面向科技创城交通文明路口场景的数字视网膜交通路口秩序管理一体机应用与研究

吕晓鹏 LV Xiao-peng；郝维佳 HAO Wei-jia；史晓蒙 SHI Xiao-meng；魏健康 WEI Jian-kang；毛宁 MAO Ning

（北京易华录信息技术股份有限公司，北京 100026）

0 引言

数字视网膜交通路口秩序管理一体机通过大数据分析挖掘数据中隐含的内在规律，全面支撑领导统筹全局、科学决策、创新城市治理模式，努力实现共创共享的文明创建新格局，为全国科技创城建设工作提供技术支撑。文明城市创建部门依靠AI 视频分析和边缘计算技术，能够做到事件及时反馈、及时处理，让数据在边侧得到价值提炼，提升云端文明创建动态管理系统的处理能力和效率，已成为科技赋能城市交通治理的重点方向。本文以科技创城的交通文明路口场景为例，简单介绍数字视网膜交通路口秩序管理一体机的功能应用。

1 研究背景

1.1 交通文明路口创建背景

全国文明城市是含金量最高、综合性最强、影响力最大的城市品牌，是一座城市的最高荣誉。创建全国文明城市是深入贯彻习近平总书记关于精神文明建设重要论述的具体行动，是顺应文明城市创建新形势、开启精神文明建设新征程的迫切需要，关系城市长远发展和群众切身利益[1]。

在科技创城工作中，交通视频数据体量大，治理交通违法行为、保障道路交通安全伴随着车辆基数、违法事件数量的增加，挑战越来越严峻，因此，交通文明示范路口成为了文明城市创建工作的重中之重。

1.2 交通文明路口创建现状

传统通过交警巡查监控成本较高，且受诸多环境因素影响，交管部门视频监督员人工审查视频效率低下，证据留存不完整。在实际工作中存在创建精准度低、覆盖面不足、运动式创城、不文明现象反复等问题。面对上述问题，多数地区还是以“人海战术”为主，这与地区本地人员少、任务重的现实所矛盾。现有智能摄像头算力不足，可抓拍的违法事件单一；云端视频解析受限于网络条件及硬件设备，事件响应不及时[2-3]。

因此，以问题导向、标本兼治为原则；以构建长效常态创建机制为核心目标，对标文明城市测评体系，以“数字视网膜”为主要技术手段，以已建设视频监控作为城市的“眼睛”，自动识别不文明现象。通过大数据分析挖掘数据中隐含的内在规律，全面支撑领导统筹全局、科学决策、创新城市治理模式，努力实现共创共享的文明创建新格局。

2 数字视网膜交通路口秩序管理一体机

数字视网膜交通路口秩序管理一体机依托全新升级的仿生物视网膜的计算架构，利用摄像头捕捉到的视频数据[4-5]，使用视频接入的方式传输到数字视网膜软交通路口秩序管理一体机中，通过AI 算法推理平台进行模型管理、任务调度等操作，使其可以将检测到的不文明的交通违法行为结果通过标准接口传输至AI 服务平台及其他业务系统，其工作流程如图1。

图1 数字视网膜交通路口秩序管理一体机架构图

2.1 交通路口秩序管理一体机概念

数字视网膜架构能够解决智慧城市中视频难汇聚、模型更新难问题[6]，数字视网膜交通路口秩序管理一体机基于数字视网膜架构，为交通路口应用场景提供了有效的解决方案。数字视网膜交通路口秩序管理一体机是一款工业级软硬一体智能设备，充分利用现代化通信、AI 等高新技术，支持对交通场景的车辆进行结构化分析、流量检测以及近15 种机动车/非机动车违法行为检测功能，为交通行业用户提供精准违法结果，支持通畅有序、文明安全的道路交通环境建设。

该设备通过接入卡口、电警等前端视频数据，对视频中的交通参与元素进行智能分析，捕捉违法行为等事件并及时输出告警信号，同时提供丰富的接口便于与第三方系统对接，轻松实现对普通摄像头的智能化升级，为交管部门管理降本增效。

2.2 交通路口秩序管理一体机架构

交通路口秩序管理一体机是易华录自主研发的工业级软硬一体边缘智能设备，专为“中小型”深度学习神经网络计算而打造，集成了视频传输、编码解码、AI 智能分析、数据存储等多种高新技术，内置视频解析算法、城市视频管理平台、AI 算法推理平台以及AI 服务平台。

