步态识别在疫情防控流调排查中的应用_张松.pdf

952022.11 文/张松李江龙银河水滴科技（北京）有限公司 刘静大连市公安局 王柳人辽宁警察学院步态识别在疫情防控流调排查中的应用一、流调排查主要痛点及需求分析自 2019 年底全球暴发新冠疫情以来，病毒已先后进化出多个变种，近期在我国多地传播的病毒变异毒株奥密克戎，则具备传播速度快、传播能力更强、潜伏期和传代间隔更短等特点，其传染性增强，传播隐匿性强，且更容易出现多点散发或集中爆发，快速精准地开展流调溯源工作成为控制疫情传播的关键。快速还原出涉疫人员的活动轨迹是“流调”的重点，就是要在短时间内快速梳理清楚涉疫人员在过去重点时间段内所走过的轨迹、时空范围内发生交际的人员和去过的重点场所，再有就是疾控人员判定是否具有传播疾病2022年3月17日，中共中央政治局常务委员会召开会议，分析新冠肺炎疫情形势，部署从严抓好疫情防控工作。习近平总书记指出要坚持科学精准、动态清零，尽快遏制疫情扩散蔓延势头。会议强调，要扩大重点人群监测覆盖面，完善多渠道监测预警机制，全面提升疫情监测预警和应急反应能力。本文针对2022年我国新冠疫情呈现点多、面广、频发等特点，以及疫情发生后密接人员流调排查工作量巨大、问询排查很难解决对陌生疑似密接人员有效发现等问题，就城市监控系统视频资源采用最新步态识别技术，有效提升流调排查工作效率和质量，达到快速查找疑似密接人员的目的，有效为基层工作人员流调工作减负。的可能或被传染疾病的风险，从而发现密接和次密接人群，并找出引起疾病流行的主要原因，采取精准的防控措施，从而达到“及时发现、快速处置、精准管控、有效救治”的工作目标。流调排查不仅可追踪传染源活动轨迹、评估疫情波及范围、追踪密切接触者，也是划定风险区域、开展风险评估、制定疫情防控政策的基本依据。目前流调排查主要有以下两方面的痛点及需求。1.流调排查工作量巨大，提升流调效率和质量，为工作人员减负亟需解决在常规流调排查工作中，查找确诊人员一方面动辄需要排查成千上万小时的历史视EXPERT VIEW专家视点XPERT VIEWE专家视点962022.11频，工作量巨大，以某地近期疫情为例，参与视频流调的基层民警 24 小时不间断查阅视频监控时长达12000 小时以上，耗时、耗力、耗人；另一方面由于流调排查的时间与空间跨度较大，人工长时间进行调阅涉疫视频会产生疲劳导致一些重要线索丢失。在常态化的疫情防控工作中，如何提升视频流调的效率和质量，切实为流调工作人员减负是亟需解决的问题。2.问询排查存在遗忘和隐瞒等情况，且无法解决对陌生疑似密接人员的发现借助大数据系统可圈定一定范围的涉疫人员，针对圈定的涉疫人员当前多采用问询的方式，核实其近期活动时间和地点。由于担心、害怕、侥幸等心理，导致涉疫人员遗忘、隐瞒出行细节，致使问询信息不准确，如四川、江苏、江西、北京、沈阳等地均出现类似情形，最终导致疫情扩散；更重要的是陌生疑似密接、次密接人员存在各种原因无法追踪到身份，导致线索中断。如何准确、全面地追踪陌生疑似密接、次密接人员及其具体活动轨迹，快速有效地划分风险区域，也对当前的流调排查技术手段提出了更高要求。步态识别技术是目前全球前沿的生物特征识别技术，旨在通过人员的身体体型和行走姿态分析并识别人员身份的技术。与其他的生物识别技术相比，步态识别具有远距离、非受控、全视角、防伪装、对光线不敏感等显著优势，将步态识别技术应用到流调溯源工作中将能有效解决以上问题，提高流调溯源的工作效率。二、步态识别技术简介步态识别作为一种新兴的生物特征识别技术，是通过人体走路的姿态进行身份识别。步态即人走路的姿态，其识别的物理基础是每个人不同的全身生理结构和行走习惯，它是由身体各部位的相对运动组成，步态特征主要由静态特征和动态特征两个方面组成。静态特征主要包括身高、头型、腿骨、臂展、肌肉、重心等生理结构，这些生理特征相对会比较稳定，除一些外部因素影响，在很长一段时间内不会发生很大变化；动态特征则包括抬腿、摆臂、晃头、耸肩、神经灵敏度等因素，这些动态特征与身体属性密不可分，对一个人来说要时刻伪装走路姿势非常困难。