鄱陽湖采砂監(jiān)管信息系統(tǒng)設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)

鄢煜川，胡 星

(1.江西省鄱陽湖水利樞紐建設(shè)辦公室，江西 南昌 330009； 2.中鐵水利水電規(guī)劃設(shè)計(jì)集團(tuán)有限公司，江西 南昌 330029)

鄱陽湖位于江西省北部，長江中下游南岸，是我國最大的淡水湖，得益于特殊的地理環(huán)境，湖區(qū)經(jīng)長期淤積，砂石資源豐富[1]。然而伴隨著經(jīng)濟(jì)高速發(fā)展，砂石需求量不斷增長，在可觀的經(jīng)濟(jì)利益驅(qū)動(dòng)下，超采濫挖等無序非法、采砂現(xiàn)象隨之加重，極大地影響了湖區(qū)防洪安全、航行安全、生態(tài)安全，嚴(yán)重威脅到社會(huì)穩(wěn)定。另一方面，鄱陽湖采砂監(jiān)管及執(zhí)法工作受限于湖區(qū)水域復(fù)雜、涉砂船數(shù)多、調(diào)查取證難、執(zhí)法人力不夠、監(jiān)督管理技術(shù)手段缺乏等現(xiàn)實(shí)難題，難以適應(yīng)日益繁重的監(jiān)管工作要求。當(dāng)前，人工智能、圖像識(shí)別、大數(shù)據(jù)分析、移動(dòng)互聯(lián)等一系列前沿信息技術(shù)正處于創(chuàng)新變革活躍期，創(chuàng)新成果賦能作用日益顯現(xiàn)，有力地促進(jìn)了社會(huì)治理水平的提高。因此，以信息化賦能社會(huì)治理精細(xì)化，為采砂監(jiān)管工作開辟了新的思路，利用新型信息技術(shù)來豐富監(jiān)管技術(shù)手段、提高采砂監(jiān)管工作效率是大勢所趨，也是促進(jìn)水政執(zhí)法工作現(xiàn)代化的必然要求。

1 采砂監(jiān)管現(xiàn)狀與需求分析

1.1 現(xiàn)狀分析

在對鄱陽湖采區(qū)監(jiān)管執(zhí)法工作實(shí)際進(jìn)行調(diào)研后發(fā)現(xiàn)，采砂監(jiān)管工作主要包括從時(shí)間、空間、數(shù)量3個(gè)維度開展。即監(jiān)管開采行為是否按照批準(zhǔn)的時(shí)段、區(qū)域和采量進(jìn)行，并及時(shí)察覺查處非法采砂行為。目前，國內(nèi)主要采用以下技術(shù)方式對采砂進(jìn)行監(jiān)管：①執(zhí)法車船進(jìn)行巡邏，但人力需求過大，監(jiān)測時(shí)段及區(qū)域有限[2]；②船載視頻監(jiān)控[3- 4]，一般安裝在執(zhí)法船上，利用實(shí)時(shí)視頻監(jiān)控輔助執(zhí)法取證；③岸基視頻監(jiān)控[5]，監(jiān)測范圍較小，有線網(wǎng)絡(luò)傳輸及運(yùn)行維護(hù)成本較高；④激光及脈沖雷達(dá)監(jiān)測[6- 7]，建設(shè)成本高，對動(dòng)態(tài)目標(biāo)如船只的監(jiān)測效果不佳。國內(nèi)各地雖已采用多種監(jiān)管信息化手段進(jìn)行了探索嘗試，但仍存在集約化程度低、智能應(yīng)用效果不理想、監(jiān)測監(jiān)控?cái)?shù)據(jù)分散、軟硬件設(shè)備未能充分整合、相關(guān)數(shù)據(jù)資源共享利用率低等弊端。綜上，面對日趨復(fù)雜的采砂監(jiān)管工作環(huán)境，亟需一套能夠滿足綜合執(zhí)法需求、協(xié)同高效的采砂智能監(jiān)管信息系統(tǒng)。

