基于深度学习与计算机视觉技术的“浅水之星”方案设计

王海淼，张云玲，冷自永，肖凌云，夏蒙慧

（安徽信息工程学院 大数据与人工智能学院，安徽 芜湖 241000）

0 引 言

时至今日，传统水产业养殖仍存在大量的人工喂食、排污等操作，显而易见地暴露出人工成本高、支出资本过多等弊端。而“浅水之星”智慧养殖方案的设计，借助深度学习、物联网、计算机视觉等技术，可以精准地实现智能溶氧、智能施肥等操作，节省大量的人力成本以及能源方面的消耗，实现更加科学、智能的养殖方式。

此外，构建生态环境建设，践行“绿水青山就是金山银山”的战略目标以及宣贯防溺水安全也是一直以来我国所重视的智慧城市建设板块。而“浅水之星”智慧养殖方案的设计，借助深度学习[1]、物联网、计算机视觉等技术，实现了中小型水域垃圾科学处理、智慧防溺水警报以及水体安全监测等功能，为区域性环境改善和防溺水安全建设贡献出一份力量。

1 基础方案设计

1.1 智慧养殖子系统的方案设计

本文所述“浅水之星”装置包括智慧养殖子系统和智慧城市子系统。智慧养殖子系统设置有滤水吸附装置[2]、垃圾收集装置、动力装置、车水式增氧机[3]、应变式压力传感器、垃圾回收装置和养料收集装置等。智慧养殖子系统的方案设计如图1 和图2 所示。图1 和图2 均采用分区设计，共用一套垃圾收集装置、动力装置、应变式压力传感器装置，二者的主要区别在于：图1 的车水式增氧机采用物理增氧的模式，需要四周的滚轮传动提供相应的溶氧[4]，其功能不会占用和影响舱内区域；而图2 的养料收集装置采用物理吸附加化学采集的手段协同收集养料，收集的养料需要占用舱内的区域。

图1 “浅水之星”智慧养殖溶氧系统装置示意图

图2 “浅水之星”智慧养殖养料系统装置示意图

图1 中的垃圾收集装置与图2 中的垃圾回收装置，主要采用深度学习与计算机视觉技术来进行功能设计。利用一层全连接与二层神经网络模型结合soft-max激活函数对图像数据进行建模分析并得出分类识别算法，然后根据分类识别信息进行垃圾收集清理回收。

图1 中的滤水吸附装置、动力装置和应变式压力传感器与图2 中的供力装置、应变式压力传感器，均采用物联网以及相应的机械制动技术进行功能设计。利用物理吸附[5]，处理垃圾回收的多余水渍；利用风光互补结合电池辅助供能，实现装置内动力的供给；通过压力传感器对装置内垃圾溢满状态进行检测。

图1 中的车水式增氧机与图2 中的养料收集装置，采用的是一体化的分区设计，并结合相应的定时调度的物理操作进行功能设计。对所需任务调度的开始时间、中断时间、结束时间进行设置，并及时对其进行资源补充，即可达到周期性地溶氧、施肥、收肥等效果。

1.2 智慧城市子系统的方案设计

智慧城市子系统的方案设计包括滤水吸附装置、垃圾收集装置、挡水板、动力装置、信号发射接收装置、应变式压力传感器等。具体方案设计如图3 所示。

图3 “浅水之星”智慧城市子系统装置示意图

对于图3 所示的①、③、④、⑥装置设计，在1.1 节中已经进行详细说明，此处不再赘述。

采用深度学习、计算机视觉与物联网等技术对图3 中的垃圾收集装置与信号发射接收装置进行设计，实现垃圾识别分类、用户画像识别判断、数据存储分析、信息传递、语音识别反馈等功能。结合CNN 算法[6]、树莓派技术等可以完整地实现垃圾收集整理、信息发射接收对应的整套功能。