交通路口秩序管理一体机部署架构如图2 所示。

图2 交通路口秩序管理一体机设备部署架构图

首先，接入前端设备的前端实时视频流，通过不同的硬件接口，导入数据进入设备的数据源处理模块，通过底层的编解码芯片，进行H264 格式的编解码操作，处理成后续的算法输出数据。

其次，兼容CUDA 及OpenCL 主流生态，集成X86 和GPU 的计算框架，进行硬件盒子的资源初始化，分割计算、存储、网络传输资源块，释放的模型计算资源，保证模型推理效果。

最后，绑定硬件设备的信号传输模块，通过HDMI、告警接口，以视频、音频等形式进行告警信息的输出。

2.2.1 视频解析算法

交通路口秩序管理一体机结合业务需求以及易华录在交通领域的技术和业务优势，基于高性能的GPU 服务器，植入15 种易华录自研算法，详细算法功能见表1。

表1 交警创城一体机算法功能

交警创城一体机基于交通路口算法，完善模型快速定制化框架，通过框架的自主可控、高开发效率、组建灵活、针对不同任务场景的高适配性等优势特征，设计检测、分类、分割等目标特征提取模型。

主要采用人脸关键点检测模型（RetinaNet、Face++、YOLOFace 等）、头部姿态估计（FSA-Net 等）、分类模型（MobilNet、EffcientNet、ResNet50 等）、 检 测 模 型（EfficientNet、YOLO 等）的技术手段，根据具体功能问题分析实现。

将模型拆分为Backbone、Neck 和Head 三大组成模块，通过对各个模块的拆解来提高模型组建和优化的灵活性，从而提高开发效率。

2.2.1.1 针对Backbone 进行构建

①使用深度和宽度缩放参数来控制网络容量，通过该参数灵活定义网络容量，便于在不同任务中使用更适合的模型。

②增加Backbone 特征输出控制参数，指定特征的层数和数量，后续Neck 模块提供更多的多尺度特征组合方式。

③使用MMDetection 提供的接口组建网络后，可以通过配置修改网络中卷积、正则化和激活函数等基础模块，例如使用深度可分离卷积、空洞卷积、可形变卷积等，可以快速为不同任务定制不同的模型。

④增加Plugin 参数，可以在不同Stage 中加入特定模块，如CBAM、SE 等注意力模块，DropBlock 等，可以任意构建网络。

⑤集成PyTorch Image Models （timm）模型库中的Backbone 网络，该模型库中包含大量state of the art 的模型，可以快速完成多种网络Backbone 的替换。

2.2.1.2 修改Neck 参数

①增加Neck 层数配置参数，可以自由定制Neck 的多尺度特征数，在目标尺度变化较大的场景可以使用更多的多尺度特征来提升性能。

②使用MMDetection 提供的接口组建Neck，后续可以通过配置修改对应的卷积、正则化和激活函数等，提升模型结构的丰富性，可以适应各种场景。

2.2.1.3 完善Head 层参数

①增加Head 层数定义参数，控制Head 处理特征的层数，来控制不同尺度特征的融合能力。

②Label Assignment 阶段加入困难负样本忽略机制，通过计算Anchor 和GT 的IOU，使用阈值区间将部分Anchor 设置为忽略区域，从而在训练过程中忽略。

③加入采样机制，只采样部分正负样本，缓解训练过程中的前后景类别失衡问题。

④在类别损失中加入IOU aware 机制，使前景物体的置信度和IOU 相关，同时提高检测和分类的准确性。

⑤在损失函数计算过程中，使用参数平衡不同的尺度特征的损失，提高模型性能。

⑥增加坐标点回归损失，结合原有的IOU 损失，提升模型收敛能力。

⑦修改Head 的结构和损失部分，使其同时适用于单阶段和二阶段网络。

2.2.2 城市视频管理平台

内置视频类业务运维平台，为边端提供视频接入、视频编解码等服务，实现视频数据汇聚接入管理。视频联网服务提供对各地市司法局视频的接入功能。

对已建视频平台且支持GB28281 级联的设备，视频联网服务支持GB/T28281-2016 标准，通过平台级联的方式，实现与其视频平台的联网对接，实现其视频接入。

