校內(nèi)實(shí)訓(xùn)基地信息化系統(tǒng)建設(shè)實(shí)踐研究

摘要:建設(shè)高質(zhì)量的信息化、智能化校內(nèi)實(shí)訓(xùn)基地是培養(yǎng)高技能人才的重要保障。本文系統(tǒng)闡述了山西水利職業(yè)技術(shù)學(xué)院校內(nèi)節(jié)水灌溉實(shí)訓(xùn)基地的建設(shè)實(shí)踐探索。

關(guān)鍵詞:校內(nèi)實(shí)訓(xùn)基地;信息化系統(tǒng);智能化;節(jié)水灌溉

投資253萬(wàn)元、占地80畝的山西水利職業(yè)技術(shù)學(xué)院節(jié)水灌溉實(shí)訓(xùn)基地和示范園由水源工程、管理中心、節(jié)水研發(fā)項(xiàng)目、灌溉渠系和12個(gè)節(jié)水灌溉區(qū)域組成,區(qū)間林路按園林標(biāo)準(zhǔn)設(shè)計(jì),每個(gè)區(qū)的面積40×42m2,分別展示不同的節(jié)水灌溉技術(shù)和設(shè)備。這里集中了國(guó)內(nèi)外各種節(jié)水技術(shù)與設(shè)備,為水利類專業(yè)開(kāi)展校內(nèi)節(jié)水灌溉技術(shù)實(shí)訓(xùn)和水利信息化管理提供了理想的平臺(tái)。我院利用最新的網(wǎng)絡(luò)技術(shù)將分散的所有田間現(xiàn)場(chǎng)終端控制系統(tǒng)(數(shù)據(jù)采集和控制器、灌溉設(shè)備、傳感器)和視頻監(jiān)控系統(tǒng)、中央控制系統(tǒng)組成一個(gè)功能強(qiáng)大、使用方便的數(shù)據(jù)和控制網(wǎng)絡(luò),實(shí)現(xiàn)了全區(qū)的智能控制。

2007年4月,北京嘉源易潤(rùn)工程技術(shù)有限公司與學(xué)院簽定合同,在實(shí)訓(xùn)基地設(shè)立“北京嘉源易潤(rùn)工程技術(shù)有限公司技術(shù)推廣、試驗(yàn)、培訓(xùn)基地”,利用基地的資源優(yōu)勢(shì)研發(fā)節(jié)水灌溉產(chǎn)品,該公司將他們最新的節(jié)水技術(shù)、最新的節(jié)水產(chǎn)品,試用、讓利或捐贈(zèng)于實(shí)訓(xùn)基地,利用基地的示范作用推廣他們的技術(shù)與產(chǎn)品。同期,全國(guó)水利信息化管理先進(jìn)單位山西省夾馬口引黃管理局與學(xué)院簽定校外實(shí)訓(xùn)基地協(xié)議,并對(duì)校內(nèi)節(jié)水灌溉實(shí)訓(xùn)基地信息化建設(shè)提供專家咨詢與現(xiàn)場(chǎng)指導(dǎo)。運(yùn)城市水利局與學(xué)院簽定合同,把實(shí)訓(xùn)基地作為全市節(jié)水灌溉技術(shù)的示范園區(qū),并給學(xué)院撥付專項(xiàng)資金作為前期費(fèi)用,有計(jì)劃地安排全市水利部門來(lái)園參觀,由實(shí)訓(xùn)基地進(jìn)行節(jié)水灌溉技術(shù)示范和提供技術(shù)服務(wù),并對(duì)相關(guān)人員進(jìn)行培訓(xùn)。通過(guò)校企合作,校內(nèi)節(jié)水灌溉實(shí)訓(xùn)場(chǎng)進(jìn)行了如下幾個(gè)方面的建設(shè)。

