孫啟鳴，蔣南云，於晶晶，汪向華，詹 俊

（1.南京林業(yè)大學(xué) 信息科學(xué)技術(shù)學(xué)院，南京 210037；2.南京工業(yè)大學(xué) 經(jīng)濟(jì)與管理學(xué)院，南京 210096；3.中鐵上海設(shè)計(jì)院集團(tuán)有限公司 電氣設(shè)計(jì)處，上海 200070；4.紫金山實(shí)驗(yàn)室 內(nèi)生安全處，南京 211102）

0 引言

我國是一個(gè)農(nóng)業(yè)大國，但是水資源相對(duì)匱乏[1]。農(nóng)業(yè)用水需求量大，大約占到總用水量的70%，其中灌溉用水占九成[2]。但是中國水資源總量?jī)H占世界的6%，不足世界人均水平的25%。目前，我國灌溉面積超過9億畝，灌溉用水缺口約300億立方米，未來可見范圍內(nèi)，用水量將長(zhǎng)期處于零增長(zhǎng)狀態(tài)，所以提高用水節(jié)水效率成為當(dāng)下一體化戰(zhàn)略的重要組成部分[3]。

提高節(jié)水效率依賴科學(xué)技術(shù)。上世紀(jì)50年代，在以色列普及開來的滴管技術(shù)為緩解水資源危機(jī)提供了一種技術(shù)思路[4]。滴水灌溉自動(dòng)控制技術(shù)相對(duì)復(fù)雜，技術(shù)要求高，雖然具有相對(duì)統(tǒng)一的系統(tǒng)結(jié)構(gòu)，但是由于不同地區(qū)氣候，海拔，緯度不同，導(dǎo)致土壤環(huán)境差異巨大，并且針對(duì)不同作物，需水量也不盡相同[5]。因此，滴水灌溉自動(dòng)控制作業(yè)是一個(gè)技術(shù)難點(diǎn)大，影響因素多，涉及范圍廣并且復(fù)雜程度高的系統(tǒng)化決策執(zhí)行過程[6]?；诰植?jī)?yōu)化以及特征提取功能的需要，滴水灌溉自動(dòng)控制系統(tǒng)應(yīng)當(dāng)包含三項(xiàng)基本要素：系統(tǒng)參數(shù)的確定；管網(wǎng)布置及水力計(jì)算；輪灌組的劃分。

1 采用虛擬仿真的必要性

要實(shí)現(xiàn)滴水灌溉系統(tǒng)設(shè)計(jì)，需要完成大量參數(shù)的設(shè)定，包括耗水強(qiáng)度，土壤滲水速率，濕潤(rùn)比，設(shè)計(jì)均勻度，水資源利用率，水源流量，灌溉周期，灌水額定值，灌溉時(shí)間等等[7]。其中不少參數(shù)需要各類傳感器材，不但需要考慮無線傳輸信號(hào)，還要綜合考量地形、植株對(duì)傳輸信號(hào)的影響[8]。但受學(xué)校實(shí)驗(yàn)場(chǎng)地、實(shí)驗(yàn)設(shè)備數(shù)量所限，難以構(gòu)建出類似林業(yè)基地的實(shí)驗(yàn)環(huán)境[9]。無線傳感組網(wǎng)模式和傳輸效率等實(shí)驗(yàn)環(huán)節(jié)也只能進(jìn)行一些小規(guī)模組網(wǎng)操作，學(xué)生缺乏對(duì)實(shí)際環(huán)境的直觀認(rèn)識(shí)[10]。

滴水灌溉系統(tǒng)設(shè)計(jì)除了需采集海量數(shù)據(jù)，更重要的是對(duì)這些數(shù)據(jù)進(jìn)行大數(shù)據(jù)分析。為此科研工作者建立了許多滴灌模型。該虛擬實(shí)驗(yàn)項(xiàng)目將幾類經(jīng)典滴水灌溉模型納入實(shí)驗(yàn)環(huán)節(jié)，將之前采集的各類環(huán)境數(shù)據(jù)輸入模型，學(xué)生可觀察到輸入各種數(shù)據(jù)組合得到的不同灌溉結(jié)果，并可與標(biāo)準(zhǔn)參照進(jìn)行對(duì)比。

