于國興　張政男

摘 要：以寧夏固海揚水工程為背景進(jìn)行信息化建設(shè)，通過調(diào)度中心綜合信息化平臺建設(shè)，對整個灌區(qū)進(jìn)行統(tǒng)一調(diào)度。建立固海揚水灌溉調(diào)度管理系統(tǒng)，從灌溉自動化、土壤墑情、灌溉用水遠(yuǎn)程計量收費、灌區(qū)工情GIS信息系統(tǒng)實現(xiàn)自動化灌溉，結(jié)合智能閘門信息遠(yuǎn)程自動化監(jiān)控系統(tǒng)，為灌區(qū)管理部門提供科學(xué)的決策依據(jù)，為實現(xiàn)高效農(nóng)業(yè)提供技術(shù)保障。

關(guān)鍵詞：揚水工程;信息化平臺;灌溉調(diào)度;監(jiān)測系統(tǒng);自動化控制

中圖分類號：TV51文獻(xiàn)標(biāo)識碼：A文章編號：1003-5168（2018）31-0073-03

Information Construction and Application of Guhai Yangshui

Project in Ningxia

YU Guoxing1 ZHANG Zhengnan2

（1.Ningxia Guhai Yanghsui Management Division，Zhongning Ningxia 755100;

2.College of Water Conservancy，North China University of Water Resources and Electric Power，Zhengzhou Henan 450045）

Abstract： The information construction was carried out in the background of the Ningxia Guhai Yangshui Project. Through the construction of the comprehensive information platform of the dispatch center， the entire irrigation district was uniformly dispatched. Establishing the Guhai Yangshui irrigation dispatching management system， from the irrigation automation， soil moisture， remote metering and charging of irrigation water， irrigation area GIS information system to achieve automatic irrigation， combined with intelligent gate information remote automatic monitoring system， to provide scientific decision-making basis for irrigation district management department to improve the efficiency of irrigation district management， promote the healthy development of irrigation district management， and provide technical support for efficient agriculture.

Keywords： water project;information platform;irrigation scheduling;monitoring system;automation control

寧夏固海揚水工程位于寧夏中部干旱帶回族聚居地區(qū)，是全國揚程最高、灌溉面積最大的公益性扶貧揚黃工程，承擔(dān)著灌區(qū)113 760hm2農(nóng)業(yè)灌溉和高效節(jié)水補(bǔ)灌、人畜飲水、生態(tài)用水等供水任務(wù)。固海揚水工程現(xiàn)有大中小型泵站36座，其中高壓泵站31座，低壓泵站4座。大型泵站（單座泵站裝機(jī)容量大于10 000kW）5座，其余中小型泵站31座，變電所28座（110kV變電所11座，35kV變電所12座，10kV變電所3座，6kV變電所2座）。固海揚水系統(tǒng)建成后，現(xiàn)有三個系統(tǒng)：固海系統(tǒng)，渠道總長120km;固海擴(kuò)灌系統(tǒng)，渠道總長220km;同心系統(tǒng)，渠道總長63km。

1 調(diào)度中心綜合信息化平臺建設(shè)

1.1 概述

灌區(qū)信息化[1]于2016年開始進(jìn)行信息化試點，在干渠交接處安裝有監(jiān)測儀器，太陽能供電，超聲波監(jiān)測水位、流速。在斗口處裝有全自動測控閘門，斗口附近裝有超聲波、雷達(dá)儀器來進(jìn)行水位、流速監(jiān)測等，同步安裝有視頻監(jiān)控，泵站已經(jīng)全部實現(xiàn)自動化[2]。

為了與項目的高要求匹配，應(yīng)使用高度擴(kuò)展性且穩(wěn)定的SOA系統(tǒng)[3]，并具有獨特的開放平臺的流程，可以確保得到最新、經(jīng)濟(jì)和面向未來的解決方案。其現(xiàn)代設(shè)計和架構(gòu)允許在包括規(guī)劃、決策、集中、培訓(xùn)、操作和維護(hù)的所有生命周期內(nèi)對整個工程進(jìn)行經(jīng)濟(jì)操作，包括未來擴(kuò)展。平臺主要根據(jù)以下目標(biāo)進(jìn)行設(shè)計：①管理處調(diào)度中心信息平臺的數(shù)據(jù)整合及共享;②機(jī)關(guān)各個科室及試點基層站職工同平臺實現(xiàn)辦公自動化;③視頻監(jiān)控的數(shù)據(jù)處理及試點泵站的自動化數(shù)據(jù)采集。