數(shù)據(jù)庫(kù)建設(shè)數(shù)據(jù)庫(kù)建設(shè)在灌溉實(shí)訓(xùn)場(chǎng)信息化系統(tǒng)建設(shè)過(guò)程中處于核心地位,是信息化建設(shè)十分關(guān)鍵的一環(huán)。信息化是指以計(jì)算機(jī)與通訊網(wǎng)絡(luò)為主體的數(shù)字化、網(wǎng)絡(luò)化、智能化和可視化的過(guò)程,其中數(shù)字化主要是指?jìng)鹘y(tǒng)的信息載體向數(shù)字載體的轉(zhuǎn)變,這有利于信息的處理、傳輸和應(yīng)用。在實(shí)踐中,數(shù)據(jù)庫(kù)的內(nèi)容是根據(jù)灌溉實(shí)訓(xùn)場(chǎng)的實(shí)際情況,使用數(shù)據(jù)庫(kù)管理系統(tǒng)提供的錄入工具錄入的灌溉實(shí)訓(xùn)場(chǎng)的實(shí)際資料,這使數(shù)據(jù)庫(kù)成為一個(gè)具有豐富資料的數(shù)據(jù)倉(cāng)庫(kù)。我們建立了包括灌區(qū)基本信息、實(shí)時(shí)水情、水文氣象資料、管網(wǎng)分布、灌溉制度、需配水方案、超文本信息、圖像等的綜合數(shù)據(jù)庫(kù)系統(tǒng),為實(shí)訓(xùn)場(chǎng)信息管理、灌水決策和辦公自動(dòng)化系統(tǒng)提供數(shù)據(jù)支持。同時(shí),數(shù)據(jù)庫(kù)有靈活的數(shù)據(jù)定義、輸入、查詢和統(tǒng)計(jì)分析功能,能夠滿足灌溉實(shí)訓(xùn)場(chǎng)日常管理和決策支持的要求。

信息采集系統(tǒng)建設(shè)灌溉實(shí)訓(xùn)場(chǎng)的數(shù)據(jù)庫(kù)數(shù)據(jù)按照更新時(shí)限的長(zhǎng)短分為三類,即靜態(tài)數(shù)據(jù)、動(dòng)態(tài)數(shù)據(jù)和實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)。靜態(tài)數(shù)據(jù)指基本不變化的資料,如灌溉實(shí)訓(xùn)場(chǎng)的區(qū)劃、實(shí)訓(xùn)功能、各種已建工程資料等,錄入后是基本不用更新的。動(dòng)態(tài)數(shù)據(jù)指不定期更新的資料,如作物的種植結(jié)構(gòu)和種植面積每年發(fā)生的變化,需要根據(jù)其具體特點(diǎn)在教師指導(dǎo)下由學(xué)生定期或不定期進(jìn)行數(shù)據(jù)采集、錄入數(shù)據(jù)庫(kù)。實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)指實(shí)時(shí)更新的資料,如田間含水量、降雨期間的雨情資料等,對(duì)于實(shí)時(shí)數(shù)據(jù),由于其更新非?？?從實(shí)際生產(chǎn)及工學(xué)結(jié)合的需要出發(fā),又需要實(shí)時(shí)地掌握這些數(shù)據(jù),所以靠人工采集已不能適應(yīng)灌區(qū)現(xiàn)代化的需要,必須采用現(xiàn)代的自動(dòng)化、光電、計(jì)算機(jī)等技術(shù)進(jìn)行自動(dòng)、實(shí)時(shí)的采集,即必須建立自動(dòng)信息采集系統(tǒng)。當(dāng)然,學(xué)生還要同步用常規(guī)方法(如土壤含水量測(cè)量、氣象觀測(cè)等)進(jìn)行部分信息的人工采集,并將人工采集和自動(dòng)采集的結(jié)果進(jìn)行比較、驗(yàn)證。灌溉實(shí)訓(xùn)場(chǎng)大田由WHQ-9型室外自動(dòng)氣象站、視頻監(jiān)控、4個(gè)水位傳感器、4個(gè)水壓傳感器、4個(gè)土壤濕度傳感器、4個(gè)地溫傳感器、2個(gè)土壤鹽分傳感器、1個(gè)渠道流量傳感器、10個(gè)電子水表組成的實(shí)時(shí)信息采集系統(tǒng),對(duì)灌溉引水、渠道用水、地下水、土壤墑情、土壤鹽分、降雨量、蒸發(fā)量及其他氣象信息作動(dòng)態(tài)監(jiān)測(cè),為配水調(diào)度提供基本依據(jù)。灌溉實(shí)訓(xùn)基地信息流程如圖1所示。