1.2 需求分析

堅(jiān)持問題導(dǎo)向，從采砂監(jiān)管工作實(shí)際出發(fā)，研究基于人工智能圖像識(shí)別、數(shù)據(jù)分析技術(shù)的采砂智能監(jiān)管系統(tǒng)主要開展以下方面工作：一是構(gòu)建完善的系統(tǒng)架構(gòu)，包括確定技術(shù)架構(gòu)選型，合理規(guī)劃構(gòu)建前端監(jiān)控監(jiān)測設(shè)施設(shè)備，搭設(shè)完整的系統(tǒng)底層框架；二是標(biāo)準(zhǔn)化的數(shù)據(jù)類型，為便于系統(tǒng)查詢統(tǒng)計(jì)、匯總，需要通過規(guī)范的數(shù)據(jù)標(biāo)準(zhǔn)確定各項(xiàng)數(shù)據(jù)能夠流暢調(diào)用，設(shè)計(jì)采砂數(shù)據(jù)庫的表格、字段名稱、類型與長度等數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)；三是網(wǎng)絡(luò)傳輸安全，在統(tǒng)一的網(wǎng)絡(luò)安全體系下，確保信息安全，構(gòu)建合理的網(wǎng)絡(luò)傳輸機(jī)制，對系統(tǒng)用戶實(shí)行權(quán)限劃分和多級(jí)用戶權(quán)限控制；四是智能化數(shù)據(jù)分析，對采集的圖像、視頻、傳感信息等數(shù)據(jù)進(jìn)行分析和處理，根據(jù)不同的監(jiān)管業(yè)務(wù)，實(shí)現(xiàn)差異化的應(yīng)用和智能化的分析，為決策及管理者提供參考依據(jù)。

2 系統(tǒng)架構(gòu)

2.1 系統(tǒng)架構(gòu)設(shè)計(jì)

根據(jù)鄱陽湖采區(qū)的實(shí)際情況和當(dāng)前采砂監(jiān)管與執(zhí)法管理模式，以采砂作業(yè)船、禁采區(qū)域等為重點(diǎn)監(jiān)管對象，依托實(shí)時(shí)監(jiān)測監(jiān)控?cái)?shù)據(jù)，提出構(gòu)建一套在技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)與業(yè)務(wù)規(guī)范體系和信息安全保障體系約束下，包含前端監(jiān)測數(shù)據(jù)采集、數(shù)據(jù)傳輸存儲(chǔ)、業(yè)務(wù)應(yīng)用、表現(xiàn)展示等5個(gè)邏輯層的采砂智能監(jiān)管信息系統(tǒng)總體架構(gòu)。具體如圖1所示。

圖1 系統(tǒng)總體架構(gòu)

(1)數(shù)據(jù)采集層的目的是采集出入采區(qū)的各式船舶、采砂作業(yè)船的實(shí)時(shí)監(jiān)測監(jiān)控?cái)?shù)據(jù)。主要建設(shè)內(nèi)容包括在采砂船上安裝智能精確傳感設(shè)備，在湖區(qū)涉砂重要水域安裝紅外熱成像高清視頻監(jiān)控設(shè)施等。

(2)數(shù)據(jù)傳輸層負(fù)責(zé)將采集到的數(shù)據(jù)利用無線互聯(lián)網(wǎng)、有線寬帶或水利專網(wǎng)等方式傳輸。同時(shí)將校驗(yàn)完成并分類整理好的數(shù)據(jù)儲(chǔ)存到各類數(shù)據(jù)庫中或直接為業(yè)務(wù)應(yīng)用層提供數(shù)據(jù)支持。