該平臺為模塊化多用戶冗余系統(tǒng)，多用戶系統(tǒng)包含從服務(wù)器接收數(shù)據(jù)的試點基層操作員站（OS客戶端）。服務(wù)器上運行的關(guān)鍵應(yīng)用程序通過軟件故障的健康檢查進(jìn)行監(jiān)控。如果檢測到故障，將切換至冗余系統(tǒng)。冗余服務(wù)器自動以高速進(jìn)行同步。

1.2 目的

①調(diào)度中心綜合信息存儲、管理功能，能搭建一個對泵站上傳的各類數(shù)據(jù)即泵站自動化監(jiān)控數(shù)據(jù)、視頻信號和灌區(qū)監(jiān)控點的綜合數(shù)據(jù)進(jìn)行管理、存儲和查詢的平臺，保證安全措施。

②泵站職工互聯(lián)網(wǎng)絡(luò)應(yīng)用，水利電子政務(wù)辦公功能。實現(xiàn)泵站職工上網(wǎng)和泵站日常電子辦公應(yīng)用的能力，實現(xiàn)網(wǎng)上辦公、無紙化辦公功能，實現(xiàn)管理處干部職工同平臺辦公，減少紙質(zhì)文件傳閱。

③IP語音通訊功能，借助互聯(lián)網(wǎng)和IP技術(shù)，滿足行政管理、生產(chǎn)調(diào)度、業(yè)務(wù)聯(lián)系的通話功能。

④建立遠(yuǎn)程閘門斗口控制功能，實現(xiàn)配水灌溉信息化管理。

1.3 系統(tǒng)描述

固海揚水管理處綜合信息平臺的建立，使各業(yè)務(wù)系統(tǒng)打破了以往“各自為政”的運行模式，將以往的一座座“信息孤島”有機(jī)組合起來，從數(shù)據(jù)到功能實現(xiàn)完全的資源共享和應(yīng)用集成。集成所實現(xiàn)的不僅是簡單的“一加一等于二”的界面集合，而是通過對已有數(shù)據(jù)的深入挖掘和對已有功能的聯(lián)動組合，實現(xiàn)功能的擴(kuò)展和衍生，達(dá)到“一加一大于二”的效果。平臺建成以后，主要有以下功能。

①聯(lián)通“信息孤島”，實現(xiàn)數(shù)據(jù)共享。將各業(yè)務(wù)系統(tǒng)的獨立數(shù)據(jù)完美集成，互通共享，實現(xiàn)跨業(yè)務(wù)的信息查詢。充分挖掘數(shù)據(jù)，提供輔助決策[4]。通過對集成數(shù)據(jù)的深入挖掘，對比歷史數(shù)據(jù)，分析當(dāng)前數(shù)據(jù)，根據(jù)供水企業(yè)的行業(yè)特征，為領(lǐng)導(dǎo)提供行之有效的決策方案。

②實現(xiàn)真正辦公自動化[5]，提高工作效率。將以往在單個系統(tǒng)內(nèi)無法實現(xiàn)的工作流程提取到綜合平臺上流轉(zhuǎn)，使信息高效流動，部門之間實現(xiàn)協(xié)同辦公。同時，提供網(wǎng)絡(luò)會議、資源預(yù)定、公文發(fā)送、資料互傳、日歷提醒等辦公自動化功能。

③減少重復(fù)勞動，降低運營成本。以往重復(fù)的數(shù)據(jù)錄入、資料更新等煩瑣操作在一個系統(tǒng)中進(jìn)行一次即可在所有系統(tǒng)中得到同步獲得。

2 固海揚水灌溉調(diào)度管理系統(tǒng)

灌區(qū)信息化包括四個方面：灌溉自動化系統(tǒng)、土壤墑情系統(tǒng)、灌溉用水遠(yuǎn)程計量收費系統(tǒng)和灌區(qū)工情GIS信息系統(tǒng)。農(nóng)業(yè)灌溉是我國農(nóng)業(yè)和農(nóng)村經(jīng)濟(jì)發(fā)展的基礎(chǔ)。但目前，主管部門仍難以及時、準(zhǔn)確和全面地掌握灌區(qū)狀況及變化趨勢。灌區(qū)信息化就是利用信息技術(shù)，采集灌區(qū)內(nèi)的水情信息（水位、流量、水質(zhì)）、氣象信息（降水量、溫度）、土壤墑情（溫度、水分、鹽度、水勢）、作物長勢等。通過軟件對采集到的相關(guān)信息進(jìn)行存儲和處理，實現(xiàn)自動化灌溉;為灌區(qū)管理部門提供科學(xué)的決策依據(jù)，提升灌區(qū)管理的效能，促進(jìn)灌區(qū)管理工作的健康發(fā)展，為實現(xiàn)高效農(nóng)業(yè)提供技術(shù)保障。

