圖1. 智能交通管理系統(tǒng)”端-邊-云”整體系統(tǒng)架構
新創(chuàng)中天?智能交通管理系統(tǒng)對于交通狀態(tài)的準確感知和智能管理主要基于其所包含的五種主要子系統(tǒng)：
其中，自動交通信號管理子系統(tǒng)包括位于云端的智能交通綜合管控平臺（控制中心）所包含的各類服務器和工作站、部署于邊緣端路口機柜中的路側視頻邊緣計算設備，以及部署于路口桿站上的AI智能相機。這些不同的設備與中心應用平臺和交通信號控制機進行數(shù)據(jù)交互。控制中心可以利用匯聚的視頻信息，支持交通事件感知和交通態(tài)勢分析等綜合性應用。AI智能相機一般用于新建的項目，它集視頻采集、通用計算和基于AI推理的計算機視覺等能力于一體，為交通信號控制機提供視頻檢測分析數(shù)據(jù)。
在這一智能交通管理系統(tǒng)中，基于邊緣計算與AI計算機視覺的路側視頻邊緣計算設備是極為重要的基礎性設備。該設備負責對路側感知設備如相機所采集的視覺信息（包括視頻和圖像）進行實時計算分析，并在必要時與位于云端的控制中心進行數(shù)據(jù)交互，將優(yōu)化的信號相位和配時方案輸入給路側的交通信號控制機。結合其它的輸入信號，交通信號控制機通過其特定的算法確定最終的相位和配時方案，對路口的交通信號燈進行控制。
相較于傳統(tǒng)的感應線圈、磁力計以及激光雷達等檢測技術，基于各種相機采集信息的AI計算機視覺技術用于交通目標、狀態(tài)和事件的檢測和分析具有顯著的成本優(yōu)勢，非常適合大規(guī)模的部署。除了交通路況信息，該設備還可以感知天氣（如雨、雪、霧）等環(huán)境信息，并將這些信息和本地分析的結果上傳至控制中心，作進一步的處理。該設備的普及，有助于全面提升交通安全與效率。
挑戰(zhàn)：面向智能交通管理的邊緣計算設備
路側視頻邊緣計算設備需要實現(xiàn)對于機動車（包括特種車輛）、非機動車、行人、交通信號燈、路面交通標識、交通流量狀態(tài)和交通事件等的檢測和識別，因此需要連接多種相機（包括電警相機、卡口相機、交通流量檢測相機、路口監(jiān)控球機和行人檢測相機）以收集所需的視頻信息。
該設備是事關交通安全的關鍵設備，在實際的部署和使用中，需要解決來自于低成本與低功耗限制下的數(shù)據(jù)處理性能、可靠穩(wěn)定性、連接和兼容能力等多方面的技術挑戰(zhàn)。
該設備承擔著多路相機的視頻編解碼、基于深度學習計算機視覺的車輛和行人實時檢測和分析、車流量和人流量的實時分析、路口交通信號燈的相位和配時分析等負載。該設備的性能主要體現(xiàn)在可同時處理的視頻通道數(shù)、處理時延和準確率。因為涉及到對交通信號燈的控制，處理時延和準確率對于確保交通安全尤為重要。對于作為最終用戶的交通管理部門而言，性能還體現(xiàn)在交通安全與效率的提升。該設備性能的提升，對于芯片的處理能力提出了新的挑戰(zhàn)，同時也要滿足客戶對整體設備成本和功耗的要求，因此需要高性價比和高能效比的芯片產品和系統(tǒng)架構設計。
該設備大多部署于環(huán)境惡劣的道路周邊，溫度和濕度的變化劇烈，外物沖擊等司空見慣。這就要求該設備具有極強的環(huán)境適應能力，能夠適應溫度和濕度的變化，具備防水、防塵、防腐蝕和防震動沖擊等能力，同時還需具備出色的電磁兼容和抗干擾能力，以確保在整個產品生命周期內不間斷地提供穩(wěn)定可靠的服務。
該設備需要連接多種相機和交通信號控制機等路側設備，并能與本文中提到的各種智能交通管理子系統(tǒng)進行數(shù)據(jù)交互。因此它的連接和兼容能力對整體性能至關重要。
解決方案：基于英特爾?架構的路側視頻邊緣計算設備
