芻議灌區(qū)信息自動(dòng)化

趙 丹

(黑龍江省八五八農(nóng)場(chǎng)水務(wù)局，黑龍江密山158419)

1 灌區(qū)信息自動(dòng)化的發(fā)展背景

近幾年來(lái)，隨著水資源的日趨緊張，世界各國(guó)都在積極探索行之有效的節(jié)水途徑和措施。水利部提出了“從工程水利向資源水利轉(zhuǎn)變，從傳統(tǒng)水利向現(xiàn)代水利、可持續(xù)發(fā)展水利轉(zhuǎn)變”的新思路。按照這個(gè)思路，灌區(qū)應(yīng)建立良性循環(huán)的運(yùn)行機(jī)制。灌區(qū)的發(fā)展趨勢(shì)應(yīng)由單一的農(nóng)田灌溉供水向綜合供水發(fā)展，由傳統(tǒng)管理向信息化管理發(fā)展，這也是研究、探討灌區(qū)信息自動(dòng)化的前題。灌區(qū)信息自動(dòng)化是灌區(qū)現(xiàn)代化管理的基礎(chǔ)和重要標(biāo)志。

2 發(fā)展灌區(qū)信息自動(dòng)化的必要性

興凱湖灌區(qū)位于黑龍江省三江平原“兩江一湖”地區(qū)的東南部，密山市和虎林市境內(nèi)。區(qū)內(nèi)有個(gè)農(nóng)場(chǎng)，另在灌區(qū)南部有一處國(guó)家級(jí)自然保護(hù)區(qū)，即興凱湖自然保護(hù)區(qū)。全區(qū)總土地面積2 095 km2，區(qū)內(nèi)現(xiàn)有耕地12.06萬(wàn)hm2，其中水田8.42萬(wàn)hm2，旱 田 3.64萬(wàn)hm2。規(guī) 劃 灌 溉 水 田 面 積11.13萬(wàn)hm2，工程規(guī)模為大(1)型灌區(qū)。

長(zhǎng)期以來(lái)灌區(qū)內(nèi)的閘門主要依靠人工啟閉，水位靠人工觀測(cè)、記錄，流量只能估算，相關(guān)的數(shù)據(jù)精度不高，供、用水信息無(wú)法及時(shí)傳遞到灌區(qū)管理單位。灌區(qū)供水、排水調(diào)度僅憑經(jīng)驗(yàn)進(jìn)行操作，盲目性很大，不利于節(jié)約水資源。為了早日實(shí)現(xiàn)科學(xué)用水，提高灌溉效率，優(yōu)化水資源調(diào)度，我們開展了灌區(qū)信息自動(dòng)化系統(tǒng)的研究。

優(yōu)化灌區(qū)水資源配置、實(shí)施水資源優(yōu)化調(diào)度、灌區(qū)防汛抗旱、灌區(qū)水費(fèi)改革、灌區(qū)實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)采集等都離不開灌區(qū)信息自動(dòng)化系統(tǒng)。只有通過(guò)信息化系統(tǒng)設(shè)施的建設(shè)，提高信息采集、傳輸?shù)臅r(shí)效性和自動(dòng)化水平，才能為實(shí)現(xiàn)水資源優(yōu)級(jí)化配置提供手段，為灌區(qū)更好的服務(wù)經(jīng)濟(jì)社會(huì)發(fā)展創(chuàng)造條件。

