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

引言

通過(guò)對(duì)四川省水利工程安全監(jiān)管情況的調(diào)研發(fā)現(xiàn)，水庫(kù)、堤防、渠道、河堤等多存在白蟻等生物危害高發(fā)問(wèn)題，嚴(yán)重威脅工程安全。四川省都江堰東風(fēng)渠管理處，負(fù)責(zé)向成都市供水，同時(shí)肩負(fù)著分洪調(diào)蓄等重要職責(zé)，水利工程結(jié)構(gòu)安全是東風(fēng)渠管理處管理工作的重中之重。作為威脅到水利工程結(jié)構(gòu)安全的生物危害，當(dāng)前主要依靠人工巡查，效率低、耗時(shí)長(zhǎng)、有盲區(qū)，無(wú)法全天候?qū)崟r(shí)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(jīng)較深，必須及時(shí)處理。常規(guī)生物危害處理方法有物理法、化學(xué)法、生物法等，這些方法雖都能取得不錯(cuò)的防治效果，但也存在明顯的不足。近年來(lái)，信息化技術(shù)在生物危害防治方面取得了較大進(jìn)展，生物危害監(jiān)測(cè)防控的思想發(fā)生了深刻的變化，實(shí)現(xiàn)了從過(guò)去的被動(dòng)式防控到現(xiàn)在的主動(dòng)式防控的深刻轉(zhuǎn)變。被動(dòng)式防控監(jiān)測(cè)方式原始，主要依靠人工巡查，耗時(shí)耗力，且治理手段落后，效果不持久；主動(dòng)式防控利用信息化技術(shù)，擴(kuò)充生物危害感知手段，擴(kuò)大感知范圍，全天候、不間斷地進(jìn)行動(dòng)態(tài)識(shí)別，發(fā)現(xiàn)生物危害威脅時(shí)，同步進(jìn)行滅殺工作，達(dá)到邊監(jiān)測(cè)邊治理的目標(biāo)[1]。本研究將借鑒已在林業(yè)、畜牧業(yè)等行業(yè)廣泛應(yīng)用的信息化監(jiān)測(cè)防治系統(tǒng)的成功經(jīng)驗(yàn)，結(jié)合四川省都江堰東風(fēng)渠管理處的現(xiàn)實(shí)需求，開(kāi)展示范點(diǎn)的研究及應(yīng)用，建立河堤生物危害監(jiān)測(cè)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(shè)思路

1.1 系統(tǒng)目標(biāo)

在借鑒其他信息化監(jiān)測(cè)防控系統(tǒng)的基礎(chǔ)上，應(yīng)用先進(jìn)的前端“有害生物誘導(dǎo)滅殺→視頻監(jiān)控”一體化集成裝置和設(shè)備，實(shí)現(xiàn)主動(dòng)式監(jiān)測(cè)防控流程，搭建集在線(xiàn)監(jiān)測(cè)、識(shí)別預(yù)警、評(píng)估分析、設(shè)備管理為核心功能的水利工程生物危害監(jiān)測(cè)防控平臺(tái)。

1.2 需求分析

通過(guò)分析目前市面上的生物危害監(jiān)測(cè)防控系統(tǒng)，可以看出其發(fā)展趨勢(shì)。早期的生物危害防控系統(tǒng)，由于前端感知技術(shù)較為落后，更側(cè)重于防治知識(shí)庫(kù)的建設(shè)，為技術(shù)人員提供生物危害相關(guān)識(shí)別及防治的知識(shí)，目的是提高技術(shù)人員的工作能力；前端感知技術(shù)發(fā)展成熟后，出現(xiàn)了滅治-預(yù)防相結(jié)合的綜合防治技術(shù)，極大地降低了人力物力成本；在信息化發(fā)展的過(guò)程中，發(fā)現(xiàn)單純的前端感知傳感器在野外環(huán)境下會(huì)出現(xiàn)準(zhǔn)確度和精度偏差，而軟件平臺(tái)端無(wú)法準(zhǔn)確知悉這種變化，故定期需要對(duì)傳感器重新進(jìn)行調(diào)校，以滿(mǎn)足正常使用需求；在新時(shí)期水利信息化和智慧水利思想的指導(dǎo)下，對(duì)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(dòng)化和智能化上提出了新要求，體現(xiàn)在智能化生物危害識(shí)別、預(yù)警及評(píng)估上。軟件的需求包括兩個(gè)主要的方面，一個(gè)是監(jiān)測(cè)防控流程的實(shí)現(xiàn)；另一個(gè)是運(yùn)行維護(hù)的實(shí)現(xiàn)[2-4]。

