陳 波,郭 斌
(江蘇長天智遠交通科技有限公司,江蘇 南京 210019)
超載檢測系統(tǒng)是由稱重設(shè)備、車軸檢測器、車輛抓拍識別設(shè)備、視頻監(jiān)控設(shè)備、信息發(fā)布顯示設(shè)備等不同類型的終端設(shè)備和負責(zé)數(shù)據(jù)采集、處理、存儲和傳輸?shù)能浖到y(tǒng)組成的軟硬件綜合性系統(tǒng)。由于不同類型的超載檢測站點應(yīng)用場景、建設(shè)單位和建設(shè)時間不同,所采用的設(shè)備品牌、規(guī)格、數(shù)據(jù)傳輸協(xié)議和接口不一,導(dǎo)致各類終端設(shè)備接入調(diào)試時間長,多源異構(gòu)數(shù)據(jù)采集匯聚難度高,數(shù)據(jù)處理與上傳效率低[1]。隨著江蘇省超限檢測站點,尤其是動態(tài)不停車稱重系統(tǒng)布設(shè)密度的加大,已建和待建超限檢測站點檢測信息的采集、接入、處理和上傳量將越來越大,上層監(jiān)管平臺的信息處理和存儲壓力也在逐步增加,需要解決各類超載檢測應(yīng)用場景下終端設(shè)備的異構(gòu)接入和運維管控需求,以及超載檢測數(shù)據(jù)的邊緣端快速采集、處理、上傳和超限大件運輸許可信息、黑名單信息等的數(shù)據(jù)交互問題[2]。
本文引入邊緣計算技術(shù),針對公路超限檢測站、高速不停車稱重檢測點等7類超載檢測應(yīng)用場景的數(shù)據(jù)監(jiān)管需求,通過邊緣計算一體機搭載自研的“微治超”系統(tǒng),實現(xiàn)對多種典型終端設(shè)備的異構(gòu)數(shù)據(jù)接入和運維管控,自動匯聚和預(yù)處理,超載檢測信息AI識別與融合應(yīng)用,有效緩解了上層監(jiān)管平臺的信息處理壓力,擴充了各類超載檢測站點在綜合交通治理和車路協(xié)同服務(wù)的應(yīng)用能力,發(fā)揮了超載檢測站點的綜合應(yīng)用效能。
邊緣一體機的選型取決于各類超載檢測應(yīng)用場景下的終端設(shè)備布設(shè)情況、網(wǎng)絡(luò)環(huán)境和數(shù)據(jù)處理要求,還需要滿足尺寸小、高可靠、模塊化和遠程運維的需求。各類超載檢測站點通常采用低時延、窄帶寬、地域分布廣泛的小規(guī)模邊緣數(shù)據(jù)中心接入型架構(gòu),雖然單站點設(shè)備數(shù)量有限,但設(shè)備種類覆蓋廣,其 IT 堆棧與數(shù)據(jù)中心沒有太大的差異,因此對檢測站點設(shè)備的集成和運維提出了較高的要求。傳統(tǒng)超載檢測站點的建設(shè)模式從設(shè)計施工到業(yè)務(wù)上線至少需要3個月的時間,需要協(xié)調(diào)多廠商招標和實施,而且無多站點集中監(jiān)控和統(tǒng)一的運維方案,增加了超載檢測站點的管理運維難度。
通過對公路超限檢測站、高速不停車稱重檢測點、車道式低速預(yù)檢點、高速公路收費站、貨運源頭站、省級不停車門架和汽渡口7類超載檢測站點的設(shè)備主要類型、設(shè)備品牌型號、數(shù)據(jù)接口等方面的分析,本文對邊緣一體機選型的基本要求總結(jié)如下。
(1)支持通信、控制、設(shè)備接入等多功能集成,有效管理和控制接入。
(2)從硬件芯片到系統(tǒng)軟件都支持邊緣計算算法,智能化水平高,支持無人值守和智能響應(yīng)。
(3)功能接口豐富,能夠支持工業(yè)、環(huán)保、輸配電等行業(yè)協(xié)議,支持接入各類超限檢測終端機電設(shè)備,部署便捷。