(3)數(shù)據(jù)存儲(chǔ)層可滿足業(yè)務(wù)應(yīng)用層對數(shù)據(jù)服務(wù)的需求，及時(shí)地對數(shù)據(jù)進(jìn)行轉(zhuǎn)換、加工和過濾。主要作用是對應(yīng)用系統(tǒng)進(jìn)行數(shù)據(jù)支撐，滿足數(shù)據(jù)調(diào)閱和及時(shí)存儲(chǔ)的需求，由綜合數(shù)據(jù)庫、空間數(shù)據(jù)庫、船只資料數(shù)據(jù)庫、采區(qū)信息數(shù)據(jù)庫等組成，存儲(chǔ)包括基礎(chǔ)信息、空間數(shù)據(jù)、可采區(qū)資料庫、采砂船資料庫、實(shí)時(shí)采砂監(jiān)控?cái)?shù)據(jù)和采砂量統(tǒng)計(jì)信息等。

(4)業(yè)務(wù)應(yīng)用層主要承載信息系統(tǒng)的所有業(yè)務(wù)功能以及能夠支撐各類應(yīng)用的服務(wù)軟件，主要包括：Web服務(wù)器、數(shù)據(jù)庫管理軟件、數(shù)據(jù)交換軟件、GIS及空間服務(wù)軟件和消息中間件等[8]。

(5)系統(tǒng)表現(xiàn)層是系統(tǒng)用戶與應(yīng)用軟件之間的接口[9]。本系統(tǒng)研發(fā)基于J2EE平臺(tái)，采用B/S結(jié)構(gòu)，可利用水利專用網(wǎng)絡(luò)或互聯(lián)網(wǎng)與應(yīng)用軟件連接。

2.2 數(shù)據(jù)采集與監(jiān)測設(shè)備

采砂監(jiān)管業(yè)務(wù)實(shí)現(xiàn)智能化需要大量的數(shù)據(jù)作為基礎(chǔ)，數(shù)據(jù)的采集離不開前端監(jiān)測監(jiān)控設(shè)施設(shè)備的布設(shè)。本系統(tǒng)根據(jù)監(jiān)管工作流程，結(jié)合實(shí)際需要，主要對涉砂船只圖像信息、作業(yè)狀態(tài)、實(shí)時(shí)開采砂石量等進(jìn)行監(jiān)測監(jiān)控，本系統(tǒng)主要利用以下兩種設(shè)備實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)采集。

(1)紅外熱成像高清視頻監(jiān)控，可適應(yīng)鄱陽湖湖區(qū)復(fù)雜氣象條件，具備全天候拍攝、遠(yuǎn)距離抓拍、抗氣象干擾等技術(shù)優(yōu)勢，對比普通的攝像機(jī)和微光夜視監(jiān)控設(shè)備，各項(xiàng)技術(shù)參數(shù)優(yōu)勢明顯。在采區(qū)重要水域進(jìn)行布設(shè)，針對非法采砂、偷運(yùn)盜運(yùn)等行為進(jìn)行偵查和取證，再將數(shù)據(jù)資料及監(jiān)控信息傳輸并保存至后臺(tái)服務(wù)器中。

(2)船載智能傳感設(shè)備，主要監(jiān)控對象是具有合法采砂資格的采砂船，實(shí)現(xiàn)開采全過程管理，通過在辦理了采砂許可證的采砂船上安裝具備嵌入式架構(gòu)的無線智能傳感設(shè)備來實(shí)現(xiàn)對采砂作業(yè)的精準(zhǔn)感知。傳感器由設(shè)備管理、衛(wèi)星信號(hào)接收、身份識(shí)別、視頻監(jiān)控、工作狀態(tài)采集、采砂量監(jiān)測等6大工作模塊組成，主要功能包括收集采砂船身份、開機(jī)狀態(tài)、行駛軌跡等信息，并對超時(shí)段、超區(qū)域、超限量開采進(jìn)行有效預(yù)警和控制，進(jìn)一步規(guī)范采砂行為。

