東風渠河堤生物危害監(jiān)測防控系統(tǒng)研發(fā)

(1.四川省都江堰東風渠管理處，成都，610081；2.四川省水利科學研究院，成都，610072)

引言

通過對四川省水利工程安全監(jiān)管情況的調研發(fā)現(xiàn)，水庫、堤防、渠道、河堤等多存在白蟻等生物危害高發(fā)問題，嚴重威脅工程安全。四川省都江堰東風渠管理處，負責向成都市供水，同時肩負著分洪調蓄等重要職責，水利工程結構安全是東風渠管理處管理工作的重中之重。作為威脅到水利工程結構安全的生物危害，當前主要依靠人工巡查，效率低、耗時長、有盲區(qū)，無法全天候實時監(jiān)控。不同于一般水利工程安全威脅因素，生物危害一旦發(fā)現(xiàn)，其危害程度一般已經較深，必須及時處理。常規(guī)生物危害處理方法有物理法、化學法、生物法等，這些方法雖都能取得不錯的防治效果，但也存在明顯的不足。近年來，信息化技術在生物危害防治方面取得了較大進展，生物危害監(jiān)測防控的思想發(fā)生了深刻的變化，實現(xiàn)了從過去的被動式防控到現(xiàn)在的主動式防控的深刻轉變。被動式防控監(jiān)測方式原始，主要依靠人工巡查，耗時耗力，且治理手段落后，效果不持久；主動式防控利用信息化技術，擴充生物危害感知手段，擴大感知范圍，全天候、不間斷地進行動態(tài)識別，發(fā)現(xiàn)生物危害威脅時，同步進行滅殺工作，達到邊監(jiān)測邊治理的目標[1]。本研究將借鑒已在林業(yè)、畜牧業(yè)等行業(yè)廣泛應用的信息化監(jiān)測防治系統(tǒng)的成功經驗，結合四川省都江堰東風渠管理處的現(xiàn)實需求，開展示范點的研究及應用，建立河堤生物危害監(jiān)測防控系統(tǒng)，為提高水利工程安全監(jiān)管水平提供保障。

1 建設思路

1.1 系統(tǒng)目標

在借鑒其他信息化監(jiān)測防控系統(tǒng)的基礎上，應用先進的前端“有害生物誘導滅殺→視頻監(jiān)控”一體化集成裝置和設備，實現(xiàn)主動式監(jiān)測防控流程，搭建集在線監(jiān)測、識別預警、評估分析、設備管理為核心功能的水利工程生物危害監(jiān)測防控平臺。

1.2 需求分析

通過分析目前市面上的生物危害監(jiān)測防控系統(tǒng)，可以看出其發(fā)展趨勢。早期的生物危害防控系統(tǒng)，由于前端感知技術較為落后，更側重于防治知識庫的建設，為技術人員提供生物危害相關識別及防治的知識，目的是提高技術人員的工作能力；前端感知技術發(fā)展成熟后，出現(xiàn)了滅治-預防相結合的綜合防治技術，極大地降低了人力物力成本；在信息化發(fā)展的過程中，發(fā)現(xiàn)單純的前端感知傳感器在野外環(huán)境下會出現(xiàn)準確度和精度偏差，而軟件平臺端無法準確知悉這種變化，故定期需要對傳感器重新進行調校，以滿足正常使用需求；在新時期水利信息化和智慧水利思想的指導下，對生物危害防治提出了更高的要求，不僅要求信息化，而且在自動化和智能化上提出了新要求，體現(xiàn)在智能化生物危害識別、預警及評估上。軟件的需求包括兩個主要的方面，一個是監(jiān)測防控流程的實現(xiàn)；另一個是運行維護的實現(xiàn)[2-4]。

從東風渠管理處水利工程安全監(jiān)管的現(xiàn)實需求出發(fā)，當前東風渠管理處生物危害主要靠人工巡查及識別。鑒于信息化的快速發(fā)展，管理工作迫切需要新的技術手段和流程進行支撐。人工巡查比較難發(fā)現(xiàn)潛在的生物危害風險，無法提前介入進行處理，同時，在監(jiān)測手段上，傳統(tǒng)巡查方式只有在出現(xiàn)較為明顯的征兆時才能發(fā)現(xiàn)、識別及處理，不利于工作開展。目前，前端感知傳感器、視頻監(jiān)控技術手段趨于成熟，這些技術手段的應用，可以發(fā)現(xiàn)潛在的生物危害風險。尤其是在誘導滅殺裝置出現(xiàn)后，大大增強了發(fā)現(xiàn)潛在生物危害威脅的能力。誘導滅殺裝置需要人工進行輔助檢查，看是否存在生物危害，對于管理單位來說，還是不方便，再加之裝置在野外，更增加了維護的成本，同時，生物危害的識別及預警仍然需要人工輔助，達不到實時監(jiān)控的目的。本次前端將誘導滅殺和視頻監(jiān)控進行一體化集成，用視頻監(jiān)控手段充分實現(xiàn)信息化中“可視可信”的需求，相比于傳感器，當識別算法精度下降時，仍然可以通過人工輔助看視頻監(jiān)控的方式，進行識別及預警。

