鄱阳湖采砂监管信息系统设计与实现_鄢煜川.pdf

信息化水利技术监督2023 年第 2 期DOI:10.3969/j.issn.1008-1305.2023.02.017鄱阳湖采砂监管信息系统设计与实现鄢煜川1，胡星2(1.江西省鄱阳湖水利枢纽建设办公室，江西 南昌 330009;2.中铁水利水电规划设计集团有限公司，江西 南昌 330029)摘要:为解决鄱阳湖采砂监管工作中存在的采砂船实时监测难、采量测算精度低、查处非法采砂难等问题，在现状调研和需求分析的基础上研发了基于图像识别、移动互联、智能分析等前沿信息技术的采砂智能监管系统，对系统架构、采集监测、业务功能进行了设计和实现。该系统已应用于江西省鄱阳湖采区，为规范采区管理、维护开采秩序提供了有力支持，实现了采砂监管技术手段创新目标。关键词:采砂;图像识别;智能监管;系统设计中图分类号:TV871文献标识码:B文章编号:1008-1305(2023)02-0065-04收稿日期:2022-09-26作者简介:鄢煜川(1989 年)，男，工程师。E-mail:254507411 鄱阳湖位于江西省北部，长江中下游南岸，是我国最大的淡水湖，得益于特殊的地理环境，湖区经长期淤积，砂石资源丰富1。然而伴随着经济高速发展，砂石需求量不断增长，在可观的经济利益驱动下，超采滥挖等无序非法、采砂现象随之加重，极大地影响了湖区防洪安全、航行安全、生态安全，严重威胁到社会稳定。另一方面，鄱阳湖采砂监管及执法工作受限于湖区水域复杂、涉砂船数多、调查取证难、执法人力不够、监督管理技术手段缺乏等现实难题，难以适应日益繁重的监管工作要求。当前，人工智能、图像识别、大数据分析、移动互联等一系列前沿信息技术正处于创新变革活跃期，创新成果赋能作用日益显现，有力地促进了社会治理水平的提高。因此，以信息化赋能社会治理精细化，为采砂监管工作开辟了新的思路，利用新型信息技术来丰富监管技术手段、提高采砂监管工作效率是大势所趋，也是促进水政执法工作现代化的必然要求。1采砂监管现状与需求分析1.1现状分析在对鄱阳湖采区监管执法工作实际进行调研后发现，采砂监管工作主要包括从时间、空间、数量3 个维度开展。即监管开采行为是否按照批准的时段、区域和采量进行，并及时察觉查处非法采砂行为。目前，国内主要采用以下技术方式对采砂进行监管:执法车船进行巡逻，但人力需求过大，监测时段及区域有限2;船载视频监控3-4，一般安装在执法船上，利用实时视频监控辅助执法取证;岸基视频监控5，监测范围较小，有线网络传输及运行维护成本较高;激光及脉冲雷达监测6-7，建设成本高，对动态目标如船只的监测效果不佳。国内各地虽已采用多种监管信息化手段进行了探索尝试，但仍存在集约化程度低、智能应用效果不理想、监测监控数据分散、软硬件设备未能充分整合、相关数据资源共享利用率低等弊端。综上，面对日趋复杂的采砂监管工作环境，亟需一套能够满足综合执法需求、协同高效的采砂智能监管信息系统。1.2需求分析坚持问题导向，从采砂监管工作实际出发，研究基于人工智能图像识别、数据分析技术的采砂智能监管系统主要开展以下方面工作:一是构建完善的系统架构，包括确定技术架构选型，合理规划构建前端监控监测设施设备，搭设完整的系统底层框架;二是标准化的数据类型，为便于系统查询统计、汇总，需要通过规范的数据标准确定各项数据能够流畅调用，设计采砂数据库的表格、字段名称、类型与长度等数据结构;三是网络传输安全，在统一的网络安全体系下，确保562023 年第 2 期水利技术监督信息化信息安全，构建合理的网络传输机制，对系统用户实行权限划分和多级用户权限控制;四是智能化数据分析，对采集的图像、视频、传感信息等数据进行分析和处理，根据不同的监管业务，实现差异化的应用和智能化的分析，为决策及管理者提供参考依据。2系统架构2.1系统架构设计根据鄱阳湖采区的实际情况和当前采砂监管与执法管理模式，以采砂作业船、禁采区域等为重点监管对象，依托实时监测监控数据，提出构建一套在技术标准与业务规范体系和信息安全保障体系约束下，包含前端监测数据采集、数据传输存储、业务应用、表现展示等 5 个逻辑层的采砂智能监管信息系统总体架构。