基于深度學(xué)習(xí)與計算機(jī)視覺技術(shù)的“淺水之星”方案設(shè)計

王海淼，張云玲，冷自永，肖凌云，夏蒙慧

（安徽信息工程學(xué)院 大數(shù)據(jù)與人工智能學(xué)院，安徽 蕪湖 241000）

0 引 言

時至今日，傳統(tǒng)水產(chǎn)業(yè)養(yǎng)殖仍存在大量的人工喂食、排污等操作，顯而易見地暴露出人工成本高、支出資本過多等弊端。而“淺水之星”智慧養(yǎng)殖方案的設(shè)計，借助深度學(xué)習(xí)、物聯(lián)網(wǎng)、計算機(jī)視覺等技術(shù)，可以精準(zhǔn)地實(shí)現(xiàn)智能溶氧、智能施肥等操作，節(jié)省大量的人力成本以及能源方面的消耗，實(shí)現(xiàn)更加科學(xué)、智能的養(yǎng)殖方式。

此外，構(gòu)建生態(tài)環(huán)境建設(shè)，踐行“綠水青山就是金山銀山”的戰(zhàn)略目標(biāo)以及宣貫防溺水安全也是一直以來我國所重視的智慧城市建設(shè)板塊。而“淺水之星”智慧養(yǎng)殖方案的設(shè)計，借助深度學(xué)習(xí)[1]、物聯(lián)網(wǎng)、計算機(jī)視覺等技術(shù)，實(shí)現(xiàn)了中小型水域垃圾科學(xué)處理、智慧防溺水警報以及水體安全監(jiān)測等功能，為區(qū)域性環(huán)境改善和防溺水安全建設(shè)貢獻(xiàn)出一份力量。

1 基礎(chǔ)方案設(shè)計

1.1 智慧養(yǎng)殖子系統(tǒng)的方案設(shè)計

本文所述“淺水之星”裝置包括智慧養(yǎng)殖子系統(tǒng)和智慧城市子系統(tǒng)。智慧養(yǎng)殖子系統(tǒng)設(shè)置有濾水吸附裝置[2]、垃圾收集裝置、動力裝置、車水式增氧機(jī)[3]、應(yīng)變式壓力傳感器、垃圾回收裝置和養(yǎng)料收集裝置等。智慧養(yǎng)殖子系統(tǒng)的方案設(shè)計如圖1 和圖2 所示。圖1 和圖2 均采用分區(qū)設(shè)計，共用一套垃圾收集裝置、動力裝置、應(yīng)變式壓力傳感器裝置，二者的主要區(qū)別在于：圖1 的車水式增氧機(jī)采用物理增氧的模式，需要四周的滾輪傳動提供相應(yīng)的溶氧[4]，其功能不會占用和影響艙內(nèi)區(qū)域；而圖2 的養(yǎng)料收集裝置采用物理吸附加化學(xué)采集的手段協(xié)同收集養(yǎng)料，收集的養(yǎng)料需要占用艙內(nèi)的區(qū)域。

圖1 “淺水之星”智慧養(yǎng)殖溶氧系統(tǒng)裝置示意圖

圖2 “淺水之星”智慧養(yǎng)殖養(yǎng)料系統(tǒng)裝置示意圖

圖1 中的垃圾收集裝置與圖2 中的垃圾回收裝置，主要采用深度學(xué)習(xí)與計算機(jī)視覺技術(shù)來進(jìn)行功能設(shè)計。利用一層全連接與二層神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)模型結(jié)合soft-max激活函數(shù)對圖像數(shù)據(jù)進(jìn)行建模分析并得出分類識別算法，然后根據(jù)分類識別信息進(jìn)行垃圾收集清理回收。

圖1 中的濾水吸附裝置、動力裝置和應(yīng)變式壓力傳感器與圖2 中的供力裝置、應(yīng)變式壓力傳感器，均采用物聯(lián)網(wǎng)以及相應(yīng)的機(jī)械制動技術(shù)進(jìn)行功能設(shè)計。利用物理吸附[5]，處理垃圾回收的多余水漬；利用風(fēng)光互補(bǔ)結(jié)合電池輔助供能，實(shí)現(xiàn)裝置內(nèi)動力的供給；通過壓力傳感器對裝置內(nèi)垃圾溢滿狀態(tài)進(jìn)行檢測。

