水面漂浮物監(jiān)測及估算系統(tǒng)開發(fā)與建設(shè)

許靜波

（江蘇省泰州引江河管理處，江蘇 泰州 225321）

1 項目背景

通榆河南起江蘇省南通市海安縣境內(nèi)新通揚運河、北至連云港市贛榆縣，全長375 km，是一條省管水利水運骨干河道，具有引調(diào)長江水，改造中低產(chǎn)田，開發(fā)沿海灘涂，結(jié)合通航，沖淤保港、調(diào)度排澇，改善水環(huán)境等諸多功能。其對加快發(fā)展蘇北、促進(jìn)區(qū)域經(jīng)濟(jì)可持續(xù)發(fā)展具有戰(zhàn)略意義。近年來，受天氣、水流、垃圾拋擲等因素影響，通榆河及其平交河道漂浮物大幅增加，水葫蘆、水花生等水生植物夾帶著動物尸體、白色垃圾等集聚，嚴(yán)重影響通榆河水環(huán)境和沿線飲用水水源地水質(zhì)，廣大群眾反映強(qiáng)烈。江蘇省政府對此高度重視，先后2次召集召開專題協(xié)調(diào)會議作出部署，要求沿線地區(qū)強(qiáng)化工作責(zé)任，立足當(dāng)前、著眼長遠(yuǎn)，上下聯(lián)動、標(biāo)本兼治，采取有效措施，切實抓好水面漂浮物突擊打撈處理工作，改善通榆河水源地水環(huán)境，保障沿線地區(qū)飲水安全。江蘇省水利廳部署相關(guān)部門、直屬單位按照省政府會議要求和省領(lǐng)導(dǎo)批示精神，采取積極措施，協(xié)調(diào)沿線鹽城、泰州、南通、揚州4市及相關(guān)縣（市、區(qū)）發(fā)揚團(tuán)結(jié)治水精神，投入大量的人力、物力和財力，全力做好突擊打撈處理工作，通榆河及沿線河道水環(huán)境有了較大改善。

2 系統(tǒng)需求

通榆河是我省沿海地區(qū)貫穿南北的引江通道，是鹽城市及東臺、大豐等地的主要水源地，其河道水質(zhì)狀況直接影響著廣大人民群眾的生產(chǎn)生活。鑒于水葫蘆、水花生的生物特性及沿線居民沿河而居的生活方式，通榆河及沿線河道水面漂浮物極易大面積爆發(fā)聚集，影響區(qū)域水安全，開展通榆河及沿線河道水面漂浮物監(jiān)控及估算系統(tǒng)建設(shè)，為研究建立區(qū)域打撈補(bǔ)償機(jī)制做好前期準(zhǔn)備工作十分必要。有利于進(jìn)一步落實沿線各級政府水面漂浮物清理打撈的主體責(zé)任，有利于及時掌握各地河道水面漂浮物現(xiàn)狀，督促各地加大工作力度，按照省政府確定的“屬地組織打撈、區(qū)域協(xié)調(diào)配合”的工作要求，做好河道水面漂浮物清理打撈工作，切實維護(hù)通榆河及沿線河道水環(huán)境，保障飲水安全。

3 制定系統(tǒng)建設(shè)工作方案

3.1 系統(tǒng)建設(shè)基本原則

（1）科學(xué)布局的原則。按照各區(qū)域間河道分布情況，合理布局試點建設(shè)河道斷面，確保試點建設(shè)能基本反映里下河地區(qū)漂浮物現(xiàn)狀基本情況。

（2）經(jīng)濟(jì)適用的原則。充分利用移動、電信以及天網(wǎng)通等現(xiàn)有資源，本著滿足要求、經(jīng)濟(jì)實惠的要求實施建設(shè)。

（3）下游負(fù)責(zé)的原則。監(jiān)測系統(tǒng)的管理、維護(hù)和監(jiān)測成果由下游地區(qū)負(fù)責(zé)，下游地區(qū)監(jiān)測上游。

