河道采砂及引渠清淤智能管理系统应用研究

董栋 杨敏 邢栋

摘 要：为实现黄河河道采砂管理的集约化、规模化、规范化与信息化，构建黄河河道采砂管理新秩序，切实加强河道采砂监管力度，提高采砂监管效能，本研究研发了一种河道采砂及引渠清淤智能管理系统。该系统是一款融合现场视频监管、资源计量监管、财务信息监管等功能，进行软硬件系统一体化研发设计的可定制系统，可适应多种管理方式，可实现“现场可监控，范围可管控，产量可统计，操作可追溯”的新型砂场自动化智能管理。通过配合黄委直管河段采砂智能监管平台和黄委直管河段河道采砂许可证管理系统进行数据联动，该系统可在数据的底层完成数据无缝衔接，对河道采砂“产、运、销”进行全过程监管，实现采砂现场实时、远程高效管理。

关键词：河道采砂;引渠清淤;智能管理;自动化

中图分类号：TV85;C931.6 文献标识码：A 文章编号：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

為规范河道采砂管理，科学合理开采黄河河道砂石资源，实现河道采砂管理的集约化、规模化、规范化与信息化，维护河道采砂秩序，保障河道安全，有效防范违法违规采砂行为，当前需要紧抓模式运行规范和现场监管规范两方面，建立“政府主导、规划先行、联审联批、公开招标、国企运作、环保智能、联防联控、社会监督”的采砂管理新模式。在这样的河道规范采砂模式下，建立完善的采砂现场信息化监管系统，实现全范围监控、全流程记录、全数据追溯势在必行。2018年5月，河南焦作黄河河务局基层综合治黄业务信息化科技创新团队研发了融合视频监控系统、实时售砂计量系统和电子围栏系统的沁河采砂智能化管理系统。2019年12月，焦作市黄河华龙工程有限公司等单位结合引黄入武清淤工程，以沁河采砂智能化管理系统为基础，研发了河道采砂及引渠清淤智能管理系统，实现了“现场可监控、范围可管控、产量可统计、操作可追溯”的智能化信息管理效能。

1 智管系统概况

河道采砂及引渠清淤智能管理系统是一款融合现场视频监管、资源计量监管和财务信息监管等功能，进行软硬件一体化研发设计的可定制系统。该系统采用视频监控、北斗定位、传感器和电子车辆识别仪等信息技术手段，通过软硬件协同开发，实现现场远程视频实时监控、范围越界自动报警、运砂自动计量、环境质量检测、现场无人值守管理、远程数据存储、采砂深度监测、管理操作图像取证以及分级管理等功能。配合黄委（全称水利部黄河水利委员会）直管河段采砂智能监管平台和黄委直管河段河道采砂许可证管理系统进行数据联动，该系统可在数据底层完成数据的无缝衔接，实现河道采砂“产、运、销”全过程监管，使“每一粒砂都有身份证”，实现县、市、省、黄委采砂管理一张图，实现采砂现场实时、远程高效管理。

软件开发遵循的国家标准和规范包括《计算机软件文档编制规范》（GB/T 8567—2006）[1]、《计算机软件需求规格说明规范》（GB/T 9385—2008）[2]、《计算机软件测试文档编制规范》（GB/T 9386—2008）[3]和《信息技术 软件生存周期过程》（GB/T 8566—2007）[4]。

1.1 视频监控系统

监控设备布设根据现场环境设计，满足采砂范围的全覆盖要求。摄像机安装高度根据现场环境而定，距地面不低于6 m，摄像机与监控现场之间不得有树木、建筑等遮挡物。边界监控点间隔距离为150 m，配备夜晚照明设备。视频监控录像存储时间大于60 d。

1.2 采砂船智能定位监控系统

采砂船只安装智能定位监控系统，集成视频监控、北斗定位、供电及网络传输系统[5]，可根据电子围栏规划作业范围，定位精度达5 m。当船只越界作业时，可自动报警并记录越界时间、位置、停留时长等信息。现场管理人员可通过采砂区视频监控摄像机或船载监控摄像机进行确认，及时提醒并阻止越界采砂行为。

1.3 车辆管理系统

运砂车辆首次入场时需要登记车辆牌照、负责人、联系方式及最大载重量等车辆信息并匹配现场登记图片，登记车辆信息会自动同步至所有砂场入口闸机白名单中。完成信息登记后，运砂车辆可进入砂场。

砂场设运砂车辆唯一出入口，并安装车牌识别系统，仅允许登记在白名单中的车辆通过。如入场车辆无车牌或因工作需要临时进场，需要联系现场控制中心远程抬杆并记录相关信息。信息必须包含车辆联系人、联系方式、运输方量、现场照片及机房操作人员照片等内容。

