北京河长智慧移动终端应用设计与开发

唐锚　尹晓楠　李霞

摘 要：为解决河长制信息系统用户数量大、应用环境复杂、终端型号多导致的实际业务问题，运用精准定位优化技术、大数据技术、人工智能技术及跨平台系统集成技术，进行北京河长智慧移动终端应用的设计与开发，实现精准定位、事件智能上报、多平台交互等功能。实践表明，北京河长智慧移动终端应用为河长制业务管理工作提供了一种便捷、高效、智能的办公方式。

关键词：河长制;精准定位;巡河;AI智能交互;数据管理

中图分类号：TV213.4   文献标志码：A

doi：10.3969/j.issn.1000-1379.2020.03.033

Application Design and Development of Smart Mobile Terminal of River Chief in Beijing

TANG Mao1， YIN Xiaonan1， LI Xia2

（1.Beijing Water Information Management Center， Beijing 100089， China;

2.Twenty-First Century Aerospace Technology Co.， Ltd， Beijing 100096， China）

Abstract：In order to solve the operational problems caused by the large number of users， complex application environment and various models terminal of river chief system， the optimized technique of accurate location， big data and artificial intelligence technology， cross-platform system integration were applied in the application design and development of Beijing river chief smart system. Implemented functions included precise positioning， intelligent event reporting and multi-platform interaction. The practice proves that with the help of this system， the river chief office mode has becomes more convenient， more efficient and more intelligent.

Key words： river chief system; precise positioning; river patrol; artificial intelligence interaction; data management

1 引 言

2016年，中共中央辦公厅、国务院办公厅提出在全国范围内全面推行河长制，建立省、市、县、乡四级河长体系，分级分段进行河湖管理，各级河长以“保护水资源、防治水污染、改善水环境、修复水生态”为主要任务，构建责任明确、协调有序、监管严格、保护有力的河湖管理保护机制[1]。北京市为了进一步推进河长制、湖长制工作，建立市、区、乡镇（街道）、村四级河（湖）长管理体系，要求各级河长积极履职，解决河湖管理保护重难点问题，建立定期巡查制度，及时发现并协调解决河湖管理保护存在的问题，实现主要河湖水清、岸绿、安全、宜人[2]。

随着移动互联网和IT业的高速发展，移动办公已经成为继电脑无纸化办公、互联网远程化办公之后的新一代办公模式，可以摆脱空间和时间的束缚，高效迅捷地开展工作。为了给各级河长提供便捷、智能、直观的业务支撑工具，引入移动通信、人工智能、大数据分析等技术，以移动终端为载体，开发北京河长智慧移动终端应用，实现河长巡河在线记录、巡河问题及时上报、成员单位联合处置、河长履职监督考核以及河长工作可视化展示等功能，便于各级河长便捷、高效地开展综合业务管理[3]。

2 设计要求

2.1 多对象、自适应、跨平台的要求

北京河长智慧移动终端应用服务对象包括市、区、乡镇（街道）、村四级河（湖）长、河长办工作人员及河湖巡查人员，涉及人员数量大，所使用的终端型号多，需要开发自适应的移动应用，方便用户自行安装与使用。同时，北京河长智慧移动终端应用需要与北京市河长制管理系统（PC端）、水利部河长制平台以及环保、农业等各成员单位的应用系统间实现数据交互、服务调用等[4]。

2.2 数据及时精准、交互易用准确的要求

为解决巡河过程中信息的漏报、重报、误报等操作导致上报信息归档和存储不全面、不及时等问题，利用移动终端自动定位、便捷拍照、问题及时上报等功能，在巡河过程中自动匹配准确的河湖，并精准记录巡河的轨迹。为解决基层河长、巡查员在巡河现场编辑文字效率低的问题，引入智能语音交互技术实现语音输入，并转换为文字存储，实现信息推送及反馈，结合知识图谱提升语意识别准确度，提供语音分析、深度语义理解、知识检索和答案整合等功能，实现交互式问答，提升系统的易用性和智能性。

