水聯(lián)網(wǎng)全渠道控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)及應(yīng)用

朱現(xiàn)坡，劉晉龍，2，王 瑤，李曉鵬，馬曉兵，馬澤全

（1．清華大學(xué)水利水電工程系，北京 100084；2．北京市市政工程設(shè)計(jì)研究總院有限公司，北京 100082；3．寧夏回族自治區(qū)秦漢渠管理處，寧夏 吳忠 750499）

0 引言

2021年11月國(guó)家發(fā)展和改革委員會(huì)、水利部、工業(yè)和信息化部等多部門(mén)聯(lián)合印發(fā)《“十四五”節(jié)水型社會(huì)建設(shè)規(guī)劃》，要求“持續(xù)實(shí)施國(guó)家節(jié)水行動(dòng)，加快推進(jìn)節(jié)水型社會(huì)建設(shè)”[1]，強(qiáng)調(diào)大型灌區(qū)的現(xiàn)代化改造，強(qiáng)化農(nóng)業(yè)用水的精細(xì)化管理，要求全面提升水資源利用效率和效益。同時(shí)期，寧夏回族自治區(qū)政府也提出，謀劃實(shí)施水資源集約利用，加快打造黃河流域高質(zhì)量發(fā)展先行區(qū)，推動(dòng)水聯(lián)網(wǎng)建設(shè)等地方要求[2]。水聯(lián)網(wǎng)數(shù)字治水及其包括的全渠道控制技術(shù)的研究、系統(tǒng)的設(shè)計(jì)與應(yīng)用，既是順應(yīng)國(guó)家和地方政府的大政方針，也是水利行業(yè)高質(zhì)量發(fā)展的重要一環(huán)。

水聯(lián)網(wǎng)概念是由清華大學(xué)王光謙院士在物聯(lián)網(wǎng)概念基礎(chǔ)上提出的[3]。水聯(lián)網(wǎng)以信息技術(shù)、互聯(lián)網(wǎng)、物聯(lián)網(wǎng)與水利領(lǐng)域的深度融合理論為基礎(chǔ)，集物理、信息和市場(chǎng)等水網(wǎng)為一體，以“實(shí)時(shí)感知、水信互聯(lián)、過(guò)程跟蹤、智能處理”為技術(shù)核心特征[4]，以水資源的準(zhǔn)確預(yù)報(bào)、精準(zhǔn)配送、高效管理為目標(biāo)。近年來(lái)灌區(qū)管理信息化和全渠道控制領(lǐng)域也有較多的探索和應(yīng)用[5–12]，但在智能化和調(diào)控效果方面還沒(méi)有見(jiàn)到很好的案例。為此，基于水聯(lián)網(wǎng)理論和技術(shù)體系[13–16]，根據(jù)灌溉管理中調(diào)度控制與監(jiān)控分析2條業(yè)務(wù)主線的特征、功能需求及技術(shù)特征，設(shè)計(jì)水聯(lián)網(wǎng)全渠道控制的業(yè)務(wù)流程、功能模塊，研發(fā)出水聯(lián)網(wǎng)全渠道控制系統(tǒng)，并結(jié)合秦漢渠農(nóng)場(chǎng)渠的渠道狀況和設(shè)備特征進(jìn)行本地生產(chǎn)化改造。

1 灌區(qū)概況介紹

秦漢渠管理處是寧夏青銅峽河?xùn)|自流灌區(qū)的業(yè)務(wù)主管部門(mén)，秦漢渠下轄 9個(gè)管理所，農(nóng)場(chǎng)渠管理所是其中 1個(gè)。青銅峽河?xùn)|自流灌區(qū)有河?xùn)|總干渠1條，從北至南分出秦渠、馬連渠、漢渠、東干渠4條干渠，以及由秦渠支出的農(nóng)場(chǎng)渠和由馬連渠支出的波浪渠 2條支干渠。

