河道采砂及引渠清淤智能管理系統應用研究

董棟?楊敏?邢棟

摘 要：為實現黃河河道采砂管理的集約化、規模化、規范化與信息化，構建黃河河道采砂管理新秩序，切實加強河道采砂監管力度，提高采砂監管效能，本研究研發了一種河道采砂及引渠清淤智能管理系統。該系統是一款融合現場視頻監管、資源計量監管、財務信息監管等功能，進行軟硬件系統一體化研發設計的可定制系統，可適應多種管理方式，可實現“現場可監控，范圍可管控，產量可統計，操作可追溯”的新型砂場自動化智能管理。通過配合黃委直管河段采砂智能監管平臺和黃委直管河段河道采砂許可證管理系統進行數據聯動，該系統可在數據的底層完成數據無縫銜接，對河道采砂“產、運、銷”進行全過程監管，實現采砂現場實時、遠程高效管理。

關鍵詞：河道采砂;引渠清淤;智能管理;自動化

中圖分類號：TV85;C931.6 文獻標識碼：A 文章編號：1003-5168（2021）32-0006-04

Research on the Application of Intelligent Management System for River Sand Mining and Approach Canal Dredging

DONG Dong YANG Min XING Dong

（1. Jiaozuo Huanghe Hualong Engineering Co.， Ltd.， Jiaozuo Henan 454000;2. Wuzhi First Huanghe River Bureau， Jiaozuo Huanghe River Bureau， Jiaozuo Henan 454950;3. Wenxian Huanghe River Bureau， Jiaozuo Huanghe River Bureau， Jiaozuo Henan 454850）

Abstract： In order to realize the intensive， large-scale， standardized and informatized management of sand mining in the Yellow River， establish a new order in the management of sand mining in the Yellow River， effectively strengthen the supervision of sand mining in the river， and improve the efficiency of sand mining supervision， this research has developed an intelligent management system for river sand mining and approach canal dredging. The system is a customizable system that integrates on-site video supervision， resource measurement supervision， financial information supervision and other functions， and conducts integrated R&D and design of software and hardware systems， which can adapt to a variety of management methods， and can realize a new type of automatic intelligent management of sand yards with "on-site monitoring， scope controllable， output statistics， and operation traceable". By cooperating with the Intelligent Supervision Platform for Sand Mining in Rivers Directly Managed by the Yellow River Conservancy Commission and the Sand Mining License Management System for Rivers Directly Managed by the Yellow River Conservancy Commission for data linkage， the system can seamlessly connect data at the bottom of the data， and supervise the entire process of "production， transportation， and sales" of sand mining in rivers， and realize real-time， remote and efficient management of sand mining on-site.

Keywords： river sand mining;approach canal dredging;intelligent management;automation

為規范河道采砂管理，科學合理開采黃河河道砂石資源，實現河道采砂管理的集約化、規模化、規范化與信息化，維護河道采砂秩序，保障河道安全，有效防范違法違規采砂行為，當前需要緊抓模式運行規范和現場監管規范兩方面，建立“政府主導、規劃先行、聯審聯批、公開招標、國企運作、環保智能、聯防聯控、社會監督”的采砂管理新模式。在這樣的河道規范采砂模式下，建立完善的采砂現場信息化監管系統，實現全范圍監控、全流程記錄、全數據追溯勢在必行。2018年5月，河南焦作黃河河務局基層綜合治黃業務信息化科技創新團隊研發了融合視頻監控系統、實時售砂計量系統和電子圍欄系統的沁河采砂智能化管理系統。2019年12月，焦作市黃河華龍工程有限公司等單位結合引黃入武清淤工程，以沁河采砂智能化管理系統為基礎，研發了河道采砂及引渠清淤智能管理系統，實現了“現場可監控、范圍可管控、產量可統計、操作可追溯”的智能化信息管理效能。

