智能視頻分析技術(shù)在城市軌道交通中的應(yīng)用研究

何 帆

（廈門路橋信息股份有限公司，福建廈門 361000）

軌道交通是現(xiàn)代城市的主要部分，隨著軌道路線不斷增多，工作人員已經(jīng)無法保證監(jiān)督管理的落實(shí)效果，軌道交通開始頻繁出現(xiàn)各種安全事故，不利于城市交通的持續(xù)發(fā)展。智能視頻分析是一種基于智能技術(shù)的分析技術(shù)，將其應(yīng)用于城市軌道交通中，可以幫助工作人員掌握每條線路的交通狀況，自行分析線路運(yùn)營(yíng)狀況。

1 智能視頻分析技術(shù)的綜合概述

1.1 基礎(chǔ)概念

智能視頻分析技術(shù)通過智能識(shí)別系統(tǒng)分析視頻信息得到警告或預(yù)警信息，通過智能視頻數(shù)據(jù)分析與圖像識(shí)別高速運(yùn)動(dòng)信息圖像（高速運(yùn)動(dòng)物體軌跡、相對(duì)對(duì)象位置高度變化、形狀角度大小等運(yùn)動(dòng)內(nèi)容）。控制元素與用戶行為控制規(guī)則存在較大偏差時(shí)，系統(tǒng)及時(shí)發(fā)送告警。鐵路智能視頻數(shù)據(jù)分析與監(jiān)控技術(shù)已廣泛應(yīng)用于北京航空信息中心、青藏鐵路等國(guó)內(nèi)大型鐵路工程項(xiàng)目。此監(jiān)控技術(shù)能夠自動(dòng)分析視頻，提取并輸出其需要的視頻信息，采取各種替代人為的自動(dòng)監(jiān)控或協(xié)作人為的自動(dòng)監(jiān)控等措施。

1.2 應(yīng)用原理

智能視頻分析技術(shù)可以建立與引起人們或人們活動(dòng)相關(guān)的視頻模型，根據(jù)相關(guān)模型利用計(jì)算機(jī)的高速視頻計(jì)算分析功能，排除場(chǎng)景環(huán)境中的非法對(duì)正?；顒?dòng)造成干擾的因素，在監(jiān)視器的圖像中判別每個(gè)人類身體活動(dòng)的軌跡，采集的監(jiān)視圖像清晰、易于辨別，能夠?qū)ㄖ锛捌洵h(huán)境的異常狀況進(jìn)行判斷。

智能視頻分析技術(shù)主要包括兩種技術(shù)類型，分別為當(dāng)前背景圖像減去刪除法和圖像時(shí)間差分法，分析方法可以時(shí)效地應(yīng)用當(dāng)前的背景圖像及其他背景減除圖像文件進(jìn)行時(shí)間差分圖像處理，達(dá)到圖像運(yùn)動(dòng)圖及區(qū)域圖像檢測(cè)等的功能。此監(jiān)測(cè)方式能夠?qū)崟r(shí)提供較為完整的人體運(yùn)動(dòng)監(jiān)測(cè)目標(biāo)分析數(shù)據(jù)，具有較強(qiáng)的精確度與運(yùn)動(dòng)靈敏度。

2 智能視頻分析技術(shù)在城市軌道交通中的典型應(yīng)用

2.1 流量統(tǒng)計(jì)

車廂、月臺(tái)、人行通道以及鐵路交通中的各種交通空間每天有大量的乘客進(jìn)出，交通擠塞程度會(huì)直接影響車站交通網(wǎng)絡(luò)管理的正常運(yùn)作。傳統(tǒng)的流量統(tǒng)計(jì)由統(tǒng)計(jì)閘機(jī)清分?jǐn)?shù)據(jù)進(jìn)行統(tǒng)計(jì)，軌道交通存在線路換乘時(shí)，閘機(jī)清分?jǐn)?shù)據(jù)無法統(tǒng)計(jì)這部分客流情況。應(yīng)建立全面、實(shí)時(shí)的當(dāng)前狀態(tài)站網(wǎng)絡(luò)管理系統(tǒng)，使軌道交通車站運(yùn)營(yíng)網(wǎng)絡(luò)狀態(tài)的數(shù)據(jù)發(fā)布更客觀、科學(xué)，視頻分析有助于提高客流分析的精準(zhǔn)度。

