唐 敏, 鐵治欣, 丁成富, 方 賢

1(浙江理工大學 信息學院,杭州 310018)

2(聚光科技(杭州)股份有限公司,杭州 310052)

隨著經(jīng)濟社會的發(fā)展,人們對城市河道的功能要求從單純的通航、灌溉、行洪逐步向有優(yōu)美景觀、良好水生態(tài)和安全水環(huán)境等多位一體轉(zhuǎn)變. 特別是在《浙江省水污染防治行動計劃》正式發(fā)布以后,政府提出大力推進生態(tài)文明建設,如何通過城市河道養(yǎng)護管理來鞏固和提升水環(huán)境質(zhì)量擺在了更突出的位置[1]. 近年來,對于河道管理系統(tǒng)的研究得到了很多國內(nèi)外專家的重視,一些專門為河道管理而設計的管理系統(tǒng)、監(jiān)控系統(tǒng)應運而生,不同程度地提高了管理的科學性、高效性和準確性. 如：陳相東[2]設計的天津市行洪河道管理信息系統(tǒng)為天津市河道管理部門提供了行洪河道管理信息共享的網(wǎng)絡化平臺. 曾志長等[3]設計的基于IEGIS的智慧河長信息管理系統(tǒng),實現(xiàn)了數(shù)據(jù)的實時采集、基本信息的管理、對數(shù)據(jù)分析結(jié)果進行展示等等,降低了河道信息管理的許多重復性工作. 夏悅玥等[4]設計的基于時間序列的蘇州城市河道管理信息綜合信息化系統(tǒng)能自動收集各類水文氣象、河道信息等海量數(shù)據(jù),并對這些數(shù)據(jù)進行處理. 王旭陽[5]設計了河道巡查巡視管理手機端系統(tǒng),通過手機定位和攝像等功能實現(xiàn)巡查人員自動定位、現(xiàn)場取證.

目前,河道基礎數(shù)據(jù)的獲得主要依靠河道巡查人員通過日常的巡查巡視進行收集與上報,但傳統(tǒng)的巡檢模式存在工作數(shù)據(jù)量大、工作效率低、巡檢人員是否按照既定的時間和路線完成巡檢任務在巡查記錄中無法體現(xiàn)、巡檢發(fā)現(xiàn)的問題得不到及時處理等問題.針對以上問題,本文設計了移動端智慧河道管理系統(tǒng),本系統(tǒng)是基于位置服務(Location Based Services,LBS)的河道管理系統(tǒng),巡查養(yǎng)護工作人員可以使用該系統(tǒng)獲取定位信息、記錄軌跡并上傳至服務器,管理人員可實時查看工作人員的軌跡. 同時,本系統(tǒng)利用基于指數(shù)標度的層次分析法對養(yǎng)護事件進行建模,用于評價河道污染等級排名并推送給河道管理人員,使管理人員了解該區(qū)域內(nèi)河道的污染情況,并及時采取相應的治理措施.

1 系統(tǒng)設計

1.1 系統(tǒng)總體設計

系統(tǒng)主要由移動應用程序(Application,APP)客戶端和服務端組成,客戶端軟件為智能手機APP,可廣泛使用在手機、平板等設備上. 服務器端由應用服務器、數(shù)據(jù)庫服務器和文件服務器組成. 數(shù)據(jù)庫采用MySQL數(shù)據(jù)庫,地圖服務采用百度地圖API實現(xiàn),客戶端和服務器端之間采用HTTP協(xié)議進行通信,數(shù)據(jù)格式采用JSON格式,系統(tǒng)架構(gòu)如圖1所示.

圖1 系統(tǒng)架構(gòu)圖

1.2 系統(tǒng)功能

系統(tǒng)功能分為移動端功能和服務器端功能,移動端有四種用戶權(quán)限,分別為：養(yǎng)護人員、巡查人員、考核人員、運維主管,移動端的主要功能如圖2所示.

