排灌泵閘站智能管理控制系統(tǒng)及其效益分析

胡獻明,鄭江波,姜漢清,馮志剛,張良浩

(1.桐鄉(xiāng)市水利局,浙江 桐鄉(xiāng) 314500; 2.桐鄉(xiāng)市崇福鎮(zhèn)農(nóng)業(yè)經(jīng)濟服務中心,浙江 桐鄉(xiāng) 314511)

我國南方地區(qū)河網(wǎng)密布,排灌區(qū)內(nèi)小型農(nóng)田水利設施自身體積小、分布散、數(shù)量多。近年來,國內(nèi)許多學者、專家開展了灌區(qū)信息化、智能化管理模式研究,主要有供水信息自動化采集系統(tǒng)、灌區(qū)用水信息管理系統(tǒng)、灌區(qū)GSM通信方式等[1-2]。這為解決農(nóng)村排灌區(qū)高效管理提供了現(xiàn)代化手段。但是對大范圍內(nèi)布置分散、數(shù)量眾多的泵閘站的管理大多還是以人工現(xiàn)場操作為主,這給高效實時管理和決策帶來了很大困難。本文在分析排灌區(qū)泵閘站管理中存在問題的基礎上,探討泵閘站智能化管理系統(tǒng)的結構體系,并通過實例分析智能系統(tǒng)的應用效益。

1 排灌區(qū)泵閘站管理中存在的主要問題

a.泵閘站自動化程度低。小型泵閘站數(shù)量極多,分布零散,以人工操作為主,操作人員無法及時準確地判斷灌溉、排澇等情況,往往出現(xiàn)農(nóng)田灌溉不充分或者排澇不及時的情況,浪費了大量的水資源和電資源,不利于農(nóng)田產(chǎn)出[3]。同時人工現(xiàn)場操作,需要大量人力資源,不僅給鎮(zhèn)里的財政帶來較大壓力,而且這些資源的占用間接影響了全鎮(zhèn)的經(jīng)濟發(fā)展。

b.泵閘站管理不到位。隨著國家對農(nóng)業(yè)生產(chǎn)的重視,農(nóng)田水利設施逐步新建,但是配套管理措施沒有跟上建設速度。管理人員對設施管護意識薄弱,專業(yè)技術知識缺乏;面對新建設備、新引進的技術,管理員以往的經(jīng)驗無法滿足新的要求[3]。這些都影響著泵閘站的使用壽命和農(nóng)業(yè)效益。

c.管護資金投入不足。許多鎮(zhèn)、村干部主觀上存在重建設、輕管理的思想,認為只要建好了水利設施,就能服務于農(nóng)民,不注重水利設施的管理和養(yǎng)護。每年在水利設施管護上的資金投入十分有限,沒有條件去雇專業(yè)的管理和養(yǎng)護人員。這就必然導致設備使用不規(guī)范、不能及時發(fā)現(xiàn)設備損壞、長時間不保養(yǎng)等問題,最終降低泵閘站的使用壽命,減弱其本來應該發(fā)揮的效用,損害農(nóng)民的利益。

d.排灌區(qū)管理辦法混亂。各行政村排灌區(qū)內(nèi)都制定各自的管理制度,上級無法統(tǒng)一調(diào)度,造成管理混亂,主要體現(xiàn)在:①沒有明確的水費收取人,容易產(chǎn)生漏收、多收現(xiàn)象,給村里財務管理帶來困難;②發(fā)生事故時,容易混淆責任,難以明確責任人;③上級部門針對不同的管理制度,無法明確共同的考核辦法。