（4）資源共享的原則。建立監(jiān)測數(shù)據(jù)上下游共享的協(xié)調(diào)工作機(jī)制。

3.2 系統(tǒng)建設(shè)的主要內(nèi)容

監(jiān)測系統(tǒng)建設(shè)主要包括：市域交界河道前端監(jiān)測設(shè)備安裝建設(shè)、通訊設(shè)施建設(shè)、監(jiān)測管理中心建設(shè)和漂浮物量估算軟件研發(fā)等內(nèi)容。

3.2.1 監(jiān)測河道斷面布置

按照科學(xué)布局，能基本反映里下河地區(qū)漂浮物現(xiàn)狀的要求，系統(tǒng)建設(shè)在通榆河沿線的鹽城、泰州、南通、揚州4市130條交界省骨干河道中，統(tǒng)籌考慮幾年以來漂浮物流經(jīng)量和漂浮物攔截設(shè)施已按要求清除的河道斷面進(jìn)行試點建設(shè)監(jiān)控系統(tǒng)。同時，考慮到系統(tǒng)建設(shè)的可操作性，最終在各地建設(shè)計劃斷面中選擇鹽城大豐區(qū)、鹽都區(qū)，泰州興化市3縣（市、區(qū)）與上游地區(qū)交界的河道斷面布置前端監(jiān)測設(shè)備。其中，大豐區(qū)4個點，鹽都區(qū)9個點，興化市13個點。監(jiān)控斷面具體位置詳見表1。

3.2.2 監(jiān)測管理中心布局

按照下游負(fù)責(zé)的原則，經(jīng)協(xié)商各地，確定在鹽城市水利局、興化市水務(wù)局和江蘇省泰州引江河管理處布置監(jiān)測系統(tǒng)管理中心。利用各單位水利信息系統(tǒng)現(xiàn)有工作條件，適當(dāng)增加視頻及數(shù)據(jù)存儲設(shè)備進(jìn)行建設(shè)。

3.2.3 技術(shù)要求

（1）前端攝像機(jī)應(yīng)采用高性能DSP最高支持1920×1080/25fps，20倍光學(xué)變倍，具有電子圖像防抖動功能、圖像降噪功能，內(nèi)置紅外燈補(bǔ)光（距離大于100 m）和靈活的網(wǎng)絡(luò)擴(kuò)展能力。

（2）傳輸線路應(yīng)有足夠、穩(wěn)定的帶寬以保證傳輸信號質(zhì)量。

（3）視頻管理服務(wù)器應(yīng)支持高清網(wǎng)絡(luò)攝像機(jī)和高清解碼器接入，支持多網(wǎng)段設(shè)備接入，可通過多臺管理服務(wù)器級聯(lián)組建多級視頻監(jiān)控管理系統(tǒng)。

（4）智能分析管理服務(wù)器應(yīng)用嵌入式操作系統(tǒng)，支持16路實時網(wǎng)絡(luò)視頻流智能分析、報警，自動濾除雨雪、晃動干擾，支持視頻預(yù)覽、錄像及回放。

（5）監(jiān)測軟件應(yīng)具體智能分析漂浮物種類及估算漂浮物量基本符合實際情況。具有完善的用戶管理功能和嚴(yán)格的權(quán)限認(rèn)證機(jī)制，支持圖像資料下載等功能。

（6）監(jiān)測管理中心應(yīng)支持至少3個月視頻存儲，支持通過視頻畫面分割顯示，畫面切換輪巡

顯示，遠(yuǎn)程控制，人工、自動定時錄像等功能。

表1 漂浮物監(jiān)測系統(tǒng)前端監(jiān)測設(shè)備建設(shè)布置表

4 系統(tǒng)設(shè)計

4.1 系統(tǒng)架構(gòu)

