基于深度學(xué)習與計算機視覺技術(shù)的“淺水之星”方案設(shè)計

王海淼，張云玲，冷自永，肖凌云，夏蒙慧

（安徽信息工程學(xué)院 大數(shù)據(jù)與人工智能學(xué)院，安徽 蕪湖 241000）

0 引 言

時至今日，傳統(tǒng)水產(chǎn)業(yè)養(yǎng)殖仍存在大量的人工喂食、排污等操作，顯而易見地暴露出人工成本高、支出資本過多等弊端。而“淺水之星”智慧養(yǎng)殖方案的設(shè)計，借助深度學(xué)習、物聯(lián)網(wǎng)、計算機視覺等技術(shù)，可以精準地實現(xiàn)智能溶氧、智能施肥等操作，節(jié)省大量的人力成本以及能源方面的消耗，實現(xiàn)更加科學(xué)、智能的養(yǎng)殖方式。

此外，構(gòu)建生態(tài)環(huán)境建設(shè)，踐行“綠水青山就是金山銀山”的戰(zhàn)略目標以及宣貫防溺水安全也是一直以來我國所重視的智慧城市建設(shè)板塊。而“淺水之星”智慧養(yǎng)殖方案的設(shè)計，借助深度學(xué)習[1]、物聯(lián)網(wǎng)、計算機視覺等技術(shù)，實現(xiàn)了中小型水域垃圾科學(xué)處理、智慧防溺水警報以及水體安全監(jiān)測等功能，為區(qū)域性環(huán)境改善和防溺水安全建設(shè)貢獻出一份力量。

1 基礎(chǔ)方案設(shè)計

1.1 智慧養(yǎng)殖子系統(tǒng)的方案設(shè)計

本文所述“淺水之星”裝置包括智慧養(yǎng)殖子系統(tǒng)和智慧城市子系統(tǒng)。智慧養(yǎng)殖子系統(tǒng)設(shè)置有濾水吸附裝置[2]、垃圾收集裝置、動力裝置、車水式增氧機[3]、應(yīng)變式壓力傳感器、垃圾回收裝置和養(yǎng)料收集裝置等。智慧養(yǎng)殖子系統(tǒng)的方案設(shè)計如圖1 和圖2 所示。圖1 和圖2 均采用分區(qū)設(shè)計，共用一套垃圾收集裝置、動力裝置、應(yīng)變式壓力傳感器裝置，二者的主要區(qū)別在于：圖1 的車水式增氧機采用物理增氧的模式，需要四周的滾輪傳動提供相應(yīng)的溶氧[4]，其功能不會占用和影響艙內(nèi)區(qū)域；而圖2 的養(yǎng)料收集裝置采用物理吸附加化學(xué)采集的手段協(xié)同收集養(yǎng)料，收集的養(yǎng)料需要占用艙內(nèi)的區(qū)域。

圖1 “淺水之星”智慧養(yǎng)殖溶氧系統(tǒng)裝置示意圖

圖2 “淺水之星”智慧養(yǎng)殖養(yǎng)料系統(tǒng)裝置示意圖

圖1 中的垃圾收集裝置與圖2 中的垃圾回收裝置，主要采用深度學(xué)習與計算機視覺技術(shù)來進行功能設(shè)計。利用一層全連接與二層神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)模型結(jié)合soft-max激活函數(shù)對圖像數(shù)據(jù)進行建模分析并得出分類識別算法，然后根據(jù)分類識別信息進行垃圾收集清理回收。

圖1 中的濾水吸附裝置、動力裝置和應(yīng)變式壓力傳感器與圖2 中的供力裝置、應(yīng)變式壓力傳感器，均采用物聯(lián)網(wǎng)以及相應(yīng)的機械制動技術(shù)進行功能設(shè)計。利用物理吸附[5]，處理垃圾回收的多余水漬；利用風光互補結(jié)合電池輔助供能，實現(xiàn)裝置內(nèi)動力的供給；通過壓力傳感器對裝置內(nèi)垃圾溢滿狀態(tài)進行檢測。

圖1 中的車水式增氧機與圖2 中的養(yǎng)料收集裝置，采用的是一體化的分區(qū)設(shè)計，并結(jié)合相應(yīng)的定時調(diào)度的物理操作進行功能設(shè)計。對所需任務(wù)調(diào)度的開始時間、中斷時間、結(jié)束時間進行設(shè)置，并及時對其進行資源補充，即可達到周期性地溶氧、施肥、收肥等效果。

1.2 智慧城市子系統(tǒng)的方案設(shè)計

智慧城市子系統(tǒng)的方案設(shè)計包括濾水吸附裝置、垃圾收集裝置、擋水板、動力裝置、信號發(fā)射接收裝置、應(yīng)變式壓力傳感器等。具體方案設(shè)計如圖3 所示。

