節(jié)水灌溉示范區(qū)中心試驗站綜合信息化技術(shù)研究與設(shè)計

馬傳波，陳 丹

（1.遼寧省水利水電科學(xué)研究院，遼寧沈陽110003；2.遼寧省國土資源調(diào)查規(guī)劃局，遼寧沈陽110032）

節(jié)水灌溉示范區(qū)中心試驗站綜合信息化技術(shù)研究與設(shè)計

馬傳波1，陳 丹2

（1.遼寧省水利水電科學(xué)研究院，遼寧沈陽110003；2.遼寧省國土資源調(diào)查規(guī)劃局，遼寧沈陽110032）

根據(jù)遼寧省灌溉中心試驗站的特點，采用以計算機智能灌溉控制為核心，以試驗區(qū)設(shè)施農(nóng)業(yè)、水田、旱田、排水站和綜合安防等各類智能監(jiān)測信息為基礎(chǔ)，以氣象、蒸發(fā)等環(huán)境因素為輔助手段，以自愈環(huán)網(wǎng)為傳輸通道，構(gòu)建省級中心試驗站節(jié)水灌溉示范區(qū)綜合信息化系統(tǒng)，為我省農(nóng)田水利信息化建設(shè)提供全面技術(shù)支撐。

灌溉試驗站；信息監(jiān)測；網(wǎng)絡(luò)通訊；系統(tǒng)

引言

隨著我國經(jīng)濟社會發(fā)展，用水需求不斷變化，水資源短缺已成為制約我國經(jīng)濟和社會發(fā)展的瓶頸，而農(nóng)業(yè)灌溉是我國的用水大戶，為促進農(nóng)業(yè)灌溉科學(xué)高效用水，強化農(nóng)田水利基礎(chǔ)保障和科技支撐，亟需通過建設(shè)現(xiàn)代化、高標(biāo)準節(jié)水灌溉示范區(qū)，開展農(nóng)業(yè)節(jié)水灌溉信息化相關(guān)技術(shù)研究，推動農(nóng)業(yè)節(jié)水灌溉技術(shù)的發(fā)展。本文以遼寧省水利灌溉中心試驗站作為節(jié)水灌溉示范區(qū)開展綜合信息化技術(shù)研究，并進行系統(tǒng)方案設(shè)計，為我省農(nóng)田水利建設(shè)和發(fā)展、節(jié)水灌溉普及與推廣、農(nóng)業(yè)用水總量控制和定額管理等提供全面技術(shù)支撐。

1 概述

遼寧省水利灌溉中心試驗站地處沈陽市沈北新區(qū)黃家鄉(xiāng)，距沈陽市50km，該區(qū)域地勢平坦、開闊，海拔高度48m左右，占地面積128畝。已建成水工模型試驗大廳（3700m2），設(shè)施農(nóng)業(yè)區(qū)（4136m2），45m2土壤理化分析實驗室，625m2氣象觀測場，24個水田測坑區(qū)及遮雨棚，18個60m2水田對比試驗小區(qū)和36個測筒區(qū)及遮雨棚等的基礎(chǔ)設(shè)施；正在進行旱田灌溉試驗場和風(fēng)力提水灌溉試驗區(qū)的建設(shè)。本文在《全國灌溉試驗站網(wǎng)建設(shè)規(guī)劃》要求的指導(dǎo)下，進行節(jié)水灌溉示范區(qū)綜合信息化技術(shù)研究，構(gòu)建綜合信息化系統(tǒng)，實現(xiàn)設(shè)施農(nóng)業(yè)區(qū)、旱田灌溉試驗區(qū)、水田灌溉試驗區(qū)、排水站等試驗信息的自動采集、控制和監(jiān)視，并在智能中心監(jiān)控室進行全面展示。

2 總體系統(tǒng)架構(gòu)技術(shù)研究與設(shè)計

遼寧省水利灌溉中心試驗站節(jié)水灌溉示范區(qū)綜合信息化系統(tǒng)，由試驗區(qū)信息監(jiān)測與控制、綜合安防與視頻監(jiān)控、網(wǎng)絡(luò)綜合通訊布設(shè)以及綜合管理與決策支持等部分組成。根據(jù)系統(tǒng)特點，按照信息采集層、傳輸層、網(wǎng)絡(luò)數(shù)據(jù)層和業(yè)務(wù)應(yīng)用層等進行整體結(jié)構(gòu)設(shè)計。系統(tǒng)結(jié)構(gòu)見圖1。

3 信息監(jiān)測與控制系統(tǒng)技術(shù)研究與設(shè)計

信息監(jiān)測與控制包括設(shè)施農(nóng)業(yè)試驗區(qū)、水田灌溉試驗區(qū)、旱田灌溉試驗區(qū)、排水站等子系統(tǒng)的監(jiān)測與控制，以及測坑區(qū)地下水位模擬、試驗站氣象觀測、蒸發(fā)站觀測等。

3.1設(shè)施農(nóng)業(yè)試驗區(qū)監(jiān)控系統(tǒng)