農(nóng)場(chǎng)渠全長(zhǎng)為 31.6 km，渠首引水流量為 25 m3/s，實(shí)灌面積約為 14 700 hm2，由農(nóng)場(chǎng)渠管理所管理。農(nóng)場(chǎng)渠沿干渠有渠首閘 1座、節(jié)制閘 4座、退水閘1座、干渠直開(kāi)口 48座，大部分直開(kāi)口安裝有測(cè)控一體化閘門(mén)。4座節(jié)制閘將干渠劃分為 4個(gè)渠池，其中，第一、二渠池共 21個(gè)需水口，且都安裝有測(cè)控一體化閘門(mén)?？傮w上，農(nóng)場(chǎng)渠具備較好的全渠道控制硬件設(shè)備基礎(chǔ)。

農(nóng)場(chǎng)渠缺乏自動(dòng)化設(shè)備維護(hù)、信息化管理人才和系統(tǒng)，過(guò)去直開(kāi)口向田間的灌溉控制主要通過(guò)人工單閘控制，對(duì)個(gè)人經(jīng)驗(yàn)依賴較大，精準(zhǔn)度較低。水聯(lián)網(wǎng)全渠道控制系統(tǒng)的設(shè)計(jì)和本地化應(yīng)用，可充分發(fā)揮測(cè)控一體化設(shè)備的性能，減少人員編制，提高灌區(qū)管理信息化水平。

2 系統(tǒng)分析與設(shè)計(jì)

水聯(lián)網(wǎng)全渠道控制系統(tǒng)是基于秦漢渠農(nóng)場(chǎng)渠的渠道特征設(shè)計(jì)的生產(chǎn)化應(yīng)用系統(tǒng)，依據(jù)實(shí)際需水目標(biāo)，通過(guò)全渠道控制算法進(jìn)行渠道閘門(mén)聯(lián)調(diào)聯(lián)控，是水聯(lián)網(wǎng)數(shù)字治水云平臺(tái)的核心系統(tǒng)，以水聯(lián)網(wǎng)的“實(shí)時(shí)感知、水信互聯(lián)、過(guò)程跟蹤、智能處理”的技術(shù)特征為核心，主要實(shí)現(xiàn)渠道閘門(mén)基礎(chǔ)信息管理、需水計(jì)劃制定及執(zhí)行管理、全渠道閘門(mén)智能控制、閘控記錄及效果分析、閘門(mén)狀態(tài)數(shù)據(jù)監(jiān)控及分析等功能。

2.1 主要業(yè)務(wù)分析

水聯(lián)網(wǎng)全渠道控制系統(tǒng)包括調(diào)度控制、監(jiān)控分析 2條業(yè)務(wù)主線，2條業(yè)務(wù)主線并行在系統(tǒng)中分別承擔(dān)不同的業(yè)務(wù)職能。2條業(yè)務(wù)主線與全渠道控制系統(tǒng)功能模塊的業(yè)務(wù)流程關(guān)系如圖1所示。

圖1 全渠道控制系統(tǒng)業(yè)務(wù)流程架構(gòu)

1）調(diào)度控制業(yè)務(wù)主線。調(diào)度控制業(yè)務(wù)主線是指動(dòng)態(tài)制定需水計(jì)劃，利用智能算法調(diào)度控制渠道閘門(mén)，以達(dá)到需水目標(biāo)相關(guān)的業(yè)務(wù)。調(diào)度控制業(yè)務(wù)主線主要實(shí)現(xiàn)需水計(jì)劃制定、全渠道智能控制、開(kāi)啟關(guān)閉全渠道控制、需水目標(biāo)達(dá)成分析等功能。

2）監(jiān)控分析業(yè)務(wù)主線。監(jiān)控分析業(yè)務(wù)主線是指通過(guò)實(shí)時(shí)或歷史數(shù)據(jù)，查看渠道及閘門(mén)運(yùn)行狀況，監(jiān)控渠道運(yùn)行風(fēng)險(xiǎn)，以及對(duì)比分析閘門(mén)狀態(tài)變化趨勢(shì)等相關(guān)的業(yè)務(wù)。監(jiān)控分析業(yè)務(wù)主線主要實(shí)現(xiàn)渠道運(yùn)行狀態(tài)、閘門(mén)實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)狀態(tài)、閘控命令執(zhí)行結(jié)果、異常告警等分析功能。