1) 首頁. 首頁分為三個模塊,統(tǒng)計信息、待辦事項和任務廣場. 統(tǒng)計信息模塊能直觀看到巡查養(yǎng)護的事件數(shù)、發(fā)生事件類型占比以及河道污染事件排名. 待辦事項顯示用戶所有的待辦事項,可進行受理、核實等操作. 任務廣場的功能是管理所有新增模塊的新任務,可以進行任務下發(fā)或認領(lǐng)操作.

2) 填報. 填報分為養(yǎng)護填報、巡查填報和考核填報,養(yǎng)護、巡查、考核人員分別在對應的模塊填報日志.

3) 新增. 新增分為發(fā)布事件或發(fā)布任務,河道養(yǎng)護、巡查、考核人員可以通過圖片或視頻的方式發(fā)布事件,運維主管可根據(jù)需要使用該功能發(fā)布任務.

4) 關(guān)注. 關(guān)注模塊可查看所有的巡查養(yǎng)護工作,分為事件、任務、養(yǎng)護、巡查、考核五個部分,若想關(guān)注此內(nèi)容,可點擊選項標記為關(guān)注.

5) 我的. 管理用戶的基本信息以及查看自己關(guān)注的詳情等.

圖2 移動端軟件功能

1.3 系統(tǒng)流程

具體工作流程如圖3所示.

1) 養(yǎng)護人員在養(yǎng)護過程中可以使用該APP記錄軌跡并以視頻或圖片的形式加以文字描述填報養(yǎng)護日志,完成后在新增模塊發(fā)布養(yǎng)護事件.

2) 養(yǎng)護人員發(fā)布事件后,運維主管可以看到新增的事件并通知相關(guān)人員處理,處理后將該事件下發(fā)給巡查人員,巡查人員根據(jù)處理后的情況填報巡查日志并在新增模塊發(fā)布巡查事件.

3) 運維主管再將巡查事件下發(fā)給考核人員,考核人員能夠在APP上查看養(yǎng)護人員的巡查軌跡及任務,并對該養(yǎng)護事件的處理情況打分,考核合格后將事件歸檔.

圖3 系統(tǒng)工作流程圖

1.4 移動端軟件界面

移動端軟件的部分界面如圖4至圖7所示. 圖4所示為移動端首頁中的統(tǒng)計信息界面,展示該月的巡查養(yǎng)護情況、發(fā)生時間類型占比以及河道污染事件排名. 圖5所示為養(yǎng)護日志填報界面,可以選擇養(yǎng)護河道的名稱、養(yǎng)護人員、養(yǎng)護類型,同時點擊中間按鈕開始記錄軌跡. 圖6為新增界面,可選擇發(fā)布事件或任務.圖7為關(guān)注界面,點擊列表可將該條內(nèi)容標記為關(guān)注.

圖4 移動端首頁界面

圖5 日志填報界面

圖6 新增界面

圖7 關(guān)注界面

2 關(guān)鍵技術(shù)實現(xiàn)

作為河道管理系統(tǒng),不僅要降低巡查工作過程中的信息漏洞和盲點,還要準確地知道該地區(qū)河道的污染情況并能及時給出解決方案,從而提高河道工作人員的效率. 所以準確的記錄巡查養(yǎng)護軌跡、了解河道污染等級排名并及時向有關(guān)工作人員推送河道污染信息是該系統(tǒng)的重點內(nèi)容. 本部分將重點介紹上述問題所涉及的一些關(guān)鍵技術(shù).

2.1 軌跡糾偏算法設計

本系統(tǒng)的難點在于繪制軌跡,在客戶端啟用地圖服務,目前的解決方案有兩種選擇：一種是調(diào)用Android系統(tǒng)提供的API,使用自帶的谷歌地圖服務;另一種是使用國內(nèi)廠商提供的免費的地圖服務,經(jīng)過對兩個方案的對比,本系統(tǒng)采用百度地圖服務.

