胡金華

(浙江機電職業(yè)技術(shù)學(xué)院，浙江 杭州 310053)

0 引言

隨著社會發(fā)展與人口不斷增加，人們?nèi)粘Ｉa(chǎn)及生活中產(chǎn)生的垃圾也越來越多。由于城市空間和容積的有限性，生活垃圾不能在城市里長時間停留，每天必須統(tǒng)一進行集中無害化處理，否則會影響城市的正常運行，嚴(yán)重時甚至?xí)斐沙鞘械陌c瘓。所以城市垃圾清運系統(tǒng)的協(xié)調(diào)有序運行是市容環(huán)境、衛(wèi)生安全以及城市可持續(xù)發(fā)展的基礎(chǔ)保障[1-4]。

每個城市的深夜或清晨，都有成百上千的環(huán)衛(wèi)車在城市的各個區(qū)域進行垃圾的收集、運輸及路面清掃。僅監(jiān)管巡查就需幾百人，大量的人力、財力物力在此消耗?；诖?，本文研發(fā)了一種集成于現(xiàn)有環(huán)衛(wèi)車上的自動化巡查系統(tǒng)。它在不增加額外巡查的基礎(chǔ)上采集市容市貌信息，尤其是路面信息，通過圖像處理和識別的方式代替人工巡查和記錄。既有利于保證交通的暢通，也能自動提示警告市民亂扔亂丟亂擺雜物的現(xiàn)象并做出有針對性地處理，還能大大節(jié)省財政開支。因此，該系統(tǒng)設(shè)計具有重要的現(xiàn)實意義和實用價值。

1 路況巡查發(fā)展概況及發(fā)展現(xiàn)狀

1.1 路況巡查發(fā)展概況

近年來，城市設(shè)施的數(shù)字信息化發(fā)展日新月異，道路養(yǎng)護管理數(shù)字化系統(tǒng)也同步獲得關(guān)注，城市道路槽坑、裂縫和窨井蓋異常的檢測自動化技術(shù)的研究與開發(fā)越來越受重視。目前，針對窨井蓋異常和路面槽坑、裂縫等狀態(tài)監(jiān)測方面，國內(nèi)外學(xué)者給出了大量研究結(jié)論[5-8]。

1.2 國外路況巡查發(fā)展現(xiàn)狀

當(dāng)前窨井蓋數(shù)字信息化工程大都是針對窨井蓋終端傳感器所實現(xiàn)的監(jiān)測處理。日本發(fā)明了地下井蓋電子標(biāo)簽（FRID）智能報警管理體系；德國研發(fā)了遠程窨井蓋安全系統(tǒng)。針對路面表面破損檢測問題，國外從二十世紀(jì)六、七十年代就開始研究道路破損自動檢測系統(tǒng)。近年來，國外研究機構(gòu)大都利用CCD(電荷耦合器件的簡稱)攝像機和計算機圖像處理技術(shù)進行數(shù)字化路面破損自動檢測系統(tǒng)的開發(fā)，典型的有澳大利亞ARRB 開發(fā)的路面破損自動檢測車；美國PAVEDEX 公司開發(fā)的路面信息檢測系統(tǒng)PASI；美國南達科他州運輸部研制的路面信息檢測車；澳大利亞NSW 公路局與CRISO 公司共同開發(fā)的自動化路面破損檢測車RoadCrack 等[9-13]。它們大都檢測精度與準(zhǔn)確性都較高，但價格也很昂貴。

1.3 國內(nèi)路況巡查發(fā)展現(xiàn)狀

國內(nèi)學(xué)者研究了基于GSM/GPRS(全球移動通訊系統(tǒng)/通用分組無線業(yè)務(wù)的簡稱)窨井蓋遠程監(jiān)控系統(tǒng)和基于ZigBee 的窨井蓋防盜技術(shù)。這些系統(tǒng)雖然在一定程度上達到了窨井蓋監(jiān)測的目的，但在實用性、系統(tǒng)穩(wěn)定性上有所欠缺，且每個窨井蓋都需安裝可靠的終端傳感器。高清攝像頭的使用以及視覺識別等相關(guān)技術(shù)研究工作在國內(nèi)起步較晚。隨著我國數(shù)字圖像處理技術(shù)的不斷進步，以及機器視覺理論與實踐研究的不斷深入，我國的圖像采集、模式識別與智能控制水平逐步提高，目前已成功研制出城市無人駕駛汽車。無人駕駛集自動控制體系結(jié)構(gòu)、人工智能、視覺計算、視覺導(dǎo)航等眾多技術(shù)于一體，是計算機科學(xué)、模式識別和智能控制技術(shù)高度發(fā)展的產(chǎn)物，在國防和國民經(jīng)濟領(lǐng)域具有廣闊的應(yīng)用前景。系統(tǒng)的使用成本較高，導(dǎo)致普及程度不高，但它用到的視覺采集、模式識別、目標(biāo)定位等關(guān)鍵術(shù)在路況巡查任務(wù)中具有很好的借鑒作用[14-18]。