2.3 数据融合、可视化展示的要求

围绕“巡查、受理、管理、监督、考核”等河长制核心业务所产生的数据具备大数据的特征，且时间与空间的关系多样复杂，数据融合、分析和展示尤为重要。通过对河长制数据融合、河长巡河轨迹特征点抽稀、模型与模型融合以及可视化技术进行研究，建立“人—轨迹—事件—时间”的关联关系，实现数据多维度互查。通过河长巡河轨迹特征点抽稀，实现巡河轨迹快速存储和展示，利用空间分析模型结合规则引擎的空间数据挖掘分析单元支撑巡河覆盖率的高效计算，支撑河长制数据的有效存储、快速检索以及河长制日常业务管理。

2.4 云端部署、安全稳定的要求

系统涉及多部门、多用户、多业务、多数据的统筹协调，对硬件设备、网络带宽、使用环境要求高。采用云端部署模式，加强用户认证、访问控制、数据灾备、安全保密等领域建设，确保平台安全稳定运行，降低后期运行维护管理难度，并为拓展云计算、大数据分析等新一代信息技术做好对接[5]。

3 总体架构

随着移动互联网的不断发展，智能手机已经成为工作交流和沟通的必要工具，北京河长智慧移动终端系统的开发与应用是“智慧治水、掌上治水”的有效工作方式。遵循国家政务信息化建设统一标准，按照水利部、北京市河长制的业务需求，设计了北京河长智慧移动终端应用建设总体框架，如图1所示。

3.1 基础设施与运行环境

北京河长智慧移动终端应用是运行在互联网环境的应用系统，系统部署在云端，依托于北京市市级政务云平台所提供的基础软硬件、网络通信和系统运行安全等服务，涉及的基础设施和运行环境主要包括Weblogic应用服务器、Oracle數据库、互联网IP地址租用服务、WAF防护、远程接入服务、防病毒软件服务、重要时期安全扫描服务以及操作系统加固服务等。

3.2 数据管理与应用支撑

数据管理是对数据的定义、传输、交换、存储的统一管理，构建包含巡河数据、巡河轨迹数据、巡河问题数据、基础地图数据、非结构化数据、元数据等多种数据的数据库，实现数据的标准化更新、维护和管理服务。应用支撑介于应用层与数据层之间，包括工作流、权限认证、日志操作、中间件、GIS服务等支撑组件。

3.3 应用体系与后台管理

基于不同用户层级在业务应用过程中的需求规格，结合软件功能设计要求，形成北京河长智慧移动终端应用的业务应用体系，包括现在巡河、巡河统计、问题统计、河长名录、河湖名录、重点任务、日常监督、动态监测等各类业务应用。北京河长智慧移动终端应用后台管理是对移动端应用的用户、权限、版本、数据等进行管理以支撑前台的业务应用。

3.4 标准与保障体系

标准与保障体系是支撑该系统顺利实施、稳定运行的基础。主要包括数据更新机制、标准规范体系、安全保障体系、运维体系等。北京河长智慧移动终端应用部署在北京市市级政务云平台上，该平台已按照等级保护要求，从物理安全、网络安全、主机安全、虚拟化安全、应用安全、数据安全等6个方面进行了安全技术体系规划，且所有设备全部冗余，可避免一台设备宕机造成的单点故障。

4 关键技术及功能实现

4.1 精准定位及轨迹优化

巡河定位的精度和巡河轨迹的准确性直接关系到河长制业务考核及工作记录，需在实现河道巡查和轨迹记录的基础上，进一步优化定位及轨迹记录精度。本系统在抽稀-道格拉斯算法提升定位点精度的基础上，采用蓄水池采样算法和滑动窗口相结合的方法进行数据缩减纠偏，随后通过自定义View，动态地绘制巡河轨迹。

4.1.1 定位点的抽稀-道格拉斯算法

北京河长智慧移动终端应用中的轨迹记录功能是对抽稀算法的实例化，在应用中选择了抽稀算法中的抽稀-道格拉斯算法（简称D-P算法）。该算法的特点是：给定曲线及阈值后，其抽样结果是一定的，且该算法具有旋转和平移不变性。

该算法的基本思路是：选定一定集合的曲线对应的点集后，选中曲线的起始点与终止点，并在两点之间作一条直线，依次求取两点间所有点到该直线的距离，找到所有点中距离该直线最远的点并求取其距离dmax，指定限差D，将限差D与dmax相比，若dmax≥D，则保留该点对应的坐标点的值，且以该点为界限，将曲线分为两部分，分别对这两部分运行上述算法，依此循环，直到起点与终点间再无坐标点;若dmax

