基于深度卷積神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)的污水環(huán)境狀態(tài)判定系統(tǒng)檢測(cè)方法

1基于深度卷積神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)的污水環(huán)境判定系統(tǒng)檢測(cè)規(guī)范本標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定污水類種類智能識(shí)別系統(tǒng)的術(shù)語和定義、系統(tǒng)組成架構(gòu)、系統(tǒng)設(shè)備要求、系統(tǒng)性能要求、通用要求、環(huán)境污水等級(jí)、識(shí)別速度的確定、系統(tǒng)驗(yàn)收、系統(tǒng)運(yùn)行維護(hù)保養(yǎng)。適用范圍為：企業(yè)污水排放口，江河等水質(zhì)監(jiān)控站判定污水所處的等級(jí)。2規(guī)范性引用文件下列文件對(duì)于本文件的應(yīng)用是必不可少的。凡是注日期的引用文件，僅所注日期的版本適用于本文件。凡是不注日期的引用文件，其最新版本（包括所有的修改單）適用于本文件。GB6920-1986《水質(zhì)pH值得測(cè)定玻璃電極法》GB11901-1989《水質(zhì)懸浮物得測(cè)定重量法》GB11903-1989《水質(zhì)色度得測(cè)定》GB18918-2002《城鎮(zhèn)污水處理廠污染物排放標(biāo)準(zhǔn)》CJJ60-2011《城鎮(zhèn)污水處理廠運(yùn)行、運(yùn)維及安全技術(shù)規(guī)程》CJ/T51-2004《城市污水水質(zhì)檢驗(yàn)方法標(biāo)準(zhǔn)》CJ/T221-2005《城市污水處理廠污泥檢驗(yàn)方法》CJ/T252-2011《城鎮(zhèn)排水水質(zhì)水量在線監(jiān)測(cè)系統(tǒng)技術(shù)要求》HJ493-2009《水質(zhì)采樣樣品得保存和管理技術(shù)規(guī)定》HI495-2009《水質(zhì)采樣方案設(shè)計(jì)技術(shù)規(guī)定》HJ/T91-2002《地表水和污水監(jiān)測(cè)技術(shù)規(guī)范》HJ212-2017《污染物在線監(jiān)控（監(jiān)測(cè)）系統(tǒng)數(shù)據(jù)傳輸標(biāo)準(zhǔn)》HJ/T356-2007《水污染源在線系統(tǒng)數(shù)據(jù)有效性判別技術(shù)規(guī)范》HJ/T355-2007《水污染源在線系統(tǒng)運(yùn)行于考核技術(shù)規(guī)范》HJ/T353-2007《水污染源在線測(cè)試系統(tǒng)安裝技術(shù)規(guī)范》3術(shù)語和定義下列術(shù)語和定義適用于本文件。3.1污水等級(jí)Sewagegrade污水等級(jí)分為清澈、輕度污染、中度污染、嚴(yán)重污染等四個(gè)等級(jí)。3.2污水等級(jí)識(shí)別速度Sewagegraderecognitionspeed計(jì)算機(jī)視覺識(shí)別污水等級(jí)所需要的時(shí)間。3.32污水等級(jí)識(shí)別準(zhǔn)確率Sewagegraderecognitionaccuracyrate污水等級(jí)識(shí)別準(zhǔn)確率是正確識(shí)別的總數(shù)除于需要識(shí)別的總數(shù)3.4污水等級(jí)識(shí)別區(qū)域Sewagegradeidentificationarea污水等級(jí)識(shí)別區(qū)域，指在規(guī)定的區(qū)域內(nèi)監(jiān)控污水，并在在此區(qū)域識(shí)別污水的等級(jí)。3.5污水排放廠Sewagedisposalplant從事經(jīng)營(yíng)重金屬、微量元素、化工企業(yè)等對(duì)環(huán)境有害的廠家。3.6污水排放口Sewageoutlet排放污水的地方。3.7環(huán)境檢查部門EnvironmentalInspectionDepartment監(jiān)督和管理工廠對(duì)環(huán)境的污染程度3.8環(huán)境污水等級(jí)識(shí)別管理系統(tǒng)Environmentalsewagegradeidentificationmanagementsystem環(huán)境污水等級(jí)識(shí)別管理系統(tǒng)是通過視頻監(jiān)控提取圖像，智能分析服務(wù)器群、管理平臺(tái)對(duì)等級(jí)進(jìn)行評(píng)定、信息展示平臺(tái)。