監(jiān)控分析業(yè)務(wù)主線在調(diào)度控制時(shí)期起到數(shù)據(jù)提供、分析和監(jiān)控等重要作用，2條業(yè)務(wù)主線有機(jī)交互，執(zhí)行灌溉任務(wù)，完成灌溉目標(biāo)；監(jiān)控分析業(yè)務(wù)主線在不進(jìn)行調(diào)度控制的時(shí)期也可正常運(yùn)行，實(shí)時(shí)監(jiān)控、分析渠道和閘門(mén)當(dāng)前及歷史運(yùn)行狀態(tài)。

2.2 功能架構(gòu)分析

水聯(lián)網(wǎng)全渠道控制系統(tǒng)由業(yè)務(wù)層、算法層、接口層和設(shè)備層構(gòu)成，其中：業(yè)務(wù)層，是全渠道控制相關(guān)的業(yè)務(wù)流程實(shí)現(xiàn)和用戶交互界面，設(shè)置與執(zhí)行全渠道需水計(jì)劃，監(jiān)控全渠道運(yùn)行狀況；算法層，是全渠道控制邏輯計(jì)算和指令生成方法的封裝；接口層，是控制系統(tǒng)與測(cè)控一體化閘門(mén)之間交互狀態(tài)和指令的物聯(lián)網(wǎng)接口集成；設(shè)備層，是指測(cè)控一體化閘門(mén)等渠道灌溉設(shè)備。水聯(lián)網(wǎng)全渠道控制系統(tǒng)功能架構(gòu)如圖2所示。

圖2 水聯(lián)網(wǎng)全渠道控制系統(tǒng)功能架構(gòu)

2.3 控制過(guò)程分析

水聯(lián)網(wǎng)全渠道控制系統(tǒng)通過(guò)物聯(lián)網(wǎng)平臺(tái)軟硬件系統(tǒng)接口獲取各閘門(mén)開(kāi)度、水位、流量等狀態(tài)，連同各閘門(mén)需水目標(biāo)一并通過(guò)軟件系統(tǒng)輸入智能調(diào)度算法模型，經(jīng)過(guò)計(jì)算輸出各閘門(mén)的開(kāi)度控制指令，指令由軟件系統(tǒng)通過(guò)軟硬件接口傳輸給閘門(mén)執(zhí)行。批量控制指令執(zhí)行后，閘門(mén)狀態(tài)發(fā)生新的變化，新的實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)持續(xù)輸入算法計(jì)算，然后持續(xù)輸出指令調(diào)控，直到達(dá)成需水目標(biāo)（本系統(tǒng)定義實(shí)時(shí)流量與目標(biāo)流量偏差在 ±0.02 m3/s 范圍內(nèi)為達(dá)成目標(biāo)）。水聯(lián)網(wǎng)全渠道控制系統(tǒng)整體調(diào)控過(guò)程設(shè)計(jì)如圖3所示。

圖3 水聯(lián)網(wǎng)全渠道控制系統(tǒng)調(diào)控過(guò)程

3 系統(tǒng)應(yīng)用及特征

2022年春灌，水聯(lián)網(wǎng)全渠道控制系統(tǒng)在秦漢渠農(nóng)場(chǎng)渠按實(shí)際生產(chǎn)用水計(jì)劃，晝夜連續(xù)運(yùn)行 7 d，覆蓋了 1 輪完整的生產(chǎn)灌溉供水。全渠道控制系統(tǒng)在大規(guī)模生產(chǎn)中再次被驗(yàn)證，系統(tǒng)運(yùn)行穩(wěn)定，并有較高的運(yùn)行效率。本次運(yùn)行主要有以下幾個(gè)特征：

1）參與直開(kāi)口多。運(yùn)行渠段為農(nóng)場(chǎng)渠渠首至三跌水節(jié)制閘，共包含 21個(gè)直開(kāi)口，其中 18個(gè)具備調(diào)控條件的直開(kāi)口全部參與運(yùn)行，最多時(shí)有 17個(gè)直開(kāi)口同時(shí)由全渠道控制系統(tǒng)聯(lián)調(diào)聯(lián)控，按實(shí)際生產(chǎn)需要配水。