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

運(yùn)行維護(hù)方面，東風(fēng)渠管理處在渠道及渠系建筑物管理中，已經(jīng)采用信息化手段建設(shè)了一批信息化管理系統(tǒng)，通過(guò)實(shí)際使用中的經(jīng)驗(yàn)來(lái)看，信息化系統(tǒng)的建設(shè)采用的都是先進(jìn)的技術(shù)手段。但在系統(tǒng)移交給東風(fēng)渠管理處后，由于普遍存在生物危害防治系統(tǒng)都有的問(wèn)題，即前端感知硬件處在野外，運(yùn)行條件惡劣，對(duì)運(yùn)行維護(hù)造成相當(dāng)大的困難，且施工單位移交后，什么時(shí)間運(yùn)維、如何運(yùn)維、誰(shuí)來(lái)運(yùn)維，成為棘手的問(wèn)題。本次建設(shè)，需要以系統(tǒng)平臺(tái)為橋梁，打通管理方和運(yùn)維方的聯(lián)系，疏通系統(tǒng)運(yùn)行中各個(gè)環(huán)節(jié)，為系統(tǒng)長(zhǎng)效穩(wěn)定運(yùn)行提供支撐。

1.3 功能特點(diǎn)

(1)依托WebGIS，使用C#語(yǔ)言，基于MVC框架進(jìn)行開(kāi)發(fā)，開(kāi)發(fā)周期短且難度較低，便于快速增減功能項(xiàng)，實(shí)現(xiàn)需求。

(2)完善的主動(dòng)式防控流程功能點(diǎn)，自洽性良好，需要人工輔助的步驟少，操作簡(jiǎn)單友好。同時(shí)，業(yè)務(wù)流程框架可兼容多種前端監(jiān)控裝置、后端識(shí)別預(yù)警方法及評(píng)估方法，不同應(yīng)用場(chǎng)景可根據(jù)需求進(jìn)行功能定制。

(3)設(shè)備管理模塊提供系統(tǒng)運(yùn)行維護(hù)所需的各項(xiàng)功能，能有效避免信息系統(tǒng)因前端物聯(lián)感控設(shè)備缺少維護(hù)而導(dǎo)致的軟件平臺(tái)數(shù)據(jù)輸入缺失，系統(tǒng)損壞，是系統(tǒng)長(zhǎng)期穩(wěn)定運(yùn)行的重要支撐。

2 建設(shè)重點(diǎn)

2.1 “識(shí)別、預(yù)警、評(píng)估”流程

“識(shí)別→預(yù)警→評(píng)估”是一套閉環(huán)的流程，首先，生物危害動(dòng)態(tài)識(shí)別就是一個(gè)自洽、自提高的流程，有害生物的識(shí)別算法，采用機(jī)器學(xué)習(xí)，在訓(xùn)練和參數(shù)優(yōu)化中不斷提高算法的精確度；預(yù)警流程依賴(lài)于長(zhǎng)時(shí)間序列的生物危害數(shù)據(jù)，當(dāng)數(shù)據(jù)樣本足夠大時(shí)，可對(duì)生物危害的嚴(yán)重程度指標(biāo)進(jìn)行更為精確的設(shè)置；評(píng)估流程更依賴(lài)于處置措施前后的橫向及縱向?qū)Ρ龋诓粩嗟卣{(diào)整中，不斷探索更為科學(xué)有效的處置方式。這三方面環(huán)環(huán)相扣，在系統(tǒng)設(shè)計(jì)中，將充分考慮實(shí)現(xiàn)這一流程化的管理。

在這一流程的實(shí)現(xiàn)中，需要考慮到使用場(chǎng)景和通用性的問(wèn)題?！白R(shí)別→預(yù)警→評(píng)估”這一流程的每個(gè)環(huán)節(jié)，對(duì)于生物危害的監(jiān)控防治都是必須的，具體實(shí)現(xiàn)起來(lái)，各種技術(shù)、措施是不相同的，需要設(shè)計(jì)出一整套流程框架，將不同的技術(shù)融合進(jìn)框架中，尤其是信息化、智能化技術(shù)不斷革新的趨勢(shì)下，前端采集設(shè)備經(jīng)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(shí)現(xiàn)上，需要提供通用的接口，將不同的前端設(shè)備及技術(shù)兼容，提高復(fù)用性。

