張賓賓,李家春,蔡 秀,王永濤
(1.貴州大學(xué) 機(jī)械工程學(xué)院,貴陽 550025;2.貴州現(xiàn)代智匯信息技術(shù)有限公司,貴陽 550000)
控制系統(tǒng)是實(shí)現(xiàn)未來灌溉施肥智能控制的核心因素,它通過自主性采集灌溉施肥及其相關(guān)活動(dòng)全過程數(shù)據(jù),綜合實(shí)際情況與專家知識智能求解實(shí)現(xiàn)目標(biāo)控制的最優(yōu)決策,對水肥一體化全程數(shù)據(jù)進(jìn)行實(shí)時(shí)控制,使灌溉施肥處于目標(biāo)動(dòng)態(tài)平衡狀態(tài)。伴隨著大數(shù)據(jù)等一系列新技術(shù)在水利信息化領(lǐng)域的應(yīng)用,灌溉施肥相關(guān)的系統(tǒng)產(chǎn)生了海量數(shù)據(jù),這些數(shù)據(jù)雖然在各自系統(tǒng)內(nèi)部決策、管理及服務(wù)方面發(fā)揮了巨大的作用[1],但相對零散的數(shù)據(jù)已不能滿足當(dāng)今大數(shù)據(jù)背景下數(shù)據(jù)深層次挖掘的要求,從本質(zhì)上還未形成可進(jìn)一步利用的數(shù)據(jù)資源[2-3]。雖然目前的灌溉施肥控制系統(tǒng)能夠完成簡單多任務(wù)自動(dòng)計(jì)算、現(xiàn)場控制、在線故障診斷等任務(wù),但是系統(tǒng)粒度精細(xì)、多中心建設(shè),形成了以地域、專業(yè)、部門、系統(tǒng)等為邊界的資源隔離的局面,無法面向全局統(tǒng)籌兼顧向用戶提供精準(zhǔn)服務(wù)[4]。此外,目前這種中心式封閉體系,因其自身固有的計(jì)算能力僵化,現(xiàn)場控制信息的實(shí)時(shí)性、精確性要依靠犧牲硬件資源來達(dá)到保障。在這種大數(shù)據(jù)環(huán)境下,控制系統(tǒng)對灌溉施肥活動(dòng)中實(shí)時(shí)的信息采集、目標(biāo)評估、最優(yōu)決策和安全穩(wěn)定控制主要取決于控制系統(tǒng)是否具備充足的計(jì)算力及以數(shù)據(jù)為著眼點(diǎn)的控制體系。本研究以水肥一體化中的控制系統(tǒng)為出發(fā)點(diǎn),引入云計(jì)算思想,設(shè)計(jì)了智能化水肥一體化云控制體系。
在國外,自動(dòng)化控制發(fā)展較早,廣泛應(yīng)于農(nóng)業(yè)灌溉施肥控制等行業(yè),催生出許多關(guān)于灌溉施肥領(lǐng)域的研究。Marsal 等以植物生長需水研究為著眼點(diǎn)進(jìn)行灌溉的研究,但測算數(shù)據(jù)工作量大且過程復(fù)雜[5]。Riquelme 等將無線傳感器網(wǎng)絡(luò)技術(shù)引入到節(jié)水灌溉中,以水分為核心,設(shè)計(jì)出控制系統(tǒng),實(shí)現(xiàn)了數(shù)據(jù)的實(shí)時(shí)監(jiān)測,并依據(jù)節(jié)點(diǎn)處數(shù)據(jù)進(jìn)行計(jì)算決策[6]。M. Bahat 等將模糊控制理論引入到灌溉控制系統(tǒng)中,提高了控制精度[7]。
我國水肥一體化智能化控制起步較晚,主要集中于灌溉施肥單項(xiàng)技術(shù)的推廣和應(yīng)用,目前水肥一體化系統(tǒng)基本處于底層控制的自動(dòng)化技術(shù)應(yīng)用,站點(diǎn)有序運(yùn)作依然依賴控制中心[8]。