對采砂船只開采量進(jìn)行監(jiān)管，是采砂監(jiān)管的核心工作，也是衡量采砂是否合規(guī)，判斷采區(qū)開采程度的重要技術(shù)指標(biāo)。采砂量監(jiān)測模塊作為采量監(jiān)管技術(shù)的核心，工作原理：當(dāng)采砂機(jī)械開機(jī)，安裝在采砂機(jī)械上的感應(yīng)設(shè)備及智能傳感器會(huì)同時(shí)啟動(dòng)，采集鉸鏈電機(jī)轉(zhuǎn)速、出砂皮帶運(yùn)行時(shí)間，結(jié)合預(yù)先設(shè)定的鏈斗核定裝載量、電機(jī)功率等關(guān)聯(lián)信息來確定本次開采時(shí)長及初步開采量數(shù)據(jù)。為得到更加精確的數(shù)據(jù)，還需要對數(shù)據(jù)進(jìn)行校核，對不同采區(qū)進(jìn)行產(chǎn)量預(yù)測和評(píng)估，確定砂石資源優(yōu)劣度，通過合理調(diào)整系數(shù)來精確核算采區(qū)砂石開采量數(shù)據(jù)。

3 系統(tǒng)功能

系統(tǒng)的功能可包涵采砂監(jiān)管業(yè)務(wù)的主要環(huán)節(jié)，包括：基礎(chǔ)信息管理、采砂管理一張圖、采砂作業(yè)智能監(jiān)管、采砂船識(shí)別、統(tǒng)計(jì)分析、系統(tǒng)管理等。系統(tǒng)的功能結(jié)構(gòu)具體如圖2所示。

圖2 系統(tǒng)功能結(jié)構(gòu)

(1)基礎(chǔ)信息管理功能包括對采區(qū)及禁采區(qū)信息、采砂許可證信息、采砂船基礎(chǔ)資料等信息數(shù)據(jù)進(jìn)行新增、查詢、修改和刪除等操作。

(2)采砂管理一張圖主要基于省水利地理信息平臺(tái)，在基礎(chǔ)地理圖層上按照采區(qū)控制規(guī)劃明確的采區(qū)和禁采區(qū)信息及坐標(biāo)，進(jìn)行圖層疊加，以電子地圖方式實(shí)時(shí)可視化展現(xiàn)出采區(qū)、開采作業(yè)船、集中?？看⒁詧D形化的方式體現(xiàn)出這些船只的數(shù)量、工作狀態(tài)、運(yùn)動(dòng)軌跡，系統(tǒng)用戶可直觀地進(jìn)行查看和操作；利用電子圍欄技術(shù)，在系統(tǒng)中對特定采區(qū)設(shè)置時(shí)段、界限、采砂量、船只身份信息等參數(shù)和對應(yīng)約束條件，對采砂異常行為(如超量、越界采砂)在電子地圖上提供可視化的告警或預(yù)警信息。

(3)采砂作業(yè)智能監(jiān)管主要依托將船載智能傳感設(shè)備對開采數(shù)據(jù)進(jìn)行智能化分析和處理，可實(shí)時(shí)掌握采砂船工作狀態(tài)，包含越界采砂、無證采砂、超量采砂智能判定功能模塊。

①越界采砂、無證采砂智能判定功能模塊

智能傳感器在監(jiān)測到采砂船開始作業(yè)后，將船只定位信息、船只身份信息、圖像信息、機(jī)械開機(jī)狀態(tài)、作業(yè)時(shí)長等數(shù)據(jù)通過內(nèi)置的多通路傳輸模塊以3G/GPRS無線傳輸?shù)较到y(tǒng)后臺(tái)應(yīng)用服務(wù)器，再與許可證上的采區(qū)位置、允許時(shí)間等要素進(jìn)行綜合比對，判定是否符合預(yù)設(shè)規(guī)則，具體流程如圖3所示。

圖3 越界智能判定流程

②超量采砂智能判定功能模塊

通過采砂量監(jiān)測模塊，對采量監(jiān)測數(shù)據(jù)、配載信息等進(jìn)行智能分析和處理，計(jì)算采砂船在某段時(shí)間內(nèi)的總采砂量，在系統(tǒng)中完成率定后與設(shè)定的許可采量進(jìn)行對比，實(shí)現(xiàn)對采砂超限行為的告警，具體流程如圖4所示。