(4)支持有線和無線網(wǎng)絡(luò)通信,滿足不同現(xiàn)場項目的通信網(wǎng)絡(luò)狀況,可靈活選擇通信模式,有線無線網(wǎng)絡(luò)還可互為備份,多重保障設(shè)備不掉線。
選型后的智能邊緣一體機將計算、存儲、網(wǎng)絡(luò)、虛擬化和環(huán)境動力等產(chǎn)品有機集成到一個機柜中,在出廠時完成預(yù)安裝和預(yù)連線,現(xiàn)場部署安裝時,無需深入了解各類終端設(shè)備的內(nèi)部原理,無需深入掌握IT技術(shù),只需接上電源,連上網(wǎng)絡(luò),利用快速部署工具填寫配置參數(shù),即可完成站點設(shè)備的初始化配置。
如圖1所示,檢測站點的主要待接入終端設(shè)備包括稱重系統(tǒng)(含一體化秤臺、車輛檢測器、地感線圈、稱重控制主機等)、車牌識別系統(tǒng)(含車牌識別攝像機、車牌識別主機等)、視頻監(jiān)控系統(tǒng)、信息發(fā)布系統(tǒng)(含告知顯示器、取證顯示屏、控制器等)和車軸識別系統(tǒng)。各類終端設(shè)備按照其定義的物理接口協(xié)議和數(shù)據(jù)接口協(xié)議與前端通信軟件或視頻監(jiān)控服務(wù)器進行通信和數(shù)據(jù)傳輸,業(yè)務(wù)管理軟件再按照上層監(jiān)管平臺的要求完成動態(tài)稱重數(shù)據(jù)的上傳和黑名單等數(shù)據(jù)的同步。由于各地市站點建設(shè)對終端設(shè)備的數(shù)據(jù)接入?yún)f(xié)議沒有統(tǒng)一約定,造成業(yè)務(wù)管理軟件必須根據(jù)每個站點的終端設(shè)備接口協(xié)議進行定制化開發(fā)和設(shè)備接入調(diào)試,這是造成站點設(shè)備初始化配置周期長、操作煩瑣的主要原因。
圖1 檢測站點監(jiān)測數(shù)據(jù)接口網(wǎng)絡(luò)拓撲結(jié)構(gòu)
因此,本文著重梳理了上述各類主要終端設(shè)備的數(shù)據(jù)接入?yún)f(xié)議,包括物理接口協(xié)議和數(shù)據(jù)接入?yún)f(xié)議,如表1和表2所示,形成終端設(shè)備接口資源庫,保證滿足當(dāng)前各子系統(tǒng)主要終端設(shè)備的接入需求,同時通過構(gòu)建統(tǒng)一的協(xié)議規(guī)范,也可以規(guī)范后續(xù)站點終端設(shè)備的采購技術(shù)標準。隨著后續(xù)檢測站點設(shè)備類型的不斷增加,可以持續(xù)更新和擴展接入?yún)f(xié)議規(guī)范支持的設(shè)備類型和協(xié)議接口,保證其后續(xù)良好的擴展性和適用性。
表1 稱重系統(tǒng)物理接口協(xié)議說明
通過統(tǒng)一接口和數(shù)據(jù)傳輸協(xié)議,即可在邊緣計算單元獲取各類終端設(shè)備實時上傳原始數(shù)據(jù)報文,然后按照超限檢測數(shù)據(jù)格式規(guī)范,如表3所示,對同一時間產(chǎn)生的多源數(shù)據(jù)進行提取、解構(gòu)、疊加等異構(gòu)化處理,最終形成逐條的車輛檢測原始數(shù)據(jù)記錄。
2.1.1 超載檢測證據(jù)基本要求與審核標準
超限超載行政處罰案件主要包括公安交管聯(lián)合執(zhí)法案件和交通行政處罰案件,公安交管聯(lián)合執(zhí)法案件中需要提供稱重和卸載單、超限運輸檢測報告、超限車輛照片等證據(jù)文件,交通行政處罰案件需要提供案件視聽資料證據(jù)材料、稱重檢測系統(tǒng)現(xiàn)場檢測截取照片和其他證據(jù)材料[3]。在綜合行政執(zhí)法信息系統(tǒng)中,滿足道路運輸貨車超限行政執(zhí)法案件超限證據(jù)的完整信息應(yīng)包含以下內(nèi)容。