百度地圖支持GPS定位和網(wǎng)絡定位,將定位模式設置為高精度定位模式時,系統(tǒng)會同時使用GPS定位和網(wǎng)絡定位,優(yōu)先返回精度最高的定位結(jié)果. 但是,當GPS信號和移動網(wǎng)絡信號不好的情況下,獲取到的定位信息可能是錯誤的或者誤差很大,所以導致繪制的軌跡不平滑并且有偏移. 百度地圖也提供了軌跡糾偏接口,可以對獲取的點位進行去噪、綁路、抽稀,去除定位噪點和冗余點,進行實時軌跡糾偏. 但只有在移動網(wǎng)絡好的情況下,它才能發(fā)揮作用,當信號不穩(wěn)定時,繪制的軌跡就會不平滑并且有偏移.

本系統(tǒng)重新設計了軌跡糾偏算法,不依賴百度地圖糾偏接口和高速移動網(wǎng)絡,過濾無效、冗余、甚至是錯誤的位置信息,使繪制的軌跡平滑、無偏移. 軌跡糾偏算法如下：

Step 1. 獲取當前軌跡點位置信息,判斷其精度是否大于設置的精度,若否,則舍棄,重復本步直到獲得精度滿足要求的軌跡點; 若是,則放入locationList(未過濾軌跡點集合)中.

Step 2. 若locationList中的軌跡點個數(shù)小于3,則返回Step 1.

Step 3. 根據(jù)軌跡點的經(jīng)緯度分別計算locationList中3個點與當前位置點的距離和速度.

Step 4. 若距離和速度不滿足系統(tǒng)設置的閾值范圍,則舍棄. 若滿足,則保留.

Step 5. 根據(jù)軌跡點的方向判斷是否是拐點,若3個點中有一個的方向與其他兩個點不一致,則這個點可能是錯誤的,故舍棄,返回Step 1,繼續(xù)獲取當前軌跡點位置信息.

Step 6. 將保留的軌跡點添加到pointList(過濾后的軌跡點集合)中,若pointList的size大于等于3時,利用百度地圖API中畫折線的方法PolylineOptions()[6]繪制軌跡,否則返回Step 1.

在軌跡糾偏算法支持下,系統(tǒng)采用如圖8所示的河道軌跡管理流程來管理河道軌跡,并繪制河道軌跡,如圖9所示,為系統(tǒng)在某實際現(xiàn)場繪制的軌跡截圖.

圖8 軌跡管理流程圖

圖9 軌跡截圖

2.2 基于指數(shù)標度層次分析法的河道污染等級評價模型

人們在比較、評價、決策時,通常會涉及幾個方面的因素,這些因素的重要性很難量化,所以用一般的方法解決此類問題非常困難. 目前,國內(nèi)外計算權(quán)重系數(shù)的方法主要有：主成分分析法[7]、特爾斐專家評估法(Delphi)[8]、層次分析法(AHP)[9]. 其中,層次分析法是一種定性和定量相結(jié)合的、系統(tǒng)化、層次化的分析方法,被廣泛應用于各個領(lǐng)域. 然而,Saaty等人提出的層次分析法采用1-9標度構(gòu)造成對比較矩陣,存在部分缺陷,容易導致判斷矩陣一致性不符合思維一致性、評定結(jié)果出現(xiàn)逆序等問題[10]. 舒康等依據(jù)心理學上韋伯-費希納定律建立的指數(shù)標度較好的解決了這一問題,并給出1-9標度和指數(shù)標度的對應關(guān)系[11],如表1所示.

表1 指數(shù)標度與1-9標度的對應關(guān)系

2.2.1 建立河道污染等級評價模型

對于本文中的評價因子,以往是按照專家建議的權(quán)重來評價河道污染等級,由于不同的專家給出的建議權(quán)重不同,所以得出的結(jié)果也會有差別. 為了得到更加準確的河道污染等級排名,本系統(tǒng)將基于指數(shù)標度的層次分析法應用到河道污染等級評價中,構(gòu)造判斷矩陣,計算出各因子的權(quán)重系數(shù).