3.9視頻監(jiān)控VideoSurveillance視頻監(jiān)控就是通過攝像頭硬件結(jié)合軟件取視頻流并展示的過程。3.10智能分析服務(wù)器IntelligentAnalysisServer對(duì)采集過來的物體圖像進(jìn)行建模，分析，比對(duì)，從而識(shí)別出該物體種類的服務(wù)器設(shè)備。4系統(tǒng)組成架構(gòu)環(huán)境污水等級(jí)識(shí)別管理系統(tǒng)應(yīng)包括環(huán)境等級(jí)識(shí)別子系統(tǒng)、平臺(tái)管理子系統(tǒng)。環(huán)境污水等級(jí)智能識(shí)別管理系統(tǒng)組成構(gòu)架見圖1。圖1環(huán)境污水等級(jí)智能識(shí)別管理系統(tǒng)組成架構(gòu)圖4.1環(huán)境污水識(shí)別等級(jí)系統(tǒng)3系統(tǒng)，應(yīng)是通過攝像頭圖像采集技術(shù)，物體識(shí)別技術(shù)，計(jì)算機(jī)技術(shù)等，對(duì)前端采集到的圖像進(jìn)行分析，并分析出污水的等級(jí)的智能化識(shí)別系統(tǒng)。系統(tǒng)主要主要由前端圖像采集部分?jǐn)z像頭，局域網(wǎng)及互聯(lián)網(wǎng)和智能分析服務(wù)器群和數(shù)據(jù)庫(kù)服務(wù)器等組成。圖2環(huán)境污水識(shí)別等級(jí)系統(tǒng)組成架構(gòu)圖4.2平臺(tái)管理子系統(tǒng)平臺(tái)管理子系統(tǒng)，應(yīng)通過計(jì)算機(jī)軟件技術(shù)，數(shù)據(jù)加密技術(shù)、網(wǎng)絡(luò)通信技術(shù)等計(jì)算機(jī)技術(shù)，對(duì)環(huán)境污水等級(jí)的相關(guān)信息進(jìn)行匯總、展示。系統(tǒng)主要由前端的攝像頭，WEB服務(wù)器，數(shù)據(jù)庫(kù)服務(wù)器，及電腦、手機(jī)等相關(guān)客戶端。圖3平臺(tái)管理子系統(tǒng)組成架構(gòu)圖5系統(tǒng)設(shè)備要求5.1蔬菜種類智能識(shí)別管理系統(tǒng)要求a）識(shí)別污水等級(jí)準(zhǔn)確率率：污水等級(jí)識(shí)別率不應(yīng)小于97%；b）識(shí)別等級(jí)時(shí)間：識(shí)別等級(jí)時(shí)間<200毫秒；c）識(shí)別最小像素：640*480像素；d）可實(shí)現(xiàn)產(chǎn)品信息，銷售數(shù)據(jù)，分類匯總等多項(xiàng)功能；e）全面兼容國(guó)內(nèi)主流廠商IP-Camera，而且通過設(shè)備廠商提供穩(wěn)定的SDK，可以兼容幾乎所有前端接入設(shè)備；f）操作系統(tǒng)：主要架構(gòu)基于WINDOWS操作平臺(tái)，各模塊可獨(dú)立運(yùn)行并與現(xiàn)有系統(tǒng)完美結(jié)合；g）數(shù)據(jù)庫(kù)兼容性：可以兼容多種數(shù)據(jù)庫(kù)，包括SQLServer、MYSQL、Oracle等，多數(shù)平臺(tái)只能支持一種數(shù)據(jù)庫(kù)；h）對(duì)操作系統(tǒng)平臺(tái)的兼容能力：兼容PC、服務(wù)器和小型機(jī)上的各類操作系統(tǒng)。4i）系統(tǒng)應(yīng)提供數(shù)據(jù)查詢、統(tǒng)計(jì)及生成報(bào)表等功能。j）系統(tǒng)應(yīng)支持用戶權(quán)限配置管理,不同級(jí)別的用戶可設(shè)定不同操作權(quán)限k）應(yīng)具有對(duì)采集的原始數(shù)據(jù)進(jìn)行存儲(chǔ)備份和對(duì)采集的數(shù)據(jù)實(shí)現(xiàn)斷點(diǎn)續(xù)傳的功能。