鄱陽湖采砂監管信息系統設計與實現

鄢煜川，胡 星

(1.江西省鄱陽湖水利樞紐建設辦公室，江西 南昌 330009； 2.中鐵水利水電規劃設計集團有限公司，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境，湖區經長期淤積，砂石資源豐富[1]。然而伴隨著經濟高速發展，砂石需求量不斷增長，在可觀的經濟利益驅動下，超采濫挖等無序非法、采砂現象隨之加重，極大地影響了湖區防洪安全、航行安全、生態安全，嚴重威脅到社會穩定。另一方面，鄱陽湖采砂監管及執法工作受限于湖區水域復雜、涉砂船數多、調查取證難、執法人力不夠、監督管理技術手段缺乏等現實難題，難以適應日益繁重的監管工作要求。當前，人工智能、圖像識別、大數據分析、移動互聯等一系列前沿信息技術正處于創新變革活躍期，創新成果賦能作用日益顯現，有力地促進了社會治理水平的提高。因此，以信息化賦能社會治理精細化，為采砂監管工作開辟了新的思路，利用新型信息技術來豐富監管技術手段、提高采砂監管工作效率是大勢所趨，也是促進水政執法工作現代化的必然要求。

1 采砂監管現狀與需求分析

1.1 現狀分析

在對鄱陽湖采區監管執法工作實際進行調研后發現，采砂監管工作主要包括從時間、空間、數量3個維度開展。即監管開采行為是否按照批準的時段、區域和采量進行，并及時察覺查處非法采砂行為。目前，國內主要采用以下技術方式對采砂進行監管：①執法車船進行巡邏，但人力需求過大，監測時段及區域有限[2]；②船載視頻監控[3- 4]，一般安裝在執法船上，利用實時視頻監控輔助執法取證；③岸基視頻監控[5]，監測范圍較小，有線網絡傳輸及運行維護成本較高；④激光及脈沖雷達監測[6- 7]，建設成本高，對動態目標如船只的監測效果不佳。國內各地雖已采用多種監管信息化手段進行了探索嘗試，但仍存在集約化程度低、智能應用效果不理想、監測監控數據分散、軟硬件設備未能充分整合、相關數據資源共享利用率低等弊端。綜上，面對日趨復雜的采砂監管工作環境，亟需一套能夠滿足綜合執法需求、協同高效的采砂智能監管信息系統。

1.2 需求分析

堅持問題導向，從采砂監管工作實際出發，研究基于人工智能圖像識別、數據分析技術的采砂智能監管系統主要開展以下方面工作：一是構建完善的系統架構，包括確定技術架構選型，合理規劃構建前端監控監測設施設備，搭設完整的系統底層框架；二是標準化的數據類型，為便于系統查詢統計、匯總，需要通過規范的數據標準確定各項數據能夠流暢調用，設計采砂數據庫的表格、字段名稱、類型與長度等數據結構；三是網絡傳輸安全，在統一的網絡安全體系下，確保信息安全，構建合理的網絡傳輸機制，對系統用戶實行權限劃分和多級用戶權限控制；四是智能化數據分析，對采集的圖像、視頻、傳感信息等數據進行分析和處理，根據不同的監管業務，實現差異化的應用和智能化的分析，為決策及管理者提供參考依據。

2 系統架構

2.1 系統架構設計

根據鄱陽湖采區的實際情況和當前采砂監管與執法管理模式，以采砂作業船、禁采區域等為重點監管對象，依托實時監測監控數據，提出構建一套在技術標準與業務規范體系和信息安全保障體系約束下，包含前端監測數據采集、數據傳輸存儲、業務應用、表現展示等5個邏輯層的采砂智能監管信息系統總體架構。具體如圖1所示。

圖1 系統總體架構

(1)數據采集層的目的是采集出入采區的各式船舶、采砂作業船的實時監測監控數據。主要建設內容包括在采砂船上安裝智能精確傳感設備，在湖區涉砂重要水域安裝紅外熱成像高清視頻監控設施等。

(2)數據傳輸層負責將采集到的數據利用無線互聯網、有線寬帶或水利專網等方式傳輸。同時將校驗完成并分類整理好的數據儲存到各類數據庫中或直接為業務應用層提供數據支持。

(3)數據存儲層可滿足業務應用層對數據服務的需求，及時地對數據進行轉換、加工和過濾。主要作用是對應用系統進行數據支撐，滿足數據調閱和及時存儲的需求，由綜合數據庫、空間數據庫、船只資料數據庫、采區信息數據庫等組成，存儲包括基礎信息、空間數據、可采區資料庫、采砂船資料庫、實時采砂監控數據和采砂量統計信息等。

(4)業務應用層主要承載信息系統的所有業務功能以及能夠支撐各類應用的服務軟件，主要包括：Web服務器、數據庫管理軟件、數據交換軟件、GIS及空間服務軟件和消息中間件等[8]。

(5)系統表現層是系統用戶與應用軟件之間的接口[9]。本系統研發基于J2EE平臺，采用B/S結構，可利用水利專用網絡或互聯網與應用軟件連接。

2.2 數據采集與監測設備

采砂監管業務實現智能化需要大量的數據作為基礎，數據的采集離不開前端監測監控設施設備的布設。本系統根據監管工作流程，結合實際需要，主要對涉砂船只圖像信息、作業狀態、實時開采砂石量等進行監測監控，本系統主要利用以下兩種設備實現數據采集。