3 灌區(qū)信息自動(dòng)化的主要內(nèi)容

目前灌區(qū)管理及行業(yè)管理大量資料和信息仍然以傳統(tǒng)的手工作業(yè)為主，既無(wú)法實(shí)現(xiàn)對(duì)各類資料信息的有效管理、維護(hù)，也無(wú)法做到信息共享和實(shí)時(shí)控制。這不僅影響到灌區(qū)管理水平的提高，而且各級(jí)水利行業(yè)主管部門也難以作到及時(shí)、準(zhǔn)確和全面了解掌握灌區(qū)及行業(yè)發(fā)展的狀況及變化趨勢(shì)。灌區(qū)信息自動(dòng)化的基本內(nèi)容是:數(shù)據(jù)的自動(dòng)采集、通信、處理及共享。①數(shù)據(jù)自動(dòng)采集:主要閘門相關(guān)數(shù)據(jù)的自動(dòng)監(jiān)測(cè)、記錄(自動(dòng)量水技術(shù))，具體包括閘門啟閉高度、閘前水位、閘后水位及流速的實(shí)時(shí)檢測(cè)，將數(shù)據(jù)記錄在閘門的控制器中。根據(jù)灌區(qū)的實(shí)際情況，選擇典型區(qū)，建立觀測(cè)試驗(yàn)站。觀測(cè)內(nèi)容包括降雨量、蒸發(fā)量、風(fēng)速、氣溫、土壤墑情及水層深度等自然信息的自動(dòng)采集。②數(shù)據(jù)通信:數(shù)據(jù)上傳及控制指令等信息交換采用有線+無(wú)線的混合模式。灌區(qū)設(shè)1個(gè)中心站，在每個(gè)分灌區(qū)設(shè)1個(gè)基站，N個(gè)現(xiàn)場(chǎng)測(cè)控終端。中心站到基站通過(guò)因特網(wǎng)通信，基站到測(cè)控終端采用無(wú)線通信。③數(shù)據(jù)處理:采集數(shù)據(jù)后，數(shù)據(jù)處理系統(tǒng)通過(guò)模型進(jìn)行數(shù)據(jù)處理，實(shí)時(shí)調(diào)節(jié)灌排流量。數(shù)據(jù)處理結(jié)果包括灌溉用水量預(yù)測(cè)、排水量預(yù)測(cè);當(dāng)日供水量、排水量、損失水量，各級(jí)渠道的是平均流量及各閘門的動(dòng)態(tài)跟蹤控制。④遠(yuǎn)程遙測(cè)、遙控:遠(yuǎn)程遙測(cè)、遙控功能主要由操作員下達(dá)相關(guān)指令，中心站與基站進(jìn)行信息交換，再由基站與測(cè)控終端進(jìn)行信息交換。此時(shí)，在中心站及基站的計(jì)算機(jī)顯示控制狀態(tài)示意及相關(guān)數(shù)據(jù)，終端站顯示相關(guān)數(shù)據(jù)。終端站為手動(dòng)、自動(dòng)一體化控制結(jié)構(gòu)，故障時(shí)手動(dòng)控制。軟件設(shè)有出錯(cuò)處理和應(yīng)急處理程序。⑤用水管理決策支持系統(tǒng)。用水管理決策支持系統(tǒng)以綜合數(shù)據(jù)庫(kù)為支撐根據(jù)上述信息數(shù)據(jù)源作為分析和調(diào)度運(yùn)行的基礎(chǔ)。通過(guò)建立系統(tǒng)模型如來(lái)水預(yù)報(bào)模型、可供水預(yù)報(bào)模型、需水預(yù)報(bào)模型、多水源聯(lián)合優(yōu)化調(diào)度運(yùn)行模型、水量調(diào)配模擬模型等，通過(guò)計(jì)算機(jī)軟件系統(tǒng)進(jìn)行分析，做出相應(yīng)的用水決策。⑥水費(fèi)管理系統(tǒng)。灌區(qū)信息化建設(shè)就是要對(duì)灌區(qū)傳統(tǒng)的工作模式、工作方法、工作手段進(jìn)行革新。針對(duì)灌區(qū)水資源緊缺，收水費(fèi)難問(wèn)題，通過(guò)建立灌區(qū)水費(fèi)管理系統(tǒng)，提高水費(fèi)收支的透明度，便于科學(xué)管理使用水費(fèi)，這是促進(jìn)灌區(qū)工作方式、服務(wù)方式以及工作作風(fēng)轉(zhuǎn)變的重要手段。

4 灌區(qū)信息自動(dòng)化的關(guān)鍵技術(shù)

4.1 測(cè)控終端

選用Microchip公司的PIC18F46K20型單片機(jī)為核心，配置相應(yīng)的傳感器及驅(qū)動(dòng)元件，組成現(xiàn)場(chǎng)測(cè)控終端設(shè)備。該單片機(jī)性價(jià)比較高，適于做現(xiàn)場(chǎng)測(cè)控。它集成了多種增強(qiáng)型片上外設(shè)，包括一個(gè)帶有鎖相環(huán)(PLL)、軟件可選的高精度16 MHz內(nèi)置振蕩器，一個(gè)具有地址掩碼功能的主控同步串行端口(I2CCM/SPI)模塊，一個(gè)備有脈寬調(diào)制(PWM)轉(zhuǎn)向功能的4通道、10位增強(qiáng)型捕捉/比較PWM模塊，多達(dá)14個(gè)通道、固定基準(zhǔn)電壓為1.2V的10位模數(shù)轉(zhuǎn)換器，以及雙軌對(duì)軌比較器。其他主要特性包括:多達(dá)64 KB閃存程序存儲(chǔ)器、3，936 字節(jié) RAM、1，024 字節(jié) EEPROM 數(shù)據(jù)。