漂浮物監(jiān)測和估算系統(tǒng)是以PC電腦為基礎(chǔ)，采用C/S系統(tǒng)構(gòu)架，分為客戶機(jī)和服務(wù)器2層：第一層是在客戶機(jī)系統(tǒng)上結(jié)合了表示與業(yè)務(wù)邏輯，第二層是通過網(wǎng)絡(luò)結(jié)合了數(shù)據(jù)庫服務(wù)器[1]。優(yōu)勢在于：客戶端和服務(wù)器直接相連。點對點的連接方式更安全，可以直接操作本地文本，比較方便，客戶端可以處理一些邏輯事務(wù)?？梢赃M(jìn)行數(shù)據(jù)處理和數(shù)據(jù)存儲。為用戶提供一系列完整的遠(yuǎn)程監(jiān)控功能及漂浮物數(shù)據(jù)分析及統(tǒng)計的系統(tǒng)，系統(tǒng)界面友好、可定制、操作方便，且具有良好的可擴(kuò)展性。

系統(tǒng)由服務(wù)器端及客戶端2個部分構(gòu)成，服務(wù)器可部署在不同地方，服務(wù)器提供用戶管理各種功能服務(wù)及數(shù)據(jù)統(tǒng)計及記錄功能，系統(tǒng)主要功能的展現(xiàn)在客戶端展現(xiàn)，實現(xiàn)實時監(jiān)控及漂浮物的相關(guān)查詢及統(tǒng)計，用戶可根據(jù)需要在客戶端對漂浮物的數(shù)據(jù)進(jìn)行備份統(tǒng)計及導(dǎo)出等，以供管理單位進(jìn)行相關(guān)的管理決策。漂浮物監(jiān)測及估算系統(tǒng)技術(shù)架構(gòu)模型見圖1[2]。

圖1 系統(tǒng)技術(shù)架構(gòu)模型圖

4.2 軟件平臺

軟件平臺采用基于IP網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)的高清智能集中監(jiān)控管理平臺[3]，包含對視頻，報警，存儲，大屏顯示等各個子系統(tǒng)的控制功能，還集成了智能分析等高級應(yīng)用子系統(tǒng)，支持后續(xù)擴(kuò)展其他子系統(tǒng)。各個子系統(tǒng)既可以獨立工作也可以互相聯(lián)動，達(dá)到對前端采集的高清視頻信號出現(xiàn)異常情況時作出迅速反應(yīng)。

為提河道安全防范的能力以及實現(xiàn)監(jiān)控中心統(tǒng)一高效管理下屬監(jiān)控點，新設(shè)計一套基于IP傳輸?shù)倪h(yuǎn)程視頻監(jiān)控系統(tǒng)。

智能分析平臺包含以下功能：（1）無縫接入已建成的前端高清視頻；（2）河道漂浮物面積算法；（3）河道漂浮物智能識別；（4）河道漂浮物智能統(tǒng)計。

智能分析具有以下特點：

（1）靈敏度高。報警基于視頻分析，實時分析，觸發(fā)規(guī)則立即報警，幾乎沒有延時。（2）安裝靈活。前端攝像機(jī)安裝位置不限，只需接入相應(yīng)區(qū)域視頻信號即可。（3）智能過濾規(guī)則。對人、物、飄浮物、灰塵等目標(biāo)可設(shè)定智能過濾規(guī)則，限定報警目標(biāo)，最大限度減少誤報。（4）規(guī)則全面識別率高。支持區(qū)域入侵檢測，物品檢測，人員徘徊，船舶停留等分析規(guī)則。自動濾除雨雪、晃動干擾，準(zhǔn)確率達(dá)99%。（5）方便維護(hù)。當(dāng)場景或設(shè)備更換后，只需進(jìn)入相應(yīng)設(shè)置選項內(nèi)修改配置參數(shù)即可，無需二次拆卸。（6）節(jié)省人力。智能化，自動化監(jiān)控報警，可減少巡查人員數(shù)量。

