东风渠河堤生物危害监测防控系统研发

2020-06-30

四川水利 2020年3期

(1.四川省都江堰东风渠管理处，成都，610081；2.四川省水利科学研究院，成都，610072)

引言

通过对四川省水利工程安全监管情况的调研发现，水库、堤防、渠道、河堤等多存在白蚁等生物危害高发问题，严重威胁工程安全。四川省都江堰东风渠管理处，负责向成都市供水，同时肩负着分洪调蓄等重要职责，水利工程结构安全是东风渠管理处管理工作的重中之重。作为威胁到水利工程结构安全的生物危害，当前主要依靠人工巡查，效率低、耗时长、有盲区，无法全天候实时监控。不同于一般水利工程安全威胁因素，生物危害一旦发现，其危害程度一般已经较深，必须及时处理。常规生物危害处理方法有物理法、化学法、生物法等，这些方法虽都能取得不错的防治效果，但也存在明显的不足。近年来，信息化技术在生物危害防治方面取得了较大进展，生物危害监测防控的思想发生了深刻的变化，实现了从过去的被动式防控到现在的主动式防控的深刻转变。被动式防控监测方式原始，主要依靠人工巡查，耗时耗力，且治理手段落后，效果不持久；主动式防控利用信息化技术，扩充生物危害感知手段，扩大感知范围，全天候、不间断地进行动态识别，发现生物危害威胁时，同步进行灭杀工作，达到边监测边治理的目标[1]。本研究将借鉴已在林业、畜牧业等行业广泛应用的信息化监测防治系统的成功经验，结合四川省都江堰东风渠管理处的现实需求，开展示范点的研究及应用，建立河堤生物危害监测防控系统，为提高水利工程安全监管水平提供保障。

1 建设思路

1.1 系统目标

在借鉴其他信息化监测防控系统的基础上，应用先进的前端“有害生物诱导灭杀→视频监控”一体化集成装置和设备，实现主动式监测防控流程，搭建集在线监测、识别预警、评估分析、设备管理为核心功能的水利工程生物危害监测防控平台。

1.2 需求分析

通过分析目前市面上的生物危害监测防控系统，可以看出其发展趋势。早期的生物危害防控系统，由于前端感知技术较为落后，更侧重于防治知识库的建设，为技术人员提供生物危害相关识别及防治的知识，目的是提高技术人员的工作能力；前端感知技术发展成熟后，出现了灭治-预防相结合的综合防治技术，极大地降低了人力物力成本；在信息化发展的过程中，发现单纯的前端感知传感器在野外环境下会出现准确度和精度偏差，而软件平台端无法准确知悉这种变化，故定期需要对传感器重新进行调校，以满足正常使用需求；在新时期水利信息化和智慧水利思想的指导下，对生物危害防治提出了更高的要求，不仅要求信息化，而且在自动化和智能化上提出了新要求，体现在智能化生物危害识别、预警及评估上。软件的需求包括两个主要的方面，一个是监测防控流程的实现；另一个是运行维护的实现[2-4]。

从东风渠管理处水利工程安全监管的现实需求出发，当前东风渠管理处生物危害主要靠人工巡查及识别。鉴于信息化的快速发展，管理工作迫切需要新的技术手段和流程进行支撑。人工巡查比较难发现潜在的生物危害风险，无法提前介入进行处理，同时，在监测手段上，传统巡查方式只有在出现较为明显的征兆时才能发现、识别及处理，不利于工作开展。目前，前端感知传感器、视频监控技术手段趋于成熟，这些技术手段的应用，可以发现潜在的生物危害风险。尤其是在诱导灭杀装置出现后，大大增强了发现潜在生物危害威胁的能力。诱导灭杀装置需要人工进行辅助检查，看是否存在生物危害，对于管理单位来说，还是不方便，再加之装置在野外，更增加了维护的成本，同时，生物危害的识别及预警仍然需要人工辅助，达不到实时监控的目的。本次前端将诱导灭杀和视频监控进行一体化集成，用视频监控手段充分实现信息化中“可视可信”的需求，相比于传感器，当识别算法精度下降时，仍然可以通过人工辅助看视频监控的方式，进行识别及预警。