1.4 采砂计量统计

改造现有数字地磅为智能地磅，入场时通过地磅入口测量空车质量并拍照，出场时通过地磅出口测量当前车辆质量并拍照（如超过车辆登记的最大载重量，则系统报警提示卸车）。系统根据车辆两次质量的差值计算当前车辆运砂量，自动计算运载累计，实现运砂数量统计。以上操作均为自动化管理，无须人工参与。

1.5 堆砂区运行管理

转运车辆为固定车辆，在系统车辆登记模块中登记为“转运车辆”类型。登记信息包含车辆牌照、车辆编号、司机姓名、手机号码、所属公司、车辆荷载、车辆皮重等内容。

车辆登记完成后，系统自动抬杆放行。车辆入场后，可进行装载作业。满载转运车辆出场前，必须进入出场智能地磅称重，称重结果减去登记时测量的车辆皮重，差值小于车辆荷载时，系统准予出场。扣除出砂采砂场对应的开采量，并自动打印转运三联单，即出砂采砂场、转运车辆司机、收砂堆砂区各留存一份。

转运车辆需要在规定时间内驶入指定堆砂区，如超时，则系统报警并记录相关信息。如車辆按时进入指定堆砂区，可进入入场智能地磅称重。称重结果与出场数据进行比对，如数据在允许误差范围（如500 kg，参数可调），系统自动完成该次转运流程，并将到场转运数值计入堆砂区储砂量;如超出允许误差范围，则系统报警并记录相关信息，等待人工处理。

堆砂区内转运车辆出厂时需要进入出场智能地磅称重，称重结果符合车辆登记皮重范围时准许出场，此时系统自动记录车辆入场、称重、出场等信息并匹配现场画面。

1.6 财务收银管理系统

财务收银管理界面如图1所示。购砂人初次购砂时，需要登记姓名、身份证号、联系方式及邮箱地址等个人信息。完成登记后，系统发放一张数字身份识别卡。购砂人可通过转账、现金等方式为识别卡充值，用于购砂结算。

当运砂车辆出场称重时，砂场控制中心确认车辆信息无误后，购砂人可刷卡结算。系统对当前车辆、装砂数量、付款人信息及相关现场图片进行采集并存入后台数据库，自动打印纸质五联单。

1.7 电子信息及纸质单据存档管理

系统自动记录所有砂场管理操作和车辆登记、入场、称重数据及对应画面，并保存10年以上。当车辆出场结算时，系统自动打印纸质五联单（见图2），分发给监管单位、管理单位、现场留存方、运输车辆方及购买人，表单格式统一，数据均为自动生成，避免人为干预。现场管理人员签字盖章后，单据生效，作为原始资料备查。现场管理人员每天需要核对数据，避免人为干预或数据丢失而造成系统数据误差。每份单据有唯一的二维码，检查人员可通过专用程序或微信小程序扫码，获取对应单据的车辆信息、出场照片等资料，避免票据伪造，且数据查询安全便捷。

1.8 数据传输

经实地测量，采砂区公共网络信号极弱，稳定性及带宽均无法满足项目需求，因此无法使用公共无线网络进行数据传输。考虑现场环境空旷，设计并建设专用无线网络传输系统覆盖施工现场，通过光纤将数据传回砂场数据机房，其他区域使用光纤网络进行数据传输。数据机房接入100 Mb/s专线公网（含1个外网IP），控制中心可通过50 Mb/s以上的公网线路或者100 Mb/s专线公网将数据上传至数据机房。

1.9 电力布设

因现场地形复杂，环境恶劣，基础设施薄弱，为保障管理力度及安全，采砂区设计了三级供电系统。第一级使用现场提供的市电，对现场所有设备进行日常生产供电;第二级使用不间断电源（Uninterruptible Power Supply，UPS），当第一级供电失效时，使用UPS系统为控制中心提供1 h应急供电，避免系统停运导致车辆滞留场区等情况;第三级使用太阳能，当第二级供电失效时，系统自动使用太阳能供电系统为数据传输系统和视频监控系统供电，保障远程视频监控系统可用，避免因电力缺失导致现场脱管。另外，为数据中心配备UPS系统，提供24 h不间断供电能力。

1.10 安全管理及保障

1.10.1 数据传输安全。控制中心和数据中心以及“华龙云”平台通过硬件虚拟专用网络（Virtual Private Network，VPN）专用设备进行数据传输，使用IPSec VPN IKEV2实现“密钥+证书”双重认证，确保网络及数据安全。