運行維護方面，東風渠管理處在渠道及渠系建筑物管理中，已經采用信息化手段建設了一批信息化管理系統(tǒng)，通過實際使用中的經驗來看，信息化系統(tǒng)的建設采用的都是先進的技術手段。但在系統(tǒng)移交給東風渠管理處后，由于普遍存在生物危害防治系統(tǒng)都有的問題，即前端感知硬件處在野外，運行條件惡劣，對運行維護造成相當大的困難，且施工單位移交后，什么時間運維、如何運維、誰來運維，成為棘手的問題。本次建設，需要以系統(tǒng)平臺為橋梁，打通管理方和運維方的聯(lián)系，疏通系統(tǒng)運行中各個環(huán)節(jié)，為系統(tǒng)長效穩(wěn)定運行提供支撐。

1.3 功能特點

(1)依托WebGIS，使用C#語言，基于MVC框架進行開發(fā)，開發(fā)周期短且難度較低，便于快速增減功能項，實現(xiàn)需求。

(2)完善的主動式防控流程功能點，自洽性良好，需要人工輔助的步驟少，操作簡單友好。同時，業(yè)務流程框架可兼容多種前端監(jiān)控裝置、后端識別預警方法及評估方法，不同應用場景可根據需求進行功能定制。

(3)設備管理模塊提供系統(tǒng)運行維護所需的各項功能，能有效避免信息系統(tǒng)因前端物聯(lián)感控設備缺少維護而導致的軟件平臺數據輸入缺失，系統(tǒng)損壞，是系統(tǒng)長期穩(wěn)定運行的重要支撐。

2 建設重點

2.1 “識別、預警、評估”流程

“識別→預警→評估”是一套閉環(huán)的流程，首先，生物危害動態(tài)識別就是一個自洽、自提高的流程，有害生物的識別算法，采用機器學習，在訓練和參數優(yōu)化中不斷提高算法的精確度；預警流程依賴于長時間序列的生物危害數據，當數據樣本足夠大時，可對生物危害的嚴重程度指標進行更為精確的設置；評估流程更依賴于處置措施前后的橫向及縱向對比，在不斷地調整中，不斷探索更為科學有效的處置方式。這三方面環(huán)環(huán)相扣，在系統(tǒng)設計中，將充分考慮實現(xiàn)這一流程化的管理。

在這一流程的實現(xiàn)中，需要考慮到使用場景和通用性的問題?！白R別→預警→評估”這一流程的每個環(huán)節(jié)，對于生物危害的監(jiān)控防治都是必須的，具體實現(xiàn)起來，各種技術、措施是不相同的，需要設計出一整套流程框架，將不同的技術融合進框架中，尤其是信息化、智能化技術不斷革新的趨勢下，前端采集設備經歷了從人工定期查看到誘殺裝置再到誘殺→監(jiān)控一體化裝置，流程的實現(xiàn)上，需要提供通用的接口，將不同的前端設備及技術兼容，提高復用性。

2.1.1 動態(tài)識別

本次動態(tài)識別采用視頻圖像算法，原理是通過將監(jiān)控視頻進行圖像抓取、圖像增強、灰度化處理、濾波處理、幀差對比流程，完成生物危害現(xiàn)狀的識別。

生物危害視頻在線監(jiān)測難點較多，本次以白蟻為例，白蟻數量的定量識別方法，主要難點在于：①視頻中白蟻的背景提取方法的改良，目前采用的方法主要是幀差法，缺點在于在幀差圖像中留下較大的陰影面積，影響目標(白蟻)的判斷，檢測結果不理想；②圖像中由于白蟻個體差異，形態(tài)學識別過程中對于腐蝕參數和膨脹參數的參數選定產生較大的影響；③攝像頭之間的差異，從某一個攝像頭中設定的參數不能直接作為其他攝像頭的參數，需要進行調整。本次需要著力解決以上幾個問題。

2.1.2 分級預警

分級預警環(huán)節(jié)對接動態(tài)識別的結果，同樣的，如果識別方法發(fā)生變化，相應的預警方法也要做出調整。以白蟻為例，如果采用視頻圖像動態(tài)識別的方式，預警就需要參考可識別到的白蟻數量，如果采用探地雷達觀測的方式，預警就需要參考水利工程的內部結構完整性。本次采用的預警方法，參考國家水利工程白蟻危害程度的等級界定方法，同時，設置閾值調整的功能，提供給管理人員進行調整，以便控制早期介入處置的時間點。