新創(chuàng)中天?路側視頻邊緣計算設備搭載了英特爾?賽揚? CPU和英特爾? Movidius? Myriad? X VPU，擁有傳統(tǒng)計算機視覺和基于深度學習的計算機視覺的強大處理能力。其硬件與軟件架構分別如圖2和圖3所示。用于自動交通信號控制時，其與其它設備的連接如圖4所示。
圖2. 路側視頻邊緣計算設備硬件架構
圖3. 路側視頻邊緣計算設備軟件架構
圖4. 用于自動交通信號控制的路側視頻邊緣計算設備
英特爾?賽揚?系列CPU具備業(yè)界領先的性能，支持不同的操作系統(tǒng)，能夠滿足廣泛的業(yè)務需求。這一系列CPU不僅具備較強的計算能力，還具備高性價比、高能效比和安全可靠等優(yōu)點。該處理器內嵌了英特爾?核芯顯卡，具備較強的視頻編碼和解碼處理能力?；谶@一處理器的路側視頻邊緣計算設備不但充分勝任對相關數(shù)據(jù)的計算、存儲與轉發(fā)，以及對各種所連接設備的控制等功能需求，還具備低成本與低功耗的顯著優(yōu)勢。
Myriad? X VPU 是英特爾第一個包含神經計算引擎（用于深度神經網絡推理的專用硬件加速器）的視覺處理器。神經計算引擎結合 16 個強大的 SHAVE 內核和高吞吐量智能內存結構，使得Myriad? X VPU成為設備上深度神經網絡和計算機視覺應用的理想選擇。Myriad? X VPU可以使用 OpenVINO? 工具套件的英特爾分發(fā)版編程，從而將神經網絡移植到邊緣，還可以通過包含所有必要開發(fā)工具、框架和 API 的 Myriad 開發(fā)套件 (MDK: Myriad Development Kit) 編程，用于在芯片上實現(xiàn)自定義視覺、成像和深度神經網絡工作負載。在實際應用中，Myriad? X VPU展現(xiàn)出了算力強且功耗低等獨特優(yōu)勢。
新創(chuàng)中天正在使用 OpenVINO? 工具套件來提升視頻檢測和分析等算法的準確度，加速推理時間，并節(jié)約算力資源。OpenVINO? 工具套件是源自英特爾的一款功能非常全面的優(yōu)秀軟件工具套件，支持快速開發(fā)豐富多樣的應用和解決方案，來模擬人類的視覺 [1][2][3]。該工具套件基于卷積神經網絡 (CNN: Convolutional Neural Network)，可在多種英特爾? 硬件中擴展計算機視覺 (CV: Computer Vision) 的工作負載，實現(xiàn)卓越性能。OpenVINO? 工具套件支持傳統(tǒng)計算機視覺和基于深度學習的計算機視覺的豐富多樣的應用，其主要包含的功能模塊如圖5所示。
圖5. OpenVINO?工具套件的主要功能模塊
OpenVINO? 工具套件具有如下特點：
除了使用OpenVINO? 工具套件中的AI計算機視覺功能之外，路側視頻邊緣計算設備還用到了其中的英特爾? Media SDK，支持在英特爾?集成顯卡上進行高性能的視頻編碼和解碼。
得益于英特爾?賽揚?系列CPU和Myriad? X VPU提供的強大通用計算和AI計算機視覺推理能力，該設備能夠對前文提到的各種相機采集的視頻或圖像信息進行處理，對視頻畫面中的車輛和行人進行位置坐標標定，能夠實現(xiàn)對于機動車（包括特種車輛）、非機動車、行人、交通信號燈、路面交通標識、交通流量狀態(tài)和交通事件等的檢測和識別。以交通流量狀態(tài)為例，該設備能夠實時檢測每條車道和每輛車的狀態(tài)數(shù)據(jù)，包括每個車道的車輛進入/離開狀態(tài)、車道占有時間、過車總數(shù)量、過車速度、區(qū)域內實時車輛數(shù)目、最后一輛車的位置、車隊長度和車型分類等關鍵數(shù)據(jù)信息。該設備可進一步對檢測數(shù)據(jù)進行統(tǒng)計分析。