2）渠道和直開(kāi)口流量大。本次運(yùn)行渠首流量最高時(shí)超過(guò) 27.00 m3/s，對(duì)比渠首的流量警戒值為28.00 m3/s。由全渠道控制系統(tǒng)分配的最高流量為7.15 m3/s，平均流量為 4.30 m3/s，對(duì)比 18個(gè)直開(kāi)口的設(shè)計(jì)流量總和為 11.80 m3/s，通常不會(huì)出現(xiàn)全部直開(kāi)口同時(shí)按設(shè)計(jì)流量供水的情況，所以 7.15 m3/s 是相對(duì)較高的狀態(tài)。

3）連續(xù)運(yùn)行時(shí)間長(zhǎng)。本次運(yùn)行的 60 多個(gè)批次需水計(jì)劃動(dòng)態(tài)滾動(dòng)執(zhí)行，共發(fā)生 3 000 多次動(dòng)態(tài)調(diào)控。圖4 顯示了這輪灌溉所有 18個(gè)直開(kāi)口需水目標(biāo)的動(dòng)態(tài)變化過(guò)程，圖中標(biāo)注目標(biāo)流量數(shù)值的曲線是“龍三六號(hào)”直開(kāi)口需水目標(biāo)變化。

圖4 本輪灌溉全渠道控制直開(kāi)口需水目標(biāo)變化過(guò)程

4 系統(tǒng)運(yùn)行效果

4.1 直開(kāi)口達(dá)成目標(biāo)平均耗時(shí)分析

從動(dòng)態(tài)需水計(jì)劃中提取直開(kāi)口需水調(diào)整變化量超過(guò) ±0.05 m3/s 的需水調(diào)度目標(biāo)計(jì)劃，共 76條，即 76 閘/次全渠道需水調(diào)度目標(biāo)計(jì)劃被執(zhí)行。經(jīng)過(guò)調(diào)控后，達(dá)成目標(biāo)需要的平均時(shí)間為 1 630 s，即平均 27 min 達(dá)成目標(biāo)，最短時(shí)間為 466 s，最長(zhǎng)時(shí)間為4 036 s，各次調(diào)整達(dá)成目標(biāo)耗時(shí)在各流量變化區(qū)間上的散點(diǎn)分布如圖5所示。進(jìn)一步統(tǒng)計(jì)結(jié)果表明，64% 的需水變化調(diào)整能在 30 min 內(nèi)達(dá)成目標(biāo)，80%以上的需水變化在 40 min 內(nèi)達(dá)成。

圖5 各次需水調(diào)整目標(biāo)達(dá)成耗時(shí)分布

4.2 全過(guò)程流量偏差分析

從閘門(mén)狀態(tài)數(shù)據(jù)中提取 2022年6月9—14日期間與直開(kāi)口需水計(jì)劃對(duì)應(yīng)的 18個(gè)直開(kāi)口實(shí)時(shí)流量記錄，共 18 003條。計(jì)算實(shí)時(shí)流量與當(dāng)時(shí)的需水目標(biāo)流量偏差，得出的平均偏差為 -0.013 m3/s。統(tǒng)計(jì)顯示，全渠道調(diào)控期間，74% 的時(shí)刻實(shí)時(shí)流量與需水目標(biāo)流量偏差低于 0.02 m3/s，該數(shù)據(jù)并未排除流量目標(biāo)改變時(shí)刻附近及水位不足無(wú)法滿足目標(biāo)等情況。流量偏差按區(qū)間分布統(tǒng)計(jì)，詳細(xì)結(jié)果如表1 所列，其中，流量偏差在 ±0.10 m3/s 以上的數(shù)據(jù)大部分都位于需水目標(biāo)調(diào)整期間。

表1 流量偏差按區(qū)間分布統(tǒng)計(jì)

全渠道控制第2 天的 24 h 內(nèi)即時(shí)流量與目標(biāo)流量的偏差數(shù)據(jù)共 3 158條記錄，涉及 12個(gè)直開(kāi)口。其中流量偏差在 ±0.02 m3/s 以內(nèi)的有 2 819條，占總量的 89.27%，該數(shù)據(jù)并未排除流量目標(biāo)改變時(shí)刻附近的記錄，可見(jiàn)，總體上全渠道控制系統(tǒng)可以穩(wěn)定調(diào)控各直開(kāi)口，使流量偏差在 ±0.02 m3/s 以內(nèi)。流量偏差數(shù)據(jù)序列分析如圖6所示。