其具体实现步骤如下：

（1）将起始点与终止点通过直线连接，并找出两点间所有点到该直线的距离，通过比较找出其中距离该直线最远的点，通过该点到直线的距离dmax与指定阈值D的比较，将大于阈值D的点保留，记录其坐标点，并以该点为分界线，将曲线划分为两部分。

（2）将步骤（1）得到的两部分曲线重复步骤（1）的操作，直到找到两边的最大阈值点。

（3）重复前面两步操作，直到分出来的曲线内部再也找不到对应的dmax，此时按照顺序，将这些点连接起来，得到抽稀以后的曲线，该曲线比圆更平滑更简化。

4.1.2 数据缩减纠偏算法

北京河长智慧移动终端应用中的轨迹纠偏采用了蓄水池采样算法与滑动窗口算法相结合的方法，高效地判断当前点是否可以加入到拟合轨迹中，通过预测目标运动找出偏离轨迹较大的点，并尽可能多地将轨迹点拟合到轨迹中去[7]。

（1）蓄水池采样算法该算法在非确定长度的数的集合中随机取样，保证取样的概率相同。算法说明如下：

当m=1时，由于集合中只有一个，其取到概率为

P（A1）=1（1）

当m=k时，集合中有k个值，其随机抽取到Ax的概率为

P（Ax）=1/k（2）

当m=k+1时，在k+1个数中取到Ak+1的概率为

P（Ak+1）=1/（k+1）（3）

所以取到Ax的概率为

P（Ax）=（1/k）k/（k+1）=1/（k+1）（4）

由于该算法只能用于随机取样，并未考虑到时间和空间等因素，因此需要与滑动窗口算法相结合来达到纠偏的目的。

（2）滑动窗口算法。算法说明如下：在一条轨迹曲线对应的坐标点的集合{P0，P1，P2，…，Pn，…，Ps}中，选定第一个点为起始点，记为P0，向右开始滑动窗口，依次加入坐标点，每加入一个坐标点Pn，就比较Pn-1和Pn间的距离和阈值，若距离小于阈值，则继续向右滑动，并将Pn-1对应的坐标点从轨迹中舍去;若距离大于阈值，则消除Pn-1后，以Pn为新起点开始向右滑动窗口，重复前面步骤，直到滑动到Ps，若滑动过程中得到的大于阈值的轨迹点为Pi、Pm、Pn，则最终选取的近似轨迹点的集合为{P0，Pi，Pm，Pn，Ps}[7]。

4.1.3 自定义运动轨迹绘制

根据高德地图提供绘制轨迹的API，在地图上覆盖一个自定义的View。由于地图API提供经纬度转换成移动终端的坐标，因此可以用地图上点对应的屏幕位置，也就自然可以自定义一个View动态的绘制轨迹，当自定义View的动画结束之后，隐藏自定义View然后在地图上绘制轨迹。

在实现定位精度及巡河轨迹绘制优化后（巡河轨迹优化前后对比见图2），系统对河长巡河轨迹的记录已达到业务精度要求，能够准确记录河长的巡河行为，并以此作为数据基础，对河长的日常工作进行考核，系统数据符合业务考核要求。

图2 巡河轨迹优化前后对比

4.2 AI智能交互技术

为解决基层河长、巡查员在现场巡河过程中文字编辑效率低、人为问题分类标准不一致等问题，系统采用自然语言提取技术，将语音输入的问题或举报信息转换为文字，并基于智能语料识别分析技术，实现语音交互和业务问题智能分类[8]。

4.2.1 语音识别技术

北京河长智慧移动终端应用采用的语音识别核心技术是统计模式识别。首先从输入信号中提取特征，供声学模型处理，在处理过程中，采用信号处理技术，尽可能降低环境噪声、信道、说话人等因素对特征造成的影响。然后根据声学模型寻找相关的语言模型及语料库，语言模型寻找能够以最大概率的词串输出。语音识别结果的准确率与语言学模型及语料库的完善有直接关系。