由于傳輸網(wǎng)絡(luò)故障等因素，采集的數(shù)據(jù)未能及時(shí)上傳，待傳輸網(wǎng)絡(luò)恢復(fù)正常后應(yīng)能實(shí)現(xiàn)歷史數(shù)據(jù)的斷點(diǎn)續(xù)傳；5.2環(huán)境污水等級(jí)識(shí)別管理系統(tǒng)的設(shè)備要求a）設(shè)備電源供電長(zhǎng)時(shí)間待電，能耗低；b）攝像頭應(yīng)支持根據(jù)環(huán)境亮度自動(dòng)調(diào)節(jié)參數(shù)、自動(dòng)補(bǔ)光同步，夜間增強(qiáng)技術(shù)；c）全視角數(shù)字顯示，清晰，明亮；d）網(wǎng)絡(luò)連接支持有線網(wǎng)絡(luò)、WIFI網(wǎng)絡(luò)；e）管理系統(tǒng)操作簡(jiǎn)單、易懂；f）應(yīng)配置穩(wěn)定可靠且性價(jià)比高的設(shè)備，確保系統(tǒng)全天候、24小時(shí)的正常運(yùn)行；g）設(shè)備面板上的商標(biāo)、名稱、型號(hào)、文字說明等應(yīng)清晰準(zhǔn)確，易于辨識(shí)；h）設(shè)備應(yīng)具有產(chǎn)品合格證，并能提供型式檢驗(yàn)報(bào)告；i）設(shè)備應(yīng)配套說明書，說明書應(yīng)包括下列文件：使用說明書，安裝說明書，維護(hù)說明書，其他有關(guān)說明資料。6系統(tǒng)性能要求6.1環(huán)境污水識(shí)別等級(jí)智能管理系統(tǒng)環(huán)境適應(yīng)性應(yīng)符合以下要求：a）攝像頭等室外設(shè)備的工作溫度應(yīng)為-30℃~70℃;b）智能分析服務(wù)器、管理計(jì)算機(jī)等室內(nèi)機(jī)房設(shè)備的工作溫度應(yīng)為0℃~50℃;c）環(huán)境污水識(shí)別等級(jí)管理系統(tǒng)設(shè)備的相對(duì)濕度應(yīng)為50%~90%。6.2環(huán)境污水識(shí)別等級(jí)管理系統(tǒng)供電、防雷接地設(shè)計(jì)要求應(yīng)符合國(guó)家現(xiàn)行標(biāo)準(zhǔn)《安全防范工程技術(shù)規(guī)范》GB50348中3.9節(jié)防雷與接地設(shè)計(jì)的有關(guān)規(guī)定。6.3環(huán)境污水識(shí)別等級(jí)管理系統(tǒng)機(jī)房防火要求應(yīng)符合國(guó)家現(xiàn)行標(biāo)準(zhǔn)《電子信息系統(tǒng)機(jī)房設(shè)計(jì)規(guī)范》GB50174中6.3節(jié)防火與疏散的有關(guān)規(guī)定。6.4蔬菜種類智能識(shí)別管理系統(tǒng)識(shí)別準(zhǔn)確率應(yīng)符合表1的要求。表1蔬菜種類智能識(shí)別管理系統(tǒng)數(shù)據(jù)準(zhǔn)確率6.5蔬菜種類智能識(shí)別管理系統(tǒng)響應(yīng)時(shí)間應(yīng)符合表2的要求。表2蔬菜種類智能識(shí)別管理系統(tǒng)響應(yīng)時(shí)間統(tǒng)56.6環(huán)境污水識(shí)別等級(jí)管理系統(tǒng)圖像應(yīng)采用JPEG、JPG格式，圖像完整度、清晰度應(yīng)能滿足人工對(duì)環(huán)境污水等級(jí)判定的要求。環(huán)境污水識(shí)別等級(jí)管理系統(tǒng)圖像分辨率應(yīng)符合表3的要求。表3環(huán)境污水識(shí)別等級(jí)管理系統(tǒng)圖像分辨率6.7環(huán)境污水識(shí)別等級(jí)管理系統(tǒng)自動(dòng)存儲(chǔ)能力應(yīng)滿足以下要求a）環(huán)境污水識(shí)別等級(jí)管理系統(tǒng)服務(wù)器數(shù)據(jù)信息存儲(chǔ)時(shí)間不應(yīng)少于1年；b）環(huán)境污水識(shí)別等級(jí)管理系統(tǒng)圖片存儲(chǔ)時(shí)間不應(yīng)少于90天。7通用要求7.1環(huán)境污水等級(jí)根據(jù)環(huán)境監(jiān)管局的要求分類。7.2環(huán)境污水等級(jí)識(shí)別應(yīng)確定等級(jí)的程序，科學(xué)確定污水的等級(jí)，并對(duì)其進(jìn)行驗(yàn)證。7.3環(huán)境污水等級(jí)的確定和驗(yàn)證應(yīng)有記錄，記錄內(nèi)容宜包括種類名稱、來源信息等基本信息，環(huán)境污水等級(jí)確定和驗(yàn)證的方法，判定標(biāo)準(zhǔn)，試驗(yàn)情況，相關(guān)數(shù)據(jù)和分析過程以及結(jié)論等信息。