新創(chuàng)中天研發(fā)總工程師周長軍表示：“路側視頻邊緣計算設備是智能交通管理的重要基礎性設備，能夠全面增強交通管理部門對于交通路況的感知能力，并基于對實時數(shù)據(jù)的分析進行高效管理，從而提升交通安全與效率。除了對于機動車（包括特種車輛）、非機動車、行人、交通信號燈、路面交通標識、交通流量狀態(tài)和交通事件等的檢測和識別之外，我們還將進一步增加對道路路面狀態(tài)和天氣等的檢測功能，滿足更精細化和更有預見性的交通管理需求?！?/p>
效果：路側視頻邊緣計算設備顯著提升交通安全與效率
目前，基于英特爾?AI計算機視覺的新創(chuàng)中天?路側視頻邊緣計算設備已經在北京、江西和山東等省市實現(xiàn)了廣泛的部署。在用戶實踐中，該設備展現(xiàn)了以下顯著的優(yōu)勢：
通過充分利用英特爾的各類芯片產品的出色多媒體處理能力，深度學習加速能力，以及多任務多進程的處理能力，該設備最多可以同時處理12路視頻，可以實現(xiàn)基于深度學習的車輛和行人實時檢測和分析，車流量和人流量的實時分析，為智能交通管理及時提供相關數(shù)據(jù)。
另外，該設備將視頻處理負載轉移到了邊緣端，能夠有效降低時延，緩解網絡轉發(fā)原始視頻信息的帶寬壓力和中心處理服務器的負載壓力，更好地保障信息安全，并能為未來拓展基于位置的服務。
得益于AI計算機視覺核心算法的創(chuàng)新，以及對于英特爾硬件和軟件潛能的充分挖掘，該設備可以精確檢測和分析視頻采集測覆蓋區(qū)域內每輛車的特征信息和每條車道上的交通狀態(tài)，并根據(jù)這些分析數(shù)據(jù)精細化控制交通信號燈等系統(tǒng)。該設備還可以通過視頻檢測不同車型，提供如特種車輛（救護車或消防車）和公交車輛優(yōu)先通行等多種新業(yè)務。
該設備通過以太網口、RS-232、RS-485、USB和HDMI等外部接口以及PCIe和mSATA等內部接口，實現(xiàn)了與多種外部設備和內置設備的互聯(lián)互通，勝任多種功能需求。得益于英特爾?架構的成熟性與兼容性，該設備完全支持交通領域現(xiàn)有的全部相機種類。在軟件架構方面，新創(chuàng)中天還使用了針對多應用的英特爾?負載融合技術，將功能相對獨立而又需相互協(xié)同的多個應用整合到同一個硬件設備上。該設備在充分保證每個應用性能的前提下，充分挖掘硬件設備的計算能力，顯著降低了系統(tǒng)集成和維護的技術難度和所需成本。
在湖南株洲的商用部署中，110臺新創(chuàng)中天?路側視頻邊緣計算設備被部署在該城市的110個交通路口，總共處理395路電警視頻。該設備將車流量、排隊長度、區(qū)間車輛數(shù)、最后一輛車的位置、車道占有時間、車輛速度和車型等實時檢測分析數(shù)據(jù)發(fā)送給交通信號控制機；將分車道車流量、平均速度、車型流量、車道占有率、車頭間距、車頭時距和道路擁堵狀況等統(tǒng)計檢測分析數(shù)據(jù)發(fā)給中心應用平臺。該設備幫助當?shù)亟煌ü芾聿块T高效地對于多種交通目標進行精確檢測和分析，全面提升了交通安全與效率，為智能交通管理體系的發(fā)展奠定了堅實的基礎。
展望：英特爾?AI計算機視覺技術加速智能交通的發(fā)展
新創(chuàng)中天研發(fā)總工程師周長軍表示：“基于英特爾?AI計算機視覺技術，新創(chuàng)中天?智能交通管理解決方案被實踐證明能夠顯著地提升交通安全與效率。未來，我們將進一步推動該解決方案與更多智能交通管理平臺進行深度融合，通過對于所采集交通狀況信息的實時分析，對路側交通管理設備進行實時控制，幫助交通管理部門更好地管理城市交通，進一步提升交通安全與效率?！?/p>
新創(chuàng)中天在交通數(shù)據(jù)采集和視頻分析等領域具有卓越的優(yōu)勢，英特爾則擁有面向智能交通不同應用場景的“端-邊-云”完整的硬件和軟件解決方案。新創(chuàng)中天和英特爾的深度合作能夠推動基于AI計算機視覺的邊緣計算在智能交通各個領域的商用落地，針對不同的應用場景提供針對性的解決方案，顯著地提升交通安全與效率。