圖6 全渠道控制目標(biāo)流量偏差分析（24 h 運(yùn)行）

全渠道控制第3 天上午通過(guò)軟件系統(tǒng)界面觀察過(guò)去十幾個(gè)小時(shí)（含第2 天傍晚和夜間）的直開(kāi)口即時(shí)流量與最新一次調(diào)整的目標(biāo)流量的偏差對(duì)比分析功能界面如圖7所示，可以看到?jīng)]有調(diào)整目標(biāo)的直開(kāi)口整個(gè)夜間基本平穩(wěn)運(yùn)行在 ±0.02 m3/s 偏差范圍內(nèi)。

圖7 水聯(lián)網(wǎng)全渠道控制系統(tǒng)中的需水目標(biāo)達(dá)成分析功能界面

4.3 閘控指令響應(yīng)結(jié)果分析

水聯(lián)網(wǎng)全渠道控制系統(tǒng)在全過(guò)程 7 d 內(nèi) 156 h 共進(jìn)行了 3 724 次閘門(mén)調(diào)度控制，產(chǎn)生 19 121條閘控指令，絕大部分都發(fā)送、響應(yīng)、執(zhí)行成功，成功率為99.39%，僅 116條指令響應(yīng)失敗，失敗率為 0.61%。該成功率說(shuō)明水聯(lián)網(wǎng)全渠道控制系統(tǒng)調(diào)度控制模塊、軟件硬件接口服務(wù)、服務(wù)器和網(wǎng)絡(luò)穩(wěn)定暢通。另外，水聯(lián)網(wǎng)全渠道控制系統(tǒng)自身的容錯(cuò)機(jī)制可接受少量的指令失敗后通過(guò)后續(xù)指令執(zhí)行修正。

5 結(jié)語(yǔ)

在 2022年秦漢渠農(nóng)場(chǎng)渠春灌期間，水聯(lián)網(wǎng)全渠道控制系統(tǒng)經(jīng)過(guò) 7 d 完整 1 輪供水的運(yùn)行，通過(guò)需水計(jì)劃調(diào)度、閘控指令執(zhí)行、需水口目標(biāo)達(dá)成耗時(shí)、流量偏差等方面的結(jié)果及分析，得出水聯(lián)網(wǎng)全渠道控制系統(tǒng)可在 30 min 左右達(dá)成調(diào)控目標(biāo)，即將流量偏差絕對(duì)值控制在 0.02 m3/s 以內(nèi)或更低。需水目標(biāo)調(diào)控達(dá)成所需時(shí)間和流量偏差低于相關(guān)論文中涉及的參考數(shù)據(jù)[17–18]，驗(yàn)證了系統(tǒng)的穩(wěn)定可靠性、高效便捷性及安全性。

本次春灌的持續(xù)運(yùn)行表明：水聯(lián)網(wǎng)全渠道控制系統(tǒng)能保證取水口充分高效供水，在滿足沿渠農(nóng)戶用水需求的同時(shí)，還可很大程度地降低人工操作成本，保障渠道閘門(mén)系統(tǒng)穩(wěn)定高效運(yùn)行，且節(jié)水， 高效，控制效率和精度都遠(yuǎn)高于傳統(tǒng)人工單閘控制，提高了農(nóng)場(chǎng)渠灌溉管理效率和現(xiàn)代化水平。

在水聯(lián)網(wǎng)全渠道控制系統(tǒng)應(yīng)用試驗(yàn)和運(yùn)行過(guò)程中還發(fā)現(xiàn)，需水計(jì)劃制定的合理性對(duì)目標(biāo)達(dá)成耗時(shí)和流量偏差有明顯的影響。極端情況下，如果渠道總進(jìn)水量小于需水計(jì)劃中設(shè)置的各直開(kāi)口的需水目標(biāo)總和，則無(wú)論采用何種調(diào)控方式，無(wú)論水聯(lián)網(wǎng)全渠道控制系統(tǒng)如何高效，都不可能達(dá)成目標(biāo)。因此，如何根據(jù)渠道進(jìn)水量及農(nóng)戶用水需求制定合理的需水計(jì)劃，值得后續(xù)深入研究。