2.2 邊界管理

軌道交通活動(dòng)系統(tǒng)龐大而復(fù)雜，除了為普通旅客提供自由移動(dòng)的特殊空間和活動(dòng)區(qū)域外，也存在一些出于安全考慮對(duì)普通旅客關(guān)閉、隨時(shí)應(yīng)對(duì)各種異常情況敏感的特殊空間或活動(dòng)區(qū)域。針對(duì)這一應(yīng)用需求，可以利用移動(dòng)智能視頻自動(dòng)分析技術(shù)，實(shí)現(xiàn)安全目標(biāo)區(qū)域的實(shí)時(shí)自動(dòng)檢測(cè)，可以對(duì)已進(jìn)入指定安全區(qū)域的移動(dòng)目標(biāo)進(jìn)行跟蹤和自動(dòng)分類，并發(fā)出報(bào)警。在指定人員可進(jìn)入的特定區(qū)域中，通過視頻技術(shù)對(duì)人員及其行為進(jìn)行安全監(jiān)管及判定，特定區(qū)域包括地鐵軌行區(qū)、變電站、周圍的高架橋梁結(jié)構(gòu)、獨(dú)立的公共設(shè)施（通風(fēng)口、通信基礎(chǔ)設(shè)施、辦公行政大樓、風(fēng)井、車庫）等。

2.3 行為分析

地鐵乘客及進(jìn)入地鐵的人員應(yīng)受到公共行為安全準(zhǔn)則的約束，遵守地鐵乘車規(guī)定，愛護(hù)公共設(shè)施設(shè)備，不擁擠、不吵鬧。通過視頻分析技術(shù)對(duì)乘客行為進(jìn)行監(jiān)控與分析，及時(shí)發(fā)現(xiàn)乘客異常狀況，發(fā)生吵鬧推搡、隨意翻越障礙物、破壞公共財(cái)物時(shí)，及時(shí)發(fā)出警告。視頻分析可以對(duì)乘梯人員的姿態(tài)進(jìn)行分析，人員發(fā)生姿態(tài)扭曲符合摔倒行為時(shí)，向乘務(wù)員發(fā)出警報(bào)。

2.4 質(zhì)量診斷

隨著我國(guó)城市軌道網(wǎng)絡(luò)交通系統(tǒng)網(wǎng)絡(luò)化工程建設(shè)和交通運(yùn)營(yíng)的不斷深入推進(jìn)，軌道交通內(nèi)視頻圖像監(jiān)控網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)的專用攝像機(jī)設(shè)備數(shù)量不斷擴(kuò)大增加，給系統(tǒng)設(shè)施維護(hù)者及工作人員帶來巨大的技術(shù)挑戰(zhàn)。在正常的圖像監(jiān)控中，某些硬件監(jiān)控設(shè)備出現(xiàn)問題會(huì)導(dǎo)致監(jiān)控圖像信息丟失。

視頻信號(hào)質(zhì)量問題診斷儀的功能主要是對(duì)一個(gè)前端視頻設(shè)備的碼流圖像進(jìn)行視頻解碼并對(duì)圖像傳輸質(zhì)量進(jìn)行評(píng)估，實(shí)現(xiàn)對(duì)前端視頻信號(hào)中可能存在的質(zhì)量問題數(shù)據(jù)的準(zhǔn)確判斷和實(shí)時(shí)報(bào)警。實(shí)時(shí)輪詢系統(tǒng)工作時(shí)，如果用戶發(fā)現(xiàn)相關(guān)設(shè)備工作異常，如圖像分辨率異常、亮度異常、局部色彩、噪聲干擾、數(shù)據(jù)信號(hào)丟失、圖像內(nèi)容凍結(jié)等，系統(tǒng)會(huì)及時(shí)提供警告提示信息和事件通知，使系統(tǒng)工作人員能夠及時(shí)、快速、準(zhǔn)確排除相關(guān)系統(tǒng)安全問題或安全系統(tǒng)問題，有效預(yù)防因系統(tǒng)圖像顯示質(zhì)量出現(xiàn)問題，避免經(jīng)濟(jì)損失。

2.5 視頻巡站

城市軌道是市民重要的出行工具，地鐵運(yùn)營(yíng)公司在保障公眾出行方面具有不可替代的保障責(zé)任。日常車站巡檢不同部門時(shí)，有明確分工，維保部門開展對(duì)車站設(shè)施設(shè)備的巡查檢查，站務(wù)、乘務(wù)部門進(jìn)行車站秩序維護(hù)的巡站活動(dòng)。

人工檢查巡站存在錯(cuò)班時(shí)間差，無法實(shí)時(shí)覆蓋全部巡查區(qū)域的問題。監(jiān)控基本實(shí)現(xiàn)車站內(nèi)所有區(qū)域的視頻覆蓋，通過監(jiān)控視頻輔助車站巡查，結(jié)合視頻分析技術(shù)對(duì)站域內(nèi)的視頻資源進(jìn)行結(jié)構(gòu)化解析，可以實(shí)現(xiàn)對(duì)車站內(nèi)異常情況的捕捉、辨別和預(yù)警。