圖3 “淺水之星”智慧城市子系統(tǒng)裝置示意圖

對于圖3 所示的①、③、④、⑥裝置設(shè)計，在1.1 節(jié)中已經(jīng)進行詳細說明，此處不再贅述。

采用深度學(xué)習、計算機視覺與物聯(lián)網(wǎng)等技術(shù)對圖3 中的垃圾收集裝置與信號發(fā)射接收裝置進行設(shè)計，實現(xiàn)垃圾識別分類、用戶畫像識別判斷、數(shù)據(jù)存儲分析、信息傳遞、語音識別反饋等功能。結(jié)合CNN 算法[6]、樹莓派技術(shù)等可以完整地實現(xiàn)垃圾收集整理、信息發(fā)射接收對應(yīng)的整套功能。

2 主要功能概述

2.1 智慧養(yǎng)殖子系統(tǒng)

智慧養(yǎng)殖子系統(tǒng)的功能如下：

（1）垃圾收集功能：以物理吸附和小型抓手的方式對水面中小型污垢及漂浮物等進行清理收集，并將收集垃圾放置于垃圾收集區(qū)等待濾水吸附操作。

（2）濾水吸附功能：對所吸附的污垢及漂浮物等進行固液分離，去除多余水漬，并將處理后的垃圾收集到回收區(qū)中，防止因載水過多影響裝置運行。

（3）垃圾回收功能：該部分與垃圾收集區(qū)互相分區(qū)獨立，主要完成濾水吸附后的垃圾存儲回收的功能。

（4）應(yīng)變式壓力傳感功能：該部分主要感應(yīng)垃圾回收區(qū)的垃圾是否達到溢滿狀態(tài)，當達到溢滿狀態(tài)時及時發(fā)出指令進行垃圾傾倒[7]。

（5）動力供應(yīng)功能：為系統(tǒng)提供相應(yīng)的能源供應(yīng)與助推力，該能源包括風光互補[8]能源及電池驅(qū)動，風光互補為主要能源供應(yīng)渠道，電池驅(qū)動為輔助應(yīng)急能源供應(yīng)渠道。

（6）車水式增氧機功能：該部分采取定時控制執(zhí)行的方式，采用物理溶氧技術(shù)進行水體溶氧。

（7）養(yǎng)料收集功能：該部分包括養(yǎng)料投送與回收操作。由控制員來選擇操作狀態(tài)，以機器設(shè)定好的距離配合視覺探測進行養(yǎng)料投送；利用視覺檢測，將未使用養(yǎng)料進行合理化回收。

2.2 智慧城市子系統(tǒng)

智慧城市子系統(tǒng)的功能主要包括：

（1）垃圾收集功能：采取吸附與抓取的操作來進行中小型垃圾的收集，將其傳送至濾水吸附倉中。

（2）濾水吸附功能：將收集到的垃圾進行濾水的剔除，防止因載水過剩影響裝置的運行效果。

（3）擋水板：在動力推進的作用下，擋水板主要用作排水輔助推動效果，并且為裝置進行相應(yīng)的防水操作。

（4）動力供應(yīng)功能：采取轉(zhuǎn)輪轉(zhuǎn)動的方式進行動力驅(qū)動，配合擋水板進行協(xié)同操作[9]。

（5）信號發(fā)射接收功能：采用紅外探測的視覺檢測[10]，檢測到有人入水時，發(fā)送信號至接收塔，接收塔將對反饋的信號進行搜集處理，并反饋至裝置做出相應(yīng)的指令。

（6）應(yīng)變式壓力傳感：該部分主要感應(yīng)垃圾收集區(qū)的垃圾是否達到溢滿狀態(tài)，當達到溢滿狀態(tài)時及時發(fā)出指令進行垃圾傾倒。

3 具體實施方式

3.1 智慧養(yǎng)殖子系統(tǒng)實施方式

根據(jù)體系化設(shè)計原則及相應(yīng)功能的劃分，“淺水之星”智慧養(yǎng)殖子系統(tǒng)的實施流程如圖4 所示。

圖4 “淺水之星”智慧養(yǎng)殖子系統(tǒng)實施流程

下面結(jié)合圖4 的操作流程以及圖1 和圖2 的裝置示意圖對“淺水之星”智慧養(yǎng)殖系統(tǒng)的相應(yīng)實施方式進行說明。

對于智慧溶氧系統(tǒng)的實施方式，圖1 主要展現(xiàn)了在智慧溶氧系統(tǒng)實施過程中“淺水之星”的主要工作是采用垃圾處理協(xié)同科學(xué)溶氧的方式進行。首先當裝置運行在水面上時，如果設(shè)置了周期性的調(diào)度任務(wù)，它會根據(jù)調(diào)度任務(wù)與車水式增氧機以及供力裝置相配合進行科學(xué)的溶氧操作；并且在進行指令操作期間，如果水面存在中小型垃圾，垃圾收集裝置會進行垃圾收集，并且將收集后的垃圾按照從濾水吸附裝置的濾水吸附到應(yīng)變式壓力傳感器的壓力檢測[11]這一流程來處理。考慮到在垃圾處理期間，同時進行溶氧操作可能會讓整體的運行效率忽高忽低，因此在進行垃圾處理時會同步減少溶氧操作的力度，這樣可以更好地平衡兩者的協(xié)同工作時間。