1 智管系統概況

河道采砂及引渠清淤智能管理系統是一款融合現場視頻監管、資源計量監管和財務信息監管等功能，進行軟硬件一體化研發設計的可定制系統。該系統采用視頻監控、北斗定位、傳感器和電子車輛識別儀等信息技術手段，通過軟硬件協同開發，實現現場遠程視頻實時監控、范圍越界自動報警、運砂自動計量、環境質量檢測、現場無人值守管理、遠程數據存儲、采砂深度監測、管理操作圖像取證以及分級管理等功能。配合黃委（全稱水利部黃河水利委員會）直管河段采砂智能監管平臺和黃委直管河段河道采砂許可證管理系統進行數據聯動，該系統可在數據底層完成數據的無縫銜接，實現河道采砂“產、運、銷”全過程監管，使“每一粒砂都有身份證”，實現縣、市、省、黃委采砂管理一張圖，實現采砂現場實時、遠程高效管理。

軟件開發遵循的國家標準和規范包括《計算機軟件文檔編制規范》（GB/T 8567—2006）[1]、《計算機軟件需求規格說明規范》（GB/T 9385—2008）[2]、《計算機軟件測試文檔編制規范》（GB/T 9386—2008）[3]和《信息技術 軟件生存周期過程》（GB/T 8566—2007）[4]。

1.1 視頻監控系統

監控設備布設根據現場環境設計，滿足采砂范圍的全覆蓋要求。攝像機安裝高度根據現場環境而定，距地面不低于6 m，攝像機與監控現場之間不得有樹木、建筑等遮擋物。邊界監控點間隔距離為150 m，配備夜晚照明設備。視頻監控錄像存儲時間大于60 d。

1.2 采砂船智能定位監控系統

采砂船只安裝智能定位監控系統，集成視頻監控、北斗定位、供電及網絡傳輸系統[5]，可根據電子圍欄規劃作業范圍，定位精度達5 m。當船只越界作業時，可自動報警并記錄越界時間、位置、停留時長等信息。現場管理人員可通過采砂區視頻監控攝像機或船載監控攝像機進行確認，及時提醒并阻止越界采砂行為。

1.3 車輛管理系統

運砂車輛首次入場時需要登記車輛牌照、負責人、聯系方式及最大載重量等車輛信息并匹配現場登記圖片，登記車輛信息會自動同步至所有砂場入口閘機白名單中。完成信息登記后，運砂車輛可進入砂場。

砂場設運砂車輛唯一出入口，并安裝車牌識別系統，僅允許登記在白名單中的車輛通過。如入場車輛無車牌或因工作需要臨時進場，需要聯系現場控制中心遠程抬桿并記錄相關信息。信息必須包含車輛聯系人、聯系方式、運輸方量、現場照片及機房操作人員照片等內容。

1.4 采砂計量統計

改造現有數字地磅為智能地磅，入場時通過地磅入口測量空車質量并拍照，出場時通過地磅出口測量當前車輛質量并拍照（如超過車輛登記的最大載重量，則系統報警提示卸車）。系統根據車輛兩次質量的差值計算當前車輛運砂量，自動計算運載累計，實現運砂數量統計。以上操作均為自動化管理，無須人工參與。

1.5 堆砂區運行管理

轉運車輛為固定車輛，在系統車輛登記模塊中登記為“轉運車輛”類型。登記信息包含車輛牌照、車輛編號、司機姓名、手機號碼、所屬公司、車輛荷載、車輛皮重等內容。

車輛登記完成后，系統自動抬桿放行。車輛入場后，可進行裝載作業。滿載轉運車輛出場前，必須進入出場智能地磅稱重，稱重結果減去登記時測量的車輛皮重，差值小于車輛荷載時，系統準予出場。扣除出砂采砂場對應的開采量，并自動打印轉運三聯單，即出砂采砂場、轉運車輛司機、收砂堆砂區各留存一份。

轉運車輛需要在規定時間內駛入指定堆砂區，如超時，則系統報警并記錄相關信息。如車輛按時進入指定堆砂區，可進入入場智能地磅稱重。稱重結果與出場數據進行比對，如數據在允許誤差范圍（如500 kg，參數可調），系統自動完成該次轉運流程，并將到場轉運數值計入堆砂區儲砂量;如超出允許誤差范圍，則系統報警并記錄相關信息，等待人工處理。

