陳 波，郭 斌

(江蘇長天智遠交通科技有限公司,江蘇 南京 210019)

0 引言

超載檢測系統(tǒng)是由稱重設備、車軸檢測器、車輛抓拍識別設備、視頻監(jiān)控設備、信息發(fā)布顯示設備等不同類型的終端設備和負責數據采集、處理、存儲和傳輸的軟件系統(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用場景、建設單位和建設時間不同，所采用的設備品牌、規(guī)格、數據傳輸協議和接口不一，導致各類終端設備接入調試時間長，多源異構數據采集匯聚難度高，數據處理與上傳效率低[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用場景下終端設備的異構接入和運維管控需求，以及超載檢測數據的邊緣端快速采集、處理、上傳和超限大件運輸許可信息、黑名單信息等的數據交互問題[2]。

本文引入邊緣計算技術，針對公路超限檢測站、高速不停車稱重檢測點等7類超載檢測應用場景的數據監(jiān)管需求，通過邊緣計算一體機搭載自研的“微治超”系統(tǒng)，實現對多種典型終端設備的異構數據接入和運維管控，自動匯聚和預處理，超載檢測信息AI識別與融合應用，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同服務的應用能力，發(fā)揮了超載檢測站點的綜合應用效能。

1 終端設備的邊緣計算統(tǒng)一接入

1.1 邊緣計算一體機選型

邊緣一體機的選型取決于各類超載檢測應用場景下的終端設備布設情況、網絡環(huán)境和數據處理要求，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)模邊緣數據中心接入型架構，雖然單站點設備數量有限，但設備種類覆蓋廣，其 IT 堆棧與數據中心沒有太大的差異，因此對檢測站點設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模式從設計施工到業(yè)務上線至少需要3個月的時間，需要協調多廠商招標和實施，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備主要類型、設備品牌型號、數據接口等方面的分析，本文對邊緣一體機選型的基本要求總結如下。

(1)支持通信、控制、設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。

(3)功能接口豐富，能夠支持工業(yè)、環(huán)保、輸配電等行業(yè)協議，支持接入各類超限檢測終端機電設備，部署便捷。

(4)支持有線和無線網絡通信，滿足不同現場項目的通信網絡狀況，可靈活選擇通信模式，有線無線網絡還可互為備份，多重保障設備不掉線。

選型后的智能邊緣一體機將計算、存儲、網絡、虛擬化和環(huán)境動力等產品有機集成到一個機柜中，在出廠時完成預安裝和預連線，現場部署安裝時，無需深入了解各類終端設備的內部原理，無需深入掌握IT技術，只需接上電源，連上網絡，利用快速部署工具填寫配置參數，即可完成站點設備的初始化配置。

1.2 終端設備接入協議規(guī)范

如圖1所示，檢測站點的主要待接入終端設備包括稱重系統(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)。各類終端設備按照其定義的物理接口協議和數據接口協議與前端通信軟件或視頻監(jiān)控服務器進行通信和數據傳輸，業(yè)務管理軟件再按照上層監(jiān)管平臺的要求完成動態(tài)稱重數據的上傳和黑名單等數據的同步。由于各地市站點建設對終端設備的數據接入協議沒有統(tǒng)一約定，造成業(yè)務管理軟件必須根據每個站點的終端設備接口協議進行定制化開發(fā)和設備接入調試，這是造成站點設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)測數據接口網絡拓撲結構

因此，本文著重梳理了上述各類主要終端設備的數據接入協議，包括物理接口協議和數據接入協議，如表1和表2所示，形成終端設備接口資源庫，保證滿足當前各子系統(tǒng)主要終端設備的接入需求，同時通過構建統(tǒng)一的協議規(guī)范，也可以規(guī)范后續(xù)站點終端設備的采購技術標準。隨著后續(xù)檢測站點設備類型的不斷增加，可以持續(xù)更新和擴展接入協議規(guī)范支持的設備類型和協議接口，保證其后續(xù)良好的擴展性和適用性。

表1 稱重系統(tǒng)物理接口協議說明

1.3 終端設備異構接入與數據處理

通過統(tǒng)一接口和數據傳輸協議，即可在邊緣計算單元獲取各類終端設備實時上傳原始數據報文，然后按照超限檢測數據格式規(guī)范，如表3所示，對同一時間產生的多源數據進行提取、解構、疊加等異構化處理，最終形成逐條的車輛檢測原始數據記錄。