栏目主持：唐涛 E-mail：972022.11步态识别的输入是一段包含人员行走的视频，从解析到比对需要分为视频数据的预处理、步态特征的提取以及步态的比对和识别几个步骤，在对视频进行预处理时需要用到诸如人形检测、人形跟踪、人形分割等技术；在人形检测方面，算法使用深度卷积神经网络作为基础结构，通过在不同抽象级别的网络层中施加学习目标从而实现多尺度的人体检测。可在复杂环境下进行鲁棒的行人检测，例如背景杂乱、人体姿态变化大、光线变化大以及人群相对聚集的情况。步态算法具备对主流分辨率下视频流进行实时检测，在人形跟踪方面同样使用深度卷积神经网络提取行人的表观特征，并结合行人运动轨迹的动态特征，共同得到人的运动轨迹和位置，并支持实时的多人同时跟踪，在算法的实际应用中其运行速度可以达到毫秒级别。在人形分割方面以深度卷积神经网络作为基础结构，结合了反卷积网络对分割目标进行逐像素分类。接受人体检测出的区域作为输入，能够在相对较复杂的情况下进行人体分割。人体分割的精度接近人眼水准，分割成像速度可达到毫秒级别。对视频中的步态进行特征提取时则会用到基于深度学习的特征提取技术，特征提取是步态识别环节中重要的组成部分，步态的特征相较于指纹、人脸、虹膜不同，前文中已经提到，步态识别是包括了静态特征和动态特征，因此在对步态进行特征提取的时候除了静态特征之外，还包括了动态特征，步态识别是对不同角度、不同着装、不同体型的人进行身份识别。近年来，随着人工智能的高速发展将深度学习和步态识别进行结合，极大地推动了步态识别的发展，有效解决了步态识别存在的各类挑战，使得步态识别精确度和效率得以快速提高。步态特征提取采用深度卷积神经网络作为基础结构，使用了多任务学习目标，随机采样大量的时序步态数据进行模型学习。可用于监控场景中的步态特征提取，所提不同个体的特征有良好的区分性，提取特征速度亦可达到毫秒级别，其提取的特征则是用来进行比对分析。三、步态识别技术在流调排查中的应用方法在流调排查中，获取到涉疫人员视频片段后，通过步态识别快速返回相关人员轨迹信息。针对当前疫情流调的特点，可采用“城市动脉”+“毛细血管”的组合方式。将步态识别与疫情流调进行深度业务融合，可以有效解决远距离、大范围、跨时空场景下、戴口罩、换装等条件下的密接人员检索和轨迹刻画。步态识别可支持利旧多种前端采集设备，如各类社会面监控，极大地扩充了系统的应用场景，能够快速落实涉疫人员的轨迹复原，从而实现开展快速精准的流调工作。对于机场高铁交通枢纽、主干道路、人流密集区等“城市动脉”，通过标准协议接入监控视频资源到步态识别系统。对于提前部署了步态识别系统的区域，系统已完成所有人员的步态分析计算，并形成庞大的人员轨迹数据资源库，可秒级绘制出涉疫人员的轨迹信息。对于未部署步态识别实时视频分析的区域，可以直接对接历史视频进行分析，实现最大 100 倍的视频搜索。对于小区、商场、公园、游乐场、背街小巷等“毛细血管”，视频资源采用上传离线视频的方式，实现最大 100 倍的视频搜索，很小的投入就能实现扩大涉疫人群监测覆盖面，快速完善城市人员监测预XPERT VIEWE专家视点982022.11警机制，全面提升疫情监测预警和应急反应的能力。步态识别检索出轨迹信息后，可以采用多种方法对目标人员进行身份确认：（1）通过步态检索到的点位信息包含清晰人脸，通过人脸识别确认身份；（2）当检索的轨迹信息在三条以上时，可以通过电子围栏系统确认身份；（3）还可以将检索到的人体画面下发至周边社区，发动社区人员进行确认。四、系统架构及核心功能设计以银河水滴疫情防控流调排查系统为例（如图所示），采用软硬一体设计，稳定可靠、开箱即用、界面简洁易操作，单台设备分为300算力、500算力、800 算力等不同规格，且支持横向扩展，满足不同用户的差异化需求。