移動端智慧河道管理系統(tǒng)①

唐 敏, 鐵治欣, 丁成富, 方 賢

1(浙江理工大學(xué) 信息學(xué)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(jì)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(jì)劃》正式發(fā)布以后,政府提出大力推進(jìn)生態(tài)文明建設(shè),如何通過城市河道養(yǎng)護(hù)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(shè)計(jì)的管理系統(tǒng)、監(jiān)控系統(tǒng)應(yīng)運(yùn)而生,不同程度地提高了管理的科學(xué)性、高效性和準(zhǔn)確性. 如：陳相東[2]設(shè)計(jì)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(luò)化平臺. 曾志長等[3]設(shè)計(jì)的基于IEGIS的智慧河長信息管理系統(tǒng),實(shí)現(xiàn)了數(shù)據(jù)的實(shí)時(shí)采集、基本信息的管理、對數(shù)據(jù)分析結(jié)果進(jìn)行展示等等,降低了河道信息管理的許多重復(fù)性工作. 夏悅玥等[4]設(shè)計(jì)的基于時(shí)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(jìn)行處理. 王旭陽[5]設(shè)計(jì)了河道巡查巡視管理手機(jī)端系統(tǒng),通過手機(jī)定位和攝像等功能實(shí)現(xiàn)巡查人員自動定位、現(xiàn)場取證.

目前,河道基礎(chǔ)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(jìn)行收集與上報(bào),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(shí)間和路線完成巡檢任務(wù)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(shí)處理等問題.針對以上問題,本文設(shè)計(jì)了移動端智慧河道管理系統(tǒng),本系統(tǒng)是基于位置服務(wù)(Location Based Services,LBS)的河道管理系統(tǒng),巡查養(yǎng)護(hù)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(wù)器,管理人員可實(shí)時(shí)查看工作人員的軌跡. 同時(shí),本系統(tǒng)利用基于指數(shù)標(biāo)度的層次分析法對養(yǎng)護(hù)事件進(jìn)行建模,用于評價(jià)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(shí)采取相應(yīng)的治理措施.

1 系統(tǒng)設(shè)計(jì)

1.1 系統(tǒng)總體設(shè)計(jì)

系統(tǒng)主要由移動應(yīng)用程序(Application,APP)客戶端和服務(wù)端組成,客戶端軟件為智能手機(jī)APP,可廣泛使用在手機(jī)、平板等設(shè)備上. 服務(wù)器端由應(yīng)用服務(wù)器、數(shù)據(jù)庫服務(wù)器和文件服務(wù)器組成. 數(shù)據(jù)庫采用MySQL數(shù)據(jù)庫,地圖服務(wù)采用百度地圖API實(shí)現(xiàn),客戶端和服務(wù)器端之間采用HTTP協(xié)議進(jìn)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(wù)器端功能,移動端有四種用戶權(quán)限,分別為：養(yǎng)護(hù)人員、巡查人員、考核人員、運(yùn)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(gè)模塊,統(tǒng)計(jì)信息、待辦事項(xiàng)和任務(wù)廣場. 統(tǒng)計(jì)信息模塊能直觀看到巡查養(yǎng)護(hù)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(xiàng)顯示用戶所有的待辦事項(xiàng),可進(jìn)行受理、核實(shí)等操作. 任務(wù)廣場的功能是管理所有新增模塊的新任務(wù),可以進(jìn)行任務(wù)下發(fā)或認(rèn)領(lǐng)操作.

2) 填報(bào). 填報(bào)分為養(yǎng)護(hù)填報(bào)、巡查填報(bào)和考核填報(bào),養(yǎng)護(hù)、巡查、考核人員分別在對應(yīng)的模塊填報(bào)日志.

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

4) 關(guān)注. 關(guān)注模塊可查看所有的巡查養(yǎng)護(hù)工作,分為事件、任務(wù)、養(yǎng)護(hù)、巡查、考核五個(gè)部分,若想關(guān)注此內(nèi)容,可點(diǎn)擊選項(xiàng)標(biāo)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(hù)人員在養(yǎng)護(hù)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(bào)養(yǎng)護(hù)日志,完成后在新增模塊發(fā)布養(yǎng)護(hù)事件.

