張修國(guó)

（中央司法警官學(xué)院 河北省保定市 071000）

改革開(kāi)放以來(lái)我國(guó)的城鎮(zhèn)化建設(shè)如火如荼，高樓大廈日漸增多，住進(jìn)高層房已成為一種常態(tài)，但無(wú)論是在人口密集的高層住宅區(qū)，還是建筑區(qū)，都會(huì)發(fā)生大量的高空墜物事故。在高層住宅區(qū)，可能是由于人為亂丟雜物或者花盆、瓷磚等意外掉落；在建筑區(qū)可能是建筑材料的意外脫落，因此相關(guān)部門(mén)也采取了相應(yīng)的措施進(jìn)行防護(hù)，如:在住宅區(qū)安裝電子眼監(jiān)控設(shè)備、在施工現(xiàn)場(chǎng)使用綠色防護(hù)網(wǎng)，但目前這些措施都還沒(méi)有從根本上減少高空墜物帶來(lái)的慘劇。

1 研究背景及意義

日前，高空墜物導(dǎo)致人員傷亡事件頻繁發(fā)生，從問(wèn)題根源上看不僅僅是人員素養(yǎng)問(wèn)題，而已成為公共安全風(fēng)險(xiǎn)逐漸挑戰(zhàn)著城市的治理智慧。相關(guān)實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)表明：一個(gè)30 克的生雞蛋從4 樓砸到路過(guò)的行人頭上就會(huì)砸暈行人；從8 樓墜下來(lái)會(huì)使行人頭皮破損；從18 樓自由落體砸下來(lái)就可以砸破行人的頭骨；從25 樓拋下更會(huì)使行人當(dāng)場(chǎng)死亡。實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)使人觸目驚心，為了避免生活中存在的這些安全隱患，從源頭減少高空墜物引起的事故，減輕高空墜物所帶來(lái)的損害，當(dāng)前研發(fā)出一款智能檢測(cè)墜物并自動(dòng)攔截的裝置非常有必要。

2 國(guó)內(nèi)外研究現(xiàn)狀

目前常見(jiàn)的高空墜物防護(hù)設(shè)施只有安全帽、防盜窗、天井防護(hù)網(wǎng)等，市面上并不存在成熟并以第一時(shí)間發(fā)現(xiàn)墜物——攔截墜物——語(yǔ)音疏散行人到安全區(qū)的智能設(shè)施，本文所研究的基于智能識(shí)別的高空物體墜落分析系統(tǒng)將彌補(bǔ)智能預(yù)測(cè)及攔截高空墜物領(lǐng)域的空白。

國(guó)內(nèi)研究者提出了高空物體墜落落點(diǎn)理論模型[1]，計(jì)算出了施工現(xiàn)場(chǎng)高空墜落物的散落半徑，給出了施工現(xiàn)場(chǎng)地面安全防護(hù)的水平寬度；這些研究理論是非常有針對(duì)性的，對(duì)本文研究的高空物體墜落分析系統(tǒng)具有一定的借鑒意義。高空物體墜落落點(diǎn)理論模型直接指出了物體從高空墜落的運(yùn)動(dòng)軌跡，水平高度及初始速度計(jì)算的理論公式，也直接指明了墜落物的動(dòng)量，這對(duì)我們研究的設(shè)備的材料承受能力提出了要求。其給出的安全防護(hù)水平寬度對(duì)我們研究設(shè)備的攔截有效半徑提供了重要參考，要求攔截裝置的有效攔截半徑要大于等于預(yù)期墜落物的墜落半徑。

圖1：系統(tǒng)結(jié)構(gòu)流程

圖2：墜物判斷網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)