2 路況巡查系統(tǒng)簡介

本系統(tǒng)在每輛環(huán)衛(wèi)作業(yè)車安裝前端CCD 攝像頭完成圖像數(shù)據(jù)采集，搭建人工智能終端系統(tǒng)調(diào)用OpenCV 計算機視覺庫進行圖像分析與處理。對當(dāng)前行駛道路的路面異常情況進行初步識別、分類、存儲，并根據(jù)車載GPS(全球定位系統(tǒng)的簡稱)定位信息獲取該路面異常情況的位置信息，一起上傳到云端數(shù)據(jù)中心，實現(xiàn)與城市垃圾清運智能管理系統(tǒng)的有效對接。主要研究內(nèi)容如下。

⑴硬件系統(tǒng)搭建：硬件系統(tǒng)主要由CCD 攝像頭及其圖像采集系統(tǒng)、人工智能終端系統(tǒng)、遠程數(shù)據(jù)通信系統(tǒng)組成。

⑵圖像預(yù)處理：圖像預(yù)處理用以消除各種因素造成灰度不均、傳輸以及存儲過程中產(chǎn)生的噪聲干擾。

⑶路面檢測區(qū)域分割：進行圖像的初步分析，利用提取圖像直線信息進行道路邊緣檢測，將處于道路外部的綠化帶、建筑物等區(qū)域的圖像信息剔除掉，提取有效的路面檢測區(qū)域。

⑷路況異常識別：窨井蓋異常采用簡單的樣本模板匹配方式來識別；路面積水異常采用鏡面倒影相似性來識別；路面垃圾堆積異常采用靜止與否來粗略識別。如果出現(xiàn)有行人靜止或車輛臨時?？康默F(xiàn)象也當(dāng)作異常，上傳數(shù)據(jù)，等待后臺人工進一步識別。

⑸數(shù)據(jù)上傳：將識別出來的異常圖片、異常類型、定位信息實時上傳到云端數(shù)據(jù)中心。

3 路況巡查系統(tǒng)設(shè)計方案

根據(jù)需求，本系統(tǒng)利用現(xiàn)有政府環(huán)衛(wèi)作業(yè)車輛資源，在其上加裝專用的計算機視覺傳感器及人工智能終端，在作業(yè)過程中實時采集視頻圖像信息。并通過人工智能終端進行圖像處理與分析，完成諸如路面積水、槽坑或窨井蓋異常等路況識別，將結(jié)果通過4G 或5G信號發(fā)送至云端數(shù)據(jù)處理中心，如圖1（圖片來源于浙江杭鉆股份公司）所示。數(shù)據(jù)處理中心可對采集的大數(shù)據(jù)進行應(yīng)用與分析并將最終結(jié)果發(fā)送至相關(guān)的監(jiān)管人員、巡查人員及現(xiàn)場作業(yè)人員的手機終端，進行精準(zhǔn)的作業(yè)指導(dǎo)和監(jiān)管考核。

圖1 系統(tǒng)功能框圖

實現(xiàn)的方案如下。

⑴視頻及圖像采集：利用現(xiàn)有成熟的高清（300萬像素以上）黑光攝像組件，匹配低畸變鏡頭進行前端圖像及視頻采集，視頻幀率根據(jù)車輛行駛速度及圖片采集密度考慮不低于15fps(幀/秒)。通過以太網(wǎng)傳輸技術(shù)或MIPI(移動工業(yè)處理器接口的簡稱)并行傳輸技術(shù)與智能分析終端進行數(shù)據(jù)傳輸，確保采集高清圖像的實時傳輸。

⑵ 圖像處理分析硬件平臺：采用平板電腦或ARM 單片機技術(shù)，采用雙核1.2GHz 計算核心，7 寸1024*600 分辨率電容式觸摸屏。運行內(nèi)存不低于1G,存儲單元不低于8G,千兆網(wǎng)口，板載MIPI 接口，RS232RS485接口確保能夠與前端采集設(shè)備進行數(shù)據(jù)交互及正常運行應(yīng)用程序及圖像分析程序。