8環(huán)境污水等級(jí)準(zhǔn)確率的確定8.1環(huán)境污水等級(jí)準(zhǔn)確率的確定的基本程序包括確定方案、設(shè)計(jì)試驗(yàn)方法、方案實(shí)施、結(jié)果分析、確定環(huán)境污水等級(jí)準(zhǔn)確率的確定驗(yàn)證六個(gè)步驟（參見附錄A)。8.2實(shí)施方案：根據(jù)污水的生物特征去識(shí)別到具體得種類，通過環(huán)境污水圖像預(yù)處理增加網(wǎng)絡(luò)的魯棒性應(yīng)對(duì)負(fù)責(zé)的場(chǎng)景可以準(zhǔn)確的識(shí)別環(huán)境污水等級(jí)。8.3結(jié)果分析：將訓(xùn)練好的模型移植到對(duì)應(yīng)得系統(tǒng)或者實(shí)物進(jìn)行測(cè)試，輸出結(jié)果判斷屬于哪種環(huán)境污水等級(jí)。9識(shí)別污水等級(jí)速度的確定9.1保證污水等級(jí)的響應(yīng)速度。9.2實(shí)施方案：將污水?dāng)?shù)據(jù)圖像導(dǎo)入神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)中進(jìn)行訓(xùn)練，以達(dá)到快速識(shí)別等級(jí)的效果。10系統(tǒng)驗(yàn)收10.1系統(tǒng)驗(yàn)收10.1.1蔬菜種類智能識(shí)別管理系統(tǒng)驗(yàn)收除符合本標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定外，尚應(yīng)按國(guó)家現(xiàn)行標(biāo)準(zhǔn)《安全防范工程技術(shù)規(guī)范》GB50348中第8章安全防范工程驗(yàn)收的有關(guān)規(guī)定。10.1.2蔬菜種類智能識(shí)別管理系統(tǒng)系統(tǒng)檢驗(yàn)項(xiàng)目、檢驗(yàn)方法及指標(biāo)要求應(yīng)符合表4的規(guī)定。表4系統(tǒng)檢驗(yàn)項(xiàng)目、檢驗(yàn)方法及指標(biāo)要求612般項(xiàng)目345678910.1.3環(huán)境污水識(shí)別等級(jí)管理系統(tǒng)建設(shè)后，應(yīng)按表4系統(tǒng)檢驗(yàn)項(xiàng)目、檢驗(yàn)方法及指標(biāo)要求對(duì)系統(tǒng)進(jìn)行合格判定，若有一項(xiàng)檢驗(yàn)項(xiàng)目無法滿足指標(biāo)要求，則判定系統(tǒng)不合格。10.1.4環(huán)境污水識(shí)別等級(jí)管理系統(tǒng)驗(yàn)收不合格時(shí)，應(yīng)整改后重新驗(yàn)收。11系統(tǒng)運(yùn)行維護(hù)保養(yǎng)11.1管理要求a)污水排放廠廠家應(yīng)取得行業(yè)主管部門認(rèn)可的合法有效的經(jīng)營(yíng)資質(zhì)證明。b)環(huán)境監(jiān)控管理者應(yīng)建立巡查制度、人員管理制度、安全規(guī)范等管理制度。制度應(yīng)明確責(zé)任人、主要工作程序和崗位職責(zé)。c)環(huán)境監(jiān)控管理者應(yīng)對(duì)污水排放廠管理者進(jìn)行相關(guān)培訓(xùn)，培訓(xùn)內(nèi)容應(yīng)包括經(jīng)營(yíng)的相關(guān)法律、法規(guī)、政策、管理制度、安全規(guī)范、消防知識(shí)、誠(chéng)信經(jīng)營(yíng)、收費(fèi)管理、糾紛處理、應(yīng)急預(yù)案等。11.2日常維護(hù)保養(yǎng)a)每三個(gè)月對(duì)環(huán)境污水識(shí)別等級(jí)管理系統(tǒng)進(jìn)行設(shè)備保養(yǎng)和線路檢護(hù)，保持良好的運(yùn)行狀態(tài)。7b)每三個(gè)月對(duì)硬件設(shè)施進(jìn)行維護(hù)清理，對(duì)各種設(shè)施要定期監(jiān)測(cè)。c)應(yīng)每月檢查各部件間的通信接頭是否連接牢固，發(fā)現(xiàn)松動(dòng)立即加固或重新連接，并做防護(hù)處理。d)應(yīng)每月對(duì)服務(wù)器或電腦客戶端要及時(shí)檢查線路是否正常，軟件連接是否正常，不要輕易安裝不相關(guān)的軟件。e)應(yīng)每月檢查服務(wù)器、管理計(jì)算機(jī)系統(tǒng)軟件運(yùn)行狀況，并清理系統(tǒng)中的垃圾文件。