通信系統(tǒng)建設(shè)在學(xué)生的就業(yè)崗位群中,通信是無(wú)處不在的,尤其是隨著現(xiàn)代通信技術(shù)的發(fā)展,對(duì)于灌區(qū)尤其是大型灌區(qū)而言,無(wú)論是灌區(qū)各部門的聯(lián)系、數(shù)據(jù)的傳輸,還是灌區(qū)管理部門間的指揮調(diào)度,建設(shè)計(jì)算機(jī)網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng),建立準(zhǔn)確、通暢的通信系統(tǒng)都是非常重要的。校內(nèi)灌溉實(shí)訓(xùn)場(chǎng)選用的通信系統(tǒng)主要有光纖、數(shù)字?jǐn)?shù)據(jù)網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)、CDMA手機(jī)模塊通信、現(xiàn)場(chǎng)無(wú)線遙控等。通信系統(tǒng)將信息采集系統(tǒng)采集到的信息及其他必要信息及時(shí)傳輸?shù)娇刂浦行?控制中心再下達(dá)調(diào)度命令。同時(shí),現(xiàn)場(chǎng)用無(wú)線遙控或用手機(jī)短信都可下達(dá)灌溉命令,做到了灌溉管理的現(xiàn)代化和多樣化。

控制中心及網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)建設(shè)針對(duì)專業(yè)教學(xué)培養(yǎng)方案要求學(xué)生有較好的計(jì)算機(jī)和網(wǎng)絡(luò)使用能力,我們?cè)谛?nèi)灌溉實(shí)訓(xùn)場(chǎng)信息化建設(shè)過(guò)程中精心構(gòu)建了灌溉實(shí)訓(xùn)場(chǎng)的控制中心?？刂浦行挠芍行目刂茩C(jī)、路由器、網(wǎng)絡(luò)集線器、ADSL Modem、投影機(jī)、打印機(jī)以及四臺(tái)大屏顯示器共同聯(lián)網(wǎng)組成,完成系統(tǒng)的日常操作和管理、數(shù)據(jù)處理、網(wǎng)絡(luò)通訊調(diào)度等功能,控制中心及網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)框圖如圖2所示。這是一個(gè)智能型網(wǎng)絡(luò)測(cè)控系統(tǒng),系統(tǒng)利用最新的網(wǎng)絡(luò)技術(shù)將分散的所有田間現(xiàn)場(chǎng)終端控制系統(tǒng)(數(shù)據(jù)采集和控制器、灌溉設(shè)備、傳感器)和視頻監(jiān)控系統(tǒng)、中央控制系統(tǒng)組成一個(gè)功能強(qiáng)大、使用方便的數(shù)據(jù)和控制網(wǎng)絡(luò),可以方便地實(shí)現(xiàn):(1)本地控制、數(shù)據(jù)處理及設(shè)備運(yùn)行狀態(tài)顯示;(2)系統(tǒng)內(nèi)實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)測(cè)量及設(shè)備控制;(3)IP地址訪問(wèn)和遠(yuǎn)程控制。采用基于TCP/IP協(xié)議的以太網(wǎng)結(jié)構(gòu)。系統(tǒng)的各個(gè)組成部分都具有自己的IP地址,可通過(guò)網(wǎng)絡(luò)進(jìn)行相互通訊。此網(wǎng)絡(luò)是標(biāo)準(zhǔn)的以太網(wǎng)絡(luò),即可以單獨(dú)形成自己的體系,并作為校園網(wǎng)的一個(gè)組成部分,還通過(guò)路由器連接到Internet廣域網(wǎng)上。這樣,無(wú)論師生在世界的什么地方都可以通過(guò)Internet對(duì)系統(tǒng)進(jìn)行查詢、操作、設(shè)置和管理。四臺(tái)大屏幕顯示器分別負(fù)責(zé)顯示本系統(tǒng)中的視頻監(jiān)控畫面、各種實(shí)時(shí)測(cè)量數(shù)據(jù)以及其他控制和管理功能界面。加入無(wú)線訪問(wèn)點(diǎn)(Access Point)后還可以通過(guò)無(wú)線網(wǎng)絡(luò)使用本系統(tǒng)。通過(guò)建設(shè)控制中心的計(jì)算機(jī)局域網(wǎng),能使實(shí)訓(xùn)數(shù)據(jù)和文本信息的傳輸更便捷,實(shí)現(xiàn)辦公自動(dòng)化,提高辦公效率和管理水平。