4.2.2 业务语料库更新及完善

智能语音交互在河长制中的应用属于水务行业的首例中文应用，由于“河长制”业务相关的词汇大多数属于新词汇，从语言学到计算机应用，在这方面的储备都比较少，因此更新和完善基于北京市河流、湖泊等地理要素以及“河长制”业务范畴的词汇语料库是模块开发的基础。

语料库通过对政府网站、新闻媒体网站以及行业相关方案文档等进行信息抓取，选取20多万篇文章作为河长制领域的基本语料库，并在基本分词词典中加入北京地区河流、湖泊及水行业专属词汇1万多个，完成基础语料库的初始化建设。

4.2.3 基于n-gram和词向量匹配的智能纠错算法

首先，基于n-gram检测错误词语。n-gram的思路为：假设一个字或词的出现仅与前n个词相关（n为人为给定），句子整体的概率等于所有词语搭配概率的乘积。常用的有2-gram（bi-gram）和3-gram（Tri-gram），词语概率的计算方法用到概率论中的条件概率，此外用频数计算频率代替概率。北京河长智慧移动终端应用的智能纠错是通过计算一个词语的n-gram分数来评估这个词语是否合理，以此检测错误词语[9]。

在检测出错误词语之后，采用词向量匹配的方法进行纠正词替换。词向量匹配的思路为：已知两个向量的余弦值在[-1，1]区间内，两个完全相同的向量余弦值为1，两个相互垂直的向量之间余弦值为0，两个方向完全相反的向量余弦值为-1，即相关性和余弦值大小成正比，我们可以计算两个词向量的余弦相似度，对前期语音识别输出进行词向量运算。例如：“坡岸有垃圾”，在专属语料库训练的词向量结果里“坡岸”和“垃圾”词汇是接近的，而“破案”和“垃圾”的距离较远，属于边缘詞汇，此时认为“破案”在此处出现是不恰当的。

将AI智能交互技术应用于北京河长智慧移动终端应用，实现河长巡河过程中的智能语音交互服务，方便河长（巡河员）通过移动终端以语音方式记录巡河过程，并对巡河事件进行智能分类处置，提高河长户外工作的便捷性和准确性。

4.3 综合数据管理与交换

4.3.1 河长制多元数据存储、更新与备份

基于成熟的Oracle高可用性架构技术（MAA，Maximum Availability Architecture），构建内网河长制基础数据与互联网河长制业务数据的独立存储、更新与备份[10]。

基于Oracle GoldenGate实现数据同步/异地备份，对水务综合库中的河长制基础数据（空间数据、属性数据）进行备份，并备份河长制基础数据至交换平台，从交换平台将河长制基础数据共享给互联网，保证河长制基础数据的安全及有效[11]。

采用Oracle MAA容灾模式，即部署备用系统+数据复制，将应用（北京河长智慧移动终端应用、微信公众号）与数据库依据自身特点分别进行备份处置。

4.3.2 河长制基础数据共享

采用基于Web Service的Web共享服务方式提供可信消息服务的调用接口，通过建立规范的数据接口标准和交换协议标准，以北京河长智慧移动终端应用为数据采集源，实现巡河轨迹、事件信息、河长更新信息等数据的采集，并在服务器端实现数据汇聚，为大数据分析及业务展示系统提供下行数据支撑[12]。

北京河长智慧移动终端应用设计过程中，通过建立标准化接口及数据通信规范，实现与河长制大数据分析及展示平台、数据采集平台、水利部河长制信息平台、区级河长制平台等业务平台的数据对接和交互，为河长制业务的深入分析和业务挖掘提供核心数据保障。

5 系统应用效果

经过一年多的运行，北京河长智慧移动终端应用运行情况稳定，性能达到河长制信息化管理规定的技术指标，并在全市包括市级河长办、16个区河长办进行推广应用，应用效果如下。

5.1 四级河长全覆盖，系统推广率高

以移动终端为载体的北京河长智慧移动终端应用，包括移动巡河、问题处置、河长名录、河湖名录、日常监督、动态监测及重点任务等功能，能够满足市、区、乡镇（街道）、村四级河长的移动办公需求。目前，北京河长智慧移动终端应用用户已达到1.2万人左右，用户覆盖市、区、乡镇（街道）、村四级河长和第三方巡查人员，每天在线人数约2 500人，最大并发用户达到500人。通过多次深入区和乡（镇）的使用培训，基层用户已熟练掌握系统的使用方法，并在实际业务管理中投入使用，截至目前，基于北京河长智慧移动终端应用开展的总巡河里程超过120万km，巡河人次超过35万，上报问题超过2 000件。