對于智慧養(yǎng)料系統(tǒng)的實施方式，圖2 主要展現(xiàn)了在智慧養(yǎng)料系統(tǒng)實施過程中“淺水之星”的主要工作形態(tài)。該裝置操作整體流程與溶氧系統(tǒng)[12]大體一致。但需要注意的是，在進行養(yǎng)料收集工作時，垃圾處理工作是無法進行的，因此從粒度上對養(yǎng)料和中小型垃圾進行區(qū)分，根據(jù)不同粒度進行相應(yīng)的養(yǎng)料和中小型垃圾的回收。這樣的實施流程是為了避免影響工作效率。其他對于垃圾處理的流程與溶氧系統(tǒng)是一致的，可參照上述描述。

3.2 智慧城市子系統(tǒng)實施方式

根據(jù)體系化設(shè)計原則及相應(yīng)功能的對應(yīng)劃分，“淺水之星”智慧城市子系統(tǒng)的實施流程如圖5 所示。

圖5 “淺水之星”智慧城市系統(tǒng)實施流程

下面結(jié)合圖5 的操作流程以及圖3、圖6 及圖7 的裝置形態(tài)圖對“淺水之星”智慧城市系統(tǒng)的相應(yīng)實施方式進行說明。

圖6 “淺水之星”智慧城市垃圾處理系統(tǒng)裝置形態(tài)

圖7 “淺水之星”智慧城市安全告警系統(tǒng)裝置示意圖

圖3 所示為“淺水之星”智慧城市子系統(tǒng)裝置總體示意圖。為了方便理解各個裝置的具體操作功能，將總體圖拆分為圖6 和圖7 進行實施流程闡述。圖6 是“淺水之星”在進行智慧城市垃圾處理時的主要工作形態(tài)圖，主要是將圖3 的垃圾處理裝置部分放大進行描述；而圖7 是對圖3中的信號發(fā)射接收裝置的更進一步描繪，并附帶各個裝置的功能名稱。

對于垃圾處理系統(tǒng)的實施方式，如圖6 所示，先通過裝置濾水吸附裝置和垃圾收集裝置，再配合動力供給裝置和水下推進裝置收集相應(yīng)的垃圾，并進行多余水漬的吸附；然后通過擋水板與水面支撐裝置的協(xié)同作用排除相應(yīng)的水漬；最后當需要卸運相應(yīng)的垃圾時，水面支撐裝置通過一定的變形讓艙內(nèi)所收集的垃圾及時地傾倒在垃圾回收處，傾倒結(jié)束后將信號發(fā)給總控裝置，并在總控裝置的調(diào)度下完成收縮的指令，再一次回到水面清運的狀態(tài)。

對于安全告警系統(tǒng)[13]的實施方式，如圖7 所示，先通過水下檢測裝置檢測是否探查到人物畫像，在特定的范圍內(nèi)對淺水域進行紅外掃描，一旦出現(xiàn)生物性指標，會將檢測結(jié)果以用戶畫像[14]的形式提交給信號接收反饋裝置，經(jīng)過信號接收反饋裝置的比對后做出相應(yīng)的指令；指令操作將被傳遞給信號發(fā)射接收裝置。該裝置運行機制為如下兩種：一是直接通信，與信號塔建立實時互聯(lián)，實現(xiàn)直接的信息交流，諸如語音交互等；二是間接通信，將紅外探測的信號以圖像的方式反饋給信號接收反饋裝置，將比對后的信息進行相應(yīng)的處理，而信號接收的機制主要通過語音交互來體現(xiàn)。在接收了信號接收反饋裝置的警報信號后，將會同步啟動內(nèi)置緊急報警裝置[15]，該裝置將已經(jīng)通過信號接收反饋裝置二次確認的結(jié)果進行傳遞，當收到信號時內(nèi)置緊急報警裝置采取相應(yīng)的調(diào)度。主要的調(diào)度手段有兩種形式：一是在白天采取語音播報的方式；二是在夜間采取燈閃加播報的方式，一旦檢測到識別物離開了警戒范圍，將停止播報并在紅外線裝置的輔助下檢測識別物是否離開所監(jiān)控的區(qū)域，從而判斷是否結(jié)束警報狀態(tài)。

4 結(jié) 語

本文以智慧養(yǎng)殖與智慧城市作為背景，針對存在的痛點情況設(shè)計了一款“淺水之星”用來解決人工溶氧、人工施肥、垃圾處理、溺水安全等問題，運用人工智能與物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)相融合進行合理化的功能設(shè)計，從而達到預(yù)期目標。后續(xù)將依托相應(yīng)的技術(shù)與設(shè)計理念進行“淺水之星”的研發(fā)生產(chǎn)，以更好地助力智慧養(yǎng)殖與智慧城市的發(fā)展。