2024年，是南水北調(diào)中線工程全線通水10周年。作為解決我國(guó)北方地區(qū)水資源短缺問(wèn)題而實(shí)施的一項(xiàng)重大水利工程，“南水北調(diào)”有著極其重要的戰(zhàn)略意義。截止今年3月份的數(shù)據(jù)，南水北調(diào)東、中線一期工程累計(jì)調(diào)水700億立方米，受益人口1.76億人。
但從整體來(lái)看，作為世界上規(guī)模最大、技術(shù)最復(fù)雜、難度最大的水利工程之一，南水北調(diào)工程并非一帆風(fēng)順，它面臨著來(lái)自技術(shù)、生態(tài)環(huán)境等多方面的嚴(yán)峻挑戰(zhàn)。特別是在調(diào)水體交換頻繁的調(diào)水工程沿線，生物入侵問(wèn)題也成為了不可忽視的重要研究課題。
那么，AI技術(shù)是否能夠在這一領(lǐng)域發(fā)揮關(guān)鍵作用，助力更快監(jiān)測(cè)“南方水生動(dòng)植物的向北輸送”？隨著技術(shù)手段的不斷升級(jí)，業(yè)界科創(chuàng)團(tuán)隊(duì)已經(jīng)開(kāi)始嘗試。不久前，從第四屆Light技術(shù)公益創(chuàng)造營(yíng)的1079支隊(duì)伍中脫穎而出，不愛(ài)吃魚(yú)”團(tuán)隊(duì)以“清流智控AI魚(yú)閘守護(hù)南水北調(diào)生態(tài)安全新防線項(xiàng)目”入選“生態(tài)環(huán)保領(lǐng)域優(yōu)勝項(xiàng)目”。
場(chǎng)景痛點(diǎn)：生物入侵發(fā)現(xiàn)滯后，治理成本高企
研究表明，以南水北調(diào)東線工程為例，過(guò)去30年間，幾乎所有維度的魚(yú)類(lèi)多樣性指數(shù)均呈下降趨勢(shì)。喜流水性魚(yú)類(lèi)和魚(yú)食性魚(yú)類(lèi)分別減少了50%和36%，樣本湖泊中的魚(yú)類(lèi)群落逐漸趨于同質(zhì)化。而更為嚴(yán)重的是，通過(guò)對(duì)比分析歷史文獻(xiàn)資料發(fā)現(xiàn)，長(zhǎng)江河口性物種沙蠶類(lèi)和擬背尾水虱等甲殼類(lèi)均在調(diào)水沿線水體有所發(fā)現(xiàn)，部分物種在調(diào)水湖泊中已發(fā)展為優(yōu)勢(shì)物種。這無(wú)疑為我們敲響了生態(tài)安全的警鐘。
水利部發(fā)展研究中心也曾刊文指出水生態(tài)安全風(fēng)險(xiǎn)的重要性，并建議加強(qiáng)南水北調(diào)輸水水生生物的生態(tài)特征研究及長(zhǎng)期監(jiān)測(cè)分析。然而眾所周知，生物入侵一旦發(fā)生，再行干預(yù)將付出沉重的環(huán)境代價(jià)和治理成本。生物入侵、特別是魚(yú)類(lèi)的入侵，不僅會(huì)改變?cè)械氖澄锞W(wǎng)結(jié)構(gòu)，來(lái)?yè)屨己蛿D壓水域內(nèi)的原有生物，它還可能會(huì)改變水域內(nèi)的溫度和溶氧量，然后會(huì)影響土著生物的棲息環(huán)境，同時(shí)還可能會(huì)攜帶病原體傳播疾玻
因此，如何提前發(fā)現(xiàn)生物入侵、在問(wèn)題被放大前及時(shí)止損成為了我們亟待解決的難題。而“不愛(ài)吃魚(yú)”團(tuán)隊(duì)提出的解決方案正是針對(duì)這一痛點(diǎn)而設(shè)計(jì)的。
“流域途中設(shè)置監(jiān)測(cè)點(diǎn)，精準(zhǔn)識(shí)別入侵物種。對(duì)于存在入侵風(fēng)險(xiǎn)的生物，通過(guò)實(shí)時(shí)預(yù)警和機(jī)械匝道攔截，阻止其進(jìn)入下一水域。”這是不愛(ài)吃魚(yú)團(tuán)隊(duì)為將生物入侵發(fā)現(xiàn)前置提出的解決方案。
據(jù)介紹，在技術(shù)實(shí)現(xiàn)上，該團(tuán)隊(duì)研發(fā)了一款專(zhuān)為守護(hù)南水北調(diào)生態(tài)安全的新型防線裝置，該裝置利用深海相機(jī)和聲納系統(tǒng)采集數(shù)據(jù)，并通過(guò)目標(biāo)檢測(cè)、識(shí)別網(wǎng)絡(luò)、YOLO模型精準(zhǔn)識(shí)別入侵物種。
技術(shù)難點(diǎn)：水下環(huán)境復(fù)雜，生物入侵識(shí)別難度加大