2.1.1 動(dòng)態(tài)識(shí)別

本次動(dòng)態(tài)識(shí)別采用視頻圖像算法，原理是通過(guò)將監(jiān)控視頻進(jìn)行圖像抓取、圖像增強(qiáng)、灰度化處理、濾波處理、幀差對(duì)比流程，完成生物危害現(xiàn)狀的識(shí)別。

生物危害視頻在線(xiàn)監(jiān)測(cè)難點(diǎn)較多，本次以白蟻為例，白蟻數(shù)量的定量識(shí)別方法，主要難點(diǎn)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(diǎn)在于在幀差圖像中留下較大的陰影面積，影響目標(biāo)(白蟻)的判斷，檢測(cè)結(jié)果不理想；②圖像中由于白蟻個(gè)體差異，形態(tài)學(xué)識(shí)別過(guò)程中對(duì)于腐蝕參數(shù)和膨脹參數(shù)的參數(shù)選定產(chǎn)生較大的影響；③攝像頭之間的差異，從某一個(gè)攝像頭中設(shè)定的參數(shù)不能直接作為其他攝像頭的參數(shù)，需要進(jìn)行調(diào)整。本次需要著力解決以上幾個(gè)問(wèn)題。

2.1.2 分級(jí)預(yù)警

分級(jí)預(yù)警環(huán)節(jié)對(duì)接動(dòng)態(tài)識(shí)別的結(jié)果，同樣的，如果識(shí)別方法發(fā)生變化，相應(yīng)的預(yù)警方法也要做出調(diào)整。以白蟻為例，如果采用視頻圖像動(dòng)態(tài)識(shí)別的方式，預(yù)警就需要參考可識(shí)別到的白蟻數(shù)量，如果采用探地雷達(dá)觀(guān)測(cè)的方式，預(yù)警就需要參考水利工程的內(nèi)部結(jié)構(gòu)完整性。本次采用的預(yù)警方法，參考國(guó)家水利工程白蟻危害程度的等級(jí)界定方法，同時(shí)，設(shè)置閾值調(diào)整的功能，提供給管理人員進(jìn)行調(diào)整，以便控制早期介入處置的時(shí)間點(diǎn)。

2.1.3 評(píng)估分析

評(píng)估分析環(huán)節(jié)處理來(lái)自識(shí)別及預(yù)警的數(shù)據(jù)流，主要是根據(jù)處理措施，評(píng)估前后的生物危害活動(dòng)趨勢(shì)變化，分析措施的時(shí)效性和有效性。數(shù)據(jù)流的接口一確定，選擇合適的評(píng)估方法是這個(gè)業(yè)務(wù)閉環(huán)流程非常重要的支撐。

2.2 運(yùn)行維護(hù)

運(yùn)行維護(hù)在廣義上，不僅包括軟件系統(tǒng)的運(yùn)行及維護(hù)，還包括前端設(shè)備的運(yùn)行維護(hù)。生物危害監(jiān)測(cè)防控體系的前端硬件管理，包括各種區(qū)劃下的各種類(lèi)型硬件的維護(hù)，同時(shí)還包括誘導(dǎo)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(shè)備是由多個(gè)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(jìn)行實(shí)時(shí)監(jiān)控；同時(shí)，硬件的維護(hù)，需要進(jìn)行實(shí)時(shí)狀態(tài)的監(jiān)控。設(shè)備維護(hù)的各角色對(duì)接關(guān)系如圖1所示。

圖1 設(shè)備維護(hù)角色對(duì)接關(guān)系

3 系統(tǒng)設(shè)計(jì)

3.1 技術(shù)框架

本次開(kāi)發(fā)考慮到管理中需要實(shí)時(shí)看到每個(gè)生物危害點(diǎn)位的直觀(guān)情況，故采用WebGIS進(jìn)行點(diǎn)位信息的展示，同時(shí)，由于手機(jī)端和PC網(wǎng)頁(yè)端側(cè)重點(diǎn)不同，在開(kāi)發(fā)時(shí)，采用前后端分離技術(shù)，后端使用C#語(yǔ)言，基于MVC模式進(jìn)行開(kāi)發(fā)；前端使用Typescript語(yǔ)言，在A(yíng)ngular框架下進(jìn)行開(kāi)發(fā)。該框架搭配Ionic移動(dòng)框架，開(kāi)發(fā)難度低，效率高，本次開(kāi)發(fā)中數(shù)據(jù)量不大，底層采用MySQL數(shù)據(jù)庫(kù)。系統(tǒng)的技術(shù)框架如圖2所示。

圖2 生物危害監(jiān)測(cè)防控系統(tǒng)的技術(shù)框架

3.2 模塊設(shè)計(jì)