4.3 軟件功能設(shè)計

4.3.1 智能分析管理

平臺支持多種智能分析接入，智能分析可聯(lián)動多種報警聯(lián)動，包括入侵警戒區(qū)檢測、入侵警戒線檢測、徘徊檢測、劇烈運動檢測、物品搬移檢測、煙霧檢測、信號丟失檢測等。

（1）視頻質(zhì)量診斷和視頻丟失智能分析

可對前端攝像機(jī)視頻的清晰度、亮度、色彩、對比度、噪聲條干擾、干擾紋干擾、信號丟失、持續(xù)性抖動惡意遮擋劇烈變化、PTZ功能等異常進(jìn)行高速診斷，及時發(fā)現(xiàn)故障并快速處理，見圖2。

（2）漂浮物移動檢測分析

軟件支持多種智能分析功能，通過中心放置智能分析服務(wù)器分析攝像機(jī)前端采集的高清視頻信號，重點河道等區(qū)域，實現(xiàn)漂流物體移動檢測，船只進(jìn)入?yún)^(qū)域智能排除等功能。保證河道漂浮物的來源確定，發(fā)生異常情況后迅速聯(lián)動報警，監(jiān)控中心彈出現(xiàn)場視頻窗口，幫助管理員了解現(xiàn)場情況，見圖3。

圖2 視頻質(zhì)量診斷和視頻丟失智能分析

圖3 漂流物移動檢測分析

（3）漂浮物和船只區(qū)分分析

標(biāo)定時，根據(jù)經(jīng)驗設(shè)定檢測漂浮物大小，通過智能分析服務(wù)器對前端采集視頻信號源的分析，來有效判斷前端河道內(nèi)的是漂浮物還是船只。例如：小于8 m的認(rèn)定為漂浮物，智能區(qū)分船只和漂流物，見圖4。

圖4 漂流物和船只區(qū)分分析

（4）漂浮物數(shù)量統(tǒng)計分析

報警規(guī)則設(shè)定警戒線區(qū)域，穿越警戒線的物體，被識別之后會產(chǎn)生一條報警消息，一條報警消息對應(yīng)一個漂浮物，統(tǒng)計、存儲和顯示，統(tǒng)計的單位可以是按小時、天、周、月等。見圖5。

（5）漂浮物大小檢測分析

通過設(shè)定警戒線當(dāng)漂流物通過警戒線時，通過智能分析服務(wù)器對漂流物進(jìn)行長寬的檢測，通過智能檢測漂流大小，在事件窗口提示漂流長、寬，計算面積和大小。見圖6。

圖5 漂流物數(shù)量統(tǒng)計分析

圖6 漂浮物大小檢測分析

4.3.2 多級管理

管理平臺支持多級管理，實現(xiàn)信息共享，各部門、各系統(tǒng)的互聯(lián)、互通、互控，保證監(jiān)控中心對所轄河道狀況的實時掌控。一旦發(fā)生險情，可為領(lǐng)導(dǎo)安排指導(dǎo)工作提供現(xiàn)場依據(jù)，逐級傳達(dá)，快速與現(xiàn)場工作人員實時溝通。

4.3.3 集中管理

系統(tǒng)支持視頻子系統(tǒng)與其他子系統(tǒng)資源整合，統(tǒng)一管理[1]，多界面顯示，可以手動拖動擺放、設(shè)定隱藏、顯示或自動隱藏。支持提供1/4/8/9/12/16/25多分屏畫面顯示、多任務(wù)多屏顯示?？蓪蛻舳私缑孢M(jìn)行鎖屏，鎖屏后只能觀看不能操作，輸入密碼后可解鎖。支持資源查找搜索，還可以通過輸入監(jiān)控點名稱（漢字）拼音的首字母進(jìn)行快速查找。相關(guān)環(huán)境信息可疊加顯示在視頻畫面上，方便查看。支持對設(shè)備信息進(jìn)行報表制作、打印輸出等功能。