3 智能視頻分析技術(shù)在城市軌道交通中的應(yīng)用要點(diǎn)

3.1 確定系統(tǒng)結(jié)構(gòu)

在我國(guó)城市軌道網(wǎng)絡(luò)交通監(jiān)控管理系統(tǒng)的網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)中,最常見的網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)方式為三級(jí)系統(tǒng)聯(lián)網(wǎng)網(wǎng)絡(luò)模式。

（1）一級(jí)聯(lián)網(wǎng)模式中，城市軌道的每個(gè)車站需要設(shè)置一個(gè)網(wǎng)絡(luò)運(yùn)行控制器和一個(gè)監(jiān)控管理系統(tǒng)，組成一個(gè)監(jiān)控管理子系統(tǒng)，子系統(tǒng)可以直接對(duì)整個(gè)車站核心區(qū)域內(nèi)的監(jiān)控?cái)z像機(jī)及矩陣監(jiān)控設(shè)備進(jìn)行有效監(jiān)控。

（2）二級(jí)監(jiān)控模式中，基于城市軌道網(wǎng)絡(luò)交通系統(tǒng)中的地鐵監(jiān)控管理設(shè)備可以起到一定的綜合管理監(jiān)控效果，該設(shè)備的有效監(jiān)控管理功能能夠有效實(shí)現(xiàn)對(duì)城市地鐵網(wǎng)絡(luò)信息系統(tǒng)的有效通信監(jiān)控。與一級(jí)監(jiān)控模式相比，二級(jí)監(jiān)控模式合理地通過一級(jí)監(jiān)控模式設(shè)備中的地鐵攝像機(jī)和矩陣機(jī)的管理，實(shí)現(xiàn)對(duì)地鐵數(shù)據(jù)的有效采集管理，達(dá)到能夠有效實(shí)現(xiàn)地鐵對(duì)聯(lián)網(wǎng)的有效控制能力。

（3）三級(jí)網(wǎng)絡(luò)聯(lián)網(wǎng)管理模式中，針對(duì)城市軌道運(yùn)輸交通進(jìn)行監(jiān)控分析系統(tǒng)管理時(shí)，應(yīng)分別采取監(jiān)控分析過程管理及監(jiān)控中心綜合監(jiān)控兩種管理模式綜合進(jìn)行分析管理。

3.2 樹立基礎(chǔ)框架

前景檢測(cè)模塊的算法流程為分離背景圖像中變化較大的圖像特征區(qū)域，分離過程也可以稱為前景檢測(cè)聚類分離。

運(yùn)動(dòng)目標(biāo)跟蹤檢測(cè)技術(shù)模塊的跟蹤算法處理規(guī)則為在創(chuàng)建視頻跟蹤序列的過程中，對(duì)前景檢測(cè)簇的跟蹤狀態(tài)進(jìn)行有效分析，提取并獲得高度穩(wěn)定且規(guī)律的跟蹤運(yùn)動(dòng)軌跡目標(biāo)。

跟蹤目標(biāo)運(yùn)動(dòng)跟蹤技術(shù)模塊的歷史算法的處理過程規(guī)則為分析運(yùn)動(dòng)目標(biāo)跟蹤的歷史運(yùn)動(dòng)信息記錄，對(duì)運(yùn)動(dòng)目標(biāo)跟蹤可能會(huì)同時(shí)出現(xiàn)的目標(biāo)位置有效進(jìn)行預(yù)測(cè)，自動(dòng)搜索能預(yù)測(cè)目標(biāo)位置附近的有效運(yùn)動(dòng)跟蹤目標(biāo)。

有效目標(biāo)跟蹤分類處理模塊的跟蹤算法處理流程規(guī)則為自動(dòng)根據(jù)目標(biāo)特征跟蹤值自動(dòng)實(shí)現(xiàn)有效目標(biāo)分類，包括設(shè)定運(yùn)動(dòng)跟蹤目標(biāo)的軌跡尺寸、輪廓等，應(yīng)用的技術(shù)是目標(biāo)分類處理算法。

運(yùn)動(dòng)軌跡跟蹤分析處理模塊的軌跡算法處理流程規(guī)則為分析運(yùn)動(dòng)跟蹤目標(biāo)的實(shí)際運(yùn)動(dòng)跟蹤軌跡，平滑跟蹤運(yùn)動(dòng)目標(biāo)軌跡、修正跟蹤運(yùn)動(dòng)目標(biāo)軌跡的速度誤差，使運(yùn)動(dòng)軌跡跟蹤目標(biāo)的實(shí)際跟蹤運(yùn)動(dòng)相一致。