运行维护方面，东风渠管理处在渠道及渠系建筑物管理中，已经采用信息化手段建设了一批信息化管理系统，通过实际使用中的经验来看，信息化系统的建设采用的都是先进的技术手段。但在系统移交给东风渠管理处后，由于普遍存在生物危害防治系统都有的问题，即前端感知硬件处在野外，运行条件恶劣，对运行维护造成相当大的困难，且施工单位移交后，什么时间运维、如何运维、谁来运维，成为棘手的问题。本次建设，需要以系统平台为桥梁，打通管理方和运维方的联系，疏通系统运行中各个环节，为系统长效稳定运行提供支撑。

1.3 功能特点

(1)依托WebGIS，使用C#语言，基于MVC框架进行开发，开发周期短且难度较低，便于快速增减功能项，实现需求。

(2)完善的主动式防控流程功能点，自洽性良好，需要人工辅助的步骤少，操作简单友好。同时，业务流程框架可兼容多种前端监控装置、后端识别预警方法及评估方法，不同应用场景可根据需求进行功能定制。

(3)设备管理模块提供系统运行维护所需的各项功能，能有效避免信息系统因前端物联感控设备缺少维护而导致的软件平台数据输入缺失，系统损坏，是系统长期稳定运行的重要支撑。

2 建设重点

2.1 “识别、预警、评估”流程

“识别→预警→评估”是一套闭环的流程，首先，生物危害动态识别就是一个自洽、自提高的流程，有害生物的识别算法，采用机器学习，在训练和参数优化中不断提高算法的精确度；预警流程依赖于长时间序列的生物危害数据，当数据样本足够大时，可对生物危害的严重程度指标进行更为精确的设置；评估流程更依赖于处置措施前后的横向及纵向对比，在不断地调整中，不断探索更为科学有效的处置方式。这三方面环环相扣，在系统设计中，将充分考虑实现这一流程化的管理。

在这一流程的实现中，需要考虑到使用场景和通用性的问题。“识别→预警→评估”这一流程的每个环节，对于生物危害的监控防治都是必须的，具体实现起来，各种技术、措施是不相同的，需要设计出一整套流程框架，将不同的技术融合进框架中，尤其是信息化、智能化技术不断革新的趋势下，前端采集设备经历了从人工定期查看到诱杀装置再到诱杀→监控一体化装置，流程的实现上，需要提供通用的接口，将不同的前端设备及技术兼容，提高复用性。

2.1.1 动态识别

本次动态识别采用视频图像算法，原理是通过将监控视频进行图像抓取、图像增强、灰度化处理、滤波处理、帧差对比流程，完成生物危害现状的识别。

生物危害视频在线监测难点较多，本次以白蚁为例，白蚁数量的定量识别方法，主要难点在于：①视频中白蚁的背景提取方法的改良，目前采用的方法主要是帧差法，缺点在于在帧差图像中留下较大的阴影面积，影响目标(白蚁)的判断，检测结果不理想；②图像中由于白蚁个体差异，形态学识别过程中对于腐蚀参数和膨胀参数的参数选定产生较大的影响；③摄像头之间的差异，从某一个摄像头中设定的参数不能直接作为其他摄像头的参数，需要进行调整。本次需要着力解决以上几个问题。

2.1.2 分级预警

分级预警环节对接动态识别的结果，同样的，如果识别方法发生变化，相应的预警方法也要做出调整。以白蚁为例，如果采用视频图像动态识别的方式，预警就需要参考可识别到的白蚁数量，如果采用探地雷达观测的方式，预警就需要参考水利工程的内部结构完整性。本次采用的预警方法，参考国家水利工程白蚁危害程度的等级界定方法，同时，设置阈值调整的功能，提供给管理人员进行调整，以便控制早期介入处置的时间点。