2) 養(yǎng)護(hù)人員發(fā)布事件后,運(yùn)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(bào)巡查日志并在新增模塊發(fā)布巡查事件.

3) 運(yùn)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(hù)人員的巡查軌跡及任務(wù),并對該養(yǎng)護(hù)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(jì)信息界面,展示該月的巡查養(yǎng)護(hù)情況、發(fā)生時(shí)間類型占比以及河道污染事件排名. 圖5所示為養(yǎng)護(hù)日志填報(bào)界面,可以選擇養(yǎng)護(hù)河道的名稱、養(yǎng)護(hù)人員、養(yǎng)護(hù)類型,同時(shí)點(diǎn)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(wù).圖7為關(guān)注界面,點(diǎn)擊列表可將該條內(nèi)容標(biāo)記為關(guān)注.

圖4 移動端首頁界面

圖5 日志填報(bào)界面

圖6 新增界面

圖7 關(guān)注界面

2 關(guān)鍵技術(shù)實(shí)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(diǎn),還要準(zhǔn)確地知道該地區(qū)河道的污染情況并能及時(shí)給出解決方案,從而提高河道工作人員的效率. 所以準(zhǔn)確的記錄巡查養(yǎng)護(hù)軌跡、了解河道污染等級排名并及時(shí)向有關(guān)工作人員推送河道污染信息是該系統(tǒng)的重點(diǎn)內(nèi)容. 本部分將重點(diǎn)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(shè)計(jì)

本系統(tǒng)的難點(diǎn)在于繪制軌跡,在客戶端啟用地圖服務(wù),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(wù);另一種是使用國內(nèi)廠商提供的免費(fèi)的地圖服務(wù),經(jīng)過對兩個(gè)方案的對比,本系統(tǒng)采用百度地圖服務(wù).

百度地圖支持GPS定位和網(wǎng)絡(luò)定位,將定位模式設(shè)置為高精度定位模式時(shí),系統(tǒng)會同時(shí)使用GPS定位和網(wǎng)絡(luò)定位,優(yōu)先返回精度最高的定位結(jié)果. 但是,當(dāng)GPS信號和移動網(wǎng)絡(luò)信號不好的情況下,獲取到的定位信息可能是錯(cuò)誤的或者誤差很大,所以導(dǎo)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(diǎn)位進(jìn)行去噪、綁路、抽稀,去除定位噪點(diǎn)和冗余點(diǎn),進(jìn)行實(shí)時(shí)軌跡糾偏. 但只有在移動網(wǎng)絡(luò)好的情況下,它才能發(fā)揮作用,當(dāng)信號不穩(wěn)定時(shí),繪制的軌跡就會不平滑并且有偏移.

本系統(tǒng)重新設(shè)計(jì)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(luò),過濾無效、冗余、甚至是錯(cuò)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(dāng)前軌跡點(diǎn)位置信息,判斷其精度是否大于設(shè)置的精度,若否,則舍棄,重復(fù)本步直到獲得精度滿足要求的軌跡點(diǎn); 若是,則放入locationList(未過濾軌跡點(diǎn)集合)中.

Step 2. 若locationList中的軌跡點(diǎn)個(gè)數(shù)小于3,則返回Step 1.

Step 3. 根據(jù)軌跡點(diǎn)的經(jīng)緯度分別計(jì)算locationList中3個(gè)點(diǎn)與當(dāng)前位置點(diǎn)的距離和速度.

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

Step 5. 根據(jù)軌跡點(diǎn)的方向判斷是否是拐點(diǎn),若3個(gè)點(diǎn)中有一個(gè)的方向與其他兩個(gè)點(diǎn)不一致,則這個(gè)點(diǎn)可能是錯(cuò)誤的,故舍棄,返回Step 1,繼續(xù)獲取當(dāng)前軌跡點(diǎn)位置信息.