圖3：圖像特征識(shí)別

國(guó)外研究者斯圖爾特?羅素提出了一種借助外部的物理知識(shí)來(lái)輔助做無(wú)標(biāo)注的監(jiān)督學(xué)習(xí)[2]，該方法在真實(shí)世界和模擬計(jì)算機(jī)視覺(jué)任務(wù)中都具有很好的效果，從而可以訓(xùn)練卷積神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)來(lái)檢測(cè)和跟蹤目標(biāo)，最主要的是該方法可以顯著減少對(duì)標(biāo)記訓(xùn)練數(shù)據(jù)的需求。還有一些研究者通過(guò)攝像機(jī)立體拍攝獲得下落物體的三維數(shù)據(jù)，然后再對(duì)這些數(shù)據(jù)進(jìn)行分析[3]。也有研究由落體探測(cè)與識(shí)別系統(tǒng)(ODRS)和計(jì)算機(jī)視覺(jué)庫(kù)OPENCV 對(duì)下落的物體進(jìn)行識(shí)別、推理，并將信息轉(zhuǎn)換給處理器(IPC)的自動(dòng)裝置。以及有研究者根據(jù)莫爾斯理論提出的一種計(jì)算3D 物體可能墜落的捕捉區(qū)域的算法，這對(duì)我們預(yù)測(cè)行人疏散的安全區(qū)提供了很大的幫助。

3 識(shí)別設(shè)計(jì)及主要框架

基于智能識(shí)別的高空物體墜落分析系統(tǒng)通過(guò)計(jì)算機(jī)視覺(jué)技術(shù)對(duì)高空有墜落風(fēng)險(xiǎn)或已墜落的物體進(jìn)行掃描、識(shí)別和采集，再對(duì)采集的圖片或視頻進(jìn)行處理，并自動(dòng)獲得相應(yīng)場(chǎng)景的三維信息，之后對(duì)獲取的相關(guān)數(shù)據(jù)及墜落物體的運(yùn)動(dòng)分析，最終得出相應(yīng)的預(yù)防措施。整個(gè)系統(tǒng)可劃分為三個(gè)部分：智能識(shí)別、墜物攔截、語(yǔ)音疏散。其主要框架如圖1所示。

3.1 智能識(shí)別

探測(cè)高空環(huán)境中的潛在危險(xiǎn)是生物的一項(xiàng)基本能力，但近年來(lái)國(guó)外的研究者也將其運(yùn)用到了計(jì)算機(jī)方面。有人提出了一種基于距離傳感器捕獲的三維點(diǎn)云輸入的潛在落體檢測(cè)算法，利用直覺(jué)機(jī)制，通過(guò)推斷隱藏的“原因”(擾動(dòng))和推理可能的“效果”(下落)，解決了探測(cè)潛在落體的問(wèn)題及通過(guò)計(jì)算在給定擾動(dòng)場(chǎng)景下潛在落體的期望值，來(lái)檢測(cè)潛在落體的風(fēng)險(xiǎn)。該算法在探測(cè)高空潛在危險(xiǎn)上給本文提供了一定的參考，我們將此技術(shù)與計(jì)算機(jī)視覺(jué)技術(shù)進(jìn)行融合用來(lái)對(duì)高空中有墜落風(fēng)險(xiǎn)或正在墜落的物體進(jìn)行掃描預(yù)測(cè)，并通過(guò)對(duì)墜物的分析自動(dòng)采取相關(guān)解決措施。

識(shí)別部分首先運(yùn)用計(jì)算機(jī)視覺(jué)技術(shù)對(duì)高空中有墜落風(fēng)險(xiǎn)或正在墜落的物體進(jìn)行實(shí)時(shí)掃描分析。若檢測(cè)到存在墜落風(fēng)險(xiǎn)的物體，則自動(dòng)給出相應(yīng)的解決措施。若檢測(cè)到高空中有物體正在墜落，則實(shí)施下一步措施：通過(guò)計(jì)算機(jī)視覺(jué)技術(shù)立馬對(duì)其進(jìn)行識(shí)別判斷，判斷正在下落的東西是墜物，還是鳥(niǎo)兒等其他干擾項(xiàng)（墜物判斷網(wǎng)絡(luò)如圖2所示），同時(shí)全套系統(tǒng)進(jìn)入工作狀態(tài)。確定是墜落的物體后立馬觸動(dòng)報(bào)警器進(jìn)行報(bào)警，并語(yǔ)音疏散地面的行人到安全區(qū)域，與此同時(shí)對(duì)下落的物體進(jìn)行全程跟蹤、檢測(cè)、數(shù)據(jù)的采集及墜物的運(yùn)動(dòng)分析。通過(guò)對(duì)上述操作獲得的相關(guān)數(shù)據(jù)進(jìn)行預(yù)算處理后得出發(fā)射網(wǎng)罩的類(lèi)型、方向、力度及時(shí)間，并及時(shí)傳送給攔截裝置對(duì)墜物進(jìn)行初次攔截。之后再對(duì)初次攔截的狀態(tài)進(jìn)行視覺(jué)識(shí)別分析，若攔截成功則不進(jìn)行再次攔截，若不成功則進(jìn)行再次或多次攔截直至成功攔截。

