節(jié)水灌溉示范工程的信息化管理研究與實(shí)現(xiàn)

高榮官 葉 軍

（泰興市水務(wù)局，江蘇 泰州 225400）

0 引言

我國是一個(gè)農(nóng)業(yè)大國，但又是水資源相對貧乏的國家，傳統(tǒng)的農(nóng)業(yè)灌溉模式對水資源造成了極大的浪費(fèi)，農(nóng)業(yè)用水的有效利用率只有30%～40%，而發(fā)達(dá)國家則達(dá)到了80%～90%。可以看出，我國的農(nóng)業(yè)用水效率不到發(fā)達(dá)國家的一半，差距明顯，同時(shí)也表明農(nóng)業(yè)節(jié)水灌溉研究大有可為。

1 項(xiàng)目概況

泰興市黃橋祁巷節(jié)水示范工程位于泰興市黃橋鎮(zhèn)境內(nèi)，該地區(qū)為沙性土質(zhì)，水資源浪費(fèi)嚴(yán)重，旱災(zāi)時(shí)有發(fā)生。為了節(jié)約水資源，改變該地區(qū)農(nóng)業(yè)生產(chǎn)條件，促進(jìn)地區(qū)農(nóng)業(yè)發(fā)展，從而推動(dòng)整個(gè)通南高沙土地區(qū)節(jié)水工程，經(jīng)批準(zhǔn)在該地區(qū)實(shí)施節(jié)水灌溉示范工程。

該示范區(qū)低壓管道輸水灌溉區(qū)位于祁巷村，南起菊花港，北止祁巷門前東西大路，東到祁巷中溝，西至祁巷溝，東西長360 m，南北長500 m，耕地面積17.3 hm2，需建泵站1 座，鋪設(shè)PVC-U 型低壓輸水管1580 m。襯砌渠道灌溉區(qū)位于祁巷中溝西側(cè)，耕地面積72 hm2，需建襯砌干渠2 條共1000 m，襯砌支渠6 條共3900 m。

該示范項(xiàng)目包括：泵站工程、PVC-U 型管道工程、襯砌渠道工程、自動(dòng)化控制及信息化管理系統(tǒng)。筆者重點(diǎn)討論自動(dòng)化控制及信息化管理系統(tǒng)的研發(fā)與應(yīng)用。

2 系統(tǒng)開發(fā)原則

由于灌區(qū)用水管理涉及農(nóng)業(yè)、水利、經(jīng)濟(jì)工程技術(shù)等學(xué)科，而且許多因素與灌溉用水過程的關(guān)系難以完全通過解析方法進(jìn)行定量描述，所以應(yīng)用計(jì)算機(jī)技術(shù)、軟件技術(shù)實(shí)現(xiàn)用水管理系統(tǒng)時(shí)，應(yīng)遵循以下原則：

（1）實(shí)用性

本系統(tǒng)是一個(gè)面向?qū)嶋H的應(yīng)用系統(tǒng)，系統(tǒng)的功能應(yīng)盡可能滿足實(shí)際要求，考慮到生產(chǎn)單位用戶多數(shù)情況下為非專業(yè)人員，所以系統(tǒng)的操作應(yīng)簡單、易學(xué)、易用，以圖形技術(shù)直觀地實(shí)現(xiàn)各種操作。

（2）科學(xué)性

本系統(tǒng)需要實(shí)現(xiàn)灌區(qū)泵站自動(dòng)控制、水量計(jì)量、污水流量計(jì)量、雨量、土壤水分的實(shí)時(shí)監(jiān)測，對監(jiān)測數(shù)據(jù)要加以科學(xué)分析，以提高決策的可靠性。

（3）綜合性

系統(tǒng)開發(fā)過程中應(yīng)強(qiáng)調(diào)用戶、灌區(qū)管理人員、軟件開發(fā)人員三方面的密切協(xié)作，注重“信息—經(jīng)驗(yàn)—反饋”之間的聯(lián)系，發(fā)揮綜合集成系統(tǒng)的整體優(yōu)勢。

（4）可擴(kuò)充性

隨著時(shí)間的推移，決策環(huán)境以及決策問題都會發(fā)生變化，因而要求系統(tǒng)具有可擴(kuò)充性。系統(tǒng)結(jié)構(gòu)應(yīng)采用模塊化設(shè)計(jì)，各子系統(tǒng)留有程序接口。