5.2 多元数据整合，助力实时监管

在北京河长智慧移动终端应用建设过程中，按照水利部、北京市水务局相关信息标准规范要求，制定河长制数据加工规范、信息分类与编码规范、数据库表建设规范，建立动态更新机制，畅通与环保局等成员单位的信息共享通道，集成水质监测信息、重点任务、河湖巡查等信息，实现实时监管。

5.3 河道巡查常态化，支撑河长高效履职

通过北京河长智慧移动终端应用的建设，将河道巡查、事件处置、污染源的管理落实到责任人，河长对所辖河道进行常态化巡查，发现问题后通过文字、照片、视频、语音等方式反馈，实现巡查时间记录、巡查路径自动记录、巡查事件上报、巡查统计、巡查情况分析等功能，支撑河道巡查工作日常管理，全面实现“工作留痕，有理有据”，把长效治水的监督管理工作落到实处，为落实河长工作的目标管理、任务督办提供抓手。

5.4 强化考核问责，提升监督力度

北京河长智慧移动终端应用针对河长履职情况、事件处置与反馈及时性、问题治理成效、巡查里程等量化指标，按照行政区划、河流河段等多种维度快速统计，实时公示各级河长、各相关部门的考核情况，为考核管理提供支撑，实现事件类型、处置效率、外部评价等多维度动态监督考核。考核数据在北京河长智慧移动终端应用中自动、实时获取，不受人工干预，能够确保考核数据的真实有效、客观公正，减少“懒政”“怠政”现象，提升监督力度，推动河长制工作实现机制化和规范化管理。

5.5 基层治水智能化，推进治水常态长效化

北京河长智慧移动终端应用依托3S（GIS、GPS、RS）技术、移动互联网、大数据、云计算、人工智能等多项信息化技术，将现有基础数据、监测数据和现场图片有效整合，实现巡河电子化、数据实时化、管理无纸化、考核自动化，有力地推动基层治水从“被动”转向“主动”，从“突击”转向“长效”，为推进城市治理体系和治理能力现代化提供了新借鉴。

6 结 语

以支撑河长制业务管理为出发点，以实现精细化、智能化为技术切入点，采用精準定位与轨迹优化、AI智能交互、综合数据管理与交互等关键技术，建设并推广集移动巡河、问题上报、考核管理于一体的北京河长智慧移动终端应用，并基于大数据分析获取巡河覆盖率、事件处置率等考核指标，有效保障河长制考核评价工作的准确性，为河湖长制对河湖的日常管理提供科学便捷的管理手段，初步实现“明河长、抓问题、量考核、推服务”的河长制信息化工作目标。

大数据时代的信息化建设以数据为核心，由党政一把手负责的河长制是进行水利内部数据整合及横向部门相关数据获取的一个重要契机。理论上，通过应用系统全面收集内外部数据资源，能够进行河长制大数据的深度挖掘，但在实际应用过程中，系统对于信息资源的利用依旧处于低效的状态。现有系统能够实现的目标仅仅是河道日常数据监测、日常业务管理过程记录、数据的报表汇总等功能，对于数据的深度挖掘依旧处于较弱的阶段。

随着河长制工作的深入推进，对配套技术的要求会越来越高，建议下一步继续积累实际业务数据，开展大数据分析，提升有效信息获取能力。同时结合新一代人工智能发展及持续累积的学习样本数据，进一步优化扩充智能语音语料库，提升智能交互的准确性，并将智能交互的服务模式推广至河长制公众服务，全面实现北京市河长制管理的智能化、便捷化、高效化，推动水务信息化技术的更快进步与长足发展。

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【责任编辑 张 帅】

收稿日期：2019-07-02

作者简介：唐锚（1964—），男，河北秦皇岛人，高级工程师，主要从事水务信息化相关工作

通信作者：李霞（1979—），女，山东青岛人，高级工程师，主要从事水务遥感监测及信息化等方面的研究与应用工作

E-mail：lixia@21at.com.cn