3.2 墜物攔截

由于機(jī)器學(xué)習(xí)需要大量標(biāo)記的訓(xùn)練數(shù)據(jù)進(jìn)行訓(xùn)練后才能很好的對(duì)物體進(jìn)行識(shí)別，然而對(duì)于我們研究的高空墜物問(wèn)題不可能進(jìn)行大量的訓(xùn)練，所以我們引入了無(wú)標(biāo)簽監(jiān)督神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)的學(xué)習(xí)方式。通過(guò)訓(xùn)練卷積神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)來(lái)檢測(cè)和跟蹤墜物，而不需要任何標(biāo)記的例子，減少了對(duì)標(biāo)記訓(xùn)練數(shù)據(jù)的需求。該方法在真實(shí)世界和模擬計(jì)算機(jī)視覺(jué)任務(wù)中都有很好的適用性。

當(dāng)高空中有不明物體正在下落時(shí)，通過(guò)視覺(jué)攝像頭對(duì)其進(jìn)行數(shù)據(jù)的采集，將C++與OPENCV 庫(kù)相結(jié)合，用計(jì)算機(jī)視覺(jué)技術(shù)進(jìn)行圖像處理、檢測(cè)和識(shí)別高空墜落物體，并對(duì)其進(jìn)行推理分析，再將所獲得的信息傳給處理器進(jìn)行處理計(jì)算，預(yù)算出攔截裝置發(fā)射網(wǎng)罩的類(lèi)型、方向、力度及時(shí)間。在攔截方面我們借鑒了美國(guó)研發(fā)的飛行物體攔截裝置，采用一種網(wǎng)罩對(duì)墜物進(jìn)行攔截，網(wǎng)罩選用可包裝、可靈活展開(kāi)似蜘蛛網(wǎng)結(jié)構(gòu)和具有多個(gè)穿孔的氣球狀結(jié)構(gòu)、樹(shù)籬豬狀結(jié)構(gòu)或蒲公英種子狀結(jié)構(gòu)。采用輕質(zhì)、耐撕裂、具有彈性和柔韌性的多種聚合纖維組合制成，如高強(qiáng)度玻璃纖維網(wǎng)、碳纖維和輕質(zhì)金屬或聚合物篩網(wǎng)組合而成，使網(wǎng)罩能夠抵抗極端的碰撞壓力。

考慮到墜物的多樣性，我們選用不同類(lèi)型、不同材料的攔截網(wǎng)罩，可根據(jù)識(shí)別出的墜物具體信息，選擇不同類(lèi)型的網(wǎng)罩發(fā)射裝置，發(fā)射出合適的網(wǎng)罩對(duì)墜物進(jìn)行攔截。網(wǎng)罩也可通過(guò)展開(kāi)裝置將其拉伸成大的、二維的或三維的擴(kuò)展結(jié)構(gòu)。在發(fā)射時(shí)網(wǎng)罩將以最小形式儲(chǔ)存在一個(gè)載體彈丸中，載體彈丸將通過(guò)特定的發(fā)射裝置進(jìn)行發(fā)射；發(fā)射裝置將安裝在高樓的底層，載體彈丸被發(fā)射后進(jìn)入預(yù)期的彈道路線，當(dāng)載體彈丸到達(dá)墜物附近后，網(wǎng)罩將被迅速釋放出來(lái)，并部署在一個(gè)大范圍內(nèi)對(duì)墜物進(jìn)行攔截。當(dāng)探測(cè)到墜物與網(wǎng)罩完全接觸后，迅速通過(guò)多個(gè)靈活可展開(kāi)的空氣動(dòng)力阻力體使墜物的垂直下降速度減小，已達(dá)到墜物最終安全到達(dá)地面及終止攔截的目的?？諝鈩?dòng)力阻力體包括一個(gè)可通過(guò)氣流充氣的氣球、一個(gè)充氣安全氣囊、一個(gè)可展開(kāi)的降落傘、產(chǎn)生突然角度快速運(yùn)動(dòng)阻力的絲帶和泡沫體，甚至可以通過(guò)添加膨脹劑充氣或填充泡沫的成型體的形式存在。