根據(jù)國內(nèi)外針對水肥一體化領(lǐng)域的研究發(fā)現(xiàn),當(dāng)前水肥一體化控制系統(tǒng)以應(yīng)用為主要思想,根本任務(wù)是旨在實(shí)現(xiàn)一種特定的功能目標(biāo)[9]。目前,大多控制系統(tǒng)從設(shè)計(jì)之初就沒有考慮不同灌溉、施肥活動(dòng)數(shù)據(jù)、系統(tǒng)之間的聯(lián)系,導(dǎo)致自動(dòng)控制系統(tǒng)等相關(guān)設(shè)施的冗余度大、數(shù)據(jù)資源形成難度大,開發(fā)的系統(tǒng)也相互孤立,產(chǎn)生僵化的灌溉、施肥控制系統(tǒng)架構(gòu)。
智能水肥一體化系統(tǒng)需要一個(gè)穩(wěn)定、安全、高效的控制系統(tǒng)架構(gòu),應(yīng)具有以下基本特征:全面、準(zhǔn)確獲取現(xiàn)場信息的能力,穩(wěn)定可靠的數(shù)據(jù)傳輸能力,充足的計(jì)算力,敏捷、可靠的執(zhí)行能力,全面的專家知識[10],簡潔高效的管理能力,友好的人機(jī)交互能力。因此,利用云計(jì)算思想來設(shè)計(jì)智能水肥一體化控制體系架構(gòu),將有效改善目前灌溉、施肥系統(tǒng)的不足之處。
1)層級化設(shè)計(jì)[11]。根據(jù)功能進(jìn)行系統(tǒng)分層設(shè)計(jì),并根據(jù)邏輯關(guān)系進(jìn)行層層嵌套,最終實(shí)現(xiàn)整體框架。
2)對象化設(shè)計(jì)。將現(xiàn)場硬件系統(tǒng)抽象為對象模型,建立虛擬化設(shè)備庫。當(dāng)云端收到任務(wù)請求即自動(dòng)識別對象,建立臨時(shí)控制系統(tǒng),采用云計(jì)算決策所得的數(shù)據(jù)驅(qū)動(dòng)現(xiàn)場執(zhí)行機(jī)構(gòu)完成任務(wù),一旦任務(wù)完成即解散臨時(shí)控制系統(tǒng),釋放資源。
3)并行化設(shè)計(jì)。為了達(dá)到準(zhǔn)確的控制,由于對象的耦合性,同一任務(wù)所需的數(shù)據(jù)往往需要多個(gè)對象的參與,主對象所需的數(shù)據(jù)在輔助對象中要同時(shí)進(jìn)行計(jì)算,用計(jì)算能力保證控制的實(shí)時(shí)性。
4)數(shù)據(jù)服務(wù)化設(shè)計(jì)。改變傳統(tǒng)以功能為服務(wù)的模式,將數(shù)據(jù)作為服務(wù)。對象的相關(guān)信息會(huì)集中到數(shù)據(jù)庫中,如水位、流量、溫度、土壤濕度與酸堿度、植物生長知識等。隨著現(xiàn)場環(huán)境與植物生長周期發(fā)生變化,系統(tǒng)自動(dòng)感知的變化數(shù)據(jù)將自動(dòng)提供給控制系統(tǒng);控制系統(tǒng)結(jié)合專家知識等做出最優(yōu)決策,達(dá)到被控目標(biāo)的動(dòng)態(tài)平衡。
本文提出的云控制體系架構(gòu)如圖1所示。
1)系統(tǒng)根據(jù)云思想分成遠(yuǎn)端云和本地。本地硬件設(shè)施的變化只需在云端增加或者修改對象實(shí)例即可,對控制系統(tǒng)沒有影響,實(shí)現(xiàn)從實(shí)體層面完全抽象出來布置在云端控制中心。
2)對象層。將水庫、泵站、灌區(qū)等統(tǒng)一作為對象來進(jìn)行管理。針對具體對象建立對應(yīng)的模型,包括對象內(nèi)部通信層,采用工業(yè)總線進(jìn)行數(shù)據(jù)傳輸負(fù)責(zé)內(nèi)部數(shù)據(jù)的簡單傳輸與應(yīng)用;源數(shù)據(jù)層負(fù)責(zé)現(xiàn)場信息的采集;I/O接口負(fù)責(zé)將對象內(nèi)部信息輸出及接收所需數(shù)據(jù)的傳輸通道。