在本系統(tǒng)中,污染最嚴重的河道往往養(yǎng)護事件最多、養(yǎng)護事件最嚴重、養(yǎng)護事件關(guān)注數(shù)最多,因此領(lǐng)導也更加重視這些河道. 因此河道污染等級的決定因子為：養(yǎng)護事件的嚴重程度、養(yǎng)護事件個數(shù)(即養(yǎng)護人員填報的事件個數(shù))、養(yǎng)護事件關(guān)注數(shù)(即在關(guān)注界面標記為關(guān)注的養(yǎng)護事件個數(shù)),數(shù)學模型可以用下式表達：

其中I表示評價結(jié)果值,I值由每個影響因子根據(jù)對應的權(quán)重計算得到,I值越大說明該河道污染越嚴重,Qi代表第i種影響因子的分指數(shù),Wi為第i種因子的權(quán)重,根據(jù)基于指數(shù)標度的層次分析法(Analytic Hierarchy Process,AHP)來計算. 計算過程如下：

1) 建立層次模型

在本系統(tǒng)中,由決定因子構(gòu)成的層次分析模型如圖10所示.

養(yǎng)護事件的嚴重程度由養(yǎng)護人員在填報養(yǎng)護事件時手動選擇,分為一般、嚴重和非常嚴重3個等級,規(guī)定3個等級的分指數(shù)Q1分別為30、60和100.

某河道養(yǎng)護事件個數(shù)的分指數(shù)計算公式為：

其中Cmax為所有待評價河道的養(yǎng)護事件總數(shù),C為某河道的養(yǎng)護事件個數(shù).

某河道養(yǎng)護事件關(guān)注數(shù)的分指數(shù)計算公式為：

其中Fmax為所有待評價河道的養(yǎng)護事件關(guān)注總數(shù),F為某河道的養(yǎng)護事件關(guān)注數(shù)(統(tǒng)計標記為關(guān)注的事件數(shù)).

圖10 河道污染等級層次結(jié)構(gòu)圖

2) 構(gòu)建判斷矩陣

令養(yǎng)護事件的嚴重程度為A,養(yǎng)護事件個數(shù)為B,養(yǎng)護事件關(guān)注數(shù)為C.

根據(jù)調(diào)查經(jīng)驗判斷：A比B稍微重要,B比C明顯重要,A比C強烈重要. 按照表1的標度值構(gòu)造判斷矩陣：

計算可得矩陣M的最大特征值λmax=3.0088,以及歸一化后的特征向量(0.54,0.35,0.11).

3) 一致性校驗

由于客觀事物的復雜性以及人類判斷能力的差別,構(gòu)造的判斷矩陣可能出現(xiàn)誤差. 因此,需要對所構(gòu)造的判斷矩陣進行一致性檢驗.

首先,計算一致性指標CI：

其中λmax為判斷矩陣A的最大特征值,n為矩陣的階數(shù). 將λmax=3.0088,n=3代入(4)式可得CI=0.0044.

然后計算一致性比例：

當CR<0.10時,則認為判斷矩陣達到滿意的一致性. 根據(jù)表2[12]將RI=0.36,CI=0.0044帶入(5)式中可得CR=0.012<0.10,滿足一致性要求. 因此各因子權(quán)重值為W=(0.54,0.35,0.11).

表2 指數(shù)標度隨機一致性檢驗指標

2.2.2 河道污染等級評價模型應用實例

選取系統(tǒng)中A河道,其養(yǎng)護事件嚴重程度為嚴重,養(yǎng)護事件個數(shù)為6,養(yǎng)護事件關(guān)注數(shù)為6. 根據(jù)數(shù)據(jù)庫查詢最近一周養(yǎng)護事件總數(shù)為28,養(yǎng)護事件中關(guān)注數(shù)為19,通過基于指數(shù)標度的層次分析法的數(shù)學模型可計算出其河道污染程度值LA=60*0.54+6/19*100*0.35+6/28*100*0.11,計算結(jié)果為45.86.

B河道養(yǎng)護事件嚴重程度為非常嚴重,養(yǎng)護事件個數(shù)為8,養(yǎng)護事件關(guān)注數(shù)為10,計算其河道污染程度值為LB=100*0.54+8/19*100*0.35+10/28*100*0.11,計算結(jié)果為72.67. 因此得出,B河道比A河道污染嚴重.系統(tǒng)運用消息推送技術(shù)將河道污染排名推送給用戶.