圖1 中的車水式增氧機(jī)與圖2 中的養(yǎng)料收集裝置，采用的是一體化的分區(qū)設(shè)計，并結(jié)合相應(yīng)的定時調(diào)度的物理操作進(jìn)行功能設(shè)計。對所需任務(wù)調(diào)度的開始時間、中斷時間、結(jié)束時間進(jìn)行設(shè)置，并及時對其進(jìn)行資源補(bǔ)充，即可達(dá)到周期性地溶氧、施肥、收肥等效果。

1.2 智慧城市子系統(tǒng)的方案設(shè)計

智慧城市子系統(tǒng)的方案設(shè)計包括濾水吸附裝置、垃圾收集裝置、擋水板、動力裝置、信號發(fā)射接收裝置、應(yīng)變式壓力傳感器等。具體方案設(shè)計如圖3 所示。

圖3 “淺水之星”智慧城市子系統(tǒng)裝置示意圖

對于圖3 所示的①、③、④、⑥裝置設(shè)計，在1.1 節(jié)中已經(jīng)進(jìn)行詳細(xì)說明，此處不再贅述。

采用深度學(xué)習(xí)、計算機(jī)視覺與物聯(lián)網(wǎng)等技術(shù)對圖3 中的垃圾收集裝置與信號發(fā)射接收裝置進(jìn)行設(shè)計，實(shí)現(xiàn)垃圾識別分類、用戶畫像識別判斷、數(shù)據(jù)存儲分析、信息傳遞、語音識別反饋等功能。結(jié)合CNN 算法[6]、樹莓派技術(shù)等可以完整地實(shí)現(xiàn)垃圾收集整理、信息發(fā)射接收對應(yīng)的整套功能。

2 主要功能概述

2.1 智慧養(yǎng)殖子系統(tǒng)

智慧養(yǎng)殖子系統(tǒng)的功能如下：

（1）垃圾收集功能：以物理吸附和小型抓手的方式對水面中小型污垢及漂浮物等進(jìn)行清理收集，并將收集垃圾放置于垃圾收集區(qū)等待濾水吸附操作。

（2）濾水吸附功能：對所吸附的污垢及漂浮物等進(jìn)行固液分離，去除多余水漬，并將處理后的垃圾收集到回收區(qū)中，防止因載水過多影響裝置運(yùn)行。

（3）垃圾回收功能：該部分與垃圾收集區(qū)互相分區(qū)獨(dú)立，主要完成濾水吸附后的垃圾存儲回收的功能。

（4）應(yīng)變式壓力傳感功能：該部分主要感應(yīng)垃圾回收區(qū)的垃圾是否達(dá)到溢滿狀態(tài)，當(dāng)達(dá)到溢滿狀態(tài)時及時發(fā)出指令進(jìn)行垃圾傾倒[7]。

（5）動力供應(yīng)功能：為系統(tǒng)提供相應(yīng)的能源供應(yīng)與助推力，該能源包括風(fēng)光互補(bǔ)[8]能源及電池驅(qū)動，風(fēng)光互補(bǔ)為主要能源供應(yīng)渠道，電池驅(qū)動為輔助應(yīng)急能源供應(yīng)渠道。

（6）車水式增氧機(jī)功能：該部分采取定時控制執(zhí)行的方式，采用物理溶氧技術(shù)進(jìn)行水體溶氧。

（7）養(yǎng)料收集功能：該部分包括養(yǎng)料投送與回收操作。由控制員來選擇操作狀態(tài)，以機(jī)器設(shè)定好的距離配合視覺探測進(jìn)行養(yǎng)料投送；利用視覺檢測，將未使用養(yǎng)料進(jìn)行合理化回收。

2.2 智慧城市子系統(tǒng)

