關(guān)于大型農(nóng)場既有泵站無人化運(yùn)行改造的思考

劉勇 楊劍鋒 沈麗麗 徐識溥

（1上海市農(nóng)業(yè)科學(xué)院農(nóng)業(yè)科技信息研究所/上海數(shù)字農(nóng)業(yè)工程與技術(shù)研究中心，上海 201403；2豐產(chǎn)數(shù)據(jù)服務(wù)（上海）有限公司，上海 201100；3光明食品集團(tuán)上海農(nóng)場有限公司，上海 200072）

農(nóng)業(yè)生產(chǎn)離不開水，根據(jù)中華人民共和國水利部發(fā)布的《2020年中國水資源公報》顯示，2020年全國農(nóng)業(yè)用水量為3.61×1011m3，占全國用水總量的62.1%，如此高的占比除了因?yàn)槲覈r(nóng)業(yè)生產(chǎn)規(guī)模大之外，還有一個重要的原因是農(nóng)田灌溉水的有效利用系數(shù)遠(yuǎn)低于發(fā)達(dá)國家，僅為0.565，這意味著每1 m3農(nóng)田灌溉水僅有0.565 m3被農(nóng)作物吸收利用。

泵站（或稱泵房）可為水提供勢能和壓能，是解決無自流條件下排灌、供水和水資源調(diào)配問題的唯一動力來源，主要用于農(nóng)田排灌、城市給排水以及跨流域調(diào)水等[1]。泵站作為重要的工程措施，不僅在水資源的合理調(diào)度和管理中起著不可替代的作用，還能解決洪澇災(zāi)害、干旱缺水、水環(huán)境惡化當(dāng)今三大水資源問題，故其在防洪、排澇、抗旱減災(zāi)以及工農(nóng)業(yè)用水和城鄉(xiāng)居民生活供水等方面發(fā)揮著重要作用，承擔(dān)著區(qū)域性的防洪、除澇、灌溉、調(diào)水和供水的重任[1-3]。但是，泵站也是耗能大戶，節(jié)能和節(jié)水一樣重要，因此泵站的經(jīng)濟(jì)運(yùn)行和優(yōu)化管理就顯得尤為重要。在我國大型農(nóng)場的農(nóng)業(yè)生產(chǎn)中，泵站作為農(nóng)場灌溉系統(tǒng)的重要組成部分，具有為農(nóng)場內(nèi)所有支渠和田塊提供水源的作用。而目前大型農(nóng)場既有泵站的運(yùn)行都是由人工現(xiàn)場操作，尤其是在用水季，為確保水泵的正常運(yùn)轉(zhuǎn)和發(fā)現(xiàn)故障時能及時處理，泵站需要有人24 h值守，這種原始的泵站運(yùn)行方式很難實(shí)現(xiàn)節(jié)水節(jié)電，已無法滿足當(dāng)前大型農(nóng)場對農(nóng)業(yè)生產(chǎn)的要求（例如，要求對農(nóng)業(yè)用水進(jìn)行合理調(diào)度、節(jié)能減排實(shí)現(xiàn)碳中和、減少人工投入和降低勞動強(qiáng)度等）。

在數(shù)字農(nóng)業(yè)、精準(zhǔn)農(nóng)業(yè)、智慧農(nóng)業(yè)不斷發(fā)展的今天，要積極使用各種高科技手段對農(nóng)業(yè)用水的方方面面進(jìn)行管理。因此，運(yùn)用“互聯(lián)網(wǎng)+”和現(xiàn)代信息技術(shù)手段對大型農(nóng)場既有泵站進(jìn)行改造就顯得非常重要。在此背景下，筆者在分析我國大型農(nóng)場既有泵站運(yùn)行存在問題的基礎(chǔ)上，提出了大型農(nóng)場既有泵站無人化運(yùn)行的改造方案，并在蘇北某大型國有農(nóng)場進(jìn)行了實(shí)際應(yīng)用?，F(xiàn)擬將相關(guān)情況總結(jié)介紹如下，以期推進(jìn)大型農(nóng)場既有泵站無人化運(yùn)行的改造進(jìn)度，加快大型農(nóng)場農(nóng)業(yè)用水管理的科學(xué)化、實(shí)時化、現(xiàn)代化步伐。

1 我國大型農(nóng)場既有泵站運(yùn)行存在的主要問題

筆者經(jīng)實(shí)地調(diào)研發(fā)現(xiàn)，我國大型農(nóng)場既有泵站的運(yùn)行管理模式仍以人工巡檢和現(xiàn)場操控為主，且泵站運(yùn)行以工作人員的過往主觀經(jīng)驗(yàn)為主導(dǎo)，缺乏調(diào)度手段，泵站能否安全運(yùn)行主要取決于工作人員的責(zé)任心。經(jīng)歸納，我國大型農(nóng)場既有泵站運(yùn)行存在的主要問題表現(xiàn)為以下幾個方面。