2 檢測數據匯聚與“微治超”系統(tǒng)研究

2.1 檢測數據校驗規(guī)則與交換規(guī)范

2.1.1 超載檢測證據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合執(zhí)法案件和交通行政處罰案件，公安交管聯合執(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文件，交通行政處罰案件需要提供案件視聽資料證據材料、稱重檢測系統(tǒng)現場檢測截取照片和其他證據材料[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)法案件超限證據的完整信息應包含以下內容。

(1)稱重卸載信息(超限檢測現場稱重卸載單)。

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、車輛最大允許總質量、卸載前車貨總質量、卸載后車貨總質量、超限超載比例。

(2)超限車輛稱重檢測數據(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、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、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、側面照片、車尾照片。

表2 稱重系統(tǒng)數據接口說明(部分)

表3 過車檢測明細數據格式規(guī)范(部分)

此外，不停車動態(tài)超載檢測數據形成案件證據的要求，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、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。因此，打通不停車超限檢測數據與公安交管案件處罰立案的數據通道，建立檢測數據審核機制，實現超限非現場證據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據具有重要意義。

2.1.2 超載檢測證據基本要求與審核標準

根據江蘇省級治超平臺對于超限檢測明細數據的上傳接口技術規(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的審核校驗參考標準，本文提出了面向超限檢測數據符合性的層次化校驗模型。

(1)檢測數據完整性校驗。

系統(tǒng)按照各類超限檢測應用場景下對超限檢測證據上傳至江蘇省市級監(jiān)測平臺的要求為依據，對待上傳的每一條過車檢測數據項的完整性進行自檢。該層次數據校驗可通過接口定義方式實現，數據完整性校驗規(guī)則可按場景和接入平臺的要求進行設置和修改，當檢測到待上傳數據不符合完整性校驗要求時予以剔除。

單條檢測數據的完整性，指在車輛過車過程中，各設備之間的數據檢測要完整，如果存在抓拍車牌信息、車輛輪軸識別結果、車輛過車圖片(車頭、全貌、車尾、前側、尾側)、稱重數據其中任意一項存在數據異?；蛉笔В敲丛搯螚l過車記錄數據就認定為存在異常。每一條數據的校驗對象包括車輛載重數據、車輛軸數、車輛牌號和車輛過車照片，其他數據項通過數據庫字段必填性要求進行校驗核準。

(2)數據上報完整性校驗。

校驗模型的第二層是對邊緣檢測點向中心上報數據的完整性進行校驗。數據上報的完整性，指不停車檢測點的平臺提供可以查詢的指定過車時間內的過車數量，然后與中心收到的上報數據量(同一指定時間內)進行對比，得到數據總量的完整性校驗結果。若上報數據存在缺失，則中心將向邊緣端發(fā)送指令進行補傳。

(3)非結構化數據符合性校驗。

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，這類非結構化數據的符合性校驗，需要借助AI邊緣計算識別單元的神經網絡算法模塊來實現。

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，而貨車總質量限值的確定則需要判斷貨車軸數和具體車型，因此還需要結合賀甜[5]提出的利用深度卷積神經網絡模型進行模式識別，結合密集采樣的特征提取網絡方案，簡化車型庫的樣本要求，確定共享卷積網絡的深度。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據，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果，通過隨機梯度下降與神經元迭代自更新的方式進行圖像的自學習，大大省去了人工干預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 超載證據鏈數據生成與校驗效果

邊緣計算單元自動采集和匯聚形成車輛檢測原始數據后，按照上述規(guī)則對原始數據進行符合性校驗，并將校驗后的結果和存在問題的數據記錄進行標記，與車輛檢測數據一并通過數據接口上傳到上層監(jiān)測平臺。當監(jiān)管人員打開車輛過車數據的審核界面時，可以看到每條數據在邊緣端處理后給出的數據校驗結果提示，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。當后續(xù)邊緣端得到普遍應用，數據校驗的準確率符合要求后，可以實現批量自動審核。

2.2 邊緣計算一體機“微治超”系統(tǒng)設計

2.2.1 系統(tǒng)總體架構設計

通過在超載檢測站點以邊緣計算架構為基礎部署邊緣計算一體機設備，對所有接入設備的原始采集數據進行分析處理，再以上層監(jiān)管平臺數據接入規(guī)范為基準，在超載檢測站點層面實現海量超載執(zhí)法數據的審核、加工和預處理，實現站端管理系統(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。

數據架構設計方面，部署在邊緣計算終端的“微治超”系統(tǒng)是以滿足當前7類超限檢測應用場景數據管理為目標，通過邊緣計算端的應用部署，將現有的“省級數據中心-站端”“市級治超管理系統(tǒng)-站端”的數據部署架構演變?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，在站端位置構建霧計算中心，向省市級管理機構提供數據中臺服務，從而解決上層監(jiān)管平臺數據存儲和計算處理要求過大的問題，實現檢測數據的隨用隨取。