4.3.4 報警管理

系統(tǒng)前端設(shè)備報警，平臺可實時接收報警源發(fā)送的報警信息并根據(jù)報警預(yù)案將報警信息及時分發(fā)給相應(yīng)的用戶終端系統(tǒng)設(shè)備。當(dāng)報警發(fā)生時，用戶能通過預(yù)設(shè)方式自動啟動包括報警消息提示、彈出報警地圖、彈出視頻畫面、自定義聲音提示、視頻群組播放、視頻群組輪巡、報警輸出打開關(guān)閉、報警布防撤防、電視墻播放畫面、電視墻播放視頻群組、視墻開始視頻群組輪巡、調(diào)用攝像機(jī)云臺預(yù)置位、開始攝像機(jī)云臺巡航、開始攝像機(jī)云臺軌跡、攝像機(jī)開始錄像、手機(jī)短信通知、LED屏顯示信息、打印機(jī)打印報警信息、視頻疊加報警信息、視頻抓拍、Email發(fā)送、彈出預(yù)案文檔、門禁控制等23種聯(lián)動模式。建立報警日志及關(guān)聯(lián)圖像，事后可對報警信息進(jìn)行檢索，檢索條件包括報警設(shè)備、報警級別、報警類型、報警時間等。可對警情進(jìn)行分類統(tǒng)計，分析警情特點和趨勢，并能將統(tǒng)計結(jié)果以直觀的方式顯示。支持對報警信息進(jìn)行報表制作、打印輸出等功能。

4.3.5 音視頻實時畫面監(jiān)控管理

監(jiān)測音視頻實時控制[4]，直接拖放、窗口拖動并支持1/4/6/8/9/10/16多屏顯示，具備循環(huán)播放群組、實時視頻圖片抓拍、實時視頻錄像剪輯、圖像效果設(shè)置、實時語音監(jiān)聽、與監(jiān)控中心對講等功能。

4.3.6 語音對講管理

系統(tǒng)具有監(jiān)控中心之間語音雙向?qū)χv功能，前端設(shè)備可呼叫中心，中心也可呼叫任一前端設(shè)備，前端設(shè)備與中心接通后，立即進(jìn)入免提接通模式，雙方不進(jìn)行任何按鍵操作進(jìn)行雙向?qū)χv，任意一方結(jié)束通話后可自動斷開對講。語音廣播和呼叫可實現(xiàn)上級中心對多個特定職能分控或前端進(jìn)行語音廣播功能，并達(dá)到清晰的通話效果。此外，對講設(shè)備與預(yù)定義的攝像機(jī)可實現(xiàn)聯(lián)動。前端設(shè)備呼叫中心時，中心電子地圖出現(xiàn)相應(yīng)呼叫前端的圖示閃動信息，雙擊閃動圖標(biāo)可接通前端設(shè)備實現(xiàn)對講。中心可通過列表、電子地圖等多種方式向前端設(shè)備發(fā)起語音對講申請，前端設(shè)備均能收到申請并完成對講。

4.3.7 電視墻管理

系統(tǒng)支持多個電視墻服務(wù)器組合成任意布局模式的電視墻并可在同—界面進(jìn)行控制。支持模擬矩陣上墻、數(shù)字解碼卡硬解碼上墻和電腦多頭顯卡軟解碼上墻等多種上墻方式。支持電視墻手動切換、定時切換、分組切換、分組輪巡切換和報警切換等多種控制方式。對上墻的視頻可進(jìn)行云臺方向、轉(zhuǎn)動速度、攝像機(jī)變倍，焦距、光圈、云臺幵關(guān)、預(yù)置點、巡航路線等控制?？稍O(shè)定一組監(jiān)視器參與報警聯(lián)動排隊切換，最新聯(lián)動的圖像始終顯示在第一個，其他較早的報警圖像自動排隊顯示，設(shè)早的報警圖像將被踢出隊列，此功能結(jié)合自定義報警聲音提示可完美解決報警頻繁時無法在電視墻上準(zhǔn)確看到最新報警圖像的問題。