該子系統(tǒng)是信息監(jiān)測與控制的核心，也是“節(jié)水灌溉示范區(qū)”綜合信息化系統(tǒng)的中心建設(shè)內(nèi)容。主要是對18個（全部）溫室大棚內(nèi)的空氣溫度、濕度，土壤濕度、溫度，大棚內(nèi)二氧化碳含量、灌溉流量、電子閥開關(guān)狀態(tài)等參數(shù)進行實時監(jiān)測與控制，通過信息傳輸網(wǎng)絡(luò)傳輸至集中監(jiān)控中心，進行數(shù)據(jù)分析、處理和存儲；并結(jié)合監(jiān)測信息，給出大棚區(qū)灌溉方案，實現(xiàn)現(xiàn)地和遠程智能化灌溉控制；為設(shè)施農(nóng)業(yè)區(qū)的灌溉模式、水量平衡、作物產(chǎn)量等研究提供詳實的數(shù)據(jù)，滿足試驗需求。

圖1 系統(tǒng)總體網(wǎng)絡(luò)拓撲圖

系統(tǒng)主要由1個遠程監(jiān)控中心、1個現(xiàn)場信息顯示和控制分中心、以及信息采集和傳輸系統(tǒng)組成，其中在各大棚試驗任務(wù)和監(jiān)測指標(biāo)如表1，監(jiān)控系統(tǒng)結(jié)構(gòu)見圖2。

圖2 設(shè)施農(nóng)業(yè)區(qū)監(jiān)控系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖

3.2水田灌溉試驗區(qū)監(jiān)控系統(tǒng)

該系統(tǒng)通過對電磁閥、脈沖水表的控制，完成對比小區(qū)灌水量的精準量測，實現(xiàn)水田區(qū)智能化灌溉，為灌溉制度試驗研究提供信息化技術(shù)支持。

主要構(gòu)成包括信息采集、系統(tǒng)傳輸、遠程監(jiān)控中心、以及現(xiàn)場信息顯示和控制分中心。

3.3旱田灌溉試驗區(qū)監(jiān)控系統(tǒng)

本子系統(tǒng)主要對土壤含水量、溫度、鹽分等參數(shù)進行實時監(jiān)測，通過對測坑灌溉試驗用水量智能控制設(shè)施的供水管、電磁閥、繼電器、自動計量等設(shè)備的控制，完成測坑和試驗區(qū)的用水定額、灌水時間、土壤濕度等數(shù)據(jù)的自動監(jiān)測與控制管理。每次需要灌水時，自動開啟各試驗區(qū)供水，當(dāng)達到試驗區(qū)設(shè)計用水量時，系統(tǒng)供水自動關(guān)閉，并自動傳送用水?dāng)?shù)據(jù)信息，系統(tǒng)同時實現(xiàn)現(xiàn)場和遠程監(jiān)測與控制功能。

系統(tǒng)構(gòu)成∶1個遠程監(jiān)控中心、1個現(xiàn)場信息顯示和控制分中心以及信息采集和傳輸系統(tǒng)，本子系統(tǒng)功能結(jié)合地下水位模擬系統(tǒng)實現(xiàn)。

3.4排水站遠程自動監(jiān)控系統(tǒng)

通過對排水站水泵電機運行參數(shù)3相電壓、3相電流、功率因數(shù)、轉(zhuǎn)數(shù)，以及排水站動力電運行參數(shù)電壓、電流和累積電量等信息的監(jiān)測，設(shè)置現(xiàn)場控制器，完成排水站水泵機組的運行狀態(tài)現(xiàn)場顯示和控制。同時，實現(xiàn)水泵的遠程在線監(jiān)控和啟動、停止等控制功能。當(dāng)現(xiàn)場運行環(huán)境或電機運行參數(shù)發(fā)生異常時，在遠程監(jiān)控軟件平臺，給出聲光報警，并開啟水泵電機的停止運行預(yù)案；系統(tǒng)可進行排水站總電量的統(tǒng)計，用于灌溉經(jīng)濟效益分析。

表1 設(shè)施農(nóng)業(yè)區(qū)試驗任務(wù)與現(xiàn)場監(jiān)測項目列表

排水站自動控制系統(tǒng)原理見圖3。

3.5綜合安防與視頻監(jiān)控系統(tǒng)

圖3 排水站自動控制系統(tǒng)原理圖

通過本系統(tǒng)，管理人員可實時、直觀地了解和掌握設(shè)施農(nóng)業(yè)區(qū)、旱田測坑區(qū)、水田區(qū)、水田測坑區(qū)、排水站等試驗站內(nèi)的設(shè)備、設(shè)施運行與安全情況，并能夠通過高密度數(shù)字錄像系統(tǒng)實時記錄現(xiàn)場圖像信息以作資料。同時，根據(jù)監(jiān)控點反饋信息，預(yù)測某些情況，當(dāng)發(fā)生異常情況時，能夠迅速做出正確判斷，并做出處理方案。主要設(shè)備由由視頻監(jiān)控站（前端視頻監(jiān)視設(shè)備）、傳輸設(shè)備、監(jiān)控中心設(shè)備構(gòu)成；通訊介質(zhì)為光纜。系統(tǒng)結(jié)構(gòu)原理如圖4∶