2.1.3 評估分析

評估分析環(huán)節(jié)處理來自識別及預警的數據流，主要是根據處理措施，評估前后的生物危害活動趨勢變化，分析措施的時效性和有效性。數據流的接口一確定，選擇合適的評估方法是這個業(yè)務閉環(huán)流程非常重要的支撐。

2.2 運行維護

運行維護在廣義上，不僅包括軟件系統(tǒng)的運行及維護，還包括前端設備的運行維護。生物危害監(jiān)測防控體系的前端硬件管理，包括各種區(qū)劃下的各種類型硬件的維護，同時還包括誘導滅殺制劑的使用情況管理。由于前端生物危害誘殺→監(jiān)控一體化設備是由多個部分的硬件組成的，各部分硬件使用壽命、更換方式等不盡相同，需要進行實時監(jiān)控；同時，硬件的維護，需要進行實時狀態(tài)的監(jiān)控。設備維護的各角色對接關系如圖1所示。

圖1 設備維護角色對接關系

3 系統(tǒng)設計

3.1 技術框架

本次開發(fā)考慮到管理中需要實時看到每個生物危害點位的直觀情況，故采用WebGIS進行點位信息的展示，同時，由于手機端和PC網頁端側重點不同，在開發(fā)時，采用前后端分離技術，后端使用C#語言，基于MVC模式進行開發(fā)；前端使用Typescript語言，在Angular框架下進行開發(fā)。該框架搭配Ionic移動框架，開發(fā)難度低，效率高，本次開發(fā)中數據量不大，底層采用MySQL數據庫。系統(tǒng)的技術框架如圖2所示。

圖2 生物危害監(jiān)測防控系統(tǒng)的技術框架

3.2 模塊設計

系統(tǒng)設計在實現(xiàn)識別、預警、評估流程化管理的基礎上，充分考慮到模塊、功能的邊界，本系統(tǒng)劃分為4個子模塊。系統(tǒng)核心功能及模塊如圖3、圖4所示。

圖3 系統(tǒng)核心功能

圖4 系統(tǒng)核心模塊

系統(tǒng)在實現(xiàn)方式上，考慮到使用人群及使用環(huán)境，提供PC網頁端平臺和手機端APP。PC網頁端平臺提供給管理中心工作人員使用；手機端APP提供給運行維護人員和各點位工作人員使用。不同平臺的功能側重點不同，共同服務于生物危害監(jiān)控防治。

3.2.1 在線監(jiān)測

在線監(jiān)測模塊依托于GIS，將生物危害的點位標示在圖中，通過點位的不同顏色圖示，直觀的將生物危害的程度反映在圖中，管理人員一目了然。同時，點擊圖例，在彈出的模態(tài)框中，以文字形式展示出生物危害的程度及生物危害的類型。在線監(jiān)測鏈接到前端的實時在線視頻監(jiān)控探頭，可直觀地看到點位實時監(jiān)控視頻，同時可驗證生物危害動態(tài)識別算法的可靠性，達到可視可信的效果。

3.2.2 識別預警

識別預警模塊分為識別和預警兩個子功能模塊，識別功能基于圖像識別算法；預警功能采用國家白蟻危害等級評定標準中關于水利工程白蟻危害等級評定的規(guī)定進行分級劃定。共分為三級，以綠→黃→橙顏色表示危害程度的加深。圖5為預警閾值設置界面，可進行生物危害圖斑個數設置和生物危害持續(xù)時間的設置。

圖5 系統(tǒng)預警閾值設置界面

3.2.3 評估分析

評估分析模塊包括橫向和縱向評估，即全局評估和單點評估，全局評估即在宏觀上評估整個區(qū)域發(fā)生生物危害的頻次和程度；單點評估即評估采取措施后，生物危害的活動情況。通過評估用以對比不同措施、不同時間節(jié)點介入前后的效果，評估措施的時效性和效果，為生物危害防控提供依據及支撐。

3.2.4 設備管理

從以往林業(yè)、畜牧業(yè)等生物危害防控信息化系統(tǒng)建設的經驗來看，與水利行業(yè)相似，前端感知設備長時間暴露于野外環(huán)境，易損壞，難維護。本次系統(tǒng)設計充分考慮到設備修理維護中遇到的問題，著力解決建設完成后系統(tǒng)與前端的管理對接，對前端設備分類型、分點位精確管理。同時，生物危害防治過程中的耗材，如誘導滅殺生物制劑的使用，都要進行記錄及信息管理，為評估分析模塊提供數據支持。

4 結論

生物危害監(jiān)測防控系統(tǒng)通過在東風渠管理處15個示范點位的應用，取得了良好的使用效果。平臺在目前現(xiàn)有的技術條件下，最大化地實現(xiàn)了生物危害監(jiān)測防控的自動化和智能化；平臺的業(yè)務流程框架，可進行功能擴展，便于根據使用場景及需求進行定制開發(fā)，具有高復用性，在水利工程生物危害防控領域具有廣泛推廣的應用前景。