邏輯事件報(bào)警檢測(cè)處理模塊的事件分類處理算法為通過邏輯分析比較跟蹤目標(biāo)運(yùn)動(dòng)信息與系統(tǒng)設(shè)定的事件報(bào)警處理規(guī)則，判斷并提取跟蹤目標(biāo)信息是否已經(jīng)達(dá)到設(shè)定報(bào)警規(guī)則要求。

3.3 構(gòu)建數(shù)據(jù)庫

攝像機(jī)系統(tǒng)可以實(shí)現(xiàn)人臉捕捉、抓牌、識(shí)別以及報(bào)警，接入當(dāng)?shù)毓蚕到y(tǒng)后，系統(tǒng)能夠進(jìn)行系統(tǒng)黑白名單管理，發(fā)現(xiàn)黑名單人員時(shí)直接報(bào)警。系統(tǒng)在特定地點(diǎn)或重點(diǎn)建設(shè)公共場(chǎng)所的重要公共位置，進(jìn)行抓拍人臉圖像實(shí)時(shí)比對(duì)，實(shí)時(shí)抓拍布控人員和臉的圖像實(shí)時(shí)度和相識(shí)度達(dá)到布控系統(tǒng)預(yù)先設(shè)定自動(dòng)實(shí)時(shí)報(bào)警閥的最高閾值時(shí)，系統(tǒng)自動(dòng)實(shí)時(shí)報(bào)警系統(tǒng)可以通過網(wǎng)絡(luò)視頻或者聲音等多種傳播方式對(duì)抓拍人臉進(jìn)行實(shí)時(shí)自動(dòng)預(yù)警，提醒現(xiàn)場(chǎng)交通監(jiān)控者和交通管理人員。監(jiān)控信息系統(tǒng)管理操作人員可以根據(jù)雙擊拖動(dòng)監(jiān)控報(bào)警器按鍵的監(jiān)控信息，自動(dòng)實(shí)時(shí)查看監(jiān)控抓拍到的視頻原圖和監(jiān)控錄像，進(jìn)行實(shí)時(shí)全程跟蹤檢查核實(shí)。

3.4 大數(shù)據(jù)應(yīng)用

視頻分析AI模型實(shí)現(xiàn)基礎(chǔ)圖像分析要素的訓(xùn)練后，需要不斷學(xué)習(xí)和進(jìn)化，城市軌道大數(shù)據(jù)應(yīng)用能夠有效支持進(jìn)化系統(tǒng)。城市軌道大數(shù)據(jù)從軌道建設(shè)、運(yùn)營(yíng)等各個(gè)階段，不斷采集匯總設(shè)施設(shè)備基礎(chǔ)狀態(tài)、故障狀態(tài)、車站正?？土?、高峰客流、低峰客流等數(shù)據(jù)以及踩踏、火災(zāi)、設(shè)備狀態(tài)預(yù)警、安檢預(yù)警、沖突等異常狀態(tài)數(shù)據(jù)。城市軌道運(yùn)營(yíng)期不斷更新迭代，豐富AI訓(xùn)練內(nèi)容，可以實(shí)現(xiàn)智慧視頻分析的進(jìn)化，完善智慧視頻分析的運(yùn)營(yíng)輔助工具性。為了支撐大數(shù)據(jù)的信息儲(chǔ)備、維持城市軌道的經(jīng)營(yíng)，管理單位應(yīng)統(tǒng)一規(guī)劃大數(shù)據(jù)底層的應(yīng)用端，鋪設(shè)專業(yè)系統(tǒng)和硬件支撐層，不建議無基礎(chǔ)信息化支持的城市軌道開展智慧視頻分析系統(tǒng)建設(shè)。

4 結(jié)語

現(xiàn)代城市的軌道建設(shè)越發(fā)復(fù)雜，某一環(huán)節(jié)管理力度不足會(huì)增加城市軌道交通的安全事故概率。相關(guān)部門必須重視智能視頻分析技術(shù)的應(yīng)用，掌握其中流量統(tǒng)計(jì)、邊界管理、行為分析以及質(zhì)量診斷等技術(shù)，并在實(shí)際應(yīng)用中注意確定系統(tǒng)結(jié)構(gòu)、樹立基礎(chǔ)框架以及構(gòu)建數(shù)據(jù)庫等應(yīng)用要點(diǎn)，根本解決城市軌道交通存在的問題。