1.1 設(shè)備自動化水平低

我國大型農(nóng)場既有泵站的所有設(shè)備均只提供操控按鈕，必須由工作人員進(jìn)行現(xiàn)場操作。同時，設(shè)備無通信接口，無法接收除“開關(guān)”之外的其他控制命令，更無法通過設(shè)置參數(shù)使其自動運(yùn)行。此外，不同泵站、甚至同一泵站不同功能模塊的操作方式不同，且來自不同供應(yīng)渠道的產(chǎn)品之間難以進(jìn)行溝通協(xié)調(diào)，各泵站只能獨(dú)立運(yùn)行，無法進(jìn)行集中管理。

1.2 設(shè)備運(yùn)行效率低

目前，大型農(nóng)場的每個泵站至少配置了2臺水泵（甚至一些泵站配置了6臺以上的水泵），在1臺水泵運(yùn)行時，另1臺水泵作為備用。而在人工操作模式下，工作人員習(xí)慣將其中1臺水泵作為常用水泵，另1臺水泵則始終作為備用水泵，這種使用方式會導(dǎo)致常用水泵因過度使用而老化，而備用水泵因長期閑置而出現(xiàn)故障，從而降低了設(shè)備的運(yùn)行效率。

1.3 設(shè)備感知能力弱

我國大型農(nóng)場既有泵站大多數(shù)沒有配置具備感知能力的設(shè)備，導(dǎo)致泵站對外界環(huán)境無任何感知能力，而少數(shù)配置了具備感知能力設(shè)備的泵站也只是對壓力、流量、溫度等基礎(chǔ)數(shù)據(jù)進(jìn)行采集，而對于電力工況、水泵本體作業(yè)工況等重要參數(shù)的監(jiān)控嚴(yán)重缺乏，從而使泵站的自動化運(yùn)行和智能化運(yùn)維成為空談。

1.4 設(shè)備運(yùn)維管理水平不一

目前大型農(nóng)場泵站的工作人員普遍年齡偏大，且不具備設(shè)備的運(yùn)維知識和實(shí)際操作能力，在泵站運(yùn)行出現(xiàn)問題時，往往因無法快速定位問題設(shè)備，而無法快速排除故障或快速報修（甚至在報修過程中無法準(zhǔn)確描述故障核心）。另外，有的泵站的設(shè)備運(yùn)維管理雖然由第三方機(jī)構(gòu)托管，且設(shè)備運(yùn)維管理水平有了一定提高，但由于機(jī)構(gòu)的服務(wù)響應(yīng)速度跟不上，再加上水泵、控制柜及自控系統(tǒng)等設(shè)備的供應(yīng)商不同，當(dāng)泵站運(yùn)行出現(xiàn)問題時，會因各供應(yīng)商溝通協(xié)調(diào)不暢而降低設(shè)備的維修效率。

2 泵站無人化運(yùn)行的改造方案

為解決上述問題，筆者運(yùn)用“互聯(lián)網(wǎng)+”思維，提出了我國大型農(nóng)場既有泵站的運(yùn)行改造方案，即在不改變泵站原有電氣結(jié)構(gòu)的前提下，通過增加泵站智能控制柜[智能控制柜接入泵站電氣系統(tǒng)，對泵房進(jìn)行監(jiān)測和控制，并通過互聯(lián)網(wǎng)與運(yùn)行于云端的農(nóng)業(yè)灌溉用水調(diào)度管理云平臺（以下簡稱云平臺）相連接，實(shí)現(xiàn)泵站的互聯(lián)網(wǎng)化]，實(shí)現(xiàn)泵站的無人值守和自動高效運(yùn)轉(zhuǎn)。

2.1 泵站無人值守改造

泵站的無人值守改造是通過對現(xiàn)有泵站加裝智能控制柜來實(shí)現(xiàn)的。該智能控制柜采用輕耦合的實(shí)施方案，無需對現(xiàn)有泵房的電氣結(jié)構(gòu)進(jìn)行改動，即可兼容各類現(xiàn)有水泵控制柜（如自耦降壓水泵控制柜、變頻水泵控制柜和軟起動水泵控制柜），并通過內(nèi)置“霧邊緣計(jì)算器”，結(jié)合自研的“五遙”（遙測、遙信、遙視、遙控、遙調(diào)）技術(shù)，且能實(shí)現(xiàn)現(xiàn)有各類水泵控制柜的“重生”。該智能控制柜可通過多達(dá)16種的自主保護(hù)方式，及快速接入遵循Modbus規(guī)約的各類傳感設(shè)備，并將相關(guān)數(shù)據(jù)傳輸至云平臺，用于灌溉用水的調(diào)度決策，保障水泵安全運(yùn)行，延長水泵使用壽命，提高能效利用率。該智能控制柜主要由以下功能模塊組成。