3)數(shù)據(jù)傳輸層主要包括本地端的局域網(wǎng)、路由設(shè)備及廣域網(wǎng),實(shí)現(xiàn)對象內(nèi)部信息發(fā)送到云端及從云端接收反饋回的控制數(shù)據(jù)的功能。本系統(tǒng)采用多通道平行數(shù)據(jù)傳輸方式,從源頭規(guī)避了錯(cuò)誤數(shù)據(jù),保障了數(shù)據(jù)資源的準(zhǔn)確性與安全性,使得系統(tǒng)能夠準(zhǔn)確完成控制目標(biāo)。
4)數(shù)據(jù)資源層包括基礎(chǔ)數(shù)據(jù)、專家知識、管理數(shù)據(jù)及實(shí)時(shí)數(shù)據(jù),基礎(chǔ)數(shù)據(jù)庫包括用戶個(gè)人信息等。專家知識包括灌溉施肥相關(guān)的專業(yè)知識,如泵站水位預(yù)警信息、具體農(nóng)作物不同時(shí)期生長所需的土壤環(huán)境等數(shù)據(jù)。管理數(shù)據(jù)庫負(fù)責(zé)管理各種數(shù)據(jù)庫之間的聯(lián)系及歷史數(shù)據(jù);實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)庫負(fù)責(zé)存儲(chǔ)各對象產(chǎn)生的實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)。
5)基于云計(jì)算的控制層包括標(biāo)準(zhǔn)化控制系統(tǒng)與定制化控制系統(tǒng)。實(shí)例對象從數(shù)據(jù)池中存放或獲取重要參數(shù),按照控制目標(biāo)進(jìn)行計(jì)算,結(jié)果向下傳遞控制現(xiàn)場設(shè)備的同時(shí)再返回更新池中數(shù)據(jù)。服務(wù)軟件負(fù)責(zé)處理對模型庫進(jìn)行管理調(diào)用、與數(shù)據(jù)池進(jìn)行數(shù)據(jù)交互和對目標(biāo)做出最終決策等任務(wù)。虛擬化設(shè)備是根據(jù)現(xiàn)場設(shè)備的屬性與方法進(jìn)行抽象提煉所得,是控制系統(tǒng)最小控制單元。虛擬化對象是將現(xiàn)場設(shè)備的集合按照各自數(shù)據(jù)屬性與方法的邏輯關(guān)系根據(jù)一定規(guī)則搭建而成。標(biāo)準(zhǔn)化控制系統(tǒng)即按照國家水文標(biāo)準(zhǔn)建立的對象實(shí)例的控制系統(tǒng)。定制化控制系統(tǒng)即根據(jù)實(shí)際對象模型設(shè)計(jì)的控制系統(tǒng)。用戶終端虛擬化是對用戶終端的虛擬化建模,與實(shí)際用戶一一對應(yīng),保障了對象實(shí)例的安全性與水肥一體化云控制系統(tǒng)的簡潔易用性。
1)對象現(xiàn)場信息采集與傳輸方案設(shè)計(jì)。根據(jù)對象的屬性,設(shè)計(jì)合理的傳感器網(wǎng)絡(luò)。例如,水庫必須使用水位傳感器,灌區(qū)則必須使用溫濕度傳感器。數(shù)據(jù)傳輸采用工業(yè)總線與局域網(wǎng)相結(jié)合,既具有抗干擾、時(shí)效高的特點(diǎn),又彌補(bǔ)了工業(yè)總線遠(yuǎn)距離傳輸速率降低的不足。
2)對象現(xiàn)場執(zhí)行機(jī)構(gòu)方案設(shè)計(jì)。根據(jù)對象的方法,設(shè)計(jì)合理的執(zhí)行機(jī)構(gòu)。例如,泵站根據(jù)水位等信息來控制電機(jī),灌區(qū)根據(jù)土壤濕度與農(nóng)作物生長專業(yè)知識等對閥門與施肥機(jī)的控制,對象執(zhí)行機(jī)構(gòu)的控制參數(shù)來源于云端的綜合計(jì)算決策結(jié)果。
