基于渠系優(yōu)化配水模型的農(nóng)業(yè)供水管理系統(tǒng)設(shè)計(jì)

韓海英，于再基

(1.榆林學(xué)院基本建設(shè)處，陜西 榆林 719000) (2.引漢濟(jì)渭工程有限責(zé)任公司科技管理中心，陜西 西安 710010)

隨著智能農(nóng)業(yè)的發(fā)展，加強(qiáng)對(duì)田間地頭水量供給與使用的自動(dòng)化管理，進(jìn)而更好地實(shí)現(xiàn)灌溉的自動(dòng)化，成為當(dāng)前需要思考的問(wèn)題和建設(shè)的重點(diǎn)。傳統(tǒng)的灌區(qū)灌溉大部分是以人工控制的方式進(jìn)行，不僅耗費(fèi)大量的人工，而且工作效率低下[1]。隨著現(xiàn)代社會(huì)的發(fā)展，信息化、智能化成為當(dāng)前時(shí)代的標(biāo)志，信息技術(shù)和智能技術(shù)不斷發(fā)展、成熟，應(yīng)用廣泛。本文結(jié)合信息技術(shù)和智能技術(shù)，以灌區(qū)渠系為研究對(duì)象，設(shè)計(jì)了一款農(nóng)業(yè)用自動(dòng)化供水管理系統(tǒng)。

1 系統(tǒng)需求分析

設(shè)計(jì)本系統(tǒng)的主要目的是為實(shí)現(xiàn)某灌區(qū)水渠流量的科學(xué)調(diào)度，合理分配農(nóng)業(yè)用水量，提高灌區(qū)水資源利用率，更好地利用好該灌區(qū)水庫(kù)的水量。而要實(shí)現(xiàn)以上目標(biāo)，首先要對(duì)水渠的流量、田間用水量等各方面的信息進(jìn)行采集，然后對(duì)灌區(qū)水量進(jìn)行優(yōu)化調(diào)度。結(jié)合以上設(shè)計(jì)目的，本系統(tǒng)主要有以下功能需求：

1)對(duì)灌區(qū)內(nèi)水庫(kù)的供水情況、水渠流量、水庫(kù)水量等進(jìn)行實(shí)時(shí)采集、傳輸；

2)借助該系統(tǒng)，實(shí)時(shí)錄入不同農(nóng)戶的水量需求，并根據(jù)需求對(duì)灌區(qū)內(nèi)的用水進(jìn)行優(yōu)化，得到最佳的配水方案。

3)對(duì)灌區(qū)用戶的用水量進(jìn)行統(tǒng)計(jì)，并就農(nóng)戶的用水情況進(jìn)行分析。

2 灌溉需水量?jī)?yōu)化模型構(gòu)建與求解

根據(jù)以上的需求分析可以看出，該系統(tǒng)最為重要的部分是實(shí)現(xiàn)對(duì)灌區(qū)渠系用水的優(yōu)化配置。對(duì)此，結(jié)合以上需求，構(gòu)建優(yōu)化配水模型。

2.1 灌區(qū)渠系優(yōu)化配水模型建立

灌區(qū)渠系優(yōu)化配水模型建立的主要目的是為了使被配水渠道以“定流量”、“變歷時(shí)”的配水方式運(yùn)行[2]。本文采用雙目標(biāo)函數(shù)來(lái)構(gòu)建灌區(qū)渠系優(yōu)化配水模型。假設(shè)配水渠道的凈引水流量為Q凈，該水渠渠道區(qū)域存在N個(gè)出水口，各出水口的出水流量為qj(j=1,2,…,N)，同時(shí)滿足q1=q2=…=qN=q，q為出水口凈出水量。出水口出水時(shí)間為tj(j=1,2,…,N)時(shí)，輪灌組的劃分?jǐn)?shù)：

(1)

假設(shè)將輪灌組出水口開(kāi)關(guān)狀態(tài)看作決策變量xij(i=1,2,…,M)，xij∈{0,1},當(dāng)xij=0時(shí)，表示輪灌組出水口關(guān)閉；當(dāng)xij=1時(shí)，則表示輪灌組出水口開(kāi)啟。

在式(1)的基礎(chǔ)上，假設(shè)將配水渠的輸水時(shí)間設(shè)為Z，則輸水時(shí)間最短目標(biāo)函數(shù)為：

(2)

各輪灌組持續(xù)引水時(shí)間差的最小目標(biāo)函數(shù)可以表示為[4]：

ΔT=min{max(Ti-Tk)} (1≤i≤M,1≤k≤M,且i≠k)

(3)

式中：ΔT為輪灌組持續(xù)引水的時(shí)間差；Ti,Tk分別為第i輪灌組和第k輪灌組持續(xù)引水所耗費(fèi)的時(shí)間。

2.2 函數(shù)權(quán)重計(jì)算

要求解式(2)雙目標(biāo)函數(shù)，首先要對(duì)其中的權(quán)重進(jìn)行計(jì)算。本文選用層次分析法(AHP)對(duì)指標(biāo)的權(quán)重進(jìn)行定量計(jì)算。層次分析法主要是將決策劃分成多個(gè)層次后，再結(jié)合定性及定量法對(duì)其中各因素所占權(quán)重進(jìn)行分析。其主要的分析步驟為：首先構(gòu)建與決策相應(yīng)的判斷矩陣；其次計(jì)算各判斷矩陣中因素的權(quán)重值；最后對(duì)判斷矩陣進(jìn)行一致性檢驗(yàn)。層次分析法判斷矩陣的主要形式見(jiàn)表1[3]。