具体如图 1所示。图 1系统总体架构(1)数据采集层的目的是采集出入采区的各式船舶、采砂作业船的实时监测监控数据。主要建设内容包括在采砂船上安装智能精确传感设备，在湖区涉砂重要水域安装红外热成像高清视频监控设施等。(2)数据传输层负责将采集到的数据利用无线互联网、有线宽带或水利专网等方式传输。同时将校验完成并分类整理好的数据储存到各类数据库中或直接为业务应用层提供数据支持。(3)数据存储层可满足业务应用层对数据服务的需求，及时地对数据进行转换、加工和过滤。主要作用是对应用系统进行数据支撑，满足数据调阅和及时存储的需求，由综合数据库、空间数据库、船只资料数据库、采区信息数据库等组成，存储包括基础信息、空间数据、可采区资料库、采砂船资料库、实时采砂监控数据和采砂量统计信息等。(4)业务应用层主要承载信息系统的所有业务功能以及能够支撑各类应用的服务软件，主要包括:Web 服务器、数据库管理软件、数据交换软件、GIS 及空间服务软件和消息中间件等8。(5)系统表现层是系统用户与应用软件之间的接口9。本系统研发基于 J2EE 平台，采用 B/S 结构，可利用水利专用网络或互联网与应用软件连接。2.2数据采集与监测设备采砂监管业务实现智能化需要大量的数据作为基础，数据的采集离不开前端监测监控设施设备的布设。本系统根据监管工作流程，结合实际需要，主要对涉砂船只图像信息、作业状态、实时开采砂石量等进行监测监控，本系统主要利用以下两种设备实现数据采集。(1)红外热成像高清视频监控，可适应鄱阳湖湖区复杂气象条件，具备全天候拍摄、远距离抓拍、抗气象干扰等技术优势，对比普通的摄像机和微光夜视监控设备，各项技术参数优势明显。在采区重要水域进行布设，针对非法采砂、偷运盗运等行为进行侦查和取证，再将数据资料及监控信息传输并保存至后台服务器中。(2)船载智能传感设备，主要监控对象是具有合法采砂资格的采砂船，实现开采全过程管理，通过在办理了采砂许可证的采砂船上安装具备嵌入式架构的无线智能传感设备来实现对采砂作业的精准感知。传感器由设备管理、卫星信号接收、身份识别、视频监控、工作状态采集、采砂量监测等 6 大工作模块组成，主要功能包括收集采砂船身份、开机状态、行驶轨迹等信息，并对超时段、超区域、超限量开采进行有效预警和控制，进一步规范采砂行为。对采砂船只开采量进行监管，是采砂监管的66信息化水利技术监督2023 年第 2 期核心工作，也是衡量采砂是否合规，判断采区开采程度的重要技术指标。采砂量监测模块作为采量监管技术的核心，工作原理:当采砂机械开机，安装在采砂机械上的感应设备及智能传感器会同时启动，采集铰链电机转速、出砂皮带运行时间，结合预先设定的链斗核定装载量、电机功率等关联信息来确定本次开采时长及初步开采量数据。为得到更加精确的数据，还需要对数据进行校核，对不同采区进行产量预测和评估，确定砂石资源优劣度，通过合理调整系数来精确核算采区砂石开采量数据。3系统功能系统的功能可包涵采砂监管业务的主要环节，包括:基础信息管理、采砂管理一张图、采砂作业智能监管、采砂船识别、统计分析、系统管理等。系统的功能结构具体如图 2 所示。(1)基础信息管理功能包括对采区及禁采区信息、采砂许可证信息、采砂船基础资料等信息数据进行新增、查询、修改和删除等操作。(2)采砂管理一张图主要基于省水利地理信息平台，在基础地理图层上按照采区控制规划明确的采区和禁采区信息及坐标，进行图层叠加，以电子地图方式实时可视化展现出采区、开采作业船、集中停靠船，并以图形化的方式体现出这些船只的数量、工作状态、运动轨迹，系统用户可直观地进行查看和操作;利用电子围栏技术，在系统中对特定采区设置时段、界限、采砂量、船只身份信息等参数和对应约束条件，对采砂异常行为(如超量、越界采砂)在电子地图上提供可视化的告警或预警信息。