3)智能水肥一體化云控制系統(tǒng)方案設(shè)計(jì)。根據(jù)對象實(shí)體組成,抽象出對象屬性與方法,構(gòu)建對象模型庫,并建立控制單元庫。當(dāng)接收到對象請求時(shí),可以根據(jù)對象屬性快速選擇合理的控制系統(tǒng)。
4)智能水肥一體化云控制中心方案設(shè)計(jì)??刂浦行牡暮诵墓δ苁怯?jì)算。由于采用云計(jì)算技術(shù),系統(tǒng)可根據(jù)任務(wù)復(fù)雜程度來分配計(jì)算資源。相關(guān)服務(wù)軟件的開發(fā)和處理對模型庫進(jìn)行管理調(diào)用、與數(shù)據(jù)池進(jìn)行數(shù)據(jù)交互和對目標(biāo)做出最終決策等任務(wù)。UI界面設(shè)計(jì)后,完成人機(jī)交互。
施肥、灌溉作為農(nóng)業(yè)活動(dòng)的的重要部分,灌區(qū)的建模與灌溉云系統(tǒng)的搭建是關(guān)鍵。灌區(qū)對象內(nèi)部采用工業(yè)總線進(jìn)行通訊,對象實(shí)例與云系統(tǒng)通過以太網(wǎng)進(jìn)行通訊,此部分以貴州思南灌區(qū)為例對基于云計(jì)算的智能施肥灌溉控制系統(tǒng)進(jìn)行驗(yàn)證。
class pump
{public:
pump (string na,string mod,
string sta):name (na),model (mod),state (sta)
{}
virtual void manipulation {}
protected:
string name,model,state;
};
圖2為泵模型組件。泵核心功能用于控制現(xiàn)場硬件系統(tǒng)的運(yùn)行,并記錄反饋相關(guān)運(yùn)行狀態(tài)。
圖2 泵模型Fig.2 Pump Model
class valve
{public:
valve (string na,string mod,string sta,bool m,bool
a):name (na),model (mod),state (sta),manual
(m),auto (a) {}
void transmit (float Inflow, floa Acflow, floa p) {}
virtual void manipulation {}
protected:
string name,model,state;
bool manual,auto;
float Inflow,Acflow,p;
};
圖3為閥模型組件。閥主要用于某一路通斷的控制,原理是根據(jù)系統(tǒng)計(jì)算返回的數(shù)據(jù)進(jìn)行相關(guān)動(dòng)作,并實(shí)時(shí)記錄時(shí)間、壓力、流量等相關(guān)數(shù)據(jù)供計(jì)算使用。
圖3 閥模型Fig.3 Valve Model
class weather
{public:
weather (float ws,string wd,float t,float hum,float
rf):windspeed (ws),winddirectionl (wd),
temperature (t) humidity (hum) rainfall (rf) {}
virtual void manipulation(){}
protected:
string winddirection;
float windspeed,temperature,humidity, rainfall;
}
圖4為氣象臺模型組件。氣象臺主要記錄并反饋大氣溫、濕度、雨量等相關(guān)信息,為精準(zhǔn)施肥灌溉提供重要參數(shù)。
圖4 氣象臺模型Fig.4 Meteorological Observatory Model