4.3.8 設(shè)備與資產(chǎn)管理

可在任意客戶端上配置、修改遠(yuǎn)程設(shè)備的各種參數(shù)。可以自動巡檢收集、監(jiān)測網(wǎng)絡(luò)內(nèi)的監(jiān)控設(shè)備、報警設(shè)備的運行情況，顯示設(shè)備上線和離線的時間?？梢圆樵冊O(shè)備的工作狀態(tài)，并能進(jìn)行遠(yuǎn)程重啟、升級等維護(hù)工作。在聯(lián)網(wǎng)系統(tǒng)內(nèi)部的設(shè)備應(yīng)能實現(xiàn)與主服務(wù)器時鐘進(jìn)行定期校準(zhǔn)，主服務(wù)器可以通過衛(wèi)星獲取標(biāo)準(zhǔn)時間進(jìn)行同步。支持對設(shè)備基本信息的查詢，支持對設(shè)備信息進(jìn)行報表制作、打印輸出等功能。

4.3.9 用戶與權(quán)限管理

具有用戶身份認(rèn)證功能，通過身份認(rèn)證的合法用戶才能進(jìn)入管理平臺。用戶可以與IP地址或MAC地址綁定，綁定后的用戶只能在指定IP或指定MAC地址的電腦上登錄。用戶和用戶組策略管理定義，功能和優(yōu)先級自定義，用戶設(shè)備權(quán)限精確到每個設(shè)備的各種操作。用戶可鎖定對視頻的瀏覽和PTZ的控制，髙優(yōu)先級用戶可搶奪低優(yōu)先級用戶的瀏覽和PTZ控制權(quán)限[1]。對于用戶的信息，系統(tǒng)提供了添加、修改、刪除和查詢用戶及用戶組的信息和權(quán)限以及用戶信息報表制作、打印輸出等功能。此外，用戶使用日志可以完整、準(zhǔn)確，能記錄操作人員進(jìn)入、退出系統(tǒng)的時間和操作等，日志信息同樣可以查詢和報表制作，并對過期日志進(jìn)行清理。詳見表2。

4.3.10 電子地圖管理

系統(tǒng)支持電子地圖功能[4]，實現(xiàn)移動目標(biāo)軌跡和位置速度信息的實時顯示，同時電子地圖支持與其他子系統(tǒng)的報警聯(lián)動，在發(fā)生報警后迅速彈出地圖，了解事故現(xiàn)場位置信息。

通過前端高清視頻采集，進(jìn)行視頻有效分析，將對前端的漂浮物進(jìn)行面積大小的計算，漂浮物數(shù)量的統(tǒng)計，船只與漂浮物的區(qū)分等進(jìn)行有效分析，并通過存儲提供實時監(jiān)看查詢記錄等功能。

5 結(jié)語

通榆河沿線河道水面漂浮物視頻監(jiān)測及估算系統(tǒng)自2015年投入試運行以來，經(jīng)歷了2年多的測試，并根據(jù)鹽城市水利局、興化市水務(wù)局和江蘇省泰州引江河管理處及省水利廳相關(guān)處室使用過程中的反饋意見和建議進(jìn)行了修改完善，目前系統(tǒng)運行良好。通過該系統(tǒng)可以實時掌握各河道水面漂浮物的來源，估算出漂浮物流經(jīng)量，進(jìn)而為科學(xué)布置漂浮物集中打撈點、提高打撈效率，落實屬地打撈清理責(zé)任、合理分配打撈資金提供了可靠的數(shù)據(jù)支撐。也為全面推行河長制新形勢下河道管理與保護(hù)信息化水平的提升進(jìn)行了有益探索。

表2 2016年9月鹽城市13個監(jiān)測點流經(jīng)漂浮物面積統(tǒng)計表

（續(xù)表 2）