智慧城市子系統(tǒng)的功能主要包括：

（1）垃圾收集功能：采取吸附與抓取的操作來進(jìn)行中小型垃圾的收集，將其傳送至濾水吸附倉中。

（2）濾水吸附功能：將收集到的垃圾進(jìn)行濾水的剔除，防止因載水過剩影響裝置的運(yùn)行效果。

（3）擋水板：在動力推進(jìn)的作用下，擋水板主要用作排水輔助推動效果，并且為裝置進(jìn)行相應(yīng)的防水操作。

（4）動力供應(yīng)功能：采取轉(zhuǎn)輪轉(zhuǎn)動的方式進(jìn)行動力驅(qū)動，配合擋水板進(jìn)行協(xié)同操作[9]。

（5）信號發(fā)射接收功能：采用紅外探測的視覺檢測[10]，檢測到有人入水時，發(fā)送信號至接收塔，接收塔將對反饋的信號進(jìn)行搜集處理，并反饋至裝置做出相應(yīng)的指令。

（6）應(yīng)變式壓力傳感：該部分主要感應(yīng)垃圾收集區(qū)的垃圾是否達(dá)到溢滿狀態(tài)，當(dāng)達(dá)到溢滿狀態(tài)時及時發(fā)出指令進(jìn)行垃圾傾倒。

3 具體實(shí)施方式

3.1 智慧養(yǎng)殖子系統(tǒng)實(shí)施方式

根據(jù)體系化設(shè)計原則及相應(yīng)功能的劃分，“淺水之星”智慧養(yǎng)殖子系統(tǒng)的實(shí)施流程如圖4 所示。

圖4 “淺水之星”智慧養(yǎng)殖子系統(tǒng)實(shí)施流程

下面結(jié)合圖4 的操作流程以及圖1 和圖2 的裝置示意圖對“淺水之星”智慧養(yǎng)殖系統(tǒng)的相應(yīng)實(shí)施方式進(jìn)行說明。

對于智慧溶氧系統(tǒng)的實(shí)施方式，圖1 主要展現(xiàn)了在智慧溶氧系統(tǒng)實(shí)施過程中“淺水之星”的主要工作是采用垃圾處理協(xié)同科學(xué)溶氧的方式進(jìn)行。首先當(dāng)裝置運(yùn)行在水面上時，如果設(shè)置了周期性的調(diào)度任務(wù)，它會根據(jù)調(diào)度任務(wù)與車水式增氧機(jī)以及供力裝置相配合進(jìn)行科學(xué)的溶氧操作；并且在進(jìn)行指令操作期間，如果水面存在中小型垃圾，垃圾收集裝置會進(jìn)行垃圾收集，并且將收集后的垃圾按照從濾水吸附裝置的濾水吸附到應(yīng)變式壓力傳感器的壓力檢測[11]這一流程來處理。考慮到在垃圾處理期間，同時進(jìn)行溶氧操作可能會讓整體的運(yùn)行效率忽高忽低，因此在進(jìn)行垃圾處理時會同步減少溶氧操作的力度，這樣可以更好地平衡兩者的協(xié)同工作時間。

對于智慧養(yǎng)料系統(tǒng)的實(shí)施方式，圖2 主要展現(xiàn)了在智慧養(yǎng)料系統(tǒng)實(shí)施過程中“淺水之星”的主要工作形態(tài)。該裝置操作整體流程與溶氧系統(tǒng)[12]大體一致。但需要注意的是，在進(jìn)行養(yǎng)料收集工作時，垃圾處理工作是無法進(jìn)行的，因此從粒度上對養(yǎng)料和中小型垃圾進(jìn)行區(qū)分，根據(jù)不同粒度進(jìn)行相應(yīng)的養(yǎng)料和中小型垃圾的回收。這樣的實(shí)施流程是為了避免影響工作效率。其他對于垃圾處理的流程與溶氧系統(tǒng)是一致的，可參照上述描述。

3.2 智慧城市子系統(tǒng)實(shí)施方式

根據(jù)體系化設(shè)計原則及相應(yīng)功能的對應(yīng)劃分，“淺水之星”智慧城市子系統(tǒng)的實(shí)施流程如圖5 所示。

圖5 “淺水之星”智慧城市系統(tǒng)實(shí)施流程

下面結(jié)合圖5 的操作流程以及圖3、圖6 及圖7 的裝置形態(tài)圖對“淺水之星”智慧城市系統(tǒng)的相應(yīng)實(shí)施方式進(jìn)行說明。