2.2.2 系統(tǒng)功能設計

根據“微治超”系統(tǒng)的定位和目標，系統(tǒng)的功能設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據采集需求，又要具備上層監(jiān)管平臺對數據監(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)設備接入管理。

包括路段管理、站點管理、設備管理等功能。通過設備接入管理功能，能夠通過各類終端檢測設備提供的標準協議接口查詢所有接入設備的最新狀態(tài)，包括但不限于：站點名稱、設備類型、設備數據上報時間、設備通信狀態(tài)、設備工作狀態(tài)、設備工作異常描述等。

(2)邊緣端基礎配置。

包括基本配置管理、邊緣配置管理、服務監(jiān)聽配置、設備用戶管理等。通過邊緣端的基本配置功能，能夠根據設備接入的超載檢測站點類型和部署環(huán)境要求自定義數據校驗規(guī)則和預警閾值，確保系統(tǒng)穩(wěn)定運行和數據上傳質量。

(3)數據采集與監(jiān)測分析。

通過預檢復檢數據監(jiān)測、設備監(jiān)控、異常報警登記、大件運輸許可管理等治超業(yè)務處理下沉式監(jiān)測功能，能夠將上層監(jiān)管平臺的部分監(jiān)管業(yè)務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據校驗規(guī)則，讓監(jiān)測管理操作更靈活。

(4)數據查詢與統(tǒng)計分析。

理論上可以實現面向當前監(jiān)測站點的所有數據查詢和統(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、設備運維分析等。

3 超載檢測數據融合處理與應用

3.1 案件要素與超載檢測數據的關聯統(tǒng)計模型

建立案件要素與超載檢測數據關聯統(tǒng)計模型的目的，是希望通過AI邊緣端的智能檢測結果，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據和執(zhí)法結案案件數據匯聚，形成結合空間、時間和違法案件要素的關聯分析畫像，幫助管理層通過案件數據的挖掘分析結果指導超限超載執(zhí)法計劃制定與行動布控。

統(tǒng)計模型建立的關鍵是通過梳理案件信息中的構成要素，形成并定義各要素之間的語義關系，并將各要素的構成信息進行組合分析，基于數據分析統(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備完成檢測規(guī)則設定后，當終端設備檢測到疑似違法車輛時，邊緣設備自動審核違法車輛是否符合檢測規(guī)則。如果符合，則根據終端設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進行自動標記，待違法證據上傳到上層監(jiān)測平臺并通過復審提交執(zhí)法機構進行案件立案處理后，該條違法案件的其他關聯信息就通過統(tǒng)計模型在上層監(jiān)測平臺中進行存儲，待案件狀態(tài)變更為結案后，該條違法案件的全部關聯信息就會按照統(tǒng)計模型的學習機制完成信息存儲和更新。

3.2 基于超載檢測數據的融合處理與時空畫像分析應用

統(tǒng)計模型的主要應用，是在當前案件數據分析統(tǒng)計的基礎上，實現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，能夠實現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，調取公安面部識別與身份信息數據進行匹配，能夠有效辨識駕駛員身份，結合運政系統(tǒng)數據接口，快速掌握駕駛員檔案信息，并分析指定周期內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果，能夠調取車輛信息檔案進行車輛數身份比對，并與車輛超限行政處罰案件進行關聯展示，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。

通過邊緣端上傳數據在上層超限監(jiān)測管理平臺中的匯聚，結合檢測數據產生時間、檢測位置、檢測超限次數、超限率等數據的統(tǒng)計，形成如圖2所示面向全域管控范圍內的超限車輛時空分布分析結果，并基于聯合執(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)域的可視化分析結果。

圖2 基于邊緣端監(jiān)測數據的超限車輛溯源分析界面

4 結語

本文研究開發(fā)的邊緣計算終端設備，實現了對多種超載檢測場景下終端檢測設備的統(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，實現對邊緣端檢測數據的自動化采集和數據預處理，依靠邊緣計算終端設備AI計算單元的深度神經網絡算法模塊，還能夠實現對超限檢測證據數據采集結果的符合性校驗和預審核提醒功能。結合案件要素的時空關聯畫像分析應用，助力超限檢測案件證據審核人員提升數據審核效率，幫助管理者通過超限超載案件數據分析結果指導超限超載違法行為的有效治理和執(zhí)法布控，促進當前依賴于人工審查和現場巡查執(zhí)法的案件執(zhí)法監(jiān)測模式改革。