一種生物質禁燒視頻大數(shù)據監(jiān)控平臺的設計與應用

王豪博，江澤鑫

（廣州邦訊信息系統(tǒng)有限公司，廣東 廣州 510663）

0 引言

面對點多、面廣、線長的生物質燃燒源，政府必須投入巨大的人力和財力進行現(xiàn)場監(jiān)管，在傳統(tǒng)的人工巡查方式模式下，監(jiān)管的效率和效果難以滿足管理的要求。在生物質焚燒重點禁燒區(qū)，通過大數(shù)據技術[1]、熱成像技術、智能圖像識別技術、融合通信技術、GIS地理信息技術等高新技術，建設生物質焚燒智能監(jiān)管一體化系統(tǒng)，實現(xiàn)對秸稈、垃圾等焚燒的實時監(jiān)控、自動識別、自動定位、自動告警、任務巡查等全過程的高效閉環(huán)監(jiān)管。使生物質禁燒工作由過去“人防”變?yōu)椤叭朔?技防”，大幅度提高禁燒治理工作效率和成效，降低大氣污染形成的機率。具體內容為：

一是搭建高精度視頻監(jiān)控網絡，實現(xiàn)對生物質燃燒行為全方位、24小時不間斷在線監(jiān)控，確保生物質禁燒重點管控區(qū)域監(jiān)管全覆蓋、全過程、無死角。

二是利用分析模型算法，對重點管控區(qū)范圍內的生物質燃燒實現(xiàn)智能化的冒煙識別、冒煙告警、火點定位等功能，同時生成監(jiān)管證據。

三是建立網格調度管理機制，按縣、鎮(zhèn)、村劃分三級網格管理機制。實現(xiàn)告警信息直達網格負責人/監(jiān)管人，方便網格負責人根據警情，及時動態(tài)調配人員前往現(xiàn)場滅火、進行管控處置。

四是生物質燃燒的責任追溯，通過對重點管控區(qū)域的生物質燃燒/綜合利用的全過程記錄，為責任層層傳遞、為聯(lián)防聯(lián)控組織提供督導和考核、獎罰依據，提高責任主體的執(zhí)行力。

1 總體設計

面對點多、面廣、線長的生物質燃燒源，目前一般有兩方式來監(jiān)測，一是傳統(tǒng)的人工巡查，二是安裝攝像機，將圖像傳到監(jiān)控中心，再由人工來查看。

這兩種方式都比較依賴于人，工作效率也比較低。本方案在圖像監(jiān)控的基礎上再提升功能，增加熱成像技術、智能圖像AI識別技術和融合通信技術、GIS地理信息技術等高新技術，通過在鐵塔頂端安裝高清網絡熱成像攝像機，實現(xiàn)監(jiān)管區(qū)對林木、垃圾等焚燒域24小時實時監(jiān)測，利用平臺分析實現(xiàn)告警、取證、處理的聯(lián)動機制，實現(xiàn)監(jiān)控數(shù)據流媒體存儲、遠距離大范圍監(jiān)控、火情自動報警、火點快速定位、執(zhí)法依據提供等。監(jiān)控中心為統(tǒng)一的平臺[2]，可以接入不同品牌的攝像機；在數(shù)據庫設計上使用了國產數(shù)據庫，能最大化數(shù)據庫的性能及更好地保障數(shù)據安全。

視頻監(jiān)控系統(tǒng)包含了前端設備、監(jiān)控中心平臺、客戶端軟件三部分。

圖1 系統(tǒng)架構圖

1.1 前端設備

基于“鐵塔+視頻”構建的生物質禁燒視頻大數(shù)據監(jiān)控平臺，前端支持熱成像攝像機的接入及相關參數(shù)配置，按照標準的音視頻編碼格式及標準的通信協(xié)議，可直接接入監(jiān)控平臺進行視頻圖像的傳輸。

1.2 監(jiān)控中心平臺

監(jiān)控中心配置監(jiān)控軟件，實現(xiàn)統(tǒng)一的管理平臺、統(tǒng)一的切換控制系統(tǒng)和統(tǒng)一的顯示系統(tǒng)，實現(xiàn)對整個系統(tǒng)的統(tǒng)一配置和管理；監(jiān)控中心支持云存儲，對前端攝像機視頻數(shù)據進行實時存儲和歷史視頻調閱；視頻AI算法服務器，支持對生物質焚燒的智能視頻識別，提高視頻智能算法識別率。

