鄔政奇，潘學淵，李明東，唐中得，殷 飛

（1.吉林農(nóng)業(yè)科技學院，吉林 吉林 132101；2大連市水利規(guī)劃設計院，遼寧 大連 116000）

我國水資源匱乏，人均占有量不足2 200 m3，隨著現(xiàn)代工業(yè)的發(fā)展進步，更加快了水資源的利用，同時工業(yè)生產(chǎn)更是造成大量水污染。我國現(xiàn)在農(nóng)業(yè)灌溉處于大水漫灌與節(jié)水灌溉并存的階段，傳統(tǒng)灌溉模式?jīng)]有根據(jù)作物需水的程度來灌溉，很可能會引發(fā)作物受水過多而導致水澇，嚴重浪費水資源。21 世紀以來，國內(nèi)農(nóng)業(yè)灌溉進入到一個新的階段，實現(xiàn)了糧食的大豐收，農(nóng)業(yè)灌溉已經(jīng)成為國民經(jīng)濟一個新的增長點。

1 基于TRIZ理論的問題分析

TRIZ 理論是原蘇聯(lián)阿奇舒勒對發(fā)明問題解決理論的研究工作的總結，他發(fā)現(xiàn)了發(fā)明背后的模式并形成了TRIZ 理論的原始基礎。主要理論是：創(chuàng)新思維方法與問題分析方法，技術矛盾解決原理；創(chuàng)新問題標準解法等理論。本裝置基于以上理論的分析與應用，設計了居于軌道模式的自動化節(jié)水灌溉裝置模型。

1.1 最終理想解

最終理想解的設計分析見表1。

表1 最終理想解的設計分析Tab.1 The design analysis of final ideal solution

1.2 技術矛盾

即希望實現(xiàn)全自動灌溉模式又希望測定數(shù)據(jù)精確，構成了物體形狀和智能技術約束。

1.3 物理矛盾

文章設計的自動節(jié)水化灌溉裝置既要安裝簡單，又要精準灌溉。故決定采用物理矛盾的空間分離，將帶動裝置、灌溉裝置、排水部分，分離解決以上問題。

1.4 功能分析

基于以上理想解和矛盾的問題分析，對自動化節(jié)水灌溉進行了功能分析，見表2。

表2 功能分析表Tab.2 The function analysis

2 系統(tǒng)的研究與結構分析

根據(jù)功能分析，對系統(tǒng)的結構進行分析與設計。

2.1 系統(tǒng)的研究

研究灌溉軌道模式。

研究灌溉噴頭出水量以及出水模式。

研究如何將濕度傳給噴頭的接受裝置，實現(xiàn)不同的噴水模式。具體的技術路線見圖1。

圖1 技術路線圖Fig.1 The technical roadmap

2.2 系統(tǒng)基本結構

2.2.1 結構介紹

為了改變傳統(tǒng)的灌溉方式，該裝置用全新軌道的方式進行定點灌溉，能夠更好地節(jié)約水資源，利用定點的濕度來反饋并進行精準、定量的節(jié)水灌溉，具體的模型概念圖見圖2。

圖2 整體模型概念圖Fig.2 The conceptual diagram of the overall model

該裝置主要包括：動力裝置部分；智能自動化噴頭部分；土壤濕度傳感器部分；排水循環(huán)系統(tǒng)部分，以下僅列出動力裝置和噴頭，見圖3、圖4。

圖3 系統(tǒng)動力裝置Fig.3 The system power unit

圖4 自動化噴頭實體圖Fig.4 The entity diagram of automatic sprinkler

2.2.2 系統(tǒng)全自動原理

基于濕度檢測參數(shù)的自動節(jié)水化灌溉裝置，在作物下方埋入土壤濕度參數(shù)檢測儀，由濕度檢測裝置實時傳送作物土地的濕度，傳輸?shù)接脩粢苿咏K端，用戶登錄用戶名和密碼可以實時觀測作物的基本情況。移動網(wǎng)絡終端進行控制，軌道帶動小車進行模式灌溉，設定定點時間，自動智能地灌溉，見圖5。

圖5 移動網(wǎng)絡端用戶界面Fig.5 The user interface of mobile network terminal

2.2.3 結構特點

新型軌道模式。軌道是基于整體設計的骨架，承載著整個裝置體系的自重應力，軌道上方有固定剎車片，便于裝置小車剎車定點灌溉。

濕度傳感器。在作物下方埋入濕度傳感器，以便隨時傳輸作物濕度的參數(shù)，反饋到網(wǎng)絡終端，通過網(wǎng)絡終端實時傳輸?shù)接脩粢苿涌蛻舳恕?/p>

灌溉方式。通過濕度傳感器可以進行遠端定點灌溉，移動到濕度比較小的地方去，定點準確地給作物受水。一共有3 種模式：定點滴灌模式，霧型全方位灌溉模式，直流型遠端灌溉模式。

裝置小車。裝置小車在軌道上滑行，帶動灌溉噴頭移動，完成灌溉任務。

3 裝置的整體系統(tǒng)創(chuàng)新設計

3.1 裝置創(chuàng)新設計特點

灌溉裝置軌道有特殊剎車裝置，能夠處理特殊情況的制動剎車，保證整個裝置的正常運作，防止小車沖出軌道；有效縮短了灌水時間，該系統(tǒng)避免了傳統(tǒng)地面灌溉方式中畦田平整度阻礙水流向前推進現(xiàn)象的發(fā)生，水流在灌溉裝置中被帶動，流速比傳統(tǒng)灌溉速度快，且在灌溉中無水流損失；通過app自動設置，進行灌溉移動。