2 主要功能概述

2.1 智慧养殖子系统

智慧养殖子系统的功能如下：

（1）垃圾收集功能：以物理吸附和小型抓手的方式对水面中小型污垢及漂浮物等进行清理收集，并将收集垃圾放置于垃圾收集区等待滤水吸附操作。

（2）滤水吸附功能：对所吸附的污垢及漂浮物等进行固液分离，去除多余水渍，并将处理后的垃圾收集到回收区中，防止因载水过多影响装置运行。

（3）垃圾回收功能：该部分与垃圾收集区互相分区独立，主要完成滤水吸附后的垃圾存储回收的功能。

（4）应变式压力传感功能：该部分主要感应垃圾回收区的垃圾是否达到溢满状态，当达到溢满状态时及时发出指令进行垃圾倾倒[7]。

（5）动力供应功能：为系统提供相应的能源供应与助推力，该能源包括风光互补[8]能源及电池驱动，风光互补为主要能源供应渠道，电池驱动为辅助应急能源供应渠道。

（6）车水式增氧机功能：该部分采取定时控制执行的方式，采用物理溶氧技术进行水体溶氧。

（7）养料收集功能：该部分包括养料投送与回收操作。由控制员来选择操作状态，以机器设定好的距离配合视觉探测进行养料投送；利用视觉检测，将未使用养料进行合理化回收。

2.2 智慧城市子系统

智慧城市子系统的功能主要包括：

（1）垃圾收集功能：采取吸附与抓取的操作来进行中小型垃圾的收集，将其传送至滤水吸附仓中。

（2）滤水吸附功能：将收集到的垃圾进行滤水的剔除，防止因载水过剩影响装置的运行效果。

（3）挡水板：在动力推进的作用下，挡水板主要用作排水辅助推动效果，并且为装置进行相应的防水操作。

（4）动力供应功能：采取转轮转动的方式进行动力驱动，配合挡水板进行协同操作[9]。

（5）信号发射接收功能：采用红外探测的视觉检测[10]，检测到有人入水时，发送信号至接收塔，接收塔将对反馈的信号进行搜集处理，并反馈至装置做出相应的指令。

（6）应变式压力传感：该部分主要感应垃圾收集区的垃圾是否达到溢满状态，当达到溢满状态时及时发出指令进行垃圾倾倒。

3 具体实施方式

3.1 智慧养殖子系统实施方式

根据体系化设计原则及相应功能的划分，“浅水之星”智慧养殖子系统的实施流程如图4 所示。

图4 “浅水之星”智慧养殖子系统实施流程

下面结合图4 的操作流程以及图1 和图2 的装置示意图对“浅水之星”智慧养殖系统的相应实施方式进行说明。

对于智慧溶氧系统的实施方式，图1 主要展现了在智慧溶氧系统实施过程中“浅水之星”的主要工作是采用垃圾处理协同科学溶氧的方式进行。首先当装置运行在水面上时，如果设置了周期性的调度任务，它会根据调度任务与车水式增氧机以及供力装置相配合进行科学的溶氧操作；并且在进行指令操作期间，如果水面存在中小型垃圾，垃圾收集装置会进行垃圾收集，并且将收集后的垃圾按照从滤水吸附装置的滤水吸附到应变式压力传感器的压力检测[11]这一流程来处理。考虑到在垃圾处理期间，同时进行溶氧操作可能会让整体的运行效率忽高忽低，因此在进行垃圾处理时会同步减少溶氧操作的力度，这样可以更好地平衡两者的协同工作时间。

对于智慧养料系统的实施方式，图2 主要展现了在智慧养料系统实施过程中“浅水之星”的主要工作形态。该装置操作整体流程与溶氧系统[12]大体一致。但需要注意的是，在进行养料收集工作时，垃圾处理工作是无法进行的，因此从粒度上对养料和中小型垃圾进行区分，根据不同粒度进行相应的养料和中小型垃圾的回收。这样的实施流程是为了避免影响工作效率。其他对于垃圾处理的流程与溶氧系统是一致的，可参照上述描述。

3.2 智慧城市子系统实施方式

根据体系化设计原则及相应功能的对应划分，“浅水之星”智慧城市子系统的实施流程如图5 所示。

图5 “浅水之星”智慧城市系统实施流程

下面结合图5 的操作流程以及图3、图6 及图7 的装置形态图对“浅水之星”智慧城市系统的相应实施方式进行说明。

图6 “浅水之星”智慧城市垃圾处理系统装置形态

图7 “浅水之星”智慧城市安全告警系统装置示意图

图3 所示为“浅水之星”智慧城市子系统装置总体示意图。为了方便理解各个装置的具体操作功能，将总体图拆分为图6 和图7 进行实施流程阐述。图6 是“浅水之星”在进行智慧城市垃圾处理时的主要工作形态图，主要是将图3 的垃圾处理装置部分放大进行描述；而图7 是对图3中的信号发射接收装置的更进一步描绘，并附带各个装置的功能名称。

对于垃圾处理系统的实施方式，如图6 所示，先通过装置滤水吸附装置和垃圾收集装置，再配合动力供给装置和水下推进装置收集相应的垃圾，并进行多余水渍的吸附；然后通过挡水板与水面支撑装置的协同作用排除相应的水渍；最后当需要卸运相应的垃圾时，水面支撑装置通过一定的变形让舱内所收集的垃圾及时地倾倒在垃圾回收处，倾倒结束后将信号发给总控装置，并在总控装置的调度下完成收缩的指令，再一次回到水面清运的状态。

对于安全告警系统[13]的实施方式，如图7 所示，先通过水下检测装置检测是否探查到人物画像，在特定的范围内对浅水域进行红外扫描，一旦出现生物性指标，会将检测结果以用户画像[14]的形式提交给信号接收反馈装置，经过信号接收反馈装置的比对后做出相应的指令；指令操作将被传递给信号发射接收装置。该装置运行机制为如下两种：一是直接通信，与信号塔建立实时互联，实现直接的信息交流，诸如语音交互等；二是间接通信，将红外探测的信号以图像的方式反馈给信号接收反馈装置，将比对后的信息进行相应的处理，而信号接收的机制主要通过语音交互来体现。在接收了信号接收反馈装置的警报信号后，将会同步启动内置紧急报警装置[15]，该装置将已经通过信号接收反馈装置二次确认的结果进行传递，当收到信号时内置紧急报警装置采取相应的调度。主要的调度手段有两种形式：一是在白天采取语音播报的方式；二是在夜间采取灯闪加播报的方式，一旦检测到识别物离开了警戒范围，将停止播报并在红外线装置的辅助下检测识别物是否离开所监控的区域，从而判断是否结束警报状态。

4 结 语

本文以智慧养殖与智慧城市作为背景，针对存在的痛点情况设计了一款“浅水之星”用来解决人工溶氧、人工施肥、垃圾处理、溺水安全等问题，运用人工智能与物联网技术相融合进行合理化的功能设计，从而达到预期目标。后续将依托相应的技术与设计理念进行“浅水之星”的研发生产，以更好地助力智慧养殖与智慧城市的发展。