2.3 消息推送技術(shù)

推送技術(shù)指通過客戶端與服務器端建立長鏈接,服務器端向客戶端發(fā)送消息. 目前實現(xiàn)推送較多,如：使用谷歌云端GCM (Google Cloud Messaging)推送[13],使用可擴展通訊和表示協(xié)議(Extensible Messaging and Presence Protocol,XMPP)推送[14],使用消息隊列遙測傳輸協(xié)議(Message Queuing Telemetry Transport,MQTT)推送[15],使用第三方推送服務等. 經(jīng)過技術(shù)對比與成本考慮,最終選擇使用第三方提供的個推推送服務. 本系統(tǒng)集成個推SDK,經(jīng)過個推云服務器由服務器端向客戶端推送消息.

本文要實現(xiàn)的推送消息分為兩種：

1) 透傳消息：根據(jù)客戶的要求,當賬號被其他用戶登錄時,系統(tǒng)以彈出框的形式提示用戶強制退出應用,這個需求使用推送中的透傳消息功能. 透傳消息以透傳的形式傳遞給客戶端,發(fā)送后不會在系統(tǒng)通知欄中展現(xiàn),而是以彈出框的形式展現(xiàn).

2) 通知消息：向用戶推送河道污染等級排名使用通知消息功能,通知消息發(fā)送后會在系統(tǒng)欄收到展現(xiàn),同時響鈴或振動提醒用戶.

因此本系統(tǒng)要對個推服務器端傳遞來的消息類型進行判斷,如果是透傳消息則跳轉(zhuǎn)到登陸界面并強制退出應用,如果是通知消息則顯示在手機通知欄中,點擊通知欄中內(nèi)容會跳轉(zhuǎn)到消息通知列表中查看詳情.

3 系統(tǒng)應用實例

智慧河道管理APP作為杭州市濱江區(qū)“智慧河道”項目的重要組成部分在2016年底開始投入使用. 自使用以來,有效降低了巡查工作過程中的信息漏洞和盲點,提高了河道巡檢人員的工作效率,進而提升濱江區(qū)城管局巡查巡視管理工作的水平. 系統(tǒng)上線使用以來穩(wěn)定、有效,受到了濱江區(qū)政府工作人員的一致好評,為濱江區(qū)河道治理做出了貢獻.

4 結(jié)論與展望

針對目前傳統(tǒng)的巡檢養(yǎng)護模式工作數(shù)據(jù)量大、工作效率低,巡檢養(yǎng)護人員是否按照既定的時間和路線完成巡檢任務、巡檢發(fā)現(xiàn)的問題得不到及時處理等問題,本文設計了一個基于移動端的智慧河道管理系統(tǒng),通過信息化手段降低巡查工作過程中的信息漏洞和盲點,確保河湖水生態(tài)環(huán)境日常巡查養(yǎng)護工作更高效的進行,為浙江省“五水共治”的建設工作做出了巨大貢獻.

本系統(tǒng)具有以下優(yōu)勢：

1) 提出了簡單高效的軌跡糾偏算法,使繪制的軌跡更平滑.

2) 提出了基于指數(shù)標度層次分析法的河道等級污染評價模型,可對某地區(qū)的所有河道進行整體評價,并將污染排名推送給相關(guān)人員.

3) 解決了河道市場化管養(yǎng)存在數(shù)據(jù)作假、管養(yǎng)不到位情況,工作人員的日常工作內(nèi)容、工作效率無證據(jù)支撐的難題,實現(xiàn)了高層領(lǐng)導對基層工作人員進行有效的監(jiān)管,高層領(lǐng)導可以通過本系統(tǒng)準確判斷基層工作人員的工作是否到位.

1 葉陽帆. 城市河道養(yǎng)護管理現(xiàn)狀、問題及改進路徑研究[碩士學位論文]. 南昌：南昌大學,2015.

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