圖6 “淺水之星”智慧城市垃圾處理系統(tǒng)裝置形態(tài)

圖7 “淺水之星”智慧城市安全告警系統(tǒng)裝置示意圖

圖3 所示為“淺水之星”智慧城市子系統(tǒng)裝置總體示意圖。為了方便理解各個裝置的具體操作功能，將總體圖拆分為圖6 和圖7 進(jìn)行實(shí)施流程闡述。圖6 是“淺水之星”在進(jìn)行智慧城市垃圾處理時的主要工作形態(tài)圖，主要是將圖3 的垃圾處理裝置部分放大進(jìn)行描述；而圖7 是對圖3中的信號發(fā)射接收裝置的更進(jìn)一步描繪，并附帶各個裝置的功能名稱。

對于垃圾處理系統(tǒng)的實(shí)施方式，如圖6 所示，先通過裝置濾水吸附裝置和垃圾收集裝置，再配合動力供給裝置和水下推進(jìn)裝置收集相應(yīng)的垃圾，并進(jìn)行多余水漬的吸附；然后通過擋水板與水面支撐裝置的協(xié)同作用排除相應(yīng)的水漬；最后當(dāng)需要卸運(yùn)相應(yīng)的垃圾時，水面支撐裝置通過一定的變形讓艙內(nèi)所收集的垃圾及時地傾倒在垃圾回收處，傾倒結(jié)束后將信號發(fā)給總控裝置，并在總控裝置的調(diào)度下完成收縮的指令，再一次回到水面清運(yùn)的狀態(tài)。

對于安全告警系統(tǒng)[13]的實(shí)施方式，如圖7 所示，先通過水下檢測裝置檢測是否探查到人物畫像，在特定的范圍內(nèi)對淺水域進(jìn)行紅外掃描，一旦出現(xiàn)生物性指標(biāo)，會將檢測結(jié)果以用戶畫像[14]的形式提交給信號接收反饋裝置，經(jīng)過信號接收反饋裝置的比對后做出相應(yīng)的指令；指令操作將被傳遞給信號發(fā)射接收裝置。該裝置運(yùn)行機(jī)制為如下兩種：一是直接通信，與信號塔建立實(shí)時互聯(lián)，實(shí)現(xiàn)直接的信息交流，諸如語音交互等；二是間接通信，將紅外探測的信號以圖像的方式反饋給信號接收反饋裝置，將比對后的信息進(jìn)行相應(yīng)的處理，而信號接收的機(jī)制主要通過語音交互來體現(xiàn)。在接收了信號接收反饋裝置的警報信號后，將會同步啟動內(nèi)置緊急報警裝置[15]，該裝置將已經(jīng)通過信號接收反饋裝置二次確認(rèn)的結(jié)果進(jìn)行傳遞，當(dāng)收到信號時內(nèi)置緊急報警裝置采取相應(yīng)的調(diào)度。主要的調(diào)度手段有兩種形式：一是在白天采取語音播報的方式；二是在夜間采取燈閃加播報的方式，一旦檢測到識別物離開了警戒范圍，將停止播報并在紅外線裝置的輔助下檢測識別物是否離開所監(jiān)控的區(qū)域，從而判斷是否結(jié)束警報狀態(tài)。

4 結(jié) 語

本文以智慧養(yǎng)殖與智慧城市作為背景，針對存在的痛點(diǎn)情況設(shè)計了一款“淺水之星”用來解決人工溶氧、人工施肥、垃圾處理、溺水安全等問題，運(yùn)用人工智能與物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)相融合進(jìn)行合理化的功能設(shè)計，從而達(dá)到預(yù)期目標(biāo)。后續(xù)將依托相應(yīng)的技術(shù)與設(shè)計理念進(jìn)行“淺水之星”的研發(fā)生產(chǎn)，以更好地助力智慧養(yǎng)殖與智慧城市的發(fā)展。