3.2 裝置系統(tǒng)水回流設計

自動節(jié)水灌溉裝置整體模型包括種植槽體、設置于種植槽體上的架體、沿架體長度方向往復平移運動的麥克納姆輪車、以及水箱。其中種植槽體包括傾斜種植面和位于傾斜種植面低位處的集水槽，種植槽體上位于集水槽外側位置設置有回流槽，集水槽的底部側壁設置有與回流槽連通的回流口，水箱內(nèi)安裝有第一抽液泵，第一抽液泵通過管道與噴淋裝置連接，回流槽通過管道與水箱連接。

圖6 側方內(nèi)部水渠 Fig.6 The side internal canal

圖7 側方外部水渠Fig.7 The lateral external canal

3.3 物理參數(shù)模式的設定

在利用自動控制啟動裝置時，在程序中設定了開啟，關閉系統(tǒng)的條件等，當某個量達到條件就執(zhí)行動作，比如濕度過低，產(chǎn)生報警，自動控制系統(tǒng)就會對整體裝置進行程序執(zhí)行灌溉，另外，自動灌溉裝置可以進行超遠距離傳輸，利用網(wǎng)絡等就可以實時接受數(shù)據(jù)，實時掌握作物的生產(chǎn)等，以便做出及時的判斷和調(diào)整，在自動節(jié)水化灌溉裝置中采用了物理參數(shù)控制模式，就是灌溉的方式不同，設置的灌溉方式模式也不同，灌溉和滴灌采用的2 種不同的模式，利用管道壓力，出水控制，水泵抽水強度，控制物理參數(shù)，一般有多種模式，大型噴灌模式，進行全部出水灌溉；定點噴灌模式，進行定點區(qū)域的灌溉；滴灌模式，利用噴頭的第二模式將水滴均勻的散落在需要噴灑的土壤，一般分為滴灌，滲灌，微灌模式。多種模式的物理參數(shù)控制，更好地實現(xiàn)了自動節(jié)水的灌溉模式，利用灌溉裝置進行節(jié)能，節(jié)水的灌溉，實現(xiàn)了水資源的節(jié)約，人工物力的節(jié)約，大大降低了人力的工作強度，實現(xiàn)了遠程控水的物理參數(shù)模式，見圖8。

圖8 終端控水裝置Fig.8 The terminal water control device

4 裝置的方案評價與前景分析

4.1 方案可行性分析

方案1：自動節(jié)水化灌溉裝置。將傳統(tǒng)灌溉固定裝置改成可移動的帶動裝置，在帶動裝置下增填軌道；在帶動裝置下增加噴頭裝置，進行定點灌溉。

方案2：手動型灌溉方式。利用半自動的手動方式進行定點灌溉。方案1評價：節(jié)約成本，節(jié)約用水，便于操控，可以進行遠端app模塊進行遠端控水，大大節(jié)省了人力。

方案2評價：費時費力，消耗大量的金錢，浪費水資源

4.2 存在的主要問題

地域的局限性，只適用于大棚結構，具有一定的局限性。安裝局限性，較傳統(tǒng)的灌溉安裝較為困難，滴灌地區(qū)小于傳統(tǒng)灌溉區(qū)域。

4.3 應用前景

據(jù)不完全統(tǒng)計，截至目前國內(nèi)從事節(jié)水灌溉產(chǎn)品制造和工程建設的企業(yè)約有500 家，導致節(jié)水灌溉產(chǎn)品的供需市場在短時間內(nèi)發(fā)生了較大的變化，但大多數(shù)企業(yè)規(guī)模較小，使得市場競爭日趨激烈。同時，大多數(shù)企業(yè)的生產(chǎn)和經(jīng)營狀況卻是：規(guī)模較小，資金較少，技術水平較低或缺乏各種專業(yè)技術人員合理搭配的較為完整的技術體系；研發(fā)和創(chuàng)新能力較弱，新產(chǎn)品難以出現(xiàn)；技術含量較高、制造工藝要求相對較高的產(chǎn)品和國外同類產(chǎn)品比較仍然有較大的差距；由于生產(chǎn)設備和管理上的原因，造成有些企業(yè)的產(chǎn)品質(zhì)量不穩(wěn)定。

近年來，我國相繼頒布了《全國農(nóng)業(yè)可持續(xù)發(fā)展規(guī)劃（2015-2020）》《水污染防治行動計劃》等有利于節(jié)水灌溉行業(yè)的產(chǎn)業(yè)政策，從水利、農(nóng)業(yè)、農(nóng)業(yè)綜合開發(fā)、土地整理以及城市園林等行業(yè)和領域入手加大對節(jié)水灌溉工程的投入，節(jié)水灌溉行業(yè)面臨新的發(fā)展機遇，行業(yè)發(fā)展?jié)摿薮蟆⑶熬翱春?。此工程原理清晰明了，工程結構簡單，便于施工制作，以及安置，使灌溉水頭能更好地為農(nóng)作物提升濕度。節(jié)約用水，省時省力省錢省心。