2 排灌區(qū)泵閘站智能管理控制系統(tǒng)構成

2.1 系統(tǒng)的結構

利用廣電寬帶網(wǎng)對所有泵房進行遠程管理和控制,系統(tǒng)采用B/S架構設計,用戶無須安裝任何客戶端軟件,只需打開瀏覽器即可進行所有操作[1,4-5]。系統(tǒng)支持多級操作權限設置,如片級管理員只能控制本片內(nèi)的泵房，村級管理員只能管理和控制本村泵房，鎮(zhèn)級管理員只能管理本鎮(zhèn)內(nèi)泵房。每個泵房需安裝智能嵌入式控制主機,以保證在極端狀況下,如村與鎮(zhèn)網(wǎng)絡中斷、鎮(zhèn)與廣電中心網(wǎng)絡中斷、中心服務器出現(xiàn)故障,泵房管理員可直接登入智能嵌入式控制主機進行水泵遠程控制;如村與泵房網(wǎng)絡中斷或嵌入式控制主機設備出故障,泵房管理員可以使用原有的手動現(xiàn)場操作模式。系統(tǒng)結構如圖1所示。

圖1 系統(tǒng)結構圖

2.2 系統(tǒng)的功能

泵閘站智能管理控制系統(tǒng)主要通過引入專業(yè)的監(jiān)控設備和軟件,以及網(wǎng)絡服務,由一臺中央控制器對所有泵閘站進行遠程管理和控制,來實現(xiàn)水利灌溉及排澇的智能遠程控制管理、視頻監(jiān)控及水位監(jiān)測[3,5-6]。具體分為3個功能模塊:水泵遠程控制、視頻監(jiān)控及水位監(jiān)測。

a.水泵遠程控制。分泄洪泵控制、灌溉泵控制及引水泵控制,與視頻監(jiān)控模塊進行無縫接合,可遠程控制、監(jiān)測水泵的開關及工作狀態(tài)。并可按實際需求自行設定水泵的工作流程,如:先開啟引水泵多少時間后,灌溉泵開啟,同時引水泵停止工作,水泵開啟時間和使用時間可由用戶自行設定。在灌溉泵的控制中,需與泵房內(nèi)現(xiàn)有的變頻器系統(tǒng)相結合,通過遠程控制變頻器的頻率來控制灌溉泵出水量的大小。

b.視頻監(jiān)控。包含:①泵房內(nèi)全景及部分儀表監(jiān)控,攝像頭需有遠程云臺控制功能;②泵房外內(nèi)河水位監(jiān)控;③泵房外蓄水池水位及灌溉泵出水口監(jiān)控;④本地/遠程實時視頻監(jiān)控;⑤本地/遠程視頻錄像查閱;⑥支持自定義監(jiān)控通道組合;⑦支持用戶權限管理;⑧預留門禁接口,當用戶查閱門禁記錄時,可實時調(diào)閱1 min開門錄像。

c.水位監(jiān)測。智能監(jiān)測當前內(nèi)河的水位信息,可設定警戒水位。當水位超出警戒水位時,系統(tǒng)自動發(fā)送手機短信報警,通知各級泵房管理員,同時報警中心進行聲光報警。

2.3 系統(tǒng)的特點

a.實時監(jiān)測。系統(tǒng)能夠實現(xiàn)對灌區(qū)河水位動態(tài)監(jiān)測,實現(xiàn)對水位數(shù)據(jù)的自動采集,根據(jù)遠程操作,實現(xiàn)灌溉自動化。

b.遠程自動控制。利用網(wǎng)絡技術和遠程通信技術,將分布非常分散的泵閘集中控制,實現(xiàn)對各泵站、閥門的實時遠程自動控制。

c.智能決策管理?？筛鶕?jù)實時采集的水情數(shù)據(jù),準確地判斷灌溉、排澇等情況,便于統(tǒng)一管理,準確做出決策。

d.高效安全的通信方式。采用靈活多變的無線和有線通信方式。支持電腦監(jiān)控、手機多畫面監(jiān)控,微軟認證插件,免設置,無須擔心病毒侵犯,支持市面大部分智能手機。

3 系統(tǒng)應用及其效益分析

選擇桐鄉(xiāng)市崇福鎮(zhèn)利順村作為該智能化管理系統(tǒng)應用的試驗區(qū)。該村現(xiàn)有14個村民小組,總人口3 904人,全村面積4.42 km2,其中排灌區(qū)涉及耕地面積154 hm2。該項目自2012年建成運行以來,取得了良好的經(jīng)濟、社會和安全效益。

