張 欣， 劉敏昊， 翟林鵬， 李 勝

(1.南京津碼智能科技有限公司， 江蘇 南京 210046； 2.江蘇省水利廳， 江蘇 南京 210029)

我國(guó)灌區(qū)大多興建于20世紀(jì)50—70年代，老化失修嚴(yán)重，處于超期服役或帶病運(yùn)行狀態(tài)，致使灌區(qū)水資源浪費(fèi)嚴(yán)重，灌溉水利用率低，灌溉效益大幅度衰減。國(guó)際上唯一一家完全專注于改善大規(guī)模自流灌溉系統(tǒng)的公司是澳大利亞的潞碧墾公司，該公司生產(chǎn)的一體化測(cè)控槽閘占有全世界絕大部分的市場(chǎng)份額。由于所有設(shè)備和材料都需要進(jìn)口，因此單套設(shè)備的成本已經(jīng)達(dá)到人民幣8萬(wàn)元，對(duì)于我國(guó)目前的灌區(qū)管理[1]來(lái)說(shuō)會(huì)帶來(lái)非常大的成本。因此，研發(fā)并推廣灌區(qū)斗口設(shè)備自動(dòng)化及其軟件平臺(tái)，構(gòu)建一體化斗口閘門測(cè)控系統(tǒng)[2-5]，對(duì)于實(shí)現(xiàn)農(nóng)業(yè)用水的智慧管控具有重大戰(zhàn)略意義和實(shí)際應(yīng)用價(jià)值。

江蘇省里下河地區(qū)是我國(guó)典型河網(wǎng)密布區(qū)域，分布著各類大中小型灌區(qū)。灌區(qū)的渠道分為干、支、斗、壟、毛等5個(gè)級(jí)別，目前即使大中型灌區(qū)也只在干支一級(jí)進(jìn)行了流量監(jiān)測(cè)，無(wú)法進(jìn)行農(nóng)業(yè)灌溉用水精準(zhǔn)計(jì)量，每個(gè)大中型灌區(qū)平均260個(gè)左右的斗口，因此斗口監(jiān)控設(shè)備的研發(fā)生產(chǎn)是國(guó)家實(shí)現(xiàn)水利信息化和農(nóng)業(yè)用水精準(zhǔn)計(jì)量與控制的關(guān)鍵。在廣泛消化吸收國(guó)內(nèi)外先進(jìn)技術(shù)的基礎(chǔ)上，研發(fā)了一體化斗口閘門智能測(cè)控系統(tǒng)，將與閘門相關(guān)的所有設(shè)備都集成在一起，遠(yuǎn)程控制閘門開(kāi)關(guān)以及開(kāi)度大小和傾角，支持流量自動(dòng)監(jiān)測(cè)，數(shù)據(jù)回傳和云端灌區(qū)用水決策分析。作為智慧灌區(qū)末端控制設(shè)備，能真正做到農(nóng)業(yè)用水智慧管控[6]，極大提升灌區(qū)取用水管理信息化、智能化水平。

1 總體設(shè)計(jì)

現(xiàn)代農(nóng)水智慧管控系統(tǒng)包括一體化閘門測(cè)控裝置和智慧灌區(qū)管理軟件兩大部分。其中流量分析計(jì)算的嵌入式軟件集成在一體化閘門測(cè)控裝置中；各種傳感器數(shù)據(jù)的高級(jí)應(yīng)用計(jì)算、閘門控制[6-7]及其相關(guān)數(shù)據(jù)的分析處理放在上位機(jī)(控制中心的服務(wù)器)上運(yùn)行，與手機(jī)APP同屬于智慧灌區(qū)管理軟件。整個(gè)系統(tǒng)的組成部分和數(shù)據(jù)關(guān)系如圖1所示。

圖1 系統(tǒng)的組成部分和數(shù)據(jù)關(guān)系

一體化閘門測(cè)控裝置的閘門分為平板閘門和槽型閘門2種，采用統(tǒng)一的接口、數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)、通信協(xié)議、控制方式，控制模塊能夠兼容。平板閘門具有水頭損失小，可替換現(xiàn)有閘門的優(yōu)勢(shì)，適合南方平坦地區(qū)。槽型閘門在各流量情況下有固定流量寬度，流速均勻，流量測(cè)量較準(zhǔn)確，但實(shí)際應(yīng)用需要一定高差，水頭損失大，適合北方地區(qū)。智慧灌區(qū)管理軟件包括PC端和手機(jī)APP端兩個(gè)版本，分別側(cè)重不同的功能模塊。主要功能模塊如圖2所示。

圖2 軟件系統(tǒng)的主要功能模塊

2 帶自清潔功能的斗口閘門設(shè)計(jì)

為了適應(yīng)南北方不同含沙量水質(zhì)特點(diǎn)，我們的斗口閘門測(cè)控系統(tǒng)，包括2層外框架：第一層外框架為支撐和固定框架，可根據(jù)地形結(jié)構(gòu)采用相適應(yīng)的船舶級(jí)鋁，聚苯乙烯泡沫塑料夾層，橡膠輔助樹(shù)脂傳遞模塑工藝，三元乙丙橡膠止水材料等，組成測(cè)流槽底座、側(cè)墻、槽型閘門極其第一電機(jī)等設(shè)施；第二層外框架主要安裝流水口、平板閘門和第二電機(jī)等設(shè)施。在兩層框架之間設(shè)置電機(jī)控制模塊、測(cè)量模塊、通信模塊、電源模塊等。