(1)稱重卸載信息(超限檢測現(xiàn)場稱重卸載單)。
車牌號、駕駛員姓名、道路運輸證號、從業(yè)資格證號、車輛所屬運輸企業(yè)、車輛裝貨場所、車輛最大允許總質(zhì)量、卸載前車貨總質(zhì)量、卸載后車貨總質(zhì)量、超限超載比例。
(2)超限車輛稱重檢測數(shù)據(jù)(超限車輛稱重檢測報告)。
檢測時間、檢測站點、檢測年份、檢測號、總重、軸數(shù)、車牌號、稱重檢測車頭照片、超限車輛車頭照片、超限車輛車尾照片。
(3)稱重檢測系統(tǒng)現(xiàn)場檢測截取照片檢測單。
檢測單號、檢測時間、站點名稱、點位名稱、線路名稱、檢測方向、車牌號、車型、軸數(shù)、總重、限重、超重、超限率、車速、車道、車牌、超限車輛照片(車頭第一張圖片、車頭第二張圖片)、駕駛員特寫照片帶車牌、前部45度角照片、側(cè)面照片、車尾照片。
表2 稱重系統(tǒng)數(shù)據(jù)接口說明(部分)
表3 過車檢測明細數(shù)據(jù)格式規(guī)范(部分)
此外,不停車動態(tài)超載檢測數(shù)據(jù)形成案件證據(jù)的要求,目前各地沒有形成統(tǒng)一明確的標準。一般來說,超限超載處罰立案標準以被檢測車輛的軸數(shù)、車輛類型、超限量、超限率和完整的超限車輛圖片和視頻片段為依據(jù)。因此,打通不停車超限檢測數(shù)據(jù)與公安交管案件處罰立案的數(shù)據(jù)通道,建立檢測數(shù)據(jù)審核機制,實現(xiàn)超限非現(xiàn)場證據(jù)標準化和操作程序規(guī)范化管理,對于今后處理和審核大量過車超載檢測數(shù)據(jù)具有重要意義。
2.1.2 超載檢測證據(jù)基本要求與審核標準
根據(jù)江蘇省級治超平臺對于超限檢測明細數(shù)據(jù)的上傳接口技術(shù)規(guī)范要求,以及動態(tài)不停車檢測系統(tǒng)對于車輛抓拍圖片證據(jù)的審核校驗參考標準,本文提出了面向超限檢測數(shù)據(jù)符合性的層次化校驗?zāi)P汀?/p>
(1)檢測數(shù)據(jù)完整性校驗。
系統(tǒng)按照各類超限檢測應(yīng)用場景下對超限檢測證據(jù)上傳至江蘇省市級監(jiān)測平臺的要求為依據(jù),對待上傳的每一條過車檢測數(shù)據(jù)項的完整性進行自檢。該層次數(shù)據(jù)校驗可通過接口定義方式實現(xiàn),數(shù)據(jù)完整性校驗規(guī)則可按場景和接入平臺的要求進行設(shè)置和修改,當(dāng)檢測到待上傳數(shù)據(jù)不符合完整性校驗要求時予以剔除。
單條檢測數(shù)據(jù)的完整性,指在車輛過車過程中,各設(shè)備之間的數(shù)據(jù)檢測要完整,如果存在抓拍車牌信息、車輛輪軸識別結(jié)果、車輛過車圖片(車頭、全貌、車尾、前側(cè)、尾側(cè))、稱重數(shù)據(jù)其中任意一項存在數(shù)據(jù)異?;蛉笔?,那么該單條過車記錄數(shù)據(jù)就認定為存在異常。每一條數(shù)據(jù)的校驗對象包括車輛載重數(shù)據(jù)、車輛軸數(shù)、車輛牌號和車輛過車照片,其他數(shù)據(jù)項通過數(shù)據(jù)庫字段必填性要求進行校驗核準。
(2)數(shù)據(jù)上報完整性校驗。