圖4 現(xiàn)場控制室中心視頻監(jiān)視系統(tǒng)原理示意圖

4 綜合網(wǎng)絡(luò)與通訊技術(shù)研究與設(shè)計

綜合網(wǎng)絡(luò)與通訊是整個系統(tǒng)信息上傳下達的橋梁；其結(jié)構(gòu)包括傳感器與現(xiàn)場監(jiān)控之間、現(xiàn)場監(jiān)控顯示與遠程監(jiān)控中心、各子系統(tǒng)監(jiān)控中心與綜合決策平臺間的網(wǎng)絡(luò)與通訊。根據(jù)本項目系統(tǒng)特點，確定信息監(jiān)測與控制各子系統(tǒng)傳感器與現(xiàn)場控制中心間，采用屏蔽雙絞信息號線傳輸；信息監(jiān)測與控制各子系統(tǒng)、綜合安防與視頻監(jiān)控系統(tǒng)至監(jiān)控中心間信息傳輸采用自愈環(huán)網(wǎng)模式下的光纖介質(zhì)傳輸；監(jiān)控中心內(nèi)部各子系統(tǒng)監(jiān)控主機與綜合決策服務(wù)器、會商展示平臺等之間的傳輸采用內(nèi)部局域網(wǎng)傳輸方式進行，系統(tǒng)結(jié)構(gòu)見圖1。

5 綜合管理與決策支持信息化系統(tǒng)

綜合管理與決策支持信息化系統(tǒng)是灌溉中心試驗站實時監(jiān)控管理系統(tǒng)的核心，其目的是將自動采集到的各類監(jiān)測信息，根據(jù)試驗工作需要，建立相關(guān)數(shù)據(jù)庫，將經(jīng)典的水利專業(yè)技術(shù)與計算機技術(shù)結(jié)合起來，利用計算機專業(yè)的數(shù)據(jù)庫、科學(xué)計算、圖形顯示、網(wǎng)絡(luò)技術(shù)等手段，采用面向?qū)ο蟮脑O(shè)計原則，進行用水管理、查詢檢索、信息發(fā)布、水資源開發(fā)利用評估、經(jīng)濟分析等；為緩解水資源供需矛盾和實現(xiàn)糧食持續(xù)穩(wěn)產(chǎn)增產(chǎn)提供有力支撐。信息化平臺系統(tǒng)邏輯結(jié)構(gòu)見圖5。

6 結(jié)語

當(dāng)前，水資源短缺問題日趨凸現(xiàn)，而農(nóng)業(yè)灌溉所占水資源消耗比重一直較高。因此，加強農(nóng)業(yè)灌溉試驗，適應(yīng)新時期農(nóng)業(yè)用水需求已成當(dāng)前迫切需解決的問題。灌溉試驗是農(nóng)村水利工作的一項重要內(nèi)容，是保障水資源合理開發(fā)、高效利用、優(yōu)化配置及農(nóng)業(yè)用水科學(xué)管理的一項基礎(chǔ)性工作。本文在自愈環(huán)網(wǎng)模式下，開展了省級灌溉中心試驗站綜合信息化系統(tǒng)技術(shù)研究，并進行了方案設(shè)計，以期通過構(gòu)建現(xiàn)代化科學(xué)灌溉模式，推動高效節(jié)水灌溉工程運行的自動化、智能化水平，為我省農(nóng)業(yè)水利灌溉綜合信息化建設(shè)提供技術(shù)支撐。

圖5 信息化平臺系統(tǒng)邏輯結(jié)構(gòu)圖

［1］李曉花.農(nóng)業(yè)節(jié)水灌溉智能控制系統(tǒng)設(shè)計［J］.水利規(guī)劃與設(shè)計，2014（03）.

［2］水利部.全國灌溉試驗站網(wǎng)建設(shè)規(guī)劃［R］.水利部，2015.

［3］賈云茂.山西省灌溉試驗站發(fā)展對策探討［J］.山西水利，2012（05）.

［4］陳寧等.灌溉試驗站規(guī)劃的有關(guān)問題［J］.中國農(nóng)村水利水電，2003（11）.

［5］邊玉國等.量水自動監(jiān)控系統(tǒng)模型建立［J］.水利規(guī)劃與設(shè)計，2013（06）.

［6］湯建熙等.江蘇省灌溉試驗站網(wǎng)的發(fā)展與探索［J］.江蘇水利，2014（12）.

［7］李建勛等.面向水利業(yè)務(wù)構(gòu)建的應(yīng)用支撐信息服務(wù)中心［J］.長江科學(xué)院院報，2013（01）.

［8］段家貴.水利工程管理信息系統(tǒng)應(yīng)用研究［J］.水利規(guī)劃與設(shè)計，2014（07）.

S274

：B

：1672-2469（2016）05-0093-05

D0I∶10.3969/j.i s s n.1672-2469.2016.05.034

2016-02-17

馬傳波（1978年—），男，高級工程師。