圖4 超量智能判定流程

(4)采砂船識(shí)別功能的主要目的是為水政執(zhí)法人員迅速識(shí)別、查處非法采運(yùn)的船只提供技術(shù)支持。利用分布在采區(qū)的紅外熱成像高清視頻監(jiān)控，自動(dòng)監(jiān)測過往船只，拍攝船只圖像并提取重要外形特征，通過構(gòu)建船只特征數(shù)據(jù)庫，結(jié)合人工智能算法進(jìn)行智能識(shí)別，對出現(xiàn)在采區(qū)水域的可疑船只進(jìn)行自動(dòng)取證，留存影像數(shù)據(jù)，并向執(zhí)法人員發(fā)出提示預(yù)警信息。基于人工智能技術(shù)的船只圖像識(shí)別過程[10]主要步驟：首先由前端監(jiān)控監(jiān)測設(shè)備采集數(shù)據(jù)，并構(gòu)建對應(yīng)數(shù)據(jù)庫；對數(shù)據(jù)進(jìn)行去噪、平滑及變換等預(yù)處理操作，標(biāo)繪凸顯出圖像重要信息特征；再提取各圖形的特殊或差異化特征進(jìn)行分類儲(chǔ)存，建立該特征值數(shù)據(jù)庫；按照制定好的識(shí)別規(guī)則識(shí)別類似特征種類，通過辨別分析特殊特征，實(shí)現(xiàn)圖像智能識(shí)別的目標(biāo)。

(5)統(tǒng)計(jì)分析功能主要實(shí)現(xiàn)采量信息統(tǒng)計(jì)、船只信息統(tǒng)計(jì)、告警信息統(tǒng)計(jì)，系統(tǒng)可提供統(tǒng)計(jì)信息的自定義、報(bào)表自動(dòng)生成等功能。

(6)系統(tǒng)管理功能實(shí)現(xiàn)對系統(tǒng)用戶及使用權(quán)限、監(jiān)測設(shè)施運(yùn)行狀態(tài)進(jìn)行管理和維護(hù)。

4 系統(tǒng)功能實(shí)現(xiàn)及應(yīng)用

按照鄱陽湖采砂監(jiān)管信息系統(tǒng)設(shè)計(jì)思路和建設(shè)目標(biāo)，系統(tǒng)研發(fā)集成了J2EE平臺(tái)、B/S架構(gòu)、智能監(jiān)測傳感、人工智能圖像識(shí)別等先進(jìn)技術(shù)，根據(jù)實(shí)際業(yè)務(wù)需求，對省、市、縣3級(jí)執(zhí)法隊(duì)伍及水行政主管部門的權(quán)限進(jìn)行分配，構(gòu)建各類數(shù)據(jù)庫，不斷積累監(jiān)測數(shù)據(jù)，實(shí)現(xiàn)各業(yè)務(wù)功能充分使用。系統(tǒng)上線運(yùn)行后，在鄱陽湖采區(qū)進(jìn)行了應(yīng)用，監(jiān)控并識(shí)別涉砂船1萬余艘，為水政執(zhí)法部門查處涉砂違法行為提供數(shù)百條取證信息，受到各使用單位的好評(píng)。

5 結(jié)語

本系統(tǒng)為鄱陽湖區(qū)采砂監(jiān)管工作提供了有效的技術(shù)支持，對湖區(qū)非法采砂行為進(jìn)行了有力的震懾，提升了采砂監(jiān)管工作水平，提高了采砂監(jiān)管技術(shù)能力。為推進(jìn)實(shí)現(xiàn)采砂監(jiān)管工作的精細(xì)化和現(xiàn)代化提供了新的手段和技術(shù)創(chuàng)新，系統(tǒng)也可為其它地區(qū)開展采砂監(jiān)管信息化工作提供參考借鑒。下一步，系統(tǒng)將在現(xiàn)有監(jiān)測資料數(shù)據(jù)的基礎(chǔ)上，繼續(xù)探索與大數(shù)據(jù)分析和人工智能技術(shù)的深度應(yīng)用，不斷豐富應(yīng)用場景，完善系統(tǒng)功能。