堆砂區內轉運車輛出廠時需要進入出場智能地磅稱重，稱重結果符合車輛登記皮重范圍時準許出場，此時系統自動記錄車輛入場、稱重、出場等信息并匹配現場畫面。

1.6 財務收銀管理系統

財務收銀管理界面如圖1所示。購砂人初次購砂時，需要登記姓名、身份證號、聯系方式及郵箱地址等個人信息。完成登記后，系統發放一張數字身份識別卡。購砂人可通過轉賬、現金等方式為識別卡充值，用于購砂結算。

當運砂車輛出場稱重時，砂場控制中心確認車輛信息無誤后，購砂人可刷卡結算。系統對當前車輛、裝砂數量、付款人信息及相關現場圖片進行采集并存入后臺數據庫，自動打印紙質五聯單。

1.7 電子信息及紙質單據存檔管理

系統自動記錄所有砂場管理操作和車輛登記、入場、稱重數據及對應畫面，并保存10年以上。當車輛出場結算時，系統自動打印紙質五聯單（見圖2），分發給監管單位、管理單位、現場留存方、運輸車輛方及購買人，表單格式統一，數據均為自動生成，避免人為干預。現場管理人員簽字蓋章后，單據生效，作為原始資料備查。現場管理人員每天需要核對數據，避免人為干預或數據丟失而造成系統數據誤差。每份單據有唯一的二維碼，檢查人員可通過專用程序或微信小程序掃碼，獲取對應單據的車輛信息、出場照片等資料，避免票據偽造，且數據查詢安全便捷。

1.8 數據傳輸

經實地測量，采砂區公共網絡信號極弱，穩定性及帶寬均無法滿足項目需求，因此無法使用公共無線網絡進行數據傳輸。考慮現場環境空曠，設計并建設專用無線網絡傳輸系統覆蓋施工現場，通過光纖將數據傳回砂場數據機房，其他區域使用光纖網絡進行數據傳輸。數據機房接入100 Mb/s專線公網（含1個外網IP），控制中心可通過50 Mb/s以上的公網線路或者100 Mb/s專線公網將數據上傳至數據機房。

1.9 電力布設

因現場地形復雜，環境惡劣，基礎設施薄弱，為保障管理力度及安全，采砂區設計了三級供電系統。第一級使用現場提供的市電，對現場所有設備進行日常生產供電;第二級使用不間斷電源（Uninterruptible Power Supply，UPS），當第一級供電失效時，使用UPS系統為控制中心提供1 h應急供電，避免系統停運導致車輛滯留場區等情況;第三級使用太陽能，當第二級供電失效時，系統自動使用太陽能供電系統為數據傳輸系統和視頻監控系統供電，保障遠程視頻監控系統可用，避免因電力缺失導致現場脫管。另外，為數據中心配備UPS系統，提供24 h不間斷供電能力。

1.10 安全管理及保障

1.10.1 數據傳輸安全。控制中心和數據中心以及“華龍云”平臺通過硬件虛擬專用網絡（Virtual Private Network，VPN）專用設備進行數據傳輸，使用IPSec VPN IKEV2實現“密鑰+證書”雙重認證，確保網絡及數據安全。

1.10.2 系統安全。為數據機房配備設備運行監測系統，實時監控所有網絡設備、視頻監控設備、采集設備的運行狀態，若發現故障，則主動報警，提高系統可靠性。

1.11 數據追溯設計

所有關鍵系統參數修改均匹配操作人員監控畫面，繳費刷卡匹配刷卡現場畫面，五聯單打印后拍照上傳系統，有效避免設備故障或人為因素引起的信息采集不完整、設備盜用及數據篡改等管理問題。