8（資料性附錄）識(shí)別準(zhǔn)確率和速率的基本程序A.1步驟本附錄給出了污水等級(jí)識(shí)別準(zhǔn)確率和速率的基本程序涵蓋了六個(gè)步驟，每個(gè)步驟又有不同的要素（參加表A.1）,相關(guān)步驟在用于確定污水等級(jí)的準(zhǔn)確率時(shí)，可根據(jù)實(shí)際情況進(jìn)行調(diào)整。表A.1污水等級(jí)準(zhǔn)確率和速率確定步驟1234試驗(yàn)法應(yīng)根據(jù)試驗(yàn)的結(jié)果和數(shù)據(jù)經(jīng)計(jì)算得出環(huán)境污水識(shí)別等5確定環(huán)境污水識(shí)別等應(yīng)根據(jù)上一步驟的結(jié)論，結(jié)合污水等級(jí)的性質(zhì)，以及污水i在生物特征，可能遇到6（1）可使用留樣污水通過長(zhǎng)期穩(wěn)定性試驗(yàn)進(jìn)行驗(yàn)證，也可在實(shí)際貯存、運(yùn)輸?shù)葪lA.2確定方案A.2.1確定方案是污水等級(jí)的基礎(chǔ)，宜從多個(gè)方案中優(yōu)選出適于實(shí)施的方案，并應(yīng)盡可能祥實(shí)。A.2.2確定方案的步驟包括：明確污水等級(jí)確定的目的；論證現(xiàn)有的依據(jù)和資料等研究基礎(chǔ)；多角度設(shè)計(jì)方案；方案優(yōu)選和明確污水等級(jí)確定的具體方法。a)對(duì)現(xiàn)有的技術(shù)方案1進(jìn)行全面評(píng)估：人工識(shí)別污水等級(jí)或者根據(jù)傳感器分析污水等級(jí)，b)對(duì)現(xiàn)有的技術(shù)方案2進(jìn)行全面評(píng)估：通過顏色紋理形狀等特征識(shí)別污水等級(jí)；c)通過以上現(xiàn)有的技術(shù)綜合分析得到相應(yīng)方案的缺點(diǎn)，并提出對(duì)應(yīng)的解決方案。A.3設(shè)計(jì)試驗(yàn)方法應(yīng)在充分分析蔬菜的生物特性，對(duì)蔬菜的種類特性等基礎(chǔ)上，確定實(shí)驗(yàn)室檢測(cè)對(duì)象等試驗(yàn)內(nèi)容。9A.4方案實(shí)施A.4.1數(shù)據(jù)預(yù)處理及增強(qiáng)：數(shù)據(jù)預(yù)處理的方法要結(jié)合實(shí)際情況提高污水等級(jí)的識(shí)別率，主要采用圖像旋轉(zhuǎn)、加椒鹽噪聲、調(diào)節(jié)亮度和飽和度、圖像模糊、直方圖均衡化等方法A.4.2深層卷積神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)的訓(xùn)練；查閱了大量的卷積神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)的資料和做了大量的比對(duì)實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)出來的，識(shí)別準(zhǔn)確率高并識(shí)別速度快，A.4.3a)b)c)A.4.4網(wǎng)絡(luò)訓(xùn)練策略；關(guān)注準(zhǔn)確率：設(shè)計(jì)深度網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)可以很好提取污水的特征，但這個(gè)過程會(huì)損失一些速度；關(guān)注速度：設(shè)計(jì)輕量級(jí)的網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)但準(zhǔn)確率會(huì)有所下載但一般都不會(huì)多最多幾個(gè)百分點(diǎn)。兼容準(zhǔn)確率和速度：通過大量的數(shù)據(jù)并且結(jié)合場(chǎng)景設(shè)計(jì)一個(gè)合理速度和準(zhǔn)確不下降的的網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)，通過訓(xùn)練測(cè)試實(shí)現(xiàn)，網(wǎng)絡(luò)損失函數(shù)收斂時(shí)，將訓(xùn)練得到的模型在驗(yàn)證集上進(jìn)行測(cè)試，對(duì)于識(shí)別錯(cuò)誤的結(jié)果進(jìn)行分析，根據(jù)錯(cuò)誤的圖像的類型在輔助訓(xùn)練集中找到一些對(duì)應(yīng)類型的圖像添