2.1.1 智能調(diào)度模塊

該模塊可根據(jù)實(shí)際工況需求，按運(yùn)行效率，實(shí)現(xiàn)水泵的智能調(diào)度，避免人工操控時出現(xiàn)單臺水泵過度使用或過度閑置等情況，從而提高水泵的總體使用壽命。

2.1.2 智能調(diào)配模塊

該模塊可根據(jù)進(jìn)水水位，結(jié)合引水需求，進(jìn)行分組輪灌，從而實(shí)現(xiàn)灌溉用水的智能調(diào)配。例如，該模塊在多用戶用水的情況下，根據(jù)灌溉面積大小進(jìn)行分組輪灌，實(shí)現(xiàn)灌溉水資源對各用戶的均勻分配。

2.1.3 實(shí)時檢測模塊

該模塊可實(shí)現(xiàn)對多個參數(shù)進(jìn)行實(shí)時檢測，例如，電力工況（三相電流電壓等）、能耗（電機(jī)的功率、溫度等）、線路（三相電流是否平衡、缺相、漏電等）、設(shè)備工況（電機(jī)的轉(zhuǎn)速和振動等），從而為泵站的自動高效運(yùn)轉(zhuǎn)提供調(diào)控依據(jù)。

2.1.4 安全保障模塊

該模塊分為“消安模塊”和“環(huán)控模塊”。其中，“消安模塊”主要用于實(shí)現(xiàn)泵站的消防安全，例如，通過防入侵系統(tǒng)防止非法用水和動物咬噬線纜等情況的發(fā)生，通過門禁系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)對泵站運(yùn)行進(jìn)行考勤，通過漏水探測器和煙霧傳感器實(shí)現(xiàn)對泵房安全風(fēng)險的感知；“環(huán)控模塊”主要用于泵站的環(huán)境監(jiān)控，主要包括實(shí)時視頻、熱成像等視頻監(jiān)控和燈控、通風(fēng)、水質(zhì)監(jiān)測等。

2.2 泵站互聯(lián)網(wǎng)化改造

通過智能控制柜，將每個泵站的每臺水泵都接入互聯(lián)網(wǎng)，由云平臺對每個泵站乃至每臺水泵進(jìn)行遠(yuǎn)程運(yùn)行管理、遠(yuǎn)程監(jiān)測、遠(yuǎn)程控制等（例如，遠(yuǎn)程運(yùn)維、遠(yuǎn)程監(jiān)控、零距離巡檢、診斷報告生成及保養(yǎng)建議定期推送等），從而實(shí)現(xiàn)“五遙”。同時，云平臺還提供了遠(yuǎn)程計(jì)時操作、計(jì)費(fèi)操作、運(yùn)行狀況推送等功能，其中，針對計(jì)費(fèi)操作提供了遠(yuǎn)程充值功能，并通過小程序或公眾號等，實(shí)現(xiàn)結(jié)算和充值等信息的推送（而對于不會使用手機(jī)的人群或用戶，智能控制柜提供了24 h無人值守的現(xiàn)場圈存機(jī)服務(wù)，無需手機(jī)或電腦，僅通過IC卡即能實(shí)現(xiàn)賬單查詢、相關(guān)明細(xì)費(fèi)用打印等）。此外，為配合監(jiān)管機(jī)構(gòu)對泵站運(yùn)行進(jìn)行監(jiān)管，云平臺提供了泵站能效和能耗、水量和水質(zhì)、資金和費(fèi)用等數(shù)據(jù)的查詢功能。

3 改造后的泵站控制系統(tǒng)

改造后的泵站控制系統(tǒng)以云平臺為中心，以智能控制柜為終端節(jié)點(diǎn)，組成了一個既可遠(yuǎn)程控制又可本地操作的大型灌溉調(diào)度管理控制系統(tǒng)。其中，智能控制柜可通過兩種方式與云平臺建立連接：一種是通過有線方式接入基地局域網(wǎng)，經(jīng)布設(shè)于基地局域網(wǎng)內(nèi)的霧邊緣計(jì)算網(wǎng)關(guān)與云平臺建立連接，從而實(shí)現(xiàn)遠(yuǎn)程通信；另一種是通過智能控制柜搭載的云邊緣計(jì)算網(wǎng)關(guān)和4G通信模塊，直接通過附近的移動通信基站接入互聯(lián)網(wǎng)，進(jìn)而與云平臺建立連接實(shí)現(xiàn)遠(yuǎn)程通信。云平臺采用微服務(wù)框架，用戶可根據(jù)不同需求逐步完善其功能配置，無需反復(fù)搭建各類平臺，避免了重復(fù)投資。同時，云平臺除了具備2.2所述的功能外，還具有智能視頻分析功能（對接入云平臺的所有視頻監(jiān)控信息進(jìn)行機(jī)器視覺分析，做出告警判斷，并對泵站內(nèi)外狀況等進(jìn)行實(shí)時分析），數(shù)據(jù)存儲、分析、查詢功能，終端設(shè)備組網(wǎng)規(guī)劃功能等。此外，云平臺除了能與智能控制柜實(shí)現(xiàn)遠(yuǎn)程通信外，還提供了用戶側(cè)訪問接口和第三方訪問接口，用戶不僅可以通過PC端、微信小程序、微信公眾號、專用APP等多種方式，對云平臺進(jìn)行操作、監(jiān)測及后臺管理配置，還可利用大屏進(jìn)行用水調(diào)度大數(shù)據(jù)展示及現(xiàn)場實(shí)時操作，同時還可通過第三方訪問接口，與既有專家系統(tǒng)、公共云平臺、相關(guān)監(jiān)管部門等進(jìn)行交互對接。