表1 判斷矩陣構(gòu)建

表中設(shè)定C為A1～An的總目標(biāo)元素，A1～An為與總目標(biāo)元素相連的準(zhǔn)則層元素，a11～ann為相對(duì)于C來(lái)講A1～An中兩元素相比較的相對(duì)重要性的數(shù)值體現(xiàn)。

計(jì)算判斷矩陣最大特征根：

(4)

式中：A為判斷矩陣；W為特征向量；λmax為最大特征值，(AW)i為AW的第i個(gè)分量。

2.3 函數(shù)轉(zhuǎn)化

將雙目標(biāo)函數(shù)代入到層次分析法模型中進(jìn)行計(jì)算[5]，得到目標(biāo)函數(shù)Z的權(quán)重為wZ=0.667，ΔT的權(quán)重值為wΔT=0.333，一致性檢驗(yàn)CR=0.001<0.1。由此看出該判斷矩陣最大程度上接近完全一致性。

基于此，將灌區(qū)渠系優(yōu)化配水模型雙目標(biāo)函數(shù)Z與ΔT轉(zhuǎn)化為單目標(biāo)函數(shù)為：

Y=wZZ+wΔTΔT

(5)

根據(jù)式(2)、式(3)和式(5)，可以得到目標(biāo)函數(shù)的具體表達(dá)式。假設(shè)灌區(qū)灌溉輪期為T，則各輪灌組引水時(shí)間與輪期的關(guān)系為：

(6)

2.4 基于遺傳算法的模型求解

遺傳算法是一種通過(guò)模擬生物在自然環(huán)境中的進(jìn)化過(guò)程，來(lái)搜索最優(yōu)解的自適應(yīng)全局優(yōu)化概率的搜索算法[6]。遺傳算法在實(shí)際的應(yīng)用過(guò)程中，首先以研究問(wèn)題作為基礎(chǔ)設(shè)定相應(yīng)的初始研究種群；然后利用遺傳算子對(duì)該群種開(kāi)展一系列的選擇、交叉等操作；最后借助迭代操作得出最終與研究問(wèn)題相符的最優(yōu)解或是最接近最優(yōu)解。遺傳算法中開(kāi)展的選擇、交叉等操作具備隨機(jī)性特征，賦予了該算法在問(wèn)題研究過(guò)程中求解無(wú)約束特征。本文采用遺傳算法對(duì)灌區(qū)渠系優(yōu)化配水模型求解，問(wèn)題的最終解即為可行解[4]。

求解的具體步驟可以簡(jiǎn)單地概括為：

1)編碼。將決策變量xij看成是一個(gè)M×N的矩陣，將矩陣當(dāng)中列值為1的行數(shù)作為編碼基因，按照1～N的整數(shù)對(duì)基因進(jìn)行編碼。

2)產(chǎn)生初始種群。在滿足目標(biāo)函數(shù)約束條件的情況下，產(chǎn)生N條染色體。

3)評(píng)價(jià)函數(shù)適應(yīng)度。將目標(biāo)函數(shù)作為適應(yīng)度函數(shù)，以初始種群進(jìn)行解碼，代入到目標(biāo)函數(shù)中，從而得到各個(gè)染色體的適應(yīng)度值。

4)對(duì)染色體進(jìn)行選擇、交叉和變異，直到產(chǎn)生最優(yōu)種群，即為最優(yōu)解。

3 系統(tǒng)設(shè)計(jì)

3.1 整體架構(gòu)搭建

本文結(jié)合灌區(qū)管理的實(shí)際情況，在整體架構(gòu)搭建時(shí)將系統(tǒng)分為中心站和分灌區(qū)管理站兩個(gè)部分，其中分灌區(qū)管理站主要負(fù)責(zé)農(nóng)業(yè)供水現(xiàn)場(chǎng)數(shù)據(jù)采集、存儲(chǔ)以及上傳工作[5]。中心站分系統(tǒng)是整體系統(tǒng)中最關(guān)鍵的部分，設(shè)置在農(nóng)業(yè)供水的監(jiān)測(cè)中心，主要負(fù)責(zé)灌區(qū)配水等供水調(diào)度管理工作。具體架構(gòu)如圖1所示。

3.2 系統(tǒng)功能構(gòu)建

3.2.1分灌區(qū)管理站主要功能設(shè)計(jì)