例如，在未來的智能交通系統(tǒng)（ITS: Intelligent Transportation System）中，路側視頻邊緣計算設備可以作為路側基礎設施中的多接入邊緣計算（MEC: Multi-Access Edge Computing）設備用來支持車路協(xié)同（VII: Vehicle-Infrastructure Integration）。如圖6所示，在道路上方的門架上，不僅可以部署用于監(jiān)控路面交通狀況的相機、雷達以及其它感知設備，還可以部署用于無線通信的V2X RSU和AI計算機視覺計算的路側MEC設備（即路側視頻邊緣計算設備）。當感知設備（如相機）發(fā)現(xiàn)異常狀況或臨時事件，如路面障礙物、交通事故以及路面施工的時候，可以通過路側MEC設備基于AI計算機視覺等技術，判斷事件或狀況類型，據(jù)此生成安全消息，通過RSU的V2X無線通信鏈路及時通知附近的車輛或行人，避免事故的發(fā)生。門架上還可以部署氣象傳感器，將監(jiān)測到的異常氣象狀況（如大霧、團霧、橫風或冰雹等）通過分析處理，生成相關提示信息，并通過RSU發(fā)送給車輛，以保障行駛安全。
圖6. 基于MEC和C-V2X的車路協(xié)同
車路協(xié)同的許多場景需要基于AI計算機視覺技術來進行分析處理，會對路側MEC設備的計算能力有較高的需求。英特爾在AI計算機視覺和邊緣計算等領域擁有深厚的技術積累，可以提供豐富多樣的高性能產品組合。
如圖7所示，針對于未來支持車路協(xié)同的AI計算機視覺應用，英特爾提供了各類算力不同的通用處理器（包括英特爾?凌動?、酷睿?和至強?系列處理器），專用視覺處理器（英特爾?Movidius? VPU），以及基于VPU或FPGA的硬件加速處理方案。另外，為了支持跨不同芯片平臺的開發(fā)，英特爾提供OpenVINO?工具套件，其內含豐富的軟件工具，極大地提升了開發(fā)者的工作效率，縮短了產品研發(fā)時間。以數(shù)據(jù)為中心的英特爾公司以世界領先的端到端AI計算機視覺技術以及性能強大、功能完善的硬件與軟件產品組合，聯(lián)合產業(yè)界伙伴，為全球智能交通系統(tǒng)（ITS）的加速發(fā)展奠定了堅實的基礎。
圖7. 廣泛支持終端、邊緣和云的英特爾?AI計算機視覺產品
參考資料
[1] “Release Notes for Intel Distribution of OpenVINO? toolkit 2020”, 5 February 2020.
https://software.intel.com/content/www/us/en/develop/articles/openvino-relnotes.html
[2] OpenVINO? 工具包中文網頁: https://docs.openvinotoolkit.org/cn/index.html
[3] OpenVINO? 工具包英文網頁: https://docs.openvinotoolkit.org/
關于新創(chuàng)中天
新創(chuàng)中天是一家在視頻檢測和分析領域，從事產品研發(fā)、生產、銷售及系統(tǒng)集成業(yè)務的國家級高新技術企業(yè)，同時也是國內領先的交通數(shù)據(jù)采集專業(yè)服務商。目前主要面向城市交通和高速公路等應用場景，提供可靠的視頻解決方案和產品服務。新創(chuàng)中天在視頻技術方面有近二十年的沉淀和積累，具備從底層核心視頻算法的開發(fā)，到嵌入式軟硬件產品的設計，以及成熟應用系統(tǒng)的研發(fā)能力。
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