2 主要創新點

本研究以強化管理為出發點，進行軟硬件系統一體化研發設計，構建“現場可監控，范圍可管控，產量可統計，操作可追溯”的河道采砂及引渠清淤智能管理系統。它使用數字化記錄和紙質五聯單憑據，豐富了采砂監管手段，保障了監管力度，提高了數據準確度。河道采砂及引渠清淤智能管理系統可配合黃委直管河段采砂智能監管平臺和黃委直管河段河道采砂許可證管理系統進行數據聯動，實現縣、市、省、黃委采砂管理一張圖，并具有用戶管轄權限劃分、多層分級管理、云數據調用以及手機應用程序查看等功能。

3 應用情況

2018年5月，沁河采砂智能化管理系統在沁河沁陽段內的塢頭砂場投入使用。2019年12月，項目組對原系統進行整合升級改造，然后將其更名為河道采砂及引渠清淤智能管理系統。該系統的自動化、智能化、集成化等設計可大幅降低項目管理難度及成本，促進河道采砂管理工作與信息化深度融合，實現采砂精準化和智能化管理。2020年3月，該系統在焦作市武陟縣引黃入武清淤工程黃河一標、沁河二標正式實裝運行。系統采用多種先進的信息技術手段，實現清淤及砂場的實時管控，增強了管理能力，有效防止河道被破壞。武陟引黃入武清淤工程現場監管中心如圖3所示。

經過長期跟蹤運行維護，聽取多方改進意見，持續對軟硬件進行改進，優化系統界面，增加了計量收費功能。2020年8月，該系統在河南焦作孟州黃河河道采砂砂石集散點工程1號砂場、2號砂場（東）、2號砂場（西）和3號砂場4處砂場安裝并應用，實現砂場的自動化管理，增強了管理能力，降低了人員勞動強度。結果表明，系統運行穩定，數據安全可靠，應用效果良好。孟州黃河河道采砂砂石集散點工程3號砂場的現場控制中心如圖4所示。

2020年12月，該系統推廣至陜西省延川縣采砂管理工程，為工作人員提供不同的操作界面及權限，可查詢轄區內所有已建砂場的實時數據及遠程畫面，實現砂場的實時管控，增強了管理能力，提高了工作效率。延川縣采砂管理工程現場控制中心如圖5所示。

2021年3月，經過實地勘測，在深入分析渭河土質特性、工程環境及難易程度的基礎上，技術人員對系統進行優化更新。改進后的系統應用在渭南市渭河河道內采砂項目的3個采砂點和清澗縣黃河河道內采砂項目的4個采砂點。該系統安裝簡便，具有拆裝功能，汛期可將設備簡易拆卸后裝車移走，降低了維護費用，實現了采砂現場的自動化管理，顯著提升了砂場運行效率。

4 結語

該系統廣泛適用于河湖清淤及采砂管理領域，采用視頻監控、北斗衛星導航系統/全球定位系統定位、傳感器和電子車輛識別儀等先進信息技術手段，通過軟硬件深度融合，實現現場遠程視頻實時監控、范圍越界自動報警、運砂自動計量、環境質量監測、現場無人值守管理、遠程數據存儲、采砂深度監測、管理操作圖像取證以及分級管理等功能。系統的自動化、智能化、一體化等設計大幅降低了采砂管理難度及成本，填補了市場空白，大大提高了河道主管部門的管理能力和監管效率，體現了“補短板，強監管”的思路，實現了治黃工作與信息化的深度融合。

參考文獻：

[1]國家質量監督檢驗檢疫總局，國家標準化管理委員會.計算機軟件文檔編制規范：GB/T 8567—2006[S].北京：中國標準出版社，2006.

[2]國家質量監督檢驗檢疫總局，國家標準化管理委員會.計算機軟件需求規格說明規范：GB/T 9385—2008[S].北京：中國標準出版社，2008.

[3]國家質量監督檢驗檢疫總局，國家標準化管理委員會.計算機軟件測試文檔編制規范：GB/T 9386—2008[S].北京：中國標準出版社，2008.

[4]國家質量監督檢驗檢疫總局，國家標準化管理委員會.信息技術 軟件生存周期過程：GB/T 8566—2007[S].北京：中國標準出版社，2007.

[5]邢天明，董棟，邢棟，等.基層黃河專網管理系統更新與遠程管理[J].人民黃河，2018（3）：39-41.