傳統(tǒng)的分組統(tǒng)一授課模式受到時(shí)間和空間限制，難以具備靈活性和重復(fù)性[11]。通過虛擬仿真實(shí)驗(yàn)平臺(tái)，廣大學(xué)生可以隨時(shí)隨地自主進(jìn)行實(shí)驗(yàn)[12]。通過系統(tǒng)中的預(yù)習(xí)模塊學(xué)習(xí)相關(guān)基本原理，操作流程；在實(shí)驗(yàn)中鞏固和加深關(guān)鍵知識(shí)點(diǎn)的應(yīng)用；實(shí)驗(yàn)后生成報(bào)告，用以查漏補(bǔ)缺。

學(xué)生在傳統(tǒng)實(shí)驗(yàn)中通常只能被動(dòng)的接受[13]。所有實(shí)驗(yàn)流程基本固定，缺乏必要的交互環(huán)節(jié)，實(shí)驗(yàn)結(jié)果缺乏實(shí)時(shí)性，一旦出現(xiàn)錯(cuò)誤往往造成重大損失[14]。并且受條件和成本限制難以多次重復(fù)，降低了實(shí)驗(yàn)效果的同時(shí)，也抑制了學(xué)生的主觀能動(dòng)性[15]。

“滴灌自動(dòng)控制系統(tǒng)虛擬仿真實(shí)驗(yàn)”在各類管網(wǎng)選擇和鋪設(shè)等關(guān)鍵環(huán)節(jié)設(shè)置了交互環(huán)節(jié)，學(xué)生可以在一定范圍內(nèi)隨意設(shè)計(jì)實(shí)驗(yàn)參數(shù)，系統(tǒng)能夠根據(jù)學(xué)生的操作和參數(shù)設(shè)計(jì)按照預(yù)設(shè)模型模擬實(shí)驗(yàn)結(jié)果；學(xué)生可以類比各種情況下的實(shí)驗(yàn)結(jié)果并且得到信息反饋，從中反思整個(gè)過程中存在的問題，也可以通過反復(fù)操作，不斷優(yōu)化；通過此過程可以有效激發(fā)學(xué)生的主動(dòng)能動(dòng)性，幫助學(xué)生構(gòu)建科學(xué)的實(shí)驗(yàn)體系，和發(fā)現(xiàn)及解決問題的能力。

在此項(xiàng)實(shí)驗(yàn)平臺(tái)上，通過誘導(dǎo)，學(xué)生可以個(gè)性化選擇設(shè)計(jì)參數(shù)和操作，在安全的前提下進(jìn)行各類探索，避免傳統(tǒng)實(shí)驗(yàn)過程中的千篇一律。學(xué)生在撰寫實(shí)驗(yàn)報(bào)告的過程中可以分析成功以及失敗的原因，根據(jù)學(xué)生的實(shí)驗(yàn)情況，系統(tǒng)能夠自動(dòng)生成課后習(xí)題；教師可以從中清晰了解學(xué)生的學(xué)習(xí)效果和尚待解決的問題，利于今后課堂教學(xué)的優(yōu)化；此外本實(shí)驗(yàn)項(xiàng)目也為師生交流提供一個(gè)平臺(tái)，方便教師及時(shí)解決學(xué)生疑問。

2 虛擬仿真平臺(tái)的設(shè)計(jì)