3.1 經(jīng)濟效益

據(jù)統(tǒng)計,2012年該村灌溉用電46 098 kW·h,比2011年減少27 795 kW·h;排澇用電80 000 kW·h,與原來的管理模式相比約節(jié)省45 545 kW·h。電費按0.428元/(kW·h)計,可直接節(jié)約成本31 390元。使用智能化管理系統(tǒng)后排灌區(qū)工作人員由原來14名減少至6名,人工成本比2011年減少12 131元。2012年該村直接節(jié)約經(jīng)濟成本43 521元,試驗區(qū)內(nèi)成本降低282.6元/hm2,若將該項目推廣到桐鄉(xiāng)全市,每年可節(jié)約成本776.93萬元。

3.2 社會效益

該系統(tǒng)智能化管理的特性不僅降低了灌區(qū)的運行成本,同時對節(jié)省社會資源也具有很大的優(yōu)越性。當前,社會經(jīng)濟的快速發(fā)展和人力資源日益緊缺的矛盾已逐漸顯現(xiàn)。該智能化管理系統(tǒng)能夠縮減用工、提高灌區(qū)工作效率,節(jié)約人力資源;通過系統(tǒng)的智能控制,可改變灌區(qū)傳統(tǒng)的粗放型管理模式,減少排水、灌溉時間,節(jié)約水資源和電力資源。為社會的可持續(xù)發(fā)展增添了活力。

3.3 安全效益

經(jīng)濟效益是可以計量的,而人的生命安全是至高無上的。在人人、處處都要講安全生產(chǎn)的今天,該智能化系統(tǒng)的應用,真正編織了一道沒有空洞的安全網(wǎng)絡,能夠消除管理人員從居住地往返泵閘站的過程中以及管理人員在現(xiàn)場操作過程中的一切隱患,做到農(nóng)田灌溉、排澇隱患防治橫向到邊、縱向到底。

4 結 語

排灌區(qū)泵閘站智能管理控制系統(tǒng)能夠高效實時地控制分布分散的泵閘站,并能準確快捷地做出決策,實現(xiàn)泵閘站的遠程控制與決策支持。該系統(tǒng)已在桐鄉(xiāng)市崇福鎮(zhèn)利順村得到很好應用,并取得了較好效益。但是由于現(xiàn)有條件和認知水平的限制,建議加強宣傳,轉變傳統(tǒng)觀念,提高對泵閘站智能化管理重要性的認識。根據(jù)控制系統(tǒng)的特點,遵循“分級管理”的原則,設立專門的網(wǎng)絡管理部門,配備專業(yè)的技術人員,確立崗位,制定相關責任,保證網(wǎng)絡運行正常,泵閘站管理到位。逐漸取消原有混亂管理模式,建立統(tǒng)一的泵閘站運營管理制度。

[1]李笠,孫永飛.實時水情信息傳輸與共享網(wǎng)絡的研究和設計[J].水利水文自動化,2000(3):8-10.

[2]邊黨偉.水工閘門自動化監(jiān)控系統(tǒng)的開發(fā)與應用研究[D].蘭州:蘭州理工大學,2007.

[3]錢曉峰,秦霆鎬,陳一民.水閘泵站計算機遠程監(jiān)控系統(tǒng)的研究開發(fā)[J].上海建設科技,2005(5):61-63.

[4]周建國,曹炬,姚金斌.單片機與PC機實現(xiàn)電動閘門控制系統(tǒng)設計[J].計算機自動測量與控制,2001,9(2):33-34.

[5]馬磊.河套灌區(qū)灌溉用水量的測量及管理系統(tǒng)的研究[D].內(nèi)蒙古:內(nèi)蒙古科技大學,2011.

[6]陳慶秋,耿六成.灌區(qū)管理信息系統(tǒng)模塊結構設計技術研究[J].華北水利水電院學報,1997,18(3):28-32,38.