1.3 客戶端

互聯(lián)網側的客戶端軟件（Web客戶端軟件和移動APP客戶端軟件），可以對視頻監(jiān)控設備和用戶進行統(tǒng)一管控，并實現(xiàn)實時視頻、視頻回放、電子地圖和告警推送和呈現(xiàn)等功能。

2 智能視頻分析

通過在鐵塔頂端安裝高清網絡熱成像攝像頭，實現(xiàn)林區(qū)24小時實時監(jiān)測，利用平臺分析實現(xiàn)告警、取證、處理的聯(lián)動機制，實現(xiàn)監(jiān)控數(shù)據流媒體存儲、遠距離大范圍監(jiān)控、火情自動報警、火點快速定位、執(zhí)法依據提供等。

在監(jiān)控平臺中生物質焚燒場景可以采用接入高清高倍球機后端識別[3]分析上送告警，也可以采用雙光譜攝像頭就行前端識別上送告警到監(jiān)控平臺。監(jiān)控平臺可以根據場景需要同時接入多種不通過類型的攝像頭同時進行智能化分析和收集信息。

2.1 生物質焚燒視頻識別（算法識別）

生物質禁燒[4]前端系統(tǒng)對被監(jiān)控農田區(qū)域和現(xiàn)場視頻信息進行采集、編碼、存儲及上傳，并通過客戶端平臺預置的規(guī)則進行自動化聯(lián)動。前端高清網絡攝像機一旦發(fā)現(xiàn)火點，可通過平臺智能算法[5]對火點進行定位，然后中心值班人員可以根據火點定位位置信息，通知相關的巡邏隊員前往火點區(qū)處理。火點報警信息可通過平臺利用手機短信通知或手機APP客戶端通知相關負責人。

2.2 煙霧檢測模型設計

結合HOG特征、LBP特征和VGG16所提取的深度特征進行煙霧檢測網絡結構圖設計，如圖2所示。

圖2 煙霧檢測模型設計結構圖

其中input1為HOG特征，input2為IBP直方圖特征、input3為VGG16深度特征，將三個特征均壓縮為128維后進行拼接，然后再輸入到一個全連接神經網絡中進行分類。

2.3 訓練及測試效果評估

使用在ImageNet上預訓練的VGG16進行遷移學習，使用VGG16的卷積層作為特征提取器，SVM作為分類器/finetune最后的全連接層，煙霧檢測計算結果如圖3所示，應用案例圖片示例如圖4所示。

圖3 煙霧檢測計算結果圖

圖4 某地生物質焚燒智能識別違規(guī)圖片示例

3 用戶界面設計與應用

生物質禁燒視頻大數(shù)據監(jiān)控軟件可以對所選區(qū)域內實時監(jiān)控數(shù)據，包括實時視頻、歷史視頻、電子地圖信息展示、權限及設備管理[6]、告警數(shù)據的查詢統(tǒng)計。其中實時視頻的操作界面如圖5所示。界面根據監(jiān)測的區(qū)域按樹形列表顯示如圖6所示，支持對本組織的攝像機設備，可以在系統(tǒng)內，對所有的監(jiān)控攝像機設備進行參數(shù)配置，修改設備名稱及其相關的參數(shù)等。

圖5 實時視頻

圖6 設備管理

4 結語

本文設計開發(fā)了生物質禁燒視頻大數(shù)據監(jiān)控軟件，提升決策能力，利用智能化、可視化技術手段對監(jiān)控違規(guī)操作，實現(xiàn)有序化管理，減少安全隱患。盡早排查、預報隱患、保障安全。節(jié)省人力投入，自動環(huán)保監(jiān)測，提升工作效率，減少人力投入。降低運營成本，中心平臺一次性投入，其他地區(qū)行業(yè)用戶快捷接入，節(jié)省運營和維護成本。最終實現(xiàn)對監(jiān)控區(qū)域的立體化、全方位管理。