4.2 數(shù)據(jù)通信及共享

在信息自動(dòng)化系統(tǒng)中，應(yīng)根據(jù)不同的應(yīng)用特點(diǎn)來(lái)選擇合適的通信方式，對(duì)于測(cè)控終端到基站的數(shù)據(jù)交換可采用無(wú)線通信(為了保證信息交換質(zhì)量可采用GSM網(wǎng)絡(luò)通信)，基站到中心站采用因特網(wǎng)通信。計(jì)算機(jī)網(wǎng)絡(luò)及無(wú)線通信組合應(yīng)用，為信息自動(dòng)化系統(tǒng)的高效運(yùn)行提供了支持。通過(guò)數(shù)據(jù)庫(kù)，將氣象、水文、水情、墑情、運(yùn)行等數(shù)據(jù)有效的歸檔整合，在管理平臺(tái)上實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)的共享。

數(shù)據(jù)庫(kù)是信息資源管理的先進(jìn)工具和處理核心，在整個(gè)系統(tǒng)中起著關(guān)鍵性作用。灌區(qū)綜合數(shù)據(jù)庫(kù)負(fù)責(zé)對(duì)灌區(qū)運(yùn)行數(shù)據(jù)的輸入、整理、歸檔、查詢、打印，進(jìn)行統(tǒng)一的有效的管理;為灌區(qū)的安全運(yùn)行和調(diào)度管理提供數(shù)據(jù)服務(wù)，能大幅度地提高灌區(qū)優(yōu)化調(diào)度和經(jīng)濟(jì)運(yùn)行等各項(xiàng)工作的效率。數(shù)據(jù)庫(kù)選用Microsoft SQL。

4.3 實(shí)時(shí)控制

灌區(qū)數(shù)據(jù)采集與處理的主要目的是為運(yùn)行管理提供依據(jù)，調(diào)度員依據(jù)系統(tǒng)提供的信息，及時(shí)下達(dá)控制指令。在控制軟件的設(shè)計(jì)中包含錯(cuò)誤指令處理程序，以保證系統(tǒng)運(yùn)行在正常的范圍內(nèi)。在閘門現(xiàn)場(chǎng)控制中有硬件、軟件雙限位措施，以保證設(shè)備不受損壞。遠(yuǎn)程監(jiān)控系統(tǒng)中，閘門控制軟件除了收發(fā)現(xiàn)場(chǎng)閘位、水位、閘門運(yùn)動(dòng)狀態(tài)等數(shù)據(jù)和對(duì)閘門進(jìn)行正常的升、降、停操控外，還將視頻監(jiān)控畫面嵌入閘控軟件，使得在對(duì)閘門進(jìn)行操控的同時(shí)可看到現(xiàn)場(chǎng)的設(shè)備運(yùn)行情況，提高了遠(yuǎn)程閘門控制系統(tǒng)的安全可靠性。

4.4 設(shè)計(jì)適合灌區(qū)管理的軟件系統(tǒng)

在軟件設(shè)計(jì)和開發(fā)中，緊密結(jié)合灌區(qū)實(shí)際情況和業(yè)務(wù)流程，開發(fā)專業(yè)性強(qiáng)，適用于灌區(qū)管理，人機(jī)界面友好，方便操作的平臺(tái)。

5 結(jié)語(yǔ)

由于灌區(qū)范圍大，工程分散，分水建筑物多，區(qū)內(nèi)氣候及作物生長(zhǎng)存在差異。降雨量分布不均，用傳統(tǒng)的人工傳遞信息方法來(lái)決策調(diào)度方案，其灌區(qū)水資源調(diào)配往往滯后于客觀實(shí)際的變化，很難達(dá)到優(yōu)級(jí)化調(diào)配、節(jié)約用水的目的。我國(guó)農(nóng)田灌溉用水的效率很低，全國(guó)綜合灌溉水的利用系數(shù)約為0.5，節(jié)水的潛力很大。除了通過(guò)工程措施提高用水效率外，先進(jìn)的灌區(qū)信息自動(dòng)化技術(shù)也是節(jié)約農(nóng)田灌溉用水的重要手段。因此，只有大力發(fā)展灌區(qū)信息自動(dòng)化建設(shè)，提高信息采集、傳輸、處理的時(shí)效性和自動(dòng)化水平，才能為實(shí)現(xiàn)水資源優(yōu)化配置提供手段，為灌區(qū)節(jié)水、可持續(xù)發(fā)展創(chuàng)造條件。

[1]徐建新.灌溉排水新技術(shù)[M].北京:中央廣播電視大學(xué)出版社，2008.

[2]吳普特，牛文全.節(jié)水灌溉與自動(dòng)控制技術(shù)[M].北京:化學(xué)工業(yè)出版社，2002.

[3]馮瑞菖.水利水電管理系統(tǒng)工程(第一版)[M].北京:水利水電出版社，1995.

[4]龐鴻賓.節(jié)水農(nóng)業(yè)工程技術(shù)(第一版)[M].鄭州:河南科學(xué)技術(shù)出版社，2000.

[5]水利部信息中心.水利信息化快速推進(jìn)[J].中國(guó)水利，2011(1).