2.1 灌溉自動化系統(tǒng)

自動化灌溉控制系統(tǒng)是將計算機(jī)技術(shù)、傳感器與檢測技術(shù)及通信技術(shù)結(jié)合起來，能檢測土壤墑情、環(huán)境特征，并依據(jù)檢測結(jié)果決定灌溉量與灌溉時間，擺脫了傳統(tǒng)的全憑經(jīng)驗灌溉的灌溉模式，并能通過計算機(jī)程序，構(gòu)筑供水流量、壓力、土壤水分、作物生長信息、氣象資料的自動化監(jiān)測控制系統(tǒng)。

系統(tǒng)首先通過各種傳感器對水量、墑情等信息進(jìn)行實時的數(shù)據(jù)采集，通過不同的信號輸入轉(zhuǎn)換模塊將數(shù)據(jù)傳送到控制室中的控制系統(tǒng)，通過專業(yè)的分析軟件進(jìn)行分析判斷，并將分析結(jié)果報知控制管理人員。為了保證整個系統(tǒng)的穩(wěn)定性，設(shè)置了手動和自動兩種操作方式。當(dāng)計算機(jī)發(fā)生故障時，可以切換到手動狀態(tài)。控制系統(tǒng)向田間測控站、水源測控站和動力測控站及時發(fā)出指令，控制水泵、電磁閥的啟閉，同時負(fù)反饋系統(tǒng)開始運作，將運行過程中的灌水流量、工作壓力、田間墑情、氣象信息等參數(shù)反饋回控制系統(tǒng)，加以參數(shù)判斷，進(jìn)行控制修正。監(jiān)測系統(tǒng)一直處于運作狀態(tài)，對整個過程中的參數(shù)進(jìn)行記錄存儲，已備查詢及數(shù)據(jù)分析之用。

2.2 土壤墑情監(jiān)測系統(tǒng)

土壤墑情監(jiān)測系統(tǒng)能實現(xiàn)對土壤墑情（土壤濕度）的長時間連續(xù)監(jiān)測。用戶可以根據(jù)監(jiān)測需要，靈活布置土壤水分傳感器;也可將傳感器布置在不同的深度，測量剖面土壤的水分情況。土壤墑情監(jiān)測系統(tǒng)可實現(xiàn)全天候不間斷監(jiān)測?，F(xiàn)場遠(yuǎn)程監(jiān)測設(shè)備自動采集土壤墑情實時數(shù)據(jù)，并利用GPRS無線網(wǎng)絡(luò)實現(xiàn)數(shù)據(jù)遠(yuǎn)程傳輸;監(jiān)控中心自動接收、自動存儲各監(jiān)測點的監(jiān)測數(shù)據(jù)到數(shù)據(jù)庫中。

2.3 灌溉用水遠(yuǎn)程計量收費系統(tǒng)

為解決農(nóng)業(yè)灌溉用水中存在的計量計費不準(zhǔn)、水費征收難、水資源浪費嚴(yán)重等問題，利用現(xiàn)代自動控制、射頻觸發(fā)等技術(shù)，實現(xiàn)先交費后用水、按量計費、自動計量、自動啟閉泵的目標(biāo)，杜絕了只用水不交費及種種水事糾紛現(xiàn)象，實現(xiàn)了實時在線監(jiān)測、數(shù)據(jù)統(tǒng)計與查詢、取水計劃管理與控制，促進(jìn)水資源可持續(xù)利用和節(jié)約用水。該系統(tǒng)可廣泛應(yīng)用于井灌區(qū)和水庫灌區(qū)農(nóng)業(yè)用水管理。

2.4 灌區(qū)工情GIS信息系統(tǒng)

灌區(qū)工情GIS管理信息系統(tǒng)利用電子地圖作為應(yīng)用展示界面，通過地理信息的表現(xiàn)手法，如地圖瀏覽、圖層管理、地圖查詢、地圖輸出、匯總分析等，直觀、形象地完成水利工程設(shè)施的管理工作。根據(jù)《地理信息系統(tǒng)》的建立原則，系統(tǒng)采用二維和三維相結(jié)合的開發(fā)模式。系統(tǒng)的建設(shè)規(guī)模和功能要求與系統(tǒng)開發(fā)目標(biāo)緊密相關(guān)，系統(tǒng)的具體目標(biāo)應(yīng)是在科學(xué)合理的用戶需求分析基礎(chǔ)上確定的，因此，不同地域和不同部門在系統(tǒng)的建設(shè)規(guī)模和功能上具有一定差別。