校驗?zāi)P偷牡诙邮菍吘墮z測點向中心上報數(shù)據(jù)的完整性進行校驗。數(shù)據(jù)上報的完整性,指不停車檢測點的平臺提供可以查詢的指定過車時間內(nèi)的過車數(shù)量,然后與中心收到的上報數(shù)據(jù)量(同一指定時間內(nèi))進行對比,得到數(shù)據(jù)總量的完整性校驗結(jié)果。若上報數(shù)據(jù)存在缺失,則中心將向邊緣端發(fā)送指令進行補傳。
(3)非結(jié)構(gòu)化數(shù)據(jù)符合性校驗。
車輛的抓拍圖片和過車視頻需要符合完整證據(jù)信息的要求。如照片文件的格式、照片疊加信息、圖片中抓拍信息的完整性、清晰度等,這類非結(jié)構(gòu)化數(shù)據(jù)的符合性校驗,需要借助AI邊緣計算識別單元的神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)算法模塊來實現(xiàn)。
石維康[4]提出分類模型算法適用于社會通用車輛的提取和篩選,而貨車總質(zhì)量限值的確定則需要判斷貨車軸數(shù)和具體車型,因此還需要結(jié)合賀甜[5]提出的利用深度卷積神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)模型進行模式識別,結(jié)合密集采樣的特征提取網(wǎng)絡(luò)方案,簡化車型庫的樣本要求,確定共享卷積網(wǎng)絡(luò)的深度。采用這種端到端的識別方法,只需要輸入采集車輛的圖像數(shù)據(jù),通過一系列的卷積、池化、歸一化、激活、抑制、誤差返傳等手段,直接輸出分類識別結(jié)果,通過隨機梯度下降與神經(jīng)元迭代自更新的方式進行圖像的自學(xué)習(xí),大大省去了人工干預(yù)步驟和對車型庫豐富程度的依賴,并且能夠保證計算收斂性和檢測準確率的提升。
2.1.3 超載證據(jù)鏈數(shù)據(jù)生成與校驗效果
邊緣計算單元自動采集和匯聚形成車輛檢測原始數(shù)據(jù)后,按照上述規(guī)則對原始數(shù)據(jù)進行符合性校驗,并將校驗后的結(jié)果和存在問題的數(shù)據(jù)記錄進行標記,與車輛檢測數(shù)據(jù)一并通過數(shù)據(jù)接口上傳到上層監(jiān)測平臺。當(dāng)監(jiān)管人員打開車輛過車數(shù)據(jù)的審核界面時,可以看到每條數(shù)據(jù)在邊緣端處理后給出的數(shù)據(jù)校驗結(jié)果提示,還可以直接對不符合人工審核標準的圖像信息添加問題標記和描述,從而有針對性地提高審核效率。當(dāng)后續(xù)邊緣端得到普遍應(yīng)用,數(shù)據(jù)校驗的準確率符合要求后,可以實現(xiàn)批量自動審核。
2.2.1 系統(tǒng)總體架構(gòu)設(shè)計
通過在超載檢測站點以邊緣計算架構(gòu)為基礎(chǔ)部署邊緣計算一體機設(shè)備,對所有接入設(shè)備的原始采集數(shù)據(jù)進行分析處理,再以上層監(jiān)管平臺數(shù)據(jù)接入規(guī)范為基準,在超載檢測站點層面實現(xiàn)海量超載執(zhí)法數(shù)據(jù)的審核、加工和預(yù)處理,實現(xiàn)站端管理系統(tǒng)和上層監(jiān)管平臺的部分功能,這就是“微治超”系統(tǒng)的基本概念和總體架構(gòu)。
數(shù)據(jù)架構(gòu)設(shè)計方面,部署在邊緣計算終端的“微治超”系統(tǒng)是以滿足當(dāng)前7類超限檢測應(yīng)用場景數(shù)據(jù)管理為目標,通過邊緣計算端的應(yīng)用部署,將現(xiàn)有的“省級數(shù)據(jù)中心-站端”“市級治超管理系統(tǒng)-站端”的數(shù)據(jù)部署架構(gòu)演變?yōu)檫吘売嬎悱h(huán)境下的“省級中心-邊緣端霧計算中心-站端”“市級治超管理系統(tǒng)-邊緣霧計算中心-站端”的3層部署架構(gòu),在站端位置構(gòu)建霧計算中心,向省市級管理機構(gòu)提供數(shù)據(jù)中臺服務(wù),從而解決上層監(jiān)管平臺數(shù)據(jù)存儲和計算處理要求過大的問題,實現(xiàn)檢測數(shù)據(jù)的隨用隨取。
