16 KiB
FlyGuard · ML-ядро
Обнаружение посторонних объектов в тоннеле метро по данным 3D-лидара Hesai Pandar128. Кейс 05, ЛЦТ-2026.
Это ядро обработки: облако точек на входе, решение о препятствии на выходе. Узел ROS 2, транспорт, контейнер и визуализация живут отдельно и сюда не входят — ядро от них не зависит и проверяется без ROS вообще.
Чем это не является
Не нейросетевой детектор общего назначения. Конвейер собран по схемам зрительной системы дрозофилы, и каждая стадия — это конкретный нейропиль с конкретной функцией, а не слой, подобранный перебором:
облако точек 0.3–0.9 млн, 10 Гц
│
├─ RETINA омматидиальная решётка → дальностный образ 128 × N
├─ HALTERES плоскость рельсов: крен, тангаж, высота сенсора
├─ LAMINA диспаритет 1/R → ON/OFF, центр-окружение на 3 масштабах
├─ MEDULLA / LP T4/T5 → LPTC: скорость поезда без одометрии
├─ LOBULA LC11: кандидаты; разрез компоненты по контрасту
├─ MUSHROOM BODY KC → APL → MBON: новизна формы (без меток)
│ + обученное считывание MBON (с метками из физики)
├─ FAN-SHAPED BODY накопление лучей в координатах пути
├─ CENTRAL COMPLEX накопление улик в координатах пути, треки
└─ DESCENDING два порога с гистерезисом → решение
Ничего про геометрию сенсора не захардкожено: решётка лучей, высота установки, крен и тангаж калибруются по самим данным на первых кадрах. В записях встречаются две раскладки скана (3600 азимутов на 360° и 1200 на 120°) и две высоты установки (1.31 и 1.70 м) — ядро работает с обеими без правок.
Что нужно интеграции: один класс, один вызов
from flyguard.pipeline import FlyGuard, Params
from flyguard.mushroom_body import MushroomBody
from flyguard.mbon_readout import MbonReadout
fg = FlyGuard(Params(),
memory=MushroomBody.load("artifacts/mushroom_body.npz"),
readout=MbonReadout.load("artifacts/mbon_readout.npz"))
res = fg.process(cloud) # cloud: flyguard.cdr.PointCloud2
if res is None:
... # первые 12 кадров уходят на калибровку решётки
else:
d = res.decision # detected, distance, confidence, emergency, objects
res.total_ms # время обработки кадра
Требования к входу: flyguard.cdr.PointCloud2 — поля x, y, z, intensity,
порядок точек как в сыром CDR. Конвейер хранит состояние между кадрами
(решётка, плоскость пути, ось пути, треки, накопитель), поэтому один экземпляр
обслуживает один поток данных; для параллельных сценариев нужны разные
экземпляры.
Выход Decision: detected, distance (м), confidence (0…1),
emergency (флаг экстренного торможения), objects (список подтверждённых
треков с id, дистанцией и габаритами).
Всё считается на CPU, GPU не требуется. Медиана обработки кадра — 43 мс при бюджете 100 мс (замер по стадиям, один процесс, EXPERIMENTS п. 7.4).
Ламину можно перенести на NVIDIA GPU (Params(device="auto") или
"cuda", модуль flyguard/device.py с переходом на CPU при любом сбое карты).
Замерено на RTX 5070 Ti: ламина 5.8 → 2.9 мс с копированием туда и обратно,
то есть кадр 43 → ~40 мс, — остальные 80 % времени кластеризация и геометрия,
которые видеокарта не ускоряет. Поэтому по умолчанию device="cpu": выигрыш
в 3 мс не стоит отдельного образа и --gpus all на машине проверки.