⑶圖像處理分析軟件平臺：OpenCV 是一個基于BSD 許可（開源）發(fā)行的跨平臺計算機視覺庫，可以運行在Linux、Windows、Android 和Mac 操作系統(tǒng)上。它輕量而且高效，由一系列C函數(shù)和少量C++類構(gòu)成，同時提供了C#、Python、Ruby、MATLAB 等語言的接口，實現(xiàn)了圖像處理和計算機視覺方面的很多通用算法。OpenCV 的代碼經(jīng)過適當(dāng)改寫可以正常的運行在DSP系統(tǒng)和ARM 嵌入式系統(tǒng)中。本系統(tǒng)以C、C++或Python 進行底層開發(fā)，OpenCV 為基礎(chǔ)進行圖像識別開發(fā)，JAVA、C#進行應(yīng)用界面開發(fā)。確保操作系統(tǒng)的穩(wěn)定、底層開發(fā)和運行的高效、算法模塊化程度高，獲取方便及交互界面的快速開發(fā)。

⑷路面檢測區(qū)域圖像分割技術(shù)：圖像邊緣檢測大幅度地減少了數(shù)據(jù)量，并且剔除了不相關(guān)的信息，保留了圖像重要的結(jié)構(gòu)屬性。本系統(tǒng)利用道路的路面邊界線、車道分界線或綠化帶臺階的直線，提取路面直線信息對路面檢測區(qū)域進行圖像分割，剔除路面之外的圖像信息，大大地簡化圖像分析處理的難度，提高運算速度。

⑸路況異常識別技術(shù)：本系統(tǒng)的路況異常情況巡查首要目標(biāo)是窨井蓋缺失或異常，其次才是路面積水巡查，第三步是垃圾等靜止物體的識別。其中窨井蓋巡查是最簡單也是最重要的巡查任務(wù)，屬于必須研制成功的任務(wù)。我們采用制作窨井蓋樣本模板圖片庫，提取窨井蓋橢圓邊緣特征，基于模板匹配的方式來識別異常，則記錄當(dāng)前的GPS 位置信息，將當(dāng)前幀圖像、GPS 位置以及異常類型上傳至數(shù)據(jù)中心并報警提示。實現(xiàn)第一步任務(wù)后，再進行第二步、第三步的后續(xù)圖像分析與識別算法研究。

⑹GPS 信息采集技術(shù)：采用mini PCI-E 接口的EC20 模塊，集成4G、GPS 功能，具備UART 和USB 接口，可與諸多硬件平臺進行兼容。具備較好的互換性，便于升級5G 及北斗定位模塊，同時可選模擬音頻接口可擴充實時通話功能。能采集系統(tǒng)所需的GPS坐標(biāo)、實時車速等信息。

⑺GIS(地理信息系統(tǒng)的簡稱)路網(wǎng)分析技術(shù)：本系統(tǒng)根據(jù)功能需求應(yīng)具備道路識別、定位、GPS坐標(biāo)轉(zhuǎn)換，利用百度或天地圖系統(tǒng)開發(fā)接口進行相應(yīng)功能的開發(fā)。

⑻數(shù)據(jù)上傳技術(shù)：利用4G 網(wǎng)絡(luò)，采用UDP+握手協(xié)議和Socket 連接進行圖片和文字?jǐn)?shù)據(jù)的上傳，UDP確保高并發(fā)狀態(tài)下的服務(wù)器正常運行，Socket 確保重要數(shù)據(jù)交互的完整性。根據(jù)4G網(wǎng)絡(luò)的特性，開辟空間對因網(wǎng)絡(luò)信號差未上傳數(shù)據(jù)進行緩存，并在恢復(fù)信號后第一時間上傳，確保數(shù)據(jù)的完整性和實時性。

⑼在線更新技術(shù)：后臺利用數(shù)據(jù)的上傳監(jiān)測AI終端的在線狀態(tài)和動態(tài)IP，利用他們建立Socket 常連接，以進行程序版本檢測和更新。

系統(tǒng)的拓?fù)淙鐖D2所示。

圖2 系統(tǒng)拓?fù)鋱D

4 總結(jié)

本文設(shè)計了一套環(huán)衛(wèi)作業(yè)車的城市路況巡查系統(tǒng)，整套系統(tǒng)包括CCD 攝像頭及其圖像采集系統(tǒng)、人工智能終端系統(tǒng)、遠程數(shù)據(jù)通信系統(tǒng)組成，實現(xiàn)了與城市垃圾智能管理系統(tǒng)的有效對接。測試與應(yīng)用的結(jié)果表明，該系統(tǒng)簡化了工作流程，節(jié)省了人力財力物力，具有廣闊的市場應(yīng)用前景。