獨(dú)特的泥沙和小型水生植物淤積等沖洗裝置[8]，安裝在第二層外框架的內(nèi)測(cè)，防止水流緩慢時(shí)測(cè)流槽內(nèi)的雜物淤積造成水位誤差大、測(cè)流精度下降等問(wèn)題。該功能通過(guò)自制一種輕量級(jí)水下超聲波振動(dòng)單元實(shí)現(xiàn)，由超聲波換能器、升壓模塊、控制模塊、電源接口、信號(hào)接口、金屬底板和密封盒組成。該電路可將低壓直流經(jīng)漏電保護(hù)芯片檢測(cè)后，被MOSFET晶體管開(kāi)合轉(zhuǎn)換成高頻低壓交流電，再經(jīng)過(guò)變壓器升壓至超聲波工作電壓，阻抗調(diào)整后為超聲波換能器供電，然后通過(guò)換能器高頻振動(dòng)產(chǎn)生超聲波，最后超聲波經(jīng)金屬底板傳導(dǎo)輻射至底板雜質(zhì)。振動(dòng)單元工作時(shí)長(zhǎng)和工作間隔受延時(shí)芯片控制，可通過(guò)控制接口的信號(hào)配置，配合泥位計(jì)、水位計(jì)、沖刷管路等裝置和軟件，構(gòu)成小型灌渠測(cè)流設(shè)備的自動(dòng)泥沙雜質(zhì)清除系統(tǒng)，見(jiàn)圖3。

圖3 自動(dòng)泥沙雜質(zhì)清除系統(tǒng)結(jié)構(gòu)

該裝置振動(dòng)附著在底板上的泥沙等雜質(zhì)不易沉積、板結(jié)、固結(jié)，容易被渠道水流和沖刷管路沖洗清除，其獨(dú)立低壓供電超聲波振動(dòng)單元，可自由分布布置并配置同時(shí)工作或交替工作，兼容各種頻率超聲波換能器，單一模塊故障不影響整體系統(tǒng)工作，配備漏電保護(hù)功能，確保系統(tǒng)的安全可靠性。整體安裝示意圖，見(jiàn)圖4。

圖4 帶自清潔功能的斗口閘控系統(tǒng)安裝示意圖

3 數(shù)據(jù)采集與處理方法

本系統(tǒng)的數(shù)據(jù)采集與處理以智能采集終端為中心，支持?jǐn)z像頭數(shù)據(jù)回傳，支持有線通信和無(wú)線通信。圖2所示的軟件系統(tǒng)主要功能模塊主要部署在數(shù)據(jù)中心云平臺(tái)，與之配套的前端數(shù)據(jù)采集和處理，采用物聯(lián)網(wǎng)和邊緣計(jì)算技術(shù)，在自主研發(fā)的智能RTU和現(xiàn)場(chǎng)處理機(jī)上增加一定的數(shù)據(jù)判定和控制命令解析執(zhí)行功能，增強(qiáng)現(xiàn)場(chǎng)運(yùn)行控制的敏捷性。

其中前端的數(shù)據(jù)采集子系統(tǒng)部署在渠首和斗口站房?jī)?nèi)，由閘門模塊、氣象模塊、攝像頭模塊、墑情模塊和控制模塊組成，各模塊可根據(jù)實(shí)際需求與灌區(qū)內(nèi)部署氣象傳感器、墑情傳感器、雨量傳感器等配合工作。斗口設(shè)備自帶SRTU，提供接口可外接傳感器，將所采集上述傳感器信息通過(guò)無(wú)線信道上傳到灌區(qū)管理委員會(huì)或數(shù)據(jù)中心(數(shù)據(jù)中心可設(shè)在各省水利廳，也可就設(shè)在灌區(qū)管理委員會(huì))。

數(shù)據(jù)中心云平臺(tái)完成視頻、流量信息的監(jiān)控，灌溉調(diào)度計(jì)劃監(jiān)督，用水控制等；其數(shù)據(jù)匯集處理層包括實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)接收、報(bào)文解析、質(zhì)量控制、存儲(chǔ)與轉(zhuǎn)換處理等功能；數(shù)據(jù)庫(kù)層將預(yù)處理后的數(shù)據(jù)分類保存到相關(guān)數(shù)據(jù)庫(kù)中，為上層應(yīng)用提供數(shù)據(jù)服務(wù)；應(yīng)用層主要包括數(shù)據(jù)展示、智能管理、灌溉調(diào)度計(jì)劃制定、APP服務(wù)等功能，可利用大數(shù)據(jù)分析和人工智能等輔助決策技術(shù)，綜合利用氣象、水文、農(nóng)作物生長(zhǎng)等模型，對(duì)灌區(qū)各環(huán)境因素和農(nóng)作物產(chǎn)量做出中長(zhǎng)期預(yù)報(bào)，為灌溉方案的制定提供可靠數(shù)據(jù)支撐，更好地控制水資源、作物和生態(tài)環(huán)境之間的平衡。

4 結(jié) 語(yǔ)

本文提出的灌區(qū)一體化斗口閘門智能測(cè)控系統(tǒng)解決方案，將前端斗口閘門測(cè)控從傳統(tǒng)的水位、流量數(shù)據(jù)擴(kuò)展到氣象、土壤信息的時(shí)空同步上報(bào)，同時(shí)增加了測(cè)流槽的自清潔功能，大大降低了設(shè)備使用維護(hù)成本。利用智能RTU將灌水量、降水和土壤墑情信息同時(shí)上傳到智慧灌區(qū)管理平臺(tái)，支持灌區(qū)實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)的查詢、歷史數(shù)據(jù)的統(tǒng)計(jì)分析、灌溉調(diào)度計(jì)劃的智能生成、用水量統(tǒng)計(jì)分析、告警等多種應(yīng)用，并能遠(yuǎn)程接收智慧灌區(qū)管理平臺(tái)給出的控制指令，自動(dòng)控制斗口流量，為提升灌區(qū)業(yè)務(wù)高水平集成應(yīng)用創(chuàng)造了條件。