbone 網絡，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絡Backbone 的替換。

2.2.1.2 修改Neck 參數

①增加Neck 層數配置參數，可以自由定制Neck 的多尺度特征數，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，后續可以通過配置修改對應的卷積、正則化和激活函數等，提升模型結構的豐富性，可以適應各種場景。

2.2.1.3 完善Head 層參數

①增加Head 層數定義參數，控制Head 處理特征的層數，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，使用閾值區間將部分Anchor 設置為忽略區域，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，同時提高檢測和分類的準確性。

⑤在損失函數計算過程中，使用參數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，結合原有的IOU 損失，提升模型收斂能力。

⑦修改Head 的結構和損失部分，使其同時適用于單階段和二階段網絡。

2.2.2 城市視頻管理平臺

內置視頻類業務運維平臺，為邊端提供視頻接入、視頻編解碼等服務，實現視頻數據匯聚接入管理。視頻聯網服務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 級聯的設備，視頻聯網服務支持GB/T28281-2016 標準，通過平臺級聯的方式，實現與其視頻平臺的聯網對接，實現其視頻接入。

對已建視頻平臺但不支持GB28281 級聯的設備，需要其升級28181 聯網網關，以支持級聯接入。

2.2.3 AI 算法推理平臺

內置算法解析類的運維管理平臺，提供算法統一在線管理、發布的基礎環境，是一個高效的多算法管理與大規模任務資源調度平臺。核心提供大規模的資源調度和計算機視覺算法任務的執行管理服務，采用彈性可伸縮的推理架構，實時監控推理服務資源情況，調整資源配給；支持從一鍵部署、快速響應、日志監控、資源管控等方面提供穩定高效的算法推理服務。

2.2.4 AI 服務平臺

內置違規事件的智能化推送展示和輕處置平臺，提供違規事件管理的一體化平臺，打通數據、算力、算法能力，提供違規事件跟蹤審核機制，為上層應用提供業務支持，打通AI 效果反饋機制。AI 服務平臺主要由態勢分析、預警列表、違規列表、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。通過千兆以太網芯片連接，對外提供千兆電口，可擴展4G/5G 通訊。采用寬溫設計、被動散熱、穩定抗塵，適用于多種工業級場景，輕松實現智能化升級。

3.2 設備利舊

支持對接多品牌普通交通電警、卡口攝像頭，實現對原建視頻資源的充分利用，為利舊、新建、新舊組合多種業務模式提供統一的支持，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果。

3.4 端云協同

云端智能管理平臺不但支持輕松管理邊緣節點，還支持高效管理算法模型、任務調度、告警機制等，通過一鍵發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，方便第三方系統集成應用。

4 典型應用

數字視網膜交通路口秩序管理一體機目前已在多個城市落地，完成科技創城建設并取得良好成效。經統計對比，視頻網格員發現事件的效率是人類網格員的10-100倍；較之前，可以節省運營人力1/3，通過大數據輔助決策，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非現場執法，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用能夠為社會帶來巨大的經濟效益和社會效益。從經濟效益上講，由視頻網格員輔助人工巡查，不僅可以大大降低巡查成本，還可釋放有限的人力資源，集中攻堅創城薄弱環節。從社會效益上講，全域創建、全面創建、全民創建，推動城市文明程度不斷提升。構建“多元問題上報、統一調度管理；事務分流、聯動處置；過程監管、績效催動”的創建體系，形成跨部門協同聯動的業務流程；引導市民自覺監督和糾正各種不文明行為，變“政府創城”為“全民參與”，變“要我創”為“我要創”，真正有效提升群眾知曉率、支持率、參與率[7]。

5 結束語

當前文明城市創建呈現出齊頭并進、方興未艾的良好態勢，為促進經濟社會發展提供了強大的精神支撐。但在持續推進的過程中也遇到了瓶頸，需要創新工作方式，提升城市精細化管理水平；健全工作機制，確保文明城市創建常態長效；樹立工作情懷，以人民為中心創建文明城市[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+大數據”為主要科技手段打造“視頻網格員”，自動發現不文明現象，對比傳統創城模式可以實現三方面的提升。一是釋放資源、降低成本，提升創建覆蓋面。由視頻網格員替代人工巡查，不僅可以提升創建覆蓋面，還可釋放有限的人力資源，集中力量攻堅創城薄弱環節，降低創建成本。二是精準巡查、杜絕偏差。自動識別并反應處置，提升了事件巡查、處置的精準度和效率，實現了“街道智能吹哨、部門自動報道”，形成常態長效的創建機制。三是數據支撐、科學決策。通過構建分析決策系統，將事件多發地按區域、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。