1.10.2 系统安全。为数据机房配备设备运行监测系统，实时监控所有网络设备、视频监控设备、采集设备的运行状态，若发现故障，则主动报警，提高系统可靠性。

1.11 数据追溯设计

所有关键系统参数修改均匹配操作人员监控画面，缴费刷卡匹配刷卡现场画面，五联单打印后拍照上传系统，有效避免设备故障或人为因素引起的信息采集不完整、设备盗用及数据篡改等管理问题。

2 主要创新点

本研究以强化管理为出发点，进行软硬件系统一体化研发设计，构建“现场可监控，范围可管控，产量可统计，操作可追溯”的河道采砂及引渠清淤智能管理系统。它使用数字化记录和纸质五联单凭据，丰富了采砂监管手段，保障了监管力度，提高了数据准确度。河道采砂及引渠清淤智能管理系统可配合黄委直管河段采砂智能监管平台和黄委直管河段河道采砂许可证管理系统进行数据联动，实现县、市、省、黄委采砂管理一张图，并具有用户管辖权限划分、多层分级管理、云数据调用以及手机应用程序查看等功能。

3 应用情况

2018年5月，沁河采砂智能化管理系统在沁河沁阳段内的坞头砂场投入使用。2019年12月，项目组对原系统进行整合升级改造，然后将其更名为河道采砂及引渠清淤智能管理系统。该系统的自动化、智能化、集成化等设计可大幅降低项目管理难度及成本，促进河道采砂管理工作与信息化深度融合，实现采砂精准化和智能化管理。2020年3月，该系统在焦作市武陟县引黄入武清淤工程黄河一标、沁河二标正式实装运行。系统采用多种先进的信息技术手段，实现清淤及砂场的实时管控，增强了管理能力，有效防止河道被破坏。武陟引黄入武清淤工程现场监管中心如图3所示。

经过长期跟踪运行维护，听取多方改进意见，持续对软硬件进行改进，优化系统界面，增加了计量收费功能。2020年8月，该系统在河南焦作孟州黄河河道采砂砂石集散点工程1号砂场、2号砂场（东）、2号砂场（西）和3号砂场4处砂场安装并应用，实现砂场的自动化管理，增强了管理能力，降低了人员劳动强度。结果表明，系统运行稳定，数据安全可靠，应用效果良好。孟州黄河河道采砂砂石集散点工程3号砂场的现场控制中心如图4所示。

2020年12月，该系统推广至陕西省延川县采砂管理工程，为工作人员提供不同的操作界面及权限，可查询辖区内所有已建砂场的实时数据及远程画面，实现砂场的实时管控，增强了管理能力，提高了工作效率。延川县采砂管理工程现场控制中心如图5所示。

2021年3月，经过实地勘测，在深入分析渭河土质特性、工程环境及难易程度的基础上，技术人员对系统进行优化更新。改进后的系统应用在渭南市渭河河道内采砂项目的3个采砂点和清涧县黄河河道内采砂项目的4个采砂点。该系统安装简便，具有拆装功能，汛期可将设备简易拆卸后装车移走，降低了维护费用，实现了采砂现场的自动化管理，显著提升了砂场运行效率。

4 结语

该系统广泛适用于河湖清淤及采砂管理领域，采用视频监控、北斗卫星导航系统/全球定位系统定位、传感器和电子车辆识别仪等先进信息技术手段，通过软硬件深度融合，实现现场远程视频实时监控、范围越界自动报警、运砂自动计量、环境质量监测、现场无人值守管理、远程数据存储、采砂深度监测、管理操作图像取证以及分级管理等功能。系统的自动化、智能化、一体化等设计大幅降低了采砂管理难度及成本，填补了市场空白，大大提高了河道主管部门的管理能力和监管效率，体现了“补短板，强监管”的思路，实现了治黄工作与信息化的深度融合。

参考文献：

[1]国家质量监督检验检疫总局，国家标准化管理委员会.计算机软件文档编制规范：GB/T 8567—2006[S].北京：中国标准出版社，2006.

[2]国家质量监督检验检疫总局，国家标准化管理委员会.计算机软件需求规格说明规范：GB/T 9385—2008[S].北京：中国标准出版社，2008.

[3]国家质量监督检验检疫总局，国家标准化管理委员会.计算机软件测试文档编制规范：GB/T 9386—2008[S].北京：中國标准出版社，2008.

[4]国家质量监督检验检疫总局，国家标准化管理委员会.信息技术 软件生存周期过程：GB/T 8566—2007[S].北京：中国标准出版社，2007.

[5]邢天明，董栋，邢栋，等.基层黄河专网管理系统更新与远程管理[J].人民黄河，2018（3）：39-41.