此虛擬平臺(tái)主要采用自主式實(shí)驗(yàn)方法，實(shí)驗(yàn)項(xiàng)目以應(yīng)用形式引入，將應(yīng)用各個(gè)環(huán)節(jié)進(jìn)行拆分，嵌入知識(shí)點(diǎn)，在操作應(yīng)用流程時(shí)自然而然掌握了知識(shí)點(diǎn)，同時(shí)配備詳細(xì)實(shí)驗(yàn)參考和實(shí)驗(yàn)指導(dǎo)，學(xué)生完全能夠自主實(shí)驗(yàn)。

圖1 實(shí)驗(yàn)平臺(tái)流程圖

具體操作步驟如下：

1）登錄“滴灌系統(tǒng)虛擬仿真實(shí)驗(yàn)”。

圖2 滴灌自動(dòng)控制系統(tǒng)虛擬仿真實(shí)驗(yàn)主菜單

2）實(shí)驗(yàn)環(huán)境預(yù)勘察。

3）基本參數(shù)預(yù)設(shè)。

4）滴頭型號(hào)選擇。

如圖3～圖6所示。

圖3 水源參數(shù)設(shè)置

圖4 設(shè)計(jì)參數(shù)確定及優(yōu)化

圖5 滴頭選擇

圖6 滴頭的工作壓力與流量曲線模型

這一階段主要的任務(wù)是觀察整個(gè)待灌溉區(qū)域的面積、植被覆蓋情況，樹木需水情況。從而完成基本參數(shù)輸入，主要包括土壤參數(shù)，植株參數(shù)，水源參數(shù)，地形參數(shù)等，更進(jìn)一步設(shè)定持水量，濕潤(rùn)比，滲水率，需水量，滴頭間距，毛管間距等，同時(shí)完成設(shè)計(jì)參數(shù)初步確定以及二次優(yōu)化等內(nèi)容。并且在滴頭數(shù)據(jù)表中預(yù)先創(chuàng)建ID，廠家，類型，外觀，型號(hào)等預(yù)先設(shè)定字段，管理員可以在后臺(tái)完成添加，編輯和刪除等操作。點(diǎn)擊滴頭型號(hào)或者外觀，會(huì)顯示該滴頭的工作壓力與流量曲線模型，供參考選擇。

5）毛管選型。

6）支管選型。

7）輸水干管選型。

如圖7、圖8所示。

圖7 毛管設(shè)備選型

圖8 支管初步優(yōu)化

圖9 輸水配管二次優(yōu)化結(jié)果

圖10 水泵選擇

以上為選型的主要操作步驟，按照先毛管，后支管最后干管的順序完成。其中毛管設(shè)計(jì)通常按照滴頭工作壓力是否已知分為兩種情況，根據(jù)不同情況，選擇毛管布置方式，即單向布置或雙向布置，完成初步設(shè)計(jì)和二次優(yōu)化。而后支管管材通常為PE或者PVC材料制成，不同材質(zhì)，摩擦系數(shù)不同，根據(jù)選材不同，系統(tǒng)默認(rèn)提供不同摩擦系數(shù)。輸入?yún)?shù)后，微灌水壓力偏差分配。通過拉格朗日松弛法完成初步管徑選取。

待初次選型之后，進(jìn)行二次優(yōu)化，主要工作為：根據(jù)變徑數(shù)，對(duì)管徑進(jìn)行標(biāo)準(zhǔn)化計(jì)算，同時(shí)計(jì)算出水頭損失，進(jìn)口壓力，調(diào)壓管長(zhǎng)等參數(shù)，完成二次優(yōu)化。地形高度差進(jìn)行滴灌，主要使用山地陡坡，再有是機(jī)壓灌溉，通過預(yù)先設(shè)定水泵參數(shù)，可以自主選擇系統(tǒng)壓力。