Структура
flyguard/ ядро: стадии обработки, память, считывание
bag.py cdr.py чтение rosbag2 и разбор CDR без ROS
device.py выбор CPU / NVIDIA GPU и переход на CPU при сбое
retina.py geometry.py решётка лучей, плоскость рельсов, ось пути
lamina.py medulla.py контраст (на CPU или GPU), движение
lobula.py кандидаты
mushroom_body.py память тоннеля (без меток)
mbon_readout.py обученное считывание (с метками)
track_readout.py считывание по истории трека — инструмент замера
fan_body.py накопление в координатах пути
central_complex.py треки и улики
descending.py решение
pipeline.py сборка
export.py 3D-рамки, время до столкновения, маркеры RViz
synth.py вставка предметов трассировкой лучей
tools/ обучение, оценка, разбор, полигон с аугментациями
tests/ 53 теста, запускаются без данных и без ROS
docs/ методика и результаты
artifacts/ обученные модели
Как запустить
pip install -r requirements.txt
pytest tests -q # или без pytest: python tests/run_tests.py
Через Docker (подробно — docs/DOCKER.md):
./docker-run.sh build
docker compose run --rm test # тесты
docker compose run --rm info # что видно из контейнера: CPU, GPU, CUDA
docker compose run --rm evaluate # ложные тревоги
docker compose run --rm benchmark # полигон
Для обучения на видеокарте — pip install -r requirements-gpu.txt и
--device cuda у train_mbon.py, train_mushroom_body.py, evaluate.py.
Записи лидара в репозиторий не кладутся. Положите их рядом
(../data/for_hackathon/...) или укажите путь:
set FLYGUARD_DATA=D:\lidar\data
Обучение и оценка:
python tools/make_training_set.py # размеченная выборка
python tools/train_mbon.py --device cuda --baseline # считывание MBON
python tools/evaluate.py --mbon-dir artifacts/mbon_folds # ложные тревоги
python tools/make_benchmark.py --memory artifacts/mushroom_body.npz \
--mbon-dir artifacts/mbon_folds # дальность обнаружения
python tools/plot_benchmark.py # кривые и график
python tools/compare_benchmark.py было.json стало.json # правка парно
Большой бэг new_data (90 ГБ) не распаковывается целиком — инструменты
читают его кусками прямо из архива (--tar, по умолчанию
../датасет/new_data или FLYGUARD_NEW_DATA):
python tools/make_training_set.py --new-data 0:110 --out data/cache/training_set_nd.npz
python tools/train_mbon.py --device cuda --data data/cache/training_set.npz \
--data data/cache/training_set_nd.npz --train-only new_data_ --out nd.npz
python tools/eval_new_data.py --shards 110: \
--readout было=artifacts/mbon_readout.npz --readout стало=nd.npz --out nd.json
Проверка на второй половине честная: вставки идут только в первую, а вторую модель не видит ни в каком виде (EXPERIMENTS п. 17.3).
Синтетику организаторов (cloud_with_fake_obj, 10 предметов) сверяет с
эталоном отдельный инструмент. Разметки к бэгу нет, но вставленные точки не
лежат на элевациях колец, и эталон извлекается из самого бэга (п. 18.2):
python tools/eval_org_synth.py # итоговые настройки
python tools/eval_org_synth.py --set half_width=1.6 --set h_top=0
В этом бэге нет поля ring, а порядок точек сбит вставками: retina.py
восстанавливает кольца по элевации и раскладывает такие кадры по углам точек.
До этой правки ядро на нём не обрабатывало ни одного кадра (п. 18.1).
Любое поле Params меняется без правки кода: --set h_lo_core=0.28 --set k_sigma=0.75 у make_benchmark.py, evaluate.py, make_training_set.py и
check_obstacle.py. Два прогона полигона сравнивайте только парно —
compare_benchmark.py считает, сколько наблюдений перевернулось в каждую
сторону на одних и тех же вставках. Итоговые таблицы двух прогонов шумят
сильнее, чем меняет их большинство правок (EXPERIMENTS п. 16.1).