(1)紅外熱成像高清視頻監控，可適應鄱陽湖湖區復雜氣象條件，具備全天候拍攝、遠距離抓拍、抗氣象干擾等技術優勢，對比普通的攝像機和微光夜視監控設備，各項技術參數優勢明顯。在采區重要水域進行布設，針對非法采砂、偷運盜運等行為進行偵查和取證，再將數據資料及監控信息傳輸并保存至后臺服務器中。

(2)船載智能傳感設備，主要監控對象是具有合法采砂資格的采砂船，實現開采全過程管理，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的無線智能傳感設備來實現對采砂作業的精準感知。傳感器由設備管理、衛星信號接收、身份識別、視頻監控、工作狀態采集、采砂量監測等6大工作模塊組成，主要功能包括收集采砂船身份、開機狀態、行駛軌跡等信息，并對超時段、超區域、超限量開采進行有效預警和控制，進一步規范采砂行為。

對采砂船只開采量進行監管，是采砂監管的核心工作，也是衡量采砂是否合規，判斷采區開采程度的重要技術指標。采砂量監測模塊作為采量監管技術的核心，工作原理：當采砂機械開機，安裝在采砂機械上的感應設備及智能傳感器會同時啟動，采集鉸鏈電機轉速、出砂皮帶運行時間，結合預先設定的鏈斗核定裝載量、電機功率等關聯信息來確定本次開采時長及初步開采量數據。為得到更加精確的數據，還需要對數據進行校核，對不同采區進行產量預測和評估，確定砂石資源優劣度，通過合理調整系數來精確核算采區砂石開采量數據。

3 系統功能

系統的功能可包涵采砂監管業務的主要環節，包括：基礎信息管理、采砂管理一張圖、采砂作業智能監管、采砂船識別、統計分析、系統管理等。系統的功能結構具體如圖2所示。

圖2 系統功能結構

(1)基礎信息管理功能包括對采區及禁采區信息、采砂許可證信息、采砂船基礎資料等信息數據進行新增、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，在基礎地理圖層上按照采區控制規劃明確的采區和禁采區信息及坐標，進行圖層疊加，以電子地圖方式實時可視化展現出采區、開采作業船、集中?？看?，并以圖形化的方式體現出這些船只的數量、工作狀態、運動軌跡，系統用戶可直觀地進行查看和操作；利用電子圍欄技術，在系統中對特定采區設置時段、界限、采砂量、船只身份信息等參數和對應約束條件，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警信息。

(3)采砂作業智能監管主要依托將船載智能傳感設備對開采數據進行智能化分析和處理，可實時掌握采砂船工作狀態，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

智能傳感器在監測到采砂船開始作業后，將船只定位信息、船只身份信息、圖像信息、機械開機狀態、作業時長等數據通過內置的多通路傳輸模塊以3G/GPRS無線傳輸到系統后臺應用服務器，再與許可證上的采區位置、允許時間等要素進行綜合比對，判定是否符合預設規則，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

通過采砂量監測模塊，對采量監測數據、配載信息等進行智能分析和處理，計算采砂船在某段時間內的總采砂量，在系統中完成率定后與設定的許可采量進行對比，實現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)采砂船識別功能的主要目的是為水政執法人員迅速識別、查處非法采運的船只提供技術支持。利用分布在采區的紅外熱成像高清視頻監控，自動監測過往船只，拍攝船只圖像并提取重要外形特征，通過構建船只特征數據庫，結合人工智能算法進行智能識別，對出現在采區水域的可疑船只進行自動取證，留存影像數據，并向執法人員發出提示預警信息?；谌斯ぶ悄芗夹g的船只圖像識別過程[10]主要步驟：首先由前端監控監測設備采集數據，并構建對應數據庫；對數據進行去噪、平滑及變換等預處理操作，標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行分類儲存，建立該特征值數據庫；按照制定好的識別規則識別類似特征種類，通過辨別分析特殊特征，實現圖像智能識別的目標。

(5)統計分析功能主要實現采量信息統計、船只信息統計、告警信息統計，系統可提供統計信息的自定義、報表自動生成等功能。

(6)系統管理功能實現對系統用戶及使用權限、監測設施運行狀態進行管理和維護。

4 系統功能實現及應用

按照鄱陽湖采砂監管信息系統設計思路和建設目標，系統研發集成了J2EE平臺、B/S架構、智能監測傳感、人工智能圖像識別等先進技術，根據實際業務需求，對省、市、縣3級執法隊伍及水行政主管部門的權限進行分配，構建各類數據庫，不斷積累監測數據，實現各業務功能充分使用。系統上線運行后，在鄱陽湖采區進行了應用，監控并識別涉砂船1萬余艘，為水政執法部門查處涉砂違法行為提供數百條取證信息，受到各使用單位的好評。

5 結語

本系統為鄱陽湖區采砂監管工作提供了有效的技術支持，對湖區非法采砂行為進行了有力的震懾，提升了采砂監管工作水平，提高了采砂監管技術能力。為推進實現采砂監管工作的精細化和現代化提供了新的手段和技術創新，系統也可為其它地區開展采砂監管信息化工作提供參考借鑒。下一步，系統將在現有監測資料數據的基礎上，繼續探索與大數據分析和人工智能技術的深度應用，不斷豐富應用場景，完善系統功能。