不愛(ài)吃魚(yú)團(tuán)隊(duì)提出的方案旨在將生物入侵發(fā)現(xiàn)前置，從而在問(wèn)題爆發(fā)前進(jìn)行有效攔截和處置。然而，方案的具體實(shí)施并非易事，不愛(ài)吃魚(yú)團(tuán)隊(duì)也的確遇到了一些技術(shù)難題。其中最為突出的問(wèn)題出現(xiàn)在了“識(shí)別技術(shù)”的優(yōu)化上，原因在于，由于水下的環(huán)境過(guò)于復(fù)雜，光照條件差，水質(zhì)渾濁等因素，導(dǎo)致圖像質(zhì)量差，增加了生物入侵的識(shí)別難度。
為此，不愛(ài)吃魚(yú)團(tuán)隊(duì)不斷優(yōu)化YOLO識(shí)別模型，通過(guò)遷移學(xué)習(xí)和數(shù)據(jù)增強(qiáng)技術(shù)，提升模型在復(fù)雜水環(huán)境中的魯棒性和準(zhǔn)確性，對(duì)原始圖像進(jìn)行一系列變換，并添加水下模糊和噪聲效果，來(lái)擴(kuò)充訓(xùn)練數(shù)據(jù)集，提高模型識(shí)別能力。”
該團(tuán)隊(duì)也在方案中融入了多模態(tài)數(shù)據(jù)，結(jié)合聲納數(shù)據(jù)和圖數(shù)像據(jù)提高識(shí)別的精度和可靠性。目前還繼續(xù)進(jìn)行進(jìn)一步的訓(xùn)練來(lái)保證訓(xùn)練環(huán)境和部署環(huán)境的一致性。
此外，馬子偉告訴鈦媒體App，團(tuán)隊(duì)遇到的第二個(gè)難題是“實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)的采集與處理”。從數(shù)據(jù)計(jì)算的角度來(lái)說(shuō)，實(shí)時(shí)采集和處理大量的數(shù)據(jù)需要高效的數(shù)據(jù)傳輸和處理能力，但現(xiàn)實(shí)情況是，在南水北調(diào)沿線，這些地區(qū)的網(wǎng)速無(wú)法得到有效保證，網(wǎng)絡(luò)延遲較高。方案的落地，需要減少對(duì)低延遲、高帶寬的需求。
“主要采取了邊緣計(jì)算和分布式處理兩個(gè)方法，第一個(gè)邊緣計(jì)算是在檢測(cè)點(diǎn)部署邊緣計(jì)算設(shè)備，進(jìn)行實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)處理和分析，這樣來(lái)減少數(shù)據(jù)傳輸?shù)难訒r(shí)；第二個(gè)采取分布式處理技術(shù)，將數(shù)據(jù)處理技術(shù)分散到多個(gè)節(jié)點(diǎn)，提高系統(tǒng)的處理效率和容錯(cuò)能力。”馬子偉表示。
成效：成本減三倍，生物入侵識(shí)別準(zhǔn)確率逼近95%
在項(xiàng)目實(shí)施初期，受限于測(cè)試集數(shù)據(jù)的規(guī)模，團(tuán)隊(duì)收集大概十幾個(gè)魚(yú)種上千張圖片進(jìn)行訓(xùn)練，測(cè)試準(zhǔn)確率可以穩(wěn)定在80%-90%。按照規(guī)劃，在項(xiàng)目進(jìn)行的第四個(gè)月到第六個(gè)月，系統(tǒng)識(shí)別可以達(dá)到95%以上。
在成本上，這套南水北調(diào)生態(tài)安全的新型防線裝置整體下來(lái)包括訓(xùn)練模型、安裝等價(jià)格為10萬(wàn)。相對(duì)于傳統(tǒng)的“亡羊補(bǔ)牢”式的補(bǔ)救方案，該套創(chuàng)新裝置在成本控制上實(shí)現(xiàn)了極大提升。“據(jù)我們估算，生物入侵在南水北調(diào)途中發(fā)生的概率大概可以達(dá)到10%左右，也就是說(shuō)應(yīng)該可以把年成本降低至少3倍，我們相當(dāng)于預(yù)防針作用。”馬子偉介紹。
然而，生物入侵早期預(yù)警的價(jià)值，遠(yuǎn)非可以用簡(jiǎn)單的成本縮減來(lái)衡量。及時(shí)阻斷入侵，其最大價(jià)值在于保護(hù)生態(tài)環(huán)境免遭破壞。因?yàn)橐坏┩鈦?lái)物種入侵并肆意繁衍，將對(duì)本土生態(tài)系統(tǒng)造成難以逆轉(zhuǎn)的破壞，修復(fù)之路將漫長(zhǎng)。而這套方案，通過(guò)提升入侵防御的響應(yīng)速度與精準(zhǔn)度，能夠有效遏制生物入侵。
馬子偉還透露，目前團(tuán)隊(duì)的樣本采集工作主要聚焦于魚(yú)類(lèi)，未來(lái)計(jì)劃將可識(shí)別物種的多樣性進(jìn)一步拓展，以應(yīng)對(duì)更廣泛的生態(tài)挑戰(zhàn)。（本文首發(fā)鈦媒體APP 作者 |秦聰慧）