Тяжёлые шаги сами раскладываются по бэгам на процессы — записей пять, физических
ядер шесть, и это вся доступная зернистость: конвейер держит состояние между
кадрами, поэтому разрезать одну запись нельзя. Замерено: полигон 134 → 36 с,
сбор выборки 96 → 26 с на облегчённой конфигурации, то есть 3.7–3.8×, и файл на
выходе совпадает с последовательным побайтово. Отключается --jobs 1.
Для замера задержки кадра --jobs 1 обязателен: под пятью процессами время
кадра растёт с 32 до 56 мс. Это свойство замера, а не конвейера, поэтому
evaluate.py в параллельном режиме печатает задержку как nan — чтобы такое
число нельзя было случайно привести в отчёте.
Где мы сейчас
| Метрика | Значение | Чем измерено |
|---|---|---|
| Реальный объект 0.67 × 1.35 м на 55 м | 99.5 % кадров | tools/check_obstacle.py |
| Синтетика организаторов, 10 предметов | 9 из 10 верно | tools/eval_org_synth.py |
| Ложные тревоги, leave-one-bag-out | 5.7 трека на км, 8.4 % кадров | tools/evaluate.py --mbon-dir |
| То же без обученного считывания | 11.9 на км, 20.3 % кадров | там же, без --mbon-dir |
| На незнакомой линии (памяти нет) | 12.8 на км; без считывания 36.1 | tools/evaluate.py --no-memory |
Вторая половина new_data: другой день, 3.41 км, не видена при обучении |
11.7 на км, 17.9 % кадров | tools/eval_new_data.py |
| Дальность (полигон, 15 560 наблюдений) | человек стоя: рабочая дальность 100 м, P@50 = 0.72, P@100 = 0.52, P@150 = 0.46 | tools/plot_benchmark.py |
| Человек, упавший на пути | P@50 = 0.50 (было 0.27), рабочая дальность 20 м | там же |
| Обработка кадра | медиана 33 мс из бюджета 100 мс; на ядре уровня стенда жюри 55 / 65 мс (медиана / p95) | контейнер, EXPERIMENTS п. 18.5, 19.5 |
| Разделение «знакомое / новое» (без учителя) | ROC AUC 0.905 | tools/tune_memory.py |
| Считывание MBON «предмет / тоннель» (с учителем) | ROC AUC 0.986 | tools/train_mbon.py |
Проверка всегда leave-one-bag-out: память обучается на всех записях, кроме проверяемой. Иначе цифры лгут — подавлять конструкции, которые сам же и запомнил, умеет кто угодно, а на приватном тесте будет новый участок.
Что честно не работает
Разобрано замерами, подробности — в docs/EXPERIMENTS.md:
- За 200 м на этих участках не увидит никто: прямая видимость в тоннелях 121–167 м, дальше линия взгляда упирается в стену кривой. На отдельных перегонах и того меньше — 49–90 м.
- Мелкие предметы на большой дальности невозможны с этим сенсором: ведро (0.1 м²) на 160–190 м даёт один луч, каска и бутылка — ноль.
- За 80–90 м прирельсовая зона не наблюдается вовсе: луч скользит по полотну, и самая низкая видимая точка у оси пути оказывается выше головки рельса на 0.1–0.6 м.
- Привыкание внутри проезда сделано и отвергнуто замером — п. 10.
- Яркость как признак мы себе не засчитываем. Абсолютной шкалы интенсивности в записях нет: медиана по кандидатам обстановки 3…7 в пяти бэгах и 23.5 в шестом. Вставка берёт яркость реальных возвратов с тех же лучей, то есть признак намеренно обесточен, и дальность из-за этого занижена — настоящий предмет был в 1.47 раза ярче окружения. Разбор — п. 11.1.
Документация
docs/ALGORITHM.md— что делает каждая стадия и почему именно так.docs/EXPERIMENTS.md— все замеры, включая отрицательные результаты.docs/CONNECTOME.md— что взято из коннектома как число, а что как идея.