2.2.2 系統(tǒng)功能設(shè)計
根據(jù)“微治超”系統(tǒng)的定位和目標,系統(tǒng)的功能設(shè)計與站端管理軟件和上層監(jiān)管平臺的功能有所差異。既要滿足各類檢測終端的接入管理和數(shù)據(jù)采集需求,又要具備上層監(jiān)管平臺對數(shù)據(jù)監(jiān)測和部分統(tǒng)計分析功能。其具體功能可分類以下幾方面。
(1)設(shè)備接入管理。
包括路段管理、站點管理、設(shè)備管理等功能。通過設(shè)備接入管理功能,能夠通過各類終端檢測設(shè)備提供的標準協(xié)議接口查詢所有接入設(shè)備的最新狀態(tài),包括但不限于:站點名稱、設(shè)備類型、設(shè)備數(shù)據(jù)上報時間、設(shè)備通信狀態(tài)、設(shè)備工作狀態(tài)、設(shè)備工作異常描述等。
(2)邊緣端基礎(chǔ)配置。
包括基本配置管理、邊緣配置管理、服務(wù)監(jiān)聽配置、設(shè)備用戶管理等。通過邊緣端的基本配置功能,能夠根據(jù)設(shè)備接入的超載檢測站點類型和部署環(huán)境要求自定義數(shù)據(jù)校驗規(guī)則和預(yù)警閾值,確保系統(tǒng)穩(wěn)定運行和數(shù)據(jù)上傳質(zhì)量。
(3)數(shù)據(jù)采集與監(jiān)測分析。
通過預(yù)檢復(fù)檢數(shù)據(jù)監(jiān)測、設(shè)備監(jiān)控、異常報警登記、大件運輸許可管理等治超業(yè)務(wù)處理下沉式監(jiān)測功能,能夠?qū)⑸蠈颖O(jiān)管平臺的部分監(jiān)管業(yè)務(wù)下沉到超載檢測站點完成即時處理,并可選擇與配置每個邊緣端的數(shù)據(jù)校驗規(guī)則,讓監(jiān)測管理操作更靈活。
(4)數(shù)據(jù)查詢與統(tǒng)計分析。
理論上可以實現(xiàn)面向當(dāng)前監(jiān)測站點的所有數(shù)據(jù)查詢和統(tǒng)計分析功能。包括常用的監(jiān)測記錄查詢、超載查詢、布防查詢、超載流量統(tǒng)計、設(shè)備運維分析等。
建立案件要素與超載檢測數(shù)據(jù)關(guān)聯(lián)統(tǒng)計模型的目的,是希望通過AI邊緣端的智能檢測結(jié)果,自動甄別并記錄疑似超限違法車輛的過車信息,并將違法車輛信息進行標記上傳。在上層監(jiān)測平臺中,依靠多個邊緣端匯聚的疑似超限案件數(shù)據(jù)和執(zhí)法結(jié)案案件數(shù)據(jù)匯聚,形成結(jié)合空間、時間和違法案件要素的關(guān)聯(lián)分析畫像,幫助管理層通過案件數(shù)據(jù)的挖掘分析結(jié)果指導(dǎo)超限超載執(zhí)法計劃制定與行動布控。
統(tǒng)計模型建立的關(guān)鍵是通過梳理案件信息中的構(gòu)成要素,形成并定義各要素之間的語義關(guān)系,并將各要素的構(gòu)成信息進行組合分析,基于數(shù)據(jù)分析統(tǒng)計工具形成針對各類案件主體基于時間、空間和案件特征的統(tǒng)計結(jié)果,最終依靠可視化方式展示超限超載行為的演變趨勢。