試驗(yàn)于2018年10月11日在貴州省思南縣山區(qū)現(xiàn)代水利實(shí)驗(yàn)基地進(jìn)行。針對系統(tǒng)運(yùn)行的穩(wěn)定性與農(nóng)作物需水量及土壤pH值的動(dòng)態(tài)調(diào)節(jié)進(jìn)行了田間試驗(yàn),如圖5所示。
圖5 田間試驗(yàn)Fig.5 Field trials
試驗(yàn)分為兩個(gè)階段:第1階段流體采用液態(tài)肥,第2階段使用山間泉水代替液態(tài)肥。土壤pH傳感器型號采用ST-TPH,土壤濕度傳感器型號采用HSTL-102STRWS。圖6為貴州省思南縣塘頭鎮(zhèn)山區(qū)現(xiàn)代水利實(shí)驗(yàn)基地云端工作界面,其中施肥時(shí)間步長設(shè)定為1min。
圖6 水肥一體化控制系統(tǒng)工作界面Fig.6 Working interface of water fertilizer integrated control system
試驗(yàn)第1階段使用液態(tài)肥(見表1),開啟總電源和水泵按鈕,啟動(dòng)施肥系統(tǒng),傳感器測得田間濕度、酸堿度記錄并傳回?cái)?shù)據(jù),系統(tǒng)對被控參數(shù)進(jìn)行動(dòng)態(tài)調(diào)節(jié)。
表1 測點(diǎn)pH及濕度值Table 1 PH and humidity values of sites %
第2階段測試系統(tǒng)的穩(wěn)定性與準(zhǔn)確性。由于液態(tài)肥需求量大,且控制參數(shù)可以簡化為濕度這一獨(dú)立參數(shù),因此用山泉水完全可以替代液態(tài)肥。圖7為灌區(qū)24h保持土壤濕度恒定所得到的各支路流量情況。由各支路流量曲線可知:為保證土壤濕度恒定,各支路流量基本處于相同的動(dòng)態(tài)調(diào)節(jié)趨勢,與現(xiàn)實(shí)情況吻合。表1為各測點(diǎn)測得實(shí)際站點(diǎn)土壤濕度。其中,19~23為參照組,便于異常數(shù)據(jù)的及時(shí)發(fā)現(xiàn)與處理。測點(diǎn)pH及濕度值與設(shè)定值對比統(tǒng)計(jì)表如表2所示。
表2 測點(diǎn)pH值及濕度值與設(shè)定值對比統(tǒng)計(jì)表Table 2 Comparison of PH and humidity values with setpoints
圖7 流量曲線Fig.7 Flow curve
根據(jù)獼猴桃生長的最適土壤條件,試驗(yàn)將pH值設(shè)定在6.0,土壤含水量設(shè)定在55%。由表1計(jì)算可得各測點(diǎn)處pH及濕度平均值。由表2可知:系統(tǒng)針對pH調(diào)節(jié)誤差為1.7%,濕度調(diào)節(jié)誤差為3.3%,符合本次試驗(yàn)對象獼猴桃生長的最佳土壤條件范圍。
1)將云計(jì)算引入到水肥一體化控制系統(tǒng)中,拓展了云計(jì)算應(yīng)用領(lǐng)域。國內(nèi)外研究主要集中于具體施肥、灌溉控制系統(tǒng)研究,鮮有對與水肥一體化相關(guān)農(nóng)業(yè)活動(dòng)綜合分析的控制系統(tǒng)的研究。
2)系統(tǒng)通過對田間傳感器反饋回的數(shù)據(jù)進(jìn)行動(dòng)態(tài)調(diào)節(jié),可以穩(wěn)定地將農(nóng)作物生長的土壤狀況控制在適合生長的范圍內(nèi)。
3)將數(shù)據(jù)作為服務(wù)應(yīng)用于智能水肥一體化控制系統(tǒng)中,降低了水肥一體化控制系統(tǒng)的推廣難度。
4)在統(tǒng)籌農(nóng)業(yè)施肥灌溉等活動(dòng)基礎(chǔ)上搭建了智能水肥一體化控制系統(tǒng),云計(jì)算技術(shù)為其建立了理論基礎(chǔ),研究具有前瞻性。