用水管理決策支持系統(tǒng)建設(shè)隨著現(xiàn)代決策技術(shù)和智能技術(shù)的發(fā)展,現(xiàn)代決策支持系統(tǒng)在輔助管理部門決策上發(fā)揮著越來(lái)越重要的作用。建立灌溉實(shí)訓(xùn)場(chǎng)用水管理決策支持系統(tǒng),對(duì)于提高實(shí)訓(xùn)學(xué)生的用水管理水平,提高用水效率,節(jié)約用水具有重要意義。用水管理決策支持系統(tǒng)主要包括灌區(qū)需配水計(jì)算及模擬、水量調(diào)度及決策支持、測(cè)水量水及水費(fèi)征收等方面的內(nèi)容。學(xué)院教師和北京嘉源易潤(rùn)工程技術(shù)有限公司技術(shù)人員共同開(kāi)發(fā)了先進(jìn)的需配水模型和“山西水利職業(yè)技術(shù)學(xué)院節(jié)水灌溉實(shí)訓(xùn)場(chǎng)信息管理系統(tǒng)”,在綜合數(shù)據(jù)庫(kù)及綜合數(shù)據(jù)庫(kù)管理系統(tǒng)的基礎(chǔ)上,系統(tǒng)可以自動(dòng)進(jìn)行灌水調(diào)度。除了學(xué)習(xí)專業(yè)的節(jié)水灌溉控制軟件、水泵現(xiàn)地控制軟件、大田現(xiàn)地控制軟件、大棚現(xiàn)地控制軟件、閥門現(xiàn)地控制軟件、渠道自動(dòng)監(jiān)測(cè)軟件、視頻監(jiān)控軟件、自動(dòng)氣象站軟件,實(shí)訓(xùn)基地的學(xué)生還要通過(guò)管理決策系統(tǒng),在教師和企業(yè)專家的指導(dǎo)下,做出各灌水區(qū)域的配水方案,進(jìn)行適時(shí)調(diào)度。根據(jù)程序的不同設(shè)置,控制中心可以實(shí)現(xiàn)不同數(shù)據(jù)信息條件下的控制運(yùn)行情況的實(shí)際模擬演示,達(dá)到各種條件的實(shí)際教學(xué)演示效果,運(yùn)行結(jié)果反饋和數(shù)據(jù)條件都可以實(shí)時(shí)顯示、存儲(chǔ)、分析。