本套攔截裝置由于所采用的網(wǎng)罩比較特殊不會(huì)損壞墜物，而它又是通過(guò)空氣動(dòng)力學(xué)、主動(dòng)體對(duì)墜物的墜落速度和機(jī)動(dòng)性產(chǎn)生負(fù)面影響，使墜物能夠安全到達(dá)地面。從而該裝置還適用于對(duì)高樓人員跳樓及高空人員意外滑落的救助。

3.3 語(yǔ)音疏散

當(dāng)智能識(shí)別系統(tǒng)檢測(cè)到有墜落的物體后，將第一時(shí)間觸發(fā)報(bào)警器和智能疏散系統(tǒng)。智能疏散系統(tǒng)及時(shí)規(guī)劃出安全疏散的路線后自動(dòng)語(yǔ)音提示地面行人進(jìn)行安全疏散，將行人引導(dǎo)至安全區(qū)域。

4 實(shí)驗(yàn)

在識(shí)別實(shí)驗(yàn)中我們使用VGG16 算法對(duì)圖像目標(biāo)進(jìn)行訓(xùn)練學(xué)習(xí)，訓(xùn)練過(guò)程中采用的數(shù)據(jù)集和測(cè)試時(shí)使用的數(shù)據(jù)集均在網(wǎng)絡(luò)上隨機(jī)爬取的與高空墜物相關(guān)的圖像。在訓(xùn)練時(shí)采用的深度學(xué)習(xí)框架為T(mén)ensorFlow，將訓(xùn)練好的圖像識(shí)別模型移植到智能識(shí)別系統(tǒng)中對(duì)墜物進(jìn)行識(shí)別檢測(cè)。

測(cè)試結(jié)果：

實(shí)驗(yàn)中已通過(guò)池化層特征對(duì)相關(guān)墜物及干擾物進(jìn)行了分析，通過(guò)分析發(fā)現(xiàn)實(shí)驗(yàn)中涉及到的識(shí)別算法能夠比較準(zhǔn)確的識(shí)別出高空墜落的物體和判斷出墜物是否為干擾物，識(shí)別準(zhǔn)確率可達(dá)90%以上。具體如圖3所示。

5 結(jié)語(yǔ)

本文將人工智能領(lǐng)域的計(jì)算機(jī)視覺(jué)及機(jī)器學(xué)習(xí)等相關(guān)技術(shù)進(jìn)行融合，設(shè)計(jì)了基于智能識(shí)別的高空物體墜落分析系統(tǒng)，用于對(duì)高空墜物進(jìn)行識(shí)別與預(yù)測(cè)。該系統(tǒng)首先通過(guò)計(jì)算機(jī)視覺(jué)等技術(shù)對(duì)高空有墜落風(fēng)險(xiǎn)或已墜落的物體進(jìn)行掃描、識(shí)別、采集，再對(duì)采集的圖片或視頻進(jìn)行處理，并自動(dòng)獲得相應(yīng)場(chǎng)景的三維信息，然后對(duì)獲取的相關(guān)數(shù)據(jù)及墜落物體的運(yùn)動(dòng)分析，最終得出相應(yīng)的預(yù)防措施。該設(shè)計(jì)對(duì)于減少高空墜物事件的發(fā)生以及減輕高空墜物的傷害有著比較強(qiáng)的實(shí)際意義。