3 智能閘門信息遠(yuǎn)程自動化監(jiān)控系統(tǒng)

灌區(qū)存在大量的小型閘門，距離遠(yuǎn)，數(shù)量多，不易操作和監(jiān)測。西門子S7-1200 PLC是專門為水庫庫區(qū)灌溉自動化領(lǐng)域設(shè)計開發(fā)的一款遠(yuǎn)程閘門控制、灌溉流量監(jiān)測、設(shè)備工況視頻圖像采集的終端產(chǎn)品。系統(tǒng)可通過光纖、GSM/CDMA手機(jī)信號網(wǎng)絡(luò)、數(shù)傳電臺和以太網(wǎng)等通信介質(zhì)實現(xiàn)數(shù)據(jù)的遠(yuǎn)程傳輸。不僅管理中心的監(jiān)控電腦能實時看到設(shè)備工況、灌溉流量、現(xiàn)場照片或視頻，能控制閘門的開啟和閉合，而且管理者的手機(jī)也能完成以上操作。系統(tǒng)由智能閘門控制器、高精度閘位傳感器、高精度流量監(jiān)測系統(tǒng)、圖片視頻監(jiān)視系統(tǒng)和大功率防雷保護(hù)器等組成，采用超低功耗電子電路設(shè)計。根據(jù)現(xiàn)場的實際情況，在有電力線的情況下可以選擇220V電力供電，在沒有電力線的情況下，可以采用風(fēng)能、太陽能+蓄電池組的供電方式。

閘門自動化系統(tǒng)的功能是：①0.37～15kW功率的閘門開啟/關(guān)閉控制，支持單相200V和三項380V供電的閘門;②對閘門運行產(chǎn)生的缺相、堵轉(zhuǎn)、過流、錯項、欠壓等鼓掌快速保護(hù);③可通過光纖、GSM/CDMA手機(jī)信號網(wǎng)絡(luò)、數(shù)傳電臺和以太網(wǎng)等通信介質(zhì)實現(xiàn)閘門工作狀況、灌溉流量、灌渠液位、閘門實時視頻圖像等信息的遠(yuǎn)程傳輸監(jiān)控;④實時控制閘位的開啟/閉合精度，可達(dá)到毫米級別;⑤閘位開啟的上限/下限限位精確保護(hù);⑥灌溉用水流量實時監(jiān)測;⑦灌渠水位的實時監(jiān)測;⑧閘門本地的圖像/視頻實時監(jiān)測;⑨超低功耗設(shè)計，支持在沒有任何電力的野外，采用太陽能風(fēng)能蓄電池供電系統(tǒng)供電;⑩系統(tǒng)可以實現(xiàn)蒸發(fā)量、大氣溫度、雨量、土壤水分、風(fēng)速風(fēng)向等精確監(jiān)測;?灌區(qū)管理者的手機(jī)能實時接收設(shè)備狀況、實時灌溉流量等信息;?系統(tǒng)可將閘門PLC采集的數(shù)據(jù)傳輸至調(diào)度中心。

4 結(jié)論

固海揚水灌區(qū)信息化系統(tǒng)的總體目標(biāo)是利用互聯(lián)網(wǎng)絡(luò)、計算機(jī)網(wǎng)絡(luò)、多媒體及自動控制等技術(shù)，建立覆蓋基層站所的通信網(wǎng)絡(luò)，實現(xiàn)調(diào)度中心對泵站自動化控制系統(tǒng)的監(jiān)控，建成覆蓋渠道流域和泵站的水利信息采集點，實現(xiàn)管理處調(diào)度中心和基層站所對泵站、渠道測水?dāng)嗝嬉约爸遍_口水位、水工建筑物、渠道險工險段等的監(jiān)測、監(jiān)視、遠(yuǎn)控，為水資源管理、水量調(diào)度、防汛減災(zāi)等提供服務(wù)，全面提升管理水平，為推進(jìn)節(jié)水型社會和節(jié)水型灌區(qū)提供可靠的技術(shù)支撐，基本實現(xiàn)傳統(tǒng)水利向現(xiàn)代水利、可持續(xù)發(fā)展水利轉(zhuǎn)變。

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