灌水自動(dòng)控制系統(tǒng)建設(shè)廣義的渠系自動(dòng)化系統(tǒng)包括渠道測(cè)水量水、用水決策、閘門自動(dòng)化或管道自動(dòng)控制等在內(nèi)的完整測(cè)控系統(tǒng),而狹義的渠系自動(dòng)化系統(tǒng)則僅指閘門自動(dòng)化、管道自動(dòng)控制。閘門自動(dòng)化和管道自動(dòng)控制在西方發(fā)達(dá)國(guó)家有較多的應(yīng)用,如美國(guó)農(nóng)場(chǎng)的管灌系統(tǒng)多采用自動(dòng)控制方式,而在我國(guó)尚處于起步階段。本著先進(jìn)性和適度超前的原則,我們?cè)诮ㄔO(shè)資金有限的情況下,采用了渠道系統(tǒng)灌水用人工控制,管道系統(tǒng)灌水用自動(dòng)系統(tǒng)控制的建設(shè)方案,實(shí)現(xiàn)了閘閥快速、及時(shí)、準(zhǔn)確地啟閉,提高了系統(tǒng)運(yùn)行的可靠性,并可由實(shí)訓(xùn)學(xué)生進(jìn)行自動(dòng)控制和科學(xué)管理,強(qiáng)化了學(xué)生運(yùn)用高科技的意識(shí)。灌溉實(shí)訓(xùn)場(chǎng)管道灌水首部樞紐位于學(xué)院自備機(jī)井附近,主要由二級(jí)水泵、逆止閥、控制閥門、過(guò)濾系統(tǒng)、施肥系統(tǒng)、壓力表、排氣閥等組成。為了保證水泵在不同壓力情況下正常運(yùn)行,在二次加壓水泵處設(shè)變頻供水系統(tǒng)。相應(yīng)的傳感器分別將水井水位、水池水位、出水壓力、流量、水泵狀態(tài)以及渠道水位和流量等信息通過(guò)智能傳感器變送模塊傳入供水控制器中,由控制器根據(jù)內(nèi)置的控制邏輯和方法對(duì)水井及水池的水泵進(jìn)行相應(yīng)的控制。十個(gè)節(jié)水灌溉區(qū)域分為三大部分,前4個(gè)區(qū)由灌溉控制器1負(fù)責(zé),灌水量、土壤濕度及閥門狀態(tài)信息均被讀入控制器1中,并據(jù)此由其控制相應(yīng)閥門的運(yùn)行,中間2個(gè)區(qū)由灌溉控制器2負(fù)責(zé),對(duì)第5區(qū)增加地溫、作物生長(zhǎng)信息的采集和顯示。最后4個(gè)區(qū)由灌溉控制器3負(fù)責(zé)控制,控制中心依據(jù)授權(quán)對(duì)整個(gè)系統(tǒng)進(jìn)行全面的實(shí)時(shí)監(jiān)控,并隨時(shí)完成對(duì)溫室和灌溉系統(tǒng)內(nèi)的各項(xiàng)數(shù)據(jù)進(jìn)行分析和評(píng)估。灌溉及施肥智能控制系統(tǒng)如圖3所示。

辦公自動(dòng)化系統(tǒng)與信息共享建設(shè)在工程實(shí)踐中,辦公自動(dòng)化系統(tǒng)與計(jì)算機(jī)網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)的建設(shè)密切相關(guān),計(jì)算機(jī)網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)的建設(shè)是辦公自動(dòng)化系統(tǒng)建設(shè)的前提和基礎(chǔ),辦公自動(dòng)化系統(tǒng)是計(jì)算機(jī)網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)的一個(gè)重要應(yīng)用內(nèi)容。灌溉實(shí)訓(xùn)場(chǎng)辦公自動(dòng)化系統(tǒng)包括實(shí)踐教學(xué)文件管理、實(shí)訓(xùn)班級(jí)檔案管理、實(shí)訓(xùn)教學(xué)成績(jī)管理、技能鑒定培訓(xùn)考核管理、新聞宣傳等工作。信息共享建設(shè)主要指灌溉實(shí)訓(xùn)場(chǎng)對(duì)外的信息披露和信息服務(wù)。灌溉實(shí)訓(xùn)場(chǎng)利用網(wǎng)站對(duì)外進(jìn)行信息的披露和信息服務(wù),對(duì)實(shí)訓(xùn)班級(jí)或?qū)W生等“用水戶”披露水量、虛擬水費(fèi)等信息。學(xué)生通過(guò)校園網(wǎng)可以隨時(shí)查詢本人在灌溉實(shí)訓(xùn)場(chǎng)的信息。實(shí)訓(xùn)場(chǎng)網(wǎng)站還提供一些灌溉知識(shí)等方面的服務(wù),對(duì)校內(nèi)其他相關(guān)單位提供相應(yīng)的信息,讓師生監(jiān)督,也宣傳實(shí)訓(xùn)場(chǎng)自身。