2.1.3 评估分析

评估分析环节处理来自识别及预警的数据流，主要是根据处理措施，评估前后的生物危害活动趋势变化，分析措施的时效性和有效性。数据流的接口一确定，选择合适的评估方法是这个业务闭环流程非常重要的支撑。

2.2 运行维护

运行维护在广义上，不仅包括软件系统的运行及维护，还包括前端设备的运行维护。生物危害监测防控体系的前端硬件管理，包括各种区划下的各种类型硬件的维护，同时还包括诱导灭杀制剂的使用情况管理。由于前端生物危害诱杀→监控一体化设备是由多个部分的硬件组成的，各部分硬件使用寿命、更换方式等不尽相同，需要进行实时监控；同时，硬件的维护，需要进行实时状态的监控。设备维护的各角色对接关系如图1所示。

图1 设备维护角色对接关系

3 系统设计

3.1 技术框架

本次开发考虑到管理中需要实时看到每个生物危害点位的直观情况，故采用WebGIS进行点位信息的展示，同时，由于手机端和PC网页端侧重点不同，在开发时，采用前后端分离技术，后端使用C#语言，基于MVC模式进行开发；前端使用Typescript语言，在Angular框架下进行开发。该框架搭配Ionic移动框架，开发难度低，效率高，本次开发中数据量不大，底层采用MySQL数据库。系统的技术框架如图2所示。

图2 生物危害监测防控系统的技术框架

3.2 模块设计

系统设计在实现识别、预警、评估流程化管理的基础上，充分考虑到模块、功能的边界，本系统划分为4个子模块。系统核心功能及模块如图3、图4所示。

图3 系统核心功能

图4 系统核心模块

系统在实现方式上，考虑到使用人群及使用环境，提供PC网页端平台和手机端APP。PC网页端平台提供给管理中心工作人员使用；手机端APP提供给运行维护人员和各点位工作人员使用。不同平台的功能侧重点不同，共同服务于生物危害监控防治。

3.2.1 在线监测

在线监测模块依托于GIS，将生物危害的点位标示在图中，通过点位的不同颜色图示，直观的将生物危害的程度反映在图中，管理人员一目了然。同时，点击图例，在弹出的模态框中，以文字形式展示出生物危害的程度及生物危害的类型。在线监测链接到前端的实时在线视频监控探头，可直观地看到点位实时监控视频，同时可验证生物危害动态识别算法的可靠性，达到可视可信的效果。

3.2.2 识别预警

识别预警模块分为识别和预警两个子功能模块，识别功能基于图像识别算法；预警功能采用国家白蚁危害等级评定标准中关于水利工程白蚁危害等级评定的规定进行分级划定。共分为三级，以绿→黄→橙颜色表示危害程度的加深。图5为预警阈值设置界面，可进行生物危害图斑个数设置和生物危害持续时间的设置。

图5 系统预警阈值设置界面

3.2.3 评估分析

评估分析模块包括横向和纵向评估，即全局评估和单点评估，全局评估即在宏观上评估整个区域发生生物危害的频次和程度；单点评估即评估采取措施后，生物危害的活动情况。通过评估用以对比不同措施、不同时间节点介入前后的效果，评估措施的时效性和效果，为生物危害防控提供依据及支撑。

3.2.4 设备管理

从以往林业、畜牧业等生物危害防控信息化系统建设的经验来看，与水利行业相似，前端感知设备长时间暴露于野外环境，易损坏，难维护。本次系统设计充分考虑到设备修理维护中遇到的问题，着力解决建设完成后系统与前端的管理对接，对前端设备分类型、分点位精确管理。同时，生物危害防治过程中的耗材，如诱导灭杀生物制剂的使用，都要进行记录及信息管理，为评估分析模块提供数据支持。