灌區(qū)一體化斗口閘門智能測控系統(tǒng)

張 欣， 劉敏昊， 翟林鵬， 李 勝

(1.南京津碼智能科技有限公司， 江蘇 南京 210046； 2.江蘇省水利廳， 江蘇 南京 210029)

我國灌區(qū)大多興建于20世紀(jì)50—70年代，老化失修嚴(yán)重，處于超期服役或帶病運行狀態(tài)，致使灌區(qū)水資源浪費嚴(yán)重，灌溉水利用率低，灌溉效益大幅度衰減。國際上唯一一家完全專注于改善大規(guī)模自流灌溉系統(tǒng)的公司是澳大利亞的潞碧墾公司，該公司生產(chǎn)的一體化測控槽閘占有全世界絕大部分的市場份額。由于所有設(shè)備和材料都需要進(jìn)口，因此單套設(shè)備的成本已經(jīng)達(dá)到人民幣8萬元，對于我國目前的灌區(qū)管理[1]來說會帶來非常大的成本。因此，研發(fā)并推廣灌區(qū)斗口設(shè)備自動化及其軟件平臺，構(gòu)建一體化斗口閘門測控系統(tǒng)[2-5]，對于實現(xiàn)農(nóng)業(yè)用水的智慧管控具有重大戰(zhàn)略意義和實際應(yīng)用價值。

江蘇省里下河地區(qū)是我國典型河網(wǎng)密布區(qū)域，分布著各類大中小型灌區(qū)。灌區(qū)的渠道分為干、支、斗、壟、毛等5個級別，目前即使大中型灌區(qū)也只在干支一級進(jìn)行了流量監(jiān)測，無法進(jìn)行農(nóng)業(yè)灌溉用水精準(zhǔn)計量，每個大中型灌區(qū)平均260個左右的斗口，因此斗口監(jiān)控設(shè)備的研發(fā)生產(chǎn)是國家實現(xiàn)水利信息化和農(nóng)業(yè)用水精準(zhǔn)計量與控制的關(guān)鍵。在廣泛消化吸收國內(nèi)外先進(jìn)技術(shù)的基礎(chǔ)上，研發(fā)了一體化斗口閘門智能測控系統(tǒng)，將與閘門相關(guān)的所有設(shè)備都集成在一起，遠(yuǎn)程控制閘門開關(guān)以及開度大小和傾角，支持流量自動監(jiān)測，數(shù)據(jù)回傳和云端灌區(qū)用水決策分析。作為智慧灌區(qū)末端控制設(shè)備，能真正做到農(nóng)業(yè)用水智慧管控[6]，極大提升灌區(qū)取用水管理信息化、智能化水平。

1 總體設(shè)計

現(xiàn)代農(nóng)水智慧管控系統(tǒng)包括一體化閘門測控裝置和智慧灌區(qū)管理軟件兩大部分。其中流量分析計算的嵌入式軟件集成在一體化閘門測控裝置中；各種傳感器數(shù)據(jù)的高級應(yīng)用計算、閘門控制[6-7]及其相關(guān)數(shù)據(jù)的分析處理放在上位機(jī)(控制中心的服務(wù)器)上運行，與手機(jī)APP同屬于智慧灌區(qū)管理軟件。整個系統(tǒng)的組成部分和數(shù)據(jù)關(guān)系如圖1所示。

圖1 系統(tǒng)的組成部分和數(shù)據(jù)關(guān)系

一體化閘門測控裝置的閘門分為平板閘門和槽型閘門2種，采用統(tǒng)一的接口、數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)、通信協(xié)議、控制方式，控制模塊能夠兼容。平板閘門具有水頭損失小，可替換現(xiàn)有閘門的優(yōu)勢，適合南方平坦地區(qū)。槽型閘門在各流量情況下有固定流量寬度，流速均勻，流量測量較準(zhǔn)確，但實際應(yīng)用需要一定高差，水頭損失大，適合北方地區(qū)。智慧灌區(qū)管理軟件包括PC端和手機(jī)APP端兩個版本，分別側(cè)重不同的功能模塊。主要功能模塊如圖2所示。

圖2 軟件系統(tǒng)的主要功能模塊

2 帶自清潔功能的斗口閘門設(shè)計

為了適應(yīng)南北方不同含沙量水質(zhì)特點，我們的斗口閘門測控系統(tǒng)，包括2層外框架：第一層外框架為支撐和固定框架，可根據(jù)地形結(jié)構(gòu)采用相適應(yīng)的船舶級鋁，聚苯乙烯泡沫塑料夾層，橡膠輔助樹脂傳遞模塑工藝，三元乙丙橡膠止水材料等，組成測流槽底座、側(cè)墻、槽型閘門極其第一電機(jī)等設(shè)施；第二層外框架主要安裝流水口、平板閘門和第二電機(jī)等設(shè)施。在兩層框架之間設(shè)置電機(jī)控制模塊、測量模塊、通信模塊、電源模塊等。