分灌區(qū)管理站(以下簡(jiǎn)稱分站)采集的數(shù)據(jù)包括流量、水位、閘位等[6]。本文在對(duì)分站功能進(jìn)行設(shè)計(jì)時(shí)，首先對(duì)流量、水位、閘門等數(shù)據(jù)進(jìn)行設(shè)置，并將分站設(shè)置為長(zhǎng)期微功耗值守狀態(tài)，當(dāng)發(fā)現(xiàn)這些數(shù)據(jù)超出預(yù)先設(shè)置值或是閘門狀態(tài)發(fā)生變化時(shí)，及時(shí)向中心站發(fā)送相關(guān)信息。

圖1 農(nóng)業(yè)供水信息系統(tǒng)整體架構(gòu)

3.2.2中心站主要功能設(shè)計(jì)

由于中心站是整個(gè)農(nóng)業(yè)供水管理系統(tǒng)中最為關(guān)鍵的部分，本文將重點(diǎn)對(duì)此部分的功能進(jìn)行設(shè)計(jì)。中心站供水管理系統(tǒng)主要包括5大模塊，分別為實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)、數(shù)據(jù)管理、模擬計(jì)算、供水管理以及輔助決策，具體如圖2所示。

圖2 系統(tǒng)具體功能設(shè)計(jì)

實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)模塊由3部分組成，分別為實(shí)時(shí)信息采集、運(yùn)行監(jiān)視以及實(shí)時(shí)報(bào)警。實(shí)時(shí)信息采集主要負(fù)責(zé)對(duì)農(nóng)業(yè)供水過(guò)程中水情、雨情、工情等相關(guān)監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)進(jìn)行自動(dòng)化采集，如閘泵安全運(yùn)行狀態(tài)、庫(kù)區(qū)雨量、干渠各支渠口流量等，并對(duì)這些監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)進(jìn)行預(yù)處理之后提供給實(shí)時(shí)信息傳輸模塊；運(yùn)行監(jiān)視主要對(duì)采集到的信息進(jìn)行展示；實(shí)時(shí)報(bào)警模塊主要是當(dāng)實(shí)時(shí)信息、工情等超出預(yù)設(shè)閾值時(shí)向管理人員發(fā)出警報(bào)，并將報(bào)警信息記錄到相關(guān)設(shè)備的報(bào)警日志中，為維修人員提供依據(jù)。

模擬計(jì)算模塊最主要的功能是灌區(qū)配水計(jì)算，是以農(nóng)業(yè)灌區(qū)種植面積為基礎(chǔ)，對(duì)灌區(qū)各單元的應(yīng)配水量進(jìn)行計(jì)算，為各灌區(qū)提供合理的供水方案，是整個(gè)農(nóng)業(yè)供水自動(dòng)化管理系統(tǒng)中最重要的功能。筆者認(rèn)為在灌區(qū)配水方面，長(zhǎng)期從事農(nóng)業(yè)工作的農(nóng)民更具相關(guān)經(jīng)驗(yàn)，他們可根據(jù)時(shí)節(jié)、氣候條件及田間情況較準(zhǔn)確地估算出所需要的水量，因此本文在此功能模塊中將以用水戶的申報(bào)數(shù)據(jù)作為灌區(qū)配水計(jì)算的依據(jù)，用水戶申報(bào)的數(shù)據(jù)主要包括灌溉面積、用水量、用水時(shí)間等。系統(tǒng)在收到用水戶申請(qǐng)之后將其進(jìn)行分類匯總，再根據(jù)各級(jí)渠道的最大流量等制定出合理的灌區(qū)配水計(jì)劃，從而滿足不同灌區(qū)用水戶的配水需求。

數(shù)據(jù)管理模塊主要負(fù)責(zé)對(duì)供水管理系統(tǒng)中相關(guān)數(shù)據(jù)進(jìn)行維護(hù)、修改、存儲(chǔ)等,并及時(shí)提供數(shù)據(jù)查詢服務(wù)。

供水管理模塊主要是對(duì)用戶、用戶用水費(fèi)用、用戶用水計(jì)劃、溝渠等進(jìn)行管理。

輔助決策模塊主要是為灌區(qū)供、用水提供相關(guān)的輔助決策信息，如來(lái)水的預(yù)測(cè)、水庫(kù)調(diào)度方案等等。

4 系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)

系統(tǒng)運(yùn)行所顯示的灌區(qū)信息化管理平臺(tái)主界面如圖3所示。

圖3 灌區(qū)信息化管理平臺(tái)主界面

具體的水位監(jiān)測(cè)界面如圖4所示。

5 結(jié)束語(yǔ)

本文設(shè)計(jì)的農(nóng)業(yè)自動(dòng)化灌區(qū)供水管理系統(tǒng)，能夠?qū)鄥^(qū)的各項(xiàng)數(shù)據(jù)進(jìn)行動(dòng)態(tài)監(jiān)測(cè)，實(shí)現(xiàn)了灌區(qū)用水和供水的一體化管理，為提高灌區(qū)用水效率提供了幫助。但是，本文只是對(duì)灌區(qū)自動(dòng)供水管理系統(tǒng)進(jìn)行了初步設(shè)計(jì)，接下來(lái)還需要對(duì)其模型和界面等進(jìn)行進(jìn)一步的優(yōu)化。

圖4 灌區(qū)水位監(jiān)測(cè)界面