系統(tǒng)設(shè)計(jì)在實(shí)現(xiàn)識(shí)別、預(yù)警、評(píng)估流程化管理的基礎(chǔ)上，充分考慮到模塊、功能的邊界，本系統(tǒng)劃分為4個(gè)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(shí)現(xiàn)方式上，考慮到使用人群及使用環(huán)境，提供PC網(wǎng)頁(yè)端平臺(tái)和手機(jī)端APP。PC網(wǎng)頁(yè)端平臺(tái)提供給管理中心工作人員使用；手機(jī)端APP提供給運(yùn)行維護(hù)人員和各點(diǎn)位工作人員使用。不同平臺(tái)的功能側(cè)重點(diǎn)不同，共同服務(wù)于生物危害監(jiān)控防治。

3.2.1 在線(xiàn)監(jiān)測(cè)

在線(xiàn)監(jiān)測(cè)模塊依托于GIS，將生物危害的點(diǎn)位標(biāo)示在圖中，通過(guò)點(diǎn)位的不同顏色圖示，直觀(guān)的將生物危害的程度反映在圖中，管理人員一目了然。同時(shí)，點(diǎn)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(lèi)型。在線(xiàn)監(jiān)測(cè)鏈接到前端的實(shí)時(shí)在線(xiàn)視頻監(jiān)控探頭，可直觀(guān)地看到點(diǎn)位實(shí)時(shí)監(jiān)控視頻，同時(shí)可驗(yàn)證生物危害動(dòng)態(tài)識(shí)別算法的可靠性，達(dá)到可視可信的效果。

3.2.2 識(shí)別預(yù)警

識(shí)別預(yù)警模塊分為識(shí)別和預(yù)警兩個(gè)子功能模塊，識(shí)別功能基于圖像識(shí)別算法；預(yù)警功能采用國(guó)家白蟻危害等級(jí)評(píng)定標(biāo)準(zhǔn)中關(guān)于水利工程白蟻危害等級(jí)評(píng)定的規(guī)定進(jìn)行分級(jí)劃定。共分為三級(jí)，以綠→黃→橙顏色表示危害程度的加深。圖5為預(yù)警閾值設(shè)置界面，可進(jìn)行生物危害圖斑個(gè)數(shù)設(shè)置和生物危害持續(xù)時(shí)間的設(shè)置。

圖5 系統(tǒng)預(yù)警閾值設(shè)置界面

3.2.3 評(píng)估分析

評(píng)估分析模塊包括橫向和縱向評(píng)估，即全局評(píng)估和單點(diǎn)評(píng)估，全局評(píng)估即在宏觀(guān)上評(píng)估整個(gè)區(qū)域發(fā)生生物危害的頻次和程度；單點(diǎn)評(píng)估即評(píng)估采取措施后，生物危害的活動(dòng)情況。通過(guò)評(píng)估用以對(duì)比不同措施、不同時(shí)間節(jié)點(diǎn)介入前后的效果，評(píng)估措施的時(shí)效性和效果，為生物危害防控提供依據(jù)及支撐。

3.2.4 設(shè)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(shè)的經(jīng)驗(yàn)來(lái)看，與水利行業(yè)相似，前端感知設(shè)備長(zhǎng)時(shí)間暴露于野外環(huán)境，易損壞，難維護(hù)。本次系統(tǒng)設(shè)計(jì)充分考慮到設(shè)備修理維護(hù)中遇到的問(wèn)題，著力解決建設(shè)完成后系統(tǒng)與前端的管理對(duì)接，對(duì)前端設(shè)備分類(lèi)型、分點(diǎn)位精確管理。同時(shí)，生物危害防治過(guò)程中的耗材，如誘導(dǎo)滅殺生物制劑的使用，都要進(jìn)行記錄及信息管理，為評(píng)估分析模塊提供數(shù)據(jù)支持。

4 結(jié)論

生物危害監(jiān)測(cè)防控系統(tǒng)通過(guò)在東風(fēng)渠管理處15個(gè)示范點(diǎn)位的應(yīng)用，取得了良好的使用效果。平臺(tái)在目前現(xiàn)有的技術(shù)條件下，最大化地實(shí)現(xiàn)了生物危害監(jiān)測(cè)防控的自動(dòng)化和智能化；平臺(tái)的業(yè)務(wù)流程框架，可進(jìn)行功能擴(kuò)展，便于根據(jù)使用場(chǎng)景及需求進(jìn)行定制開(kāi)發(fā)，具有高復(fù)用性，在水利工程生物危害防控領(lǐng)域具有廣泛推廣的應(yīng)用前景。