Step 6. 將保留的軌跡點(diǎn)添加到pointList(過濾后的軌跡點(diǎn)集合)中,若pointList的size大于等于3時(shí),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(shí)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(biāo)度層次分析法的河道污染等級評價(jià)模型

人們在比較、評價(jià)、決策時(shí),通常會涉及幾個(gè)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(jì)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(yīng)用于各個(gè)領(lǐng)域. 然而,Saaty等人提出的層次分析法采用1-9標(biāo)度構(gòu)造成對比較矩陣,存在部分缺陷,容易導(dǎo)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(xué)上韋伯-費(fèi)希納定律建立的指數(shù)標(biāo)度較好的解決了這一問題,并給出1-9標(biāo)度和指數(shù)標(biāo)度的對應(yīng)關(guān)系[11],如表1所示.

表1 指數(shù)標(biāo)度與1-9標(biāo)度的對應(yīng)關(guān)系

2.2.1 建立河道污染等級評價(jià)模型

對于本文中的評價(jià)因子,以往是按照專家建議的權(quán)重來評價(jià)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(zhǔn)確的河道污染等級排名,本系統(tǒng)將基于指數(shù)標(biāo)度的層次分析法應(yīng)用到河道污染等級評價(jià)中,構(gòu)造判斷矩陣,計(jì)算出各因子的權(quán)重系數(shù).

在本系統(tǒng)中,污染最嚴(yán)重的河道往往養(yǎng)護(hù)事件最多、養(yǎng)護(hù)事件最嚴(yán)重、養(yǎng)護(hù)事件關(guān)注數(shù)最多,因此領(lǐng)導(dǎo)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(hù)事件的嚴(yán)重程度、養(yǎng)護(hù)事件個(gè)數(shù)(即養(yǎng)護(hù)人員填報(bào)的事件個(gè)數(shù))、養(yǎng)護(hù)事件關(guān)注數(shù)(即在關(guān)注界面標(biāo)記為關(guān)注的養(yǎng)護(hù)事件個(gè)數(shù)),數(shù)學(xué)模型可以用下式表達(dá)：

其中I表示評價(jià)結(jié)果值,I值由每個(gè)影響因子根據(jù)對應(yīng)的權(quán)重計(jì)算得到,I值越大說明該河道污染越嚴(yán)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(biāo)度的層次分析法(Analytic Hierarchy Process,AHP)來計(jì)算. 計(jì)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(hù)事件的嚴(yán)重程度由養(yǎng)護(hù)人員在填報(bào)養(yǎng)護(hù)事件時(shí)手動選擇,分為一般、嚴(yán)重和非常嚴(yán)重3個(gè)等級,規(guī)定3個(gè)等級的分指數(shù)Q1分別為30、60和100.

某河道養(yǎng)護(hù)事件個(gè)數(shù)的分指數(shù)計(jì)算公式為：

其中Cmax為所有待評價(jià)河道的養(yǎng)護(hù)事件總數(shù),C為某河道的養(yǎng)護(hù)事件個(gè)數(shù).

某河道養(yǎng)護(hù)事件關(guān)注數(shù)的分指數(shù)計(jì)算公式為：

其中Fmax為所有待評價(jià)河道的養(yǎng)護(hù)事件關(guān)注總數(shù),F為某河道的養(yǎng)護(hù)事件關(guān)注數(shù)(統(tǒng)計(jì)標(biāo)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(hù)事件的嚴(yán)重程度為A,養(yǎng)護(hù)事件個(gè)數(shù)為B,養(yǎng)護(hù)事件關(guān)注數(shù)為C.

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

計(jì)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(yàn)

由于客觀事物的復(fù)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(jìn)行一致性檢驗(yàn).

首先,計(jì)算一致性指標(biāo)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(jì)算一致性比例：

當(dāng)CR<0.10時(shí),則認(rèn)為判斷矩陣達(dá)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(biāo)度隨機(jī)一致性檢驗(yàn)指標(biāo)

2.2.2 河道污染等級評價(jià)模型應(yīng)用實(shí)例

選取系統(tǒng)中A河道,其養(yǎng)護(hù)事件嚴(yán)重程度為嚴(yán)重,養(yǎng)護(hù)事件個(gè)數(shù)為6,養(yǎng)護(hù)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(hù)事件總數(shù)為28,養(yǎng)護(hù)事件中關(guān)注數(shù)為19,通過基于指數(shù)標(biāo)度的層次分析法的數(shù)學(xué)模型可計(jì)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(jì)算結(jié)果為45.86.