（5）自維護(hù)性

對于操作人員的誤操作或其它原因?qū)ο到y(tǒng)造成的破壞，系統(tǒng)應(yīng)具有較強(qiáng)的自維護(hù)能力，迅速恢復(fù)。

3 系統(tǒng)開發(fā)要求

本系統(tǒng)由水務(wù)局控制中心、現(xiàn)場控制系統(tǒng)（含水泵控制系統(tǒng)）、田間電動(dòng)閥控制系統(tǒng)三級系統(tǒng)組成，還包括IC 卡水量計(jì)量系統(tǒng)（含土壤墑情采集儀、污水流量計(jì)IC 卡及IC 卡軟件）［1］、雨量計(jì)等。系統(tǒng)功能要求如下：

（1）實(shí)現(xiàn)用水量的實(shí)時(shí)自動(dòng)采集，實(shí)時(shí)顯示瞬時(shí)流量、存儲累計(jì)流量。

（2）實(shí)現(xiàn)灌區(qū)土壤水分的實(shí)時(shí)自動(dòng)采集［2］。

（3）實(shí)現(xiàn)各泵站、各閘門的計(jì)算機(jī)遠(yuǎn)程自動(dòng)控制。

（4）實(shí)現(xiàn)泵站用電量的實(shí)時(shí)監(jiān)測。

（5）充分應(yīng)用數(shù)據(jù)庫技術(shù)對各類監(jiān)測數(shù)據(jù)實(shí)現(xiàn)存儲、統(tǒng)計(jì)、處理和查詢。

（6）形成各類監(jiān)測數(shù)據(jù)的各種報(bào)表。

（7）實(shí)現(xiàn)將各關(guān)鍵設(shè)備的動(dòng)態(tài)實(shí)時(shí)監(jiān)測運(yùn)行狀況以聲光報(bào)警技術(shù)提醒工作人員，以數(shù)據(jù)技術(shù)實(shí)現(xiàn)各設(shè)備的運(yùn)行狀態(tài)參數(shù)表管理，以備查詢。

（8）能科學(xué)地預(yù)算用水量、預(yù)報(bào)用水量，實(shí)現(xiàn)節(jié)水灌溉之目的［3］。

（9）系統(tǒng)以圖形界面為主，配合適當(dāng)動(dòng)畫技術(shù)，實(shí)現(xiàn)多媒體用戶界面，方便用戶使用。

（10）利用語音處理技術(shù)，實(shí)現(xiàn)整個(gè)系統(tǒng)各種操作的語音提示，更加方便用戶使用。

（11）利用圖形技術(shù)實(shí)現(xiàn)諸如降雨量、河水水位、水池水位、稻田水份水位的各類曲線圖及相關(guān)報(bào)表，實(shí)現(xiàn)對各類采集信息的快速查詢、統(tǒng)計(jì)、打印。

4 系統(tǒng)架構(gòu)

系統(tǒng)是由局控制中心主機(jī)、現(xiàn)場控制系統(tǒng)、田間控制系統(tǒng)及傳感器構(gòu)成的具有三級結(jié)構(gòu)的集散型控制系統(tǒng)（DCS），結(jié)構(gòu)如圖1 所示。水務(wù)局控制中心計(jì)算機(jī)作為中央控制級，其主要任務(wù)是完成水務(wù)局控制中心對灌區(qū)各種數(shù)據(jù)的遠(yuǎn)程監(jiān)測，必要時(shí)也可以對現(xiàn)場儀表進(jìn)行控制；現(xiàn)場控制計(jì)算機(jī)作為中間控制級，其主要任務(wù)是負(fù)責(zé)灌區(qū)現(xiàn)場數(shù)據(jù)的采集及對各儀表的控制（包括泵站的控制），同時(shí)將數(shù)據(jù)上傳水務(wù)局控制；在田間，有田間控制系統(tǒng)作為就地控制級，對采集的數(shù)據(jù)進(jìn)行存貯、預(yù)處理，并控制現(xiàn)場電動(dòng)閘閥和水泵動(dòng)作。本系統(tǒng)利用RS-485 通信距離長、抗干擾性能強(qiáng)的特點(diǎn)，采用現(xiàn)場總線方式，將所有現(xiàn)場單元掛接在RS-485 通信線上，實(shí)現(xiàn)控制主機(jī)對現(xiàn)場單元進(jìn)行參數(shù)設(shè)置、數(shù)據(jù)傳遞、存貯和顯示，并接受管理人員現(xiàn)場操作［4］。