对已建视频平台但不支持GB28281 级联的设备，需要其升级28181 联网网关，以支持级联接入。

2.2.3 AI 算法推理平台

内置算法解析类的运维管理平台，提供算法统一在线管理、发布的基础环境，是一个高效的多算法管理与大规模任务资源调度平台。核心提供大规模的资源调度和计算机视觉算法任务的执行管理服务，采用弹性可伸缩的推理架构，实时监控推理服务资源情况，调整资源配给；支持从一键部署、快速响应、日志监控、资源管控等方面提供稳定高效的算法推理服务。

2.2.4 AI 服务平台

内置违规事件的智能化推送展示和轻处置平台，提供违规事件管理的一体化平台，打通数据、算力、算法能力，提供违规事件跟踪审核机制，为上层应用提供业务支持，打通AI 效果反馈机制。AI 服务平台主要由态势分析、预警列表、违规列表、误报列表、回收站和用户管理组成。

3 交通路口秩序管理一体机的价值

3.1 部署便捷

1U 标准机架式铝合金机箱，深度505mm，灵活轻便，易于部署。通过千兆以太网芯片连接，对外提供千兆电口，可扩展4G/5G 通讯。采用宽温设计、被动散热、稳定抗尘，适用于多种工业级场景，轻松实现智能化升级。

3.2 设备利旧

支持对接多品牌普通交通电警、卡口摄像头，实现对原建视频资源的充分利用，为利旧、新建、新旧组合多种业务模式提供统一的支持，轻松完成对普通摄像头的智能化升级。

3.3 性能优越

支持15 种AI 算法功能，支持接入24 路/48 路高清视频流实时解析；支持对同一视频流并发解析10 种以上违法检测算法，面向用户提供高自动化、高实时、高可靠的违法抓拍结果。

3.4 端云协同

云端智能管理平台不但支持轻松管理边缘节点，还支持高效管理算法模型、任务调度、告警机制等，通过一键发布和无感部署的方式，极大提高智能迭代的速度。接口丰富，对接灵活，方便第三方系统集成应用。

4 典型应用

数字视网膜交通路口秩序管理一体机目前已在多个城市落地，完成科技创城建设并取得良好成效。经统计对比，视频网格员发现事件的效率是人类网格员的10-100倍；较之前，可以节省运营人力1/3，通过大数据辅助决策，提供不文明案件的线索分析，以远程喊话、远程取证等方式实现非现场执法，提高工作效率2 倍以上。

交通路口秩序管理一体机的推广应用能够为社会带来巨大的经济效益和社会效益。从经济效益上讲，由视频网格员辅助人工巡查，不仅可以大大降低巡查成本，还可释放有限的人力资源，集中攻坚创城薄弱环节。从社会效益上讲，全域创建、全面创建、全民创建，推动城市文明程度不断提升。构建“多元问题上报、统一调度管理；事务分流、联动处置；过程监管、绩效催动”的创建体系，形成跨部门协同联动的业务流程；引导市民自觉监督和纠正各种不文明行为，变“政府创城”为“全民参与”，变“要我创”为“我要创”，真正有效提升群众知晓率、支持率、参与率[7]。

5 结束语

当前文明城市创建呈现出齐头并进、方兴未艾的良好态势，为促进经济社会发展提供了强大的精神支撑。但在持续推进的过程中也遇到了瓶颈，需要创新工作方式，提升城市精细化管理水平；健全工作机制，确保文明城市创建常态长效；树立工作情怀，以人民为中心创建文明城市[8-9]。

交通路口秩序管理一体机利用城市已建的视频资源，以“人工智能+大数据”为主要科技手段打造“视频网格员”，自动发现不文明现象，对比传统创城模式可以实现三方面的提升。一是释放资源、降低成本，提升创建覆盖面。由视频网格员替代人工巡查，不仅可以提升创建覆盖面，还可释放有限的人力资源，集中力量攻坚创城薄弱环节，降低创建成本。二是精准巡查、杜绝偏差。自动识别并反应处置，提升了事件巡查、处置的精准度和效率，实现了“街道智能吹哨、部门自动报道”，形成常态长效的创建机制。三是数据支撑、科学决策。通过构建分析决策系统，将事件多发地按区域、时段等多维度分析排序，并提出分析报告和整改意见，可进行人员定向布防，压实责任、传递压力。