4 運(yùn)行改造方案的應(yīng)用實(shí)例

筆者根據(jù)蘇北某大型國有農(nóng)場的實(shí)際需求，結(jié)合泵站無人化運(yùn)行改造方案，對該農(nóng)場的15個泵站進(jìn)行了智能化升級，實(shí)現(xiàn)了對潛水泵、軸流泵和混流泵三種類別61臺水泵的遠(yuǎn)程控制。具體為：通過多種傳感器實(shí)現(xiàn)了對泵站電機(jī)運(yùn)行工況、供電線路、能耗、電力工況等的實(shí)時檢測和調(diào)控，實(shí)現(xiàn)了電機(jī)的高效率和低功耗運(yùn)行；通過增加煙霧傳感、漏水探測、入侵檢測等功能，保障了泵站的安全運(yùn)行；通過智能調(diào)度調(diào)配算法，實(shí)現(xiàn)了多電機(jī)協(xié)同運(yùn)作、灌溉用水按需分配。以上所有功能均通過互聯(lián)網(wǎng)與云平臺對接，用戶足不出戶通過控制室的電腦即可對整個農(nóng)場所有泵站內(nèi)的任意一臺水泵進(jìn)行控制?？刂浦行牡牟僮鹘缑嬉员谜緸閱挝?，點(diǎn)開某個泵站后，即可打開當(dāng)前泵站的控制界面，控制界面的展示內(nèi)容包括泵站內(nèi)外視頻監(jiān)控，水泵的開關(guān)控制，水泵的電壓、電流、溫度等實(shí)時數(shù)據(jù)，以及水泵運(yùn)行時長等。

雖然該農(nóng)場改造后的泵站無人化運(yùn)行的功能仍比較簡單，只具備遠(yuǎn)程控制功能，但運(yùn)行半年后用戶反饋表明，無人化運(yùn)行的泵站控制方式相當(dāng)便利，減少了之前工作人員在高溫烈日下現(xiàn)場操作的辛苦，且遠(yuǎn)程控制效率高，控制命令響應(yīng)及時，原來18人的泵房管控團(tuán)隊(duì)可縮減至3人（1人負(fù)責(zé)開關(guān)操作，2人負(fù)責(zé)出現(xiàn)故障后的運(yùn)維）。

5 小 結(jié)

對我國大型農(nóng)場既有泵站進(jìn)行無人化運(yùn)行改造，實(shí)現(xiàn)泵站的遠(yuǎn)程化操作、自動化控制、智能化運(yùn)維，不僅改造方式簡單（例如，智能控制柜采用輕耦合的實(shí)施方案，無需對泵站原有設(shè)施進(jìn)行任何改造即能實(shí)現(xiàn)對泵站進(jìn)行智能化管控；保留傳統(tǒng)的操作方法，工作人員能從原有的使用習(xí)慣平順過渡到無人化運(yùn)行），還能節(jié)省大量人工（例如，改變原來人工24 h值守巡檢的模式，較好地解決目前我國農(nóng)業(yè)勞動力缺乏和勞動力成本逐年升高的問題），更具有顯著的節(jié)水節(jié)電效果（例如，智能控制柜能根據(jù)用水量情況智能調(diào)控水泵的運(yùn)行時長和運(yùn)行功率，減少不必要的水資源和電能浪費(fèi)；合理的多機(jī)聯(lián)動調(diào)度算法可保障泵站內(nèi)的每臺水泵都在最佳工況下運(yùn)行，從而提高設(shè)備的使用壽命，節(jié)省相關(guān)維修更換的費(fèi)用）。因此，對我國大型農(nóng)場既有泵站進(jìn)行無人化運(yùn)行改造具有良好的應(yīng)用前景，可為規(guī)模農(nóng)場帶來巨大的經(jīng)濟(jì)效益。