獨特的泥沙和小型水生植物淤積等沖洗裝置[8]，安裝在第二層外框架的內(nèi)測，防止水流緩慢時測流槽內(nèi)的雜物淤積造成水位誤差大、測流精度下降等問題。該功能通過自制一種輕量級水下超聲波振動單元實現(xiàn)，由超聲波換能器、升壓模塊、控制模塊、電源接口、信號接口、金屬底板和密封盒組成。該電路可將低壓直流經(jīng)漏電保護(hù)芯片檢測后，被MOSFET晶體管開合轉(zhuǎn)換成高頻低壓交流電，再經(jīng)過變壓器升壓至超聲波工作電壓，阻抗調(diào)整后為超聲波換能器供電，然后通過換能器高頻振動產(chǎn)生超聲波，最后超聲波經(jīng)金屬底板傳導(dǎo)輻射至底板雜質(zhì)。振動單元工作時長和工作間隔受延時芯片控制，可通過控制接口的信號配置，配合泥位計、水位計、沖刷管路等裝置和軟件，構(gòu)成小型灌渠測流設(shè)備的自動泥沙雜質(zhì)清除系統(tǒng)，見圖3。

圖3 自動泥沙雜質(zhì)清除系統(tǒng)結(jié)構(gòu)

該裝置振動附著在底板上的泥沙等雜質(zhì)不易沉積、板結(jié)、固結(jié)，容易被渠道水流和沖刷管路沖洗清除，其獨立低壓供電超聲波振動單元，可自由分布布置并配置同時工作或交替工作，兼容各種頻率超聲波換能器，單一模塊故障不影響整體系統(tǒng)工作，配備漏電保護(hù)功能，確保系統(tǒng)的安全可靠性。整體安裝示意圖，見圖4。

圖4 帶自清潔功能的斗口閘控系統(tǒng)安裝示意圖

3 數(shù)據(jù)采集與處理方法

本系統(tǒng)的數(shù)據(jù)采集與處理以智能采集終端為中心，支持?jǐn)z像頭數(shù)據(jù)回傳，支持有線通信和無線通信。圖2所示的軟件系統(tǒng)主要功能模塊主要部署在數(shù)據(jù)中心云平臺，與之配套的前端數(shù)據(jù)采集和處理，采用物聯(lián)網(wǎng)和邊緣計算技術(shù)，在自主研發(fā)的智能RTU和現(xiàn)場處理機(jī)上增加一定的數(shù)據(jù)判定和控制命令解析執(zhí)行功能，增強(qiáng)現(xiàn)場運行控制的敏捷性。

其中前端的數(shù)據(jù)采集子系統(tǒng)部署在渠首和斗口站房內(nèi)，由閘門模塊、氣象模塊、攝像頭模塊、墑情模塊和控制模塊組成，各模塊可根據(jù)實際需求與灌區(qū)內(nèi)部署氣象傳感器、墑情傳感器、雨量傳感器等配合工作。斗口設(shè)備自帶SRTU，提供接口可外接傳感器，將所采集上述傳感器信息通過無線信道上傳到灌區(qū)管理委員會或數(shù)據(jù)中心(數(shù)據(jù)中心可設(shè)在各省水利廳，也可就設(shè)在灌區(qū)管理委員會)。

數(shù)據(jù)中心云平臺完成視頻、流量信息的監(jiān)控，灌溉調(diào)度計劃監(jiān)督，用水控制等；其數(shù)據(jù)匯集處理層包括實時數(shù)據(jù)接收、報文解析、質(zhì)量控制、存儲與轉(zhuǎn)換處理等功能；數(shù)據(jù)庫層將預(yù)處理后的數(shù)據(jù)分類保存到相關(guān)數(shù)據(jù)庫中，為上層應(yīng)用提供數(shù)據(jù)服務(wù)；應(yīng)用層主要包括數(shù)據(jù)展示、智能管理、灌溉調(diào)度計劃制定、APP服務(wù)等功能，可利用大數(shù)據(jù)分析和人工智能等輔助決策技術(shù)，綜合利用氣象、水文、農(nóng)作物生長等模型，對灌區(qū)各環(huán)境因素和農(nóng)作物產(chǎn)量做出中長期預(yù)報，為灌溉方案的制定提供可靠數(shù)據(jù)支撐，更好地控制水資源、作物和生態(tài)環(huán)境之間的平衡。

4 結(jié) 語

本文提出的灌區(qū)一體化斗口閘門智能測控系統(tǒng)解決方案，將前端斗口閘門測控從傳統(tǒng)的水位、流量數(shù)據(jù)擴(kuò)展到氣象、土壤信息的時空同步上報，同時增加了測流槽的自清潔功能，大大降低了設(shè)備使用維護(hù)成本。利用智能RTU將灌水量、降水和土壤墑情信息同時上傳到智慧灌區(qū)管理平臺，支持灌區(qū)實時數(shù)據(jù)的查詢、歷史數(shù)據(jù)的統(tǒng)計分析、灌溉調(diào)度計劃的智能生成、用水量統(tǒng)計分析、告警等多種應(yīng)用，并能遠(yuǎn)程接收智慧灌區(qū)管理平臺給出的控制指令，自動控制斗口流量，為提升灌區(qū)業(yè)務(wù)高水平集成應(yīng)用創(chuàng)造了條件。