(3)采砂作业智能监管主要依托将船载智能传感设备对开采数据进行智能化分析和处理，可实时掌握采砂船工作状态，包含越界采砂、无证采砂、超量采砂智能判定功能模块。越界采砂、无证采砂智能判定功能模块智能传感器在监测到采砂船开始作业后，将船只定位信息、船只身份信息、图像信息、机械开机状态、作业时长等数据通过内置的多通路传输模块以 3G/GPS 无线传输到系统后台应用服务器，再与许可证上的采区位置、允许时间等要素进行综合比对，判定是否符合预设规则，具体流程如图 3 所示。超量采砂智能判定功能模块通过采砂量监测模块，对采量监测数据、配载信息等进行智能分析和处理，计算采砂船在某段时间内的总采砂量，在系统中完成率定后与设定的许可采量进行对比，实现对采砂超限行为的告警，具体流程如图 4 所示。(4)采砂船识别功能的主要目的是为水政执法人员迅速识别、查处非法采运的船只提供技术支持。利用分布在采区的红外热成像高清视频监控，自动监测过往船只，拍摄船只图像并提取重要外形特征，通过构建船只特征数据库，结合人工智能算法进行智能识别，对出现在采区水域的可疑船只进行自动取证，留存影像数据，并向执法人员发出提示预警信息。基于人工智能技术的船只图像识别过程10主要步骤:首先由前端监控监测设备采集数据，并构建对应数据库;对数据进行去噪、平滑及变换等预处理操作，标绘凸显出图像重要信息特征;再提取各图形的特殊或差异化特征进行分类储存，建立该特征值数据库;按照制定好的识别规则识别类似特征种类，通过辨别分析特殊特征，实现图像智能识别的目标。(5)统计分析功能主要实现采量信息统计、船只信息统计、告警信息统计，系统可提供统计信息的自定义、报表自动生成等功能。图 2系统功能结构762023 年第 2 期水利技术监督信息化图 3越界智能判定流程图 4超量智能判定流程(6)系统管理功能实现对系统用户及使用权限、监测设施运行状态进行管理和维护。4系统功能实现及应用按照鄱阳湖采砂监管信息系统设计思路和建设目标，系统研发集成了 J2EE 平台、B/S 架构、智能监测传感、人工智能图像识别等先进技术，根据实际业务需求，对省、市、县 3 级执法队伍及水行政主管部门的权限进行分配，构建各类数据库，不断积累监测数据，实现各业务功能充分使用。系统上线运行后，在鄱阳湖采区进行了应用，监控并识别涉砂船 1 万余艘，为水政执法部门查处涉砂违法行为提供数百条取证信息，受到各使用单位的好评。5结语本系统为鄱阳湖区采砂监管工作提供了有效的技术支持，对湖区非法采砂行为进行了有力的震慑，提升了采砂监管工作水平，提高了采砂监管技术能力。为推进实现采砂监管工作的精细化和现代化提供了新的手段和技术创新，系统也可为其它地区开展采砂监管信息化工作提供参考借鉴。下一步，系统将在现有监测资料数据的基础上，继续探索与大数据分析和人工智能技术的深度应用，不断丰富应用场景，完善系统功能。参考文献 1中铁水利水电规划设计集团有限公司 江西省鄱阳湖采砂规划(20192023 年)2018 2高月明，黄志旺，文涛 河道采砂实时监测系统设计与实现J 人民珠江，2014(6):146-149 3孙琦 长江河道采砂监测系统的设计与实现D 大连理工大学，2008 4毛贵臻，工雅伟，温广兴 漳河采砂视频监控系统简析J 海河水利，2011(3):69-70 5高健，陈先桥，初秀明，等 内河航道采砂监测系统设计及应用J 武汉理工大学学报:信息与管理工程版，2013(8):524-527 6马水山，黄万林，刘前隆，等 长江河道采砂管理远程可视化实时监控系统 J 人民长江，2006(10):50-51 7叶小云，何勇，甘莉 长江采砂作业监测系统研究J 人民长江，2010(9):104-106 8张建美，汪健，张根，面向多业务需求的河长制管理信息平台建设 J 微型电脑应用，2022 9王天奕 广东省河道采砂动态监控系统研究和实现D 华南理工大学 2016 10陈银萍 基于人工职能中的图像识别技术的分析J 信息与电脑，2019(1):1