其系统是一种视频智能化应用算法，其在整个疫情流调中的作用是提高人工追踪视频的效率，快速还原目标人的行走轨迹，并返回过程中密接人员的步态信息，使得流调人员从采用观看监控进行视频追踪，转为对密接人员的身份确认工作，降低人员需求量和工作负荷，由“汗水流调”过渡至“智慧流调”。在应用场景方面，可对域内的重点部位、城市商圈、道路街面、小区门口等涉疫人员出现的点位进行快速接入和部署。贴合疫情防控流调排查实际情况，采用步态识别技术的流调排查系统主要设计有历史视频搜索、离线视频搜索、疑似密接人员分析三大核心模块。1.历史视频检索历史视频检索支持以最高 100 倍速查看历史视频中抓拍的步态数据，并可对步态结果分组快筛，支持对涉疫人员进行指定范围的 1 N 目标检索，快速展示疑似密接人员及数量。同时，系统支持根据目标人物在视频中出现时空信息，在地图上绘制出目标人物的运动轨迹，实现疑似密接人员的快速定位。2.离线视频搜索系统支持最高以 100 倍速从离线视频中分析涉疫人员信息，支持多层次检索疑似密接人员数量及活动轨迹，并可与防疫人员步态库比对，获取目标图 系统架构示意图栏目主持：唐涛 E-mail：992022.11人员的身份信息。3.疑似密接人员分析在目标的检索结果中，可查看人员的疑似密接信息，展示疑似密接的地点、数量等数据，也可通过疑似密接人员继续搜寻疑似次密接人员信息。五、步态识别应用于流调排查的技术优势通过步态识别进行流调排查，实现了目标人员多路线选择下的轨迹研判，即利用系统对涉疫人员多条可能的行走路线视频中，自动进行检索比对，快速找到其真实的轨迹，提供给流调人员进行身份落地；部分涉疫人员轨迹存在于夜间，利用步态对光照不敏感的特性，只需要有涉疫人员的身体轮廓即可，解决了涉疫人员在夜间轨迹还原难的问题，同时也降低了人工追踪的误报、漏报率；涉疫人员如果无法确定被感染的链条，则需要流调多日的轨迹，步态识别不受服装、服饰的影响，因此在跨日期的视频流调中，可有效避免目标人隔日换装造成的误报和漏报，将步态识别应用于疫情流调还有以下几方面的优势：1.搜索快速。实时视频流分析系统，秒级给出海量轨迹信息。历史视频流和离线视频可实现 100倍加速，比人工排查流调效率提升几十倍。2.资源利旧。充分利旧各类视频监控资源，如平安城市、天网工程、雪亮工程视频资源，无需新增任何前端设备和网络链路。3.调配灵活。系统计算资源根据接入的视频资源来源、数量不同，可以在实时、历史、离线视频流加速分析之间灵活调配。4.部署高效。系统采用软硬一体方式，最快一天即可完成系统部署。5.一键操作。系统操作简单，一键操作即可快速检索出轨迹信息。六、典型应用成效及展望流行病学调查是疫情处置的关键步骤，该项工作的开展可以快速确定感染来源、理清传播链、确定风险区域并提出管控措施；将步态与当地疫情流调进行有效结合，实现了快速精准落地查找涉疫人员及接触者、涉疫场所关联人员，快速阻断疫情传播链，有效遏制了疫情蔓延。成效一：某市经初步流调发现一名确诊人员曾到过某写字楼办事，写字楼每天出入人员众多，给密接排查带来很大困难。通过步态识别技术的运用，系统只用了 36 分钟便排查完近 20 小时的视频数据，相较于人工排查效率提升至少 10 倍。成效二：某市经初步流调，三名确诊病例曾出入在人流量密集的农贸市场，流调区域人流量大且均佩戴口罩，时间跨度长，人员活动回溯难。通过步态识别技术的应用，仅用时 1 小时 20分钟便完成 145G 的视频分析并确认全部人员的活动轨迹，至少节省 40 名警员一天的工作量。利用步态识别技术进行新冠流行病学调查，主要还是基于其生物特征识别原理。步态识别在弱光照、远距离、有换装的复杂环境下仍能准确地对人员进行有效识别。相比人工追踪，提升了流调效率，节省了大量人力，因其独特的技术优势可作为当前流调排查强有力的辅助手段，并且与常规流调手段不冲突，有助于快速实现动态清零，遏制疫情扩散蔓延，进一步推进社会治理现代化。