最后完成干管選擇。輸水干系統(tǒng)是由若干輸水干管和配水干管組成，需要首先進(jìn)行輸水干管設(shè)計(jì)。將數(shù)據(jù)提交，得到初步優(yōu)化結(jié)果。與支管類似，完成參考初步優(yōu)化的管徑，對(duì)管徑進(jìn)行二次優(yōu)化，得到各條輸水干管管段直徑，水頭損失，節(jié)點(diǎn)水頭等，從而完成干管優(yōu)化設(shè)計(jì)。干管通常有兩種情況，一類是自壓灌溉，利用地形高度差進(jìn)行滴灌，主要使用山地陡坡，再有是機(jī)壓灌溉，通過預(yù)先設(shè)定水泵參數(shù)，可以自主選擇系統(tǒng)壓力。

8）配水干管的設(shè)計(jì)，同樣需要輸入設(shè)計(jì)參數(shù)。計(jì)算過程與輸水干管類似，同樣經(jīng)過初步設(shè)計(jì)和二次優(yōu)化，完成流量，長(zhǎng)度和直徑的計(jì)算。

9）水泵選型。水泵選型主要包括計(jì)算流量和揚(yáng)程，若是選擇自壓灌溉，則此步可以忽略。

10）實(shí)驗(yàn)?zāi)M和實(shí)驗(yàn)總結(jié)。完成上述選型步驟，即可進(jìn)行在線模擬，查看灌溉結(jié)果，之后進(jìn)入到實(shí)驗(yàn)報(bào)告撰寫和提交環(huán)節(jié)。根據(jù)各類參數(shù)設(shè)置和模擬結(jié)果，進(jìn)行實(shí)驗(yàn)報(bào)告的撰寫，分析成功和失敗的原因，以及相應(yīng)的改進(jìn)措施，并在線提交，根據(jù)評(píng)分結(jié)果，得出此次實(shí)驗(yàn)得分。

11）課后測(cè)試。在線提交后，系統(tǒng)自動(dòng)生成題目，以檢測(cè)學(xué)生對(duì)實(shí)驗(yàn)過程的理解和把握情況，成績(jī)反饋至指導(dǎo)教師處，作為參考數(shù)據(jù)。

3 主要?jiǎng)?chuàng)新點(diǎn)

3.1 設(shè)計(jì)思路創(chuàng)新

虛擬仿真實(shí)驗(yàn)主要是針對(duì)灌溉工程中對(duì)環(huán)境要求高，成本打，不易重復(fù)與實(shí)驗(yàn)室空間和時(shí)間相對(duì)有限的矛盾而設(shè)計(jì)開發(fā)的。通過短短數(shù)個(gè)小時(shí)就可模擬整個(gè)滴灌項(xiàng)目從需求到完成的一整套設(shè)計(jì)環(huán)節(jié)，不僅縮短周期，還有利于直觀感性地應(yīng)用知識(shí)，提高學(xué)習(xí)效率。

在實(shí)際滴灌系統(tǒng)中，不僅實(shí)驗(yàn)場(chǎng)所要求高，難以同時(shí)多組實(shí)驗(yàn)，重復(fù)性差，而且通常伴隨危險(xiǎn)性，需要投入大量的人力和物力來維持，通過虛擬仿真，不僅有效的克服了空間和時(shí)間上的限制，而且不會(huì)對(duì)水資源造成浪費(fèi)，在安全的前提下能夠?yàn)樘峁┹^為理想的實(shí)驗(yàn)平臺(tái)。

3.2 方法創(chuàng)新

本項(xiàng)目基于PC端開發(fā)設(shè)計(jì)，可以通過網(wǎng)頁隨時(shí)登陸，在線操作，不受傳統(tǒng)時(shí)間和空間上的限制，方便自主學(xué)習(xí)。

在線實(shí)驗(yàn)過程中，可以根據(jù)自己情況進(jìn)行個(gè)性化選擇各類管網(wǎng)參數(shù)，通過排列組合能夠模擬多種實(shí)際情況，并且可以在短時(shí)間內(nèi)得到信息反饋，即便最終灌溉效果不甚理想，也可以從中進(jìn)行反思，從而有效地解決傳統(tǒng)實(shí)驗(yàn)過程中學(xué)生無法有效參與，只能被動(dòng)接受的問題，因此能夠顯著提高實(shí)驗(yàn)過程中的主管能動(dòng)性和積極性。