統(tǒng)計模型的基本運行機制是:部署在站端的邊緣設(shè)備完成檢測規(guī)則設(shè)定后,當(dāng)終端設(shè)備檢測到疑似違法車輛時,邊緣設(shè)備自動審核違法車輛是否符合檢測規(guī)則。如果符合,則根據(jù)終端設(shè)備記錄的車輛照片和視頻自動分析違法車輛和駕駛員信息,并依靠AI智能分析模塊對疑似違法車輛的違法證據(jù)進行自動標記,待違法證據(jù)上傳到上層監(jiān)測平臺并通過復(fù)審提交執(zhí)法機構(gòu)進行案件立案處理后,該條違法案件的其他關(guān)聯(lián)信息就通過統(tǒng)計模型在上層監(jiān)測平臺中進行存儲,待案件狀態(tài)變更為結(jié)案后,該條違法案件的全部關(guān)聯(lián)信息就會按照統(tǒng)計模型的學(xué)習(xí)機制完成信息存儲和更新。
統(tǒng)計模型的主要應(yīng)用,是在當(dāng)前案件數(shù)據(jù)分析統(tǒng)計的基礎(chǔ)上,實現(xiàn)面向超限超載案件要素的畫像分析和時空分布分析[6]。通過邊緣端AI智能分析模塊,能夠?qū)崿F(xiàn)對超限檢測車輛過車畫面中的人員和車輛信息識別,通過人臉特征分析,調(diào)取公安面部識別與身份信息數(shù)據(jù)進行匹配,能夠有效辨識駕駛員身份,結(jié)合運政系統(tǒng)數(shù)據(jù)接口,快速掌握駕駛員檔案信息,并分析指定周期內(nèi)駕駛員的各類違章記錄和違章類型,形成駕駛員信息畫像。
通過過車監(jiān)控的車輛牌號識別和車輛特征識別結(jié)果,能夠調(diào)取車輛信息檔案進行車輛數(shù)身份比對,并與車輛超限行政處罰案件進行關(guān)聯(lián)展示,了解案件辦理進度,分析車輛和所屬運輸企業(yè)的近期違章情況,形成車輛、運輸企業(yè)等監(jiān)管要素的信息畫像。
通過邊緣端上傳數(shù)據(jù)在上層超限監(jiān)測管理平臺中的匯聚,結(jié)合檢測數(shù)據(jù)產(chǎn)生時間、檢測位置、檢測超限次數(shù)、超限率等數(shù)據(jù)的統(tǒng)計,形成如圖2所示面向全域管控范圍內(nèi)的超限車輛時空分布分析結(jié)果,并基于聯(lián)合執(zhí)法力量的分布情況、源頭企業(yè)分布與超限案件情況,形成面向重點超限發(fā)生線路、發(fā)生點位和違法區(qū)域的可視化分析結(jié)果。
圖2 基于邊緣端監(jiān)測數(shù)據(jù)的超限車輛溯源分析界面
本文研究開發(fā)的邊緣計算終端設(shè)備,實現(xiàn)了對多種超載檢測場景下終端檢測設(shè)備的統(tǒng)一接入和快速部署,并通過基于邊緣計算一體化開發(fā)的“微治超”系統(tǒng)部署,實現(xiàn)對邊緣端檢測數(shù)據(jù)的自動化采集和數(shù)據(jù)預(yù)處理,依靠邊緣計算終端設(shè)備AI計算單元的深度神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)算法模塊,還能夠?qū)崿F(xiàn)對超限檢測證據(jù)數(shù)據(jù)采集結(jié)果的符合性校驗和預(yù)審核提醒功能。結(jié)合案件要素的時空關(guān)聯(lián)畫像分析應(yīng)用,助力超限檢測案件證據(jù)審核人員提升數(shù)據(jù)審核效率,幫助管理者通過超限超載案件數(shù)據(jù)分析結(jié)果指導(dǎo)超限超載違法行為的有效治理和執(zhí)法布控,促進當(dāng)前依賴于人工審查和現(xiàn)場巡查執(zhí)法的案件執(zhí)法監(jiān)測模式改革。