圖1 系統(tǒng)架構(gòu)圖

5 系統(tǒng)軟件開發(fā)

系統(tǒng)的總體架構(gòu)如圖2 所示。由泵站檢測控制模塊、閘門控制模塊、泵站上下游水池水位采集模塊、雨量采集模塊、瞬時(shí)流量和累計(jì)流量采集模塊、稻田水分水位采集模塊、泵站關(guān)鍵設(shè)備運(yùn)行檢測模塊、查詢統(tǒng)計(jì)模塊、通信模塊等組成［5］。

本系統(tǒng)應(yīng)用Delphi 編程語言作為系統(tǒng)軟件開發(fā)工具，利用3Dmax、Flash、Photoshop 等作為系統(tǒng)圖形界面的開發(fā)工具，使系統(tǒng)具有語音提示、界面直觀、易學(xué)易操作等特點(diǎn)。

圖2 系統(tǒng)框圖

圖3 泵站控制系統(tǒng)

圖4 閘門控制系統(tǒng)

（1）泵站控制系統(tǒng)界面如圖3 所示。具有電機(jī)電流、電壓顯示，雨量、河水位、各泵水流量、儲水池水位顯示，水泵故障報(bào)警指示，水泵開關(guān)控制，水泵狀態(tài)測試等功能。

（2）閘門控制系統(tǒng)界面如圖4 所示。具有各閘門用水量顯示、水泵故障報(bào)警指示、雨量查詢、用水量查詢等功能。

（3）河水水位、降雨量、土壤水分?jǐn)?shù)據(jù)圖表顯示分別如圖5、圖6、圖7所示。

圖5 河水水位

圖6 降雨量

圖7 土壤水分

6 結(jié)語

本信息化管理系統(tǒng)，控制界面均采用動(dòng)畫設(shè)計(jì)，用動(dòng)畫的方式顯示整個(gè)系統(tǒng)的流程，方便美觀。每步操作有多媒體語音提示，為操作管理員提供了極大方便。具有自動(dòng)控制、檢測和數(shù)據(jù)處理、報(bào)警和保護(hù)、數(shù)據(jù)存檔、管理和通信、打印和顯示、防雷、抗干擾等多種功能，從稻田水分?jǐn)?shù)據(jù)采集到供水、管水均實(shí)現(xiàn)了農(nóng)田灌溉自動(dòng)化、智能化和信息化。

數(shù)據(jù)庫不僅自動(dòng)記錄了每個(gè)閥門開關(guān)的日期、時(shí)間和用水量，同時(shí)也記錄了各種儀表采集的數(shù)據(jù)，為科學(xué)分析、科學(xué)灌溉提供了依據(jù)。在數(shù)據(jù)庫管理子系統(tǒng)中，根據(jù)用戶輸入的查詢?nèi)掌?，?jì)算機(jī)可以方便地完成調(diào)閱，并用數(shù)表和圖形兩種方式顯示出來，使用戶查看分析起來更加便捷。

［1］齊維貴，丁寶.單片微型機(jī)原理·接口·通信·控制［M］.黑龍江：黑龍江科學(xué)技術(shù)出版社，1997：187－190.

［2］白鵬，莫衛(wèi)東，張福萍，等.Visual Basic 6.0 高級編程技巧——多媒體通信篇［M］.西安：西安交通大學(xué)出版社，1999：130－135.

［3］康立軍，張仁陟，吳麗麗，等.節(jié)水灌溉聯(lián)動(dòng)控制系統(tǒng)［J］.農(nóng)業(yè)工程學(xué)報(bào)，2011，27（8）：232-236.

［4］陳天華，唐海濤.基于ARM 和GPRS 的遠(yuǎn)程土壤墑情監(jiān)測預(yù)報(bào)系統(tǒng)［J］.農(nóng)業(yè)工程學(xué)報(bào)，2012，28（3）：162-166.

［5］胡玲，汪青春.青海省農(nóng)業(yè)區(qū)（淺山）土壤墑情監(jiān)測系統(tǒng)研制［J］.青海氣象，2008（2）：28-31.