3.3 內(nèi)容創(chuàng)新

平臺(tái)分為實(shí)驗(yàn)預(yù)習(xí)、在線實(shí)驗(yàn)、實(shí)驗(yàn)報(bào)告和課后習(xí)題四個(gè)部分：1）實(shí)驗(yàn)預(yù)習(xí)介紹滴灌系統(tǒng)相關(guān)的基礎(chǔ)理論知識(shí)，并配有實(shí)驗(yàn)習(xí)題進(jìn)行考核；2）在線實(shí)驗(yàn)分為設(shè)備選型、管網(wǎng)布置、參數(shù)優(yōu)化和模擬仿真四個(gè)階段，在各階段均設(shè)置自主設(shè)計(jì)參數(shù)窗口，供學(xué)生通過參數(shù)比對(duì)獲得最優(yōu)實(shí)驗(yàn)結(jié)果。3）實(shí)驗(yàn)報(bào)告記錄學(xué)生自主設(shè)計(jì)參數(shù)過程和實(shí)驗(yàn)結(jié)果，同時(shí)提供參考標(biāo)準(zhǔn)，準(zhǔn)確反應(yīng)學(xué)生自主設(shè)計(jì)實(shí)驗(yàn)參數(shù)變化和實(shí)驗(yàn)結(jié)果。4）課后習(xí)題由習(xí)題庫中隨機(jī)生成，考核學(xué)生參與實(shí)驗(yàn)實(shí)際效果。

4 結(jié)語

本系統(tǒng)采用探索性的實(shí)驗(yàn)教學(xué)方法，即學(xué)生首先根據(jù)課前預(yù)習(xí)與滴灌系統(tǒng)相關(guān)的基礎(chǔ)知識(shí)和原理，按照預(yù)設(shè)的基本資料(地形，土壤，苗木種類)，依次完成基本參數(shù)設(shè)計(jì)，包括確定灌水周期，一次灌水持續(xù)時(shí)間，滴頭流量范圍等；確定毛管，支管，干管等直徑，進(jìn)口水頭，滴頭工作壓力，水頭損失預(yù)設(shè)，從而確定管網(wǎng)規(guī)格；選擇水泵與型號(hào)，完成圖形顯示；根據(jù)預(yù)設(shè)模型在線生成滴灌結(jié)果，通過對(duì)不同參數(shù)組合優(yōu)化，獲取反饋信息，從中發(fā)現(xiàn)問題并分析原因，完成在線實(shí)習(xí)報(bào)告的撰寫；同時(shí)也可以根據(jù)反饋的信息，反復(fù)在線操作，探索不同實(shí)驗(yàn)方法，篩選關(guān)鍵參數(shù)，形成最佳組合方案。

在此項(xiàng)實(shí)驗(yàn)平臺(tái)上，通過誘導(dǎo)，學(xué)生可以個(gè)性化選擇設(shè)計(jì)參數(shù)和操作，在安全的前提下進(jìn)行各類探索，避免傳統(tǒng)實(shí)驗(yàn)過程中的千篇一律。學(xué)生在撰寫實(shí)驗(yàn)報(bào)告的過程中可以分析成功以及失敗的原因，根據(jù)學(xué)生的實(shí)驗(yàn)情況，系統(tǒng)能夠自動(dòng)生成課后習(xí)題；教師可以從中清晰了解學(xué)生的學(xué)習(xí)效果和尚待解決的問題，利于今后課堂教學(xué)的優(yōu)化；此外本實(shí)驗(yàn)項(xiàng)目也為師生交流提供一個(gè)平臺(tái)，方便教師及時(shí)解決學(xué)生疑問。