B河道養(yǎng)護(hù)事件嚴(yán)重程度為非常嚴(yán)重,養(yǎng)護(hù)事件個(gè)數(shù)為8,養(yǎng)護(hù)事件關(guān)注數(shù)為10,計(jì)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(jì)算結(jié)果為72.67. 因此得出,B河道比A河道污染嚴(yán)重.系統(tǒng)運(yùn)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(wù)器端建立長鏈接,服務(wù)器端向客戶端發(fā)送消息. 目前實(shí)現(xiàn)推送較多,如：使用谷歌云端GCM (Google Cloud Messaging)推送[13],使用可擴(kuò)展通訊和表示協(xié)議(Extensible Messaging and Presence Protocol,XMPP)推送[14],使用消息隊(duì)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(wù)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(gè)推推送服務(wù). 本系統(tǒng)集成個(gè)推SDK,經(jīng)過個(gè)推云服務(wù)器由服務(wù)器端向客戶端推送消息.

本文要實(shí)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(dāng)賬號被其他用戶登錄時(shí),系統(tǒng)以彈出框的形式提示用戶強(qiáng)制退出應(yīng)用,這個(gè)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(shí)響鈴或振動提醒用戶.

因此本系統(tǒng)要對個(gè)推服務(wù)器端傳遞來的消息類型進(jìn)行判斷,如果是透傳消息則跳轉(zhuǎn)到登陸界面并強(qiáng)制退出應(yīng)用,如果是通知消息則顯示在手機(jī)通知欄中,點(diǎn)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(yīng)用實(shí)例

智慧河道管理APP作為杭州市濱江區(qū)“智慧河道”項(xiàng)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(diǎn),提高了河道巡檢人員的工作效率,進(jìn)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(xiàn).

4 結(jié)論與展望

針對目前傳統(tǒng)的巡檢養(yǎng)護(hù)模式工作數(shù)據(jù)量大、工作效率低,巡檢養(yǎng)護(hù)人員是否按照既定的時(shí)間和路線完成巡檢任務(wù)、巡檢發(fā)現(xiàn)的問題得不到及時(shí)處理等問題,本文設(shè)計(jì)了一個(gè)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(diǎn),確保河湖水生態(tài)環(huán)境日常巡查養(yǎng)護(hù)工作更高效的進(jìn)行,為浙江省“五水共治”的建設(shè)工作做出了巨大貢獻(xiàn).

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(biāo)度層次分析法的河道等級污染評價(jià)模型,可對某地區(qū)的所有河道進(jìn)行整體評價(jià),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(shí)現(xiàn)了高層領(lǐng)導(dǎo)對基層工作人員進(jìn)行有效的監(jiān)管,高層領(lǐng)導(dǎo)可以通過本系統(tǒng)準(zhǔn)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(hù)管理現(xiàn)狀、問題及改進(jìn)路徑研究[碩士學(xué)位論文]. 南昌：南昌大學(xué),2015.

2 陳相東. 天津市行洪河道管理信息系統(tǒng). 計(jì)算機(jī)應(yīng)用,2012,32(S1)：182-184.

3 曾志長,袁思贊,陳旭. 基于IEGIS的智慧河長信息管理系統(tǒng)設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn). 科技創(chuàng)新導(dǎo)報(bào),2015,12(26)：56-57. [doi：10.3969/j.issn.1674-098X.2015.26.026]

4 夏悅玥,宋振華,何丹青. 基于時(shí)間序列的蘇州城市河道管理綜合信息化系統(tǒng)的研究與探索. 電子測試,2016,(5)：144-146.

5 王旭陽,曹健. 河道巡查巡視管理系統(tǒng)手機(jī)端在天津市河道巡檢中的作用. 海河水利,2015,(3)：36-37.

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