IC卡灌溉管理系統(tǒng)建設(shè)為了增強(qiáng)學(xué)生的節(jié)水意識(shí),我們還在實(shí)訓(xùn)場(chǎng)設(shè)置了一套IC卡灌溉管理系統(tǒng),它是將計(jì)算機(jī)、IC卡自動(dòng)控制技術(shù)應(yīng)用于農(nóng)業(yè)灌溉的系統(tǒng)。其工作原理是:利用IC卡,對(duì)每個(gè)用水戶進(jìn)行建檔管理,配合計(jì)算機(jī)進(jìn)行控制。具體做法是:IC卡寫有用戶的名字和密碼,用戶預(yù)交水費(fèi)寫入卡中,在管理機(jī)上插卡開(kāi)機(jī)提水,系統(tǒng)自動(dòng)計(jì)時(shí)計(jì)費(fèi),從卡中扣除所需費(fèi)用。若卡中水費(fèi)用盡或卡取出或關(guān)機(jī),則自動(dòng)停機(jī),無(wú)法提水灌溉。在工作實(shí)踐中,采用IC卡灌溉管理系統(tǒng),具有預(yù)先收費(fèi)、收費(fèi)標(biāo)準(zhǔn)公開(kāi)、減費(fèi)過(guò)程動(dòng)態(tài)可見(jiàn)、不需專人值守等特點(diǎn),從而較好地解決了水費(fèi)計(jì)收困難、爭(zhēng)水搶水現(xiàn)象發(fā)生、水資源浪費(fèi)、計(jì)量失真、收費(fèi)經(jīng)常發(fā)生糾紛等突出問(wèn)題,對(duì)提高群眾自覺(jué)節(jié)水意識(shí)和密切干群關(guān)系,具有重要的意義。

該實(shí)訓(xùn)基地通過(guò)對(duì)灌溉實(shí)訓(xùn)場(chǎng)內(nèi)雨量、水量、水源站水位、水質(zhì)、土壤墑情、氣象、地下水水位等信息的遠(yuǎn)程信息采集,實(shí)現(xiàn)了水資源智能調(diào)度決策方案的選定、調(diào)配灌水管路的遠(yuǎn)程自動(dòng)啟閉控制、實(shí)訓(xùn)基地現(xiàn)場(chǎng)圖像監(jiān)視、管理和辦公自動(dòng)化等功能,實(shí)現(xiàn)了信息發(fā)布與信息查詢網(wǎng)絡(luò)化,數(shù)據(jù)處理信息化,分析、決策、調(diào)度智能化,水量計(jì)算、水費(fèi)征收電子化,配水調(diào)度、辦公自動(dòng)化,管理信息化、灌水控制自動(dòng)化,實(shí)訓(xùn)場(chǎng)成為了高效環(huán)保的數(shù)字節(jié)水灌溉技術(shù)實(shí)訓(xùn)場(chǎng)。2007年,我校實(shí)訓(xùn)基地被山西省水利廳命名為“山西省節(jié)水灌溉技術(shù)示范基地”,2008年,又被山西省教育廳命名為“山西省高職高專實(shí)踐教學(xué)示范基地”,為學(xué)院通過(guò)教育部人才培養(yǎng)工作水平評(píng)估和成為水利部示范院校做出了突出貢獻(xiàn),很好地帶動(dòng)了全院實(shí)踐教學(xué)基地建設(shè)和課程建設(shè)。

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作者簡(jiǎn)介:

白繼中(1971—),男,山西山陰人,在讀博士研究生,山西水利職業(yè)技術(shù)學(xué)院副教授,研究方向?yàn)樯鷳B(tài)水利學(xué)與環(huán)境水利、高職教育實(shí)踐教學(xué)基地建設(shè)。

(本文責(zé)任編輯:謝良才)