饒遠謀

（華池縣水務局，甘肅 華池 745600）

我國是典型的農業(yè)大國，灌區(qū)是發(fā)展農業(yè)生產不可或缺的基礎。在農業(yè)節(jié)水化的新要求、新形勢下，加快建設現代化灌區(qū)，對保障國家糧食安全、水安全和促進鄉(xiāng)村振興具有十分重要的意義?，F代化灌區(qū)指按照“人-社會-自然”相互和諧發(fā)展的原則，通過科學合理的生產布局，配套適用的排灌系統(tǒng)和高效的信息化系統(tǒng)，實現灌區(qū)水資源開發(fā)利用及管理能效的最大化[1-3]。其中，現代化灌區(qū)建設中信息化工程是利用傳感器、互聯網、物聯網、云計算、大數據、5G等先進技術構建物聯感知、數據匯聚、運算分析、科學決策及智慧應用的智能化、網絡化系統(tǒng)，是實現灌區(qū)水、肥、氣、熱、作物等元素動態(tài)監(jiān)控和管理的重要措施，也是實現灌區(qū)水資源“總量控制、定額管理”的必然方向[4-8]。文章從工程設計實踐與積累著手，從灌區(qū)生產、管理、技術等角度進行分析，結合灌區(qū)現代化建設中業(yè)務發(fā)展、用戶使用、數據庫建設、運行安全等方面的實際需求，從設計層面構建灌區(qū)信息化工程的建設架構，以期為現代化灌區(qū)建設提供參考和技術支撐。

1 灌區(qū)信息化工程存在的問題及原因分析

我國從1990年開始大型灌區(qū)信息化工程的建設，特別是在2010年以后，灌區(qū)信息化建設取得了較大成就，但是從灌區(qū)運行的需求及行業(yè)發(fā)展的方面仍存在以下問題。

1.1 規(guī)劃設計不合理，需求分析不到位

在灌區(qū)信息化工程規(guī)劃設計階段，由于前期現場調研和需求分析不到位，使得工程規(guī)劃、設計方案、實施方案、建設內容、技術路線、工程措施、設備配置等方面與實際需求脫節(jié)。主要原因在于，灌區(qū)新建信息化工程與已建信息化工程的銜接不夠，工程沒有與灌區(qū)管理業(yè)務實際緊密銜接。

1.2 系統(tǒng)應用水平低，功能發(fā)揮不充分

雖然近些年灌區(qū)信息化水平得到了很大的提升，但總體水平仍然較低，相當一部分灌區(qū)僅實現了干渠/干管的自動化量測水功能。究其原因，主要有3點：一是缺乏數據支持，系統(tǒng)集成應用性差；二是灌區(qū)管理體制機制老舊，信息孤島較多，一定程度上限制了應用效能的發(fā)揮；三是信息化技術普及程度不夠，灌區(qū)管理人員在使用中存在一定的難度。

1.3 工程建設缺標準，運行管理不規(guī)范

灌區(qū)信息化工程建設過程中，無論軟件開發(fā)還是硬件選型，均是參考其他行業(yè)標準，且這些標準也存在不一致性，特別在量測水設備選型中表現得尤為嚴重。同時，灌區(qū)信息化工程管理也缺乏相應的規(guī)范，導致工程在使用過程中難以有效地維修和養(yǎng)護，造成使用壽命短。

2 規(guī)劃設計中如何進行需求分析

在灌區(qū)信息化工程規(guī)劃設計中，需要重點對灌區(qū)計量監(jiān)控、用戶及產業(yè)發(fā)展、灌區(qū)數據庫建設以及運行安全等幾個方面進行重點分析。

2.1 計量監(jiān)控需求

現階段，我國灌區(qū)信息化程度相對較低，計量監(jiān)控設施明顯不足[9]。一方面，滿足灌區(qū)管理的水情（水位、流量、流速等信息）、雨情（降雨量、降雨頻率等信息）、墑情（土壤含水量信息）、工情（測控一體閘門、電磁閥、田間控制器等工作信息）等“四情”監(jiān)控系統(tǒng)不夠完善，嚴重制約著灌區(qū)管理水平及工作效率的提升；另一方面，缺乏能夠實時監(jiān)控灌區(qū)內作物長勢需求、病蟲害防治需求的信息化系統(tǒng)，也限制了作物種植水平和產出效率的提高。這與發(fā)達國家還具有較大差距。因此，在規(guī)劃設計中，對灌區(qū)管理層面應注重對“四情”監(jiān)控系統(tǒng)的需求分析；在作物層面應側重于對農作物生長、病蟲害統(tǒng)防統(tǒng)治的需求分析。

2.2 多方用戶及產業(yè)發(fā)展需求

灌區(qū)中與農業(yè)生產相關的生產主體，主要包括農民、農場主、種植大戶、專業(yè)化種植企業(yè)等，這些主體迫切需要通過灌區(qū)信息化工程來獲取生產資料、農技信息、市場動向等，用以降低生產和市場風險，從而提高農業(yè)生產效益。灌區(qū)中與農業(yè)生產相關的服務主體，主要包括農資供應商、植物保護服務商、農機服務商等，這些社會化服務組織也需要通過信息化手段來匹配服務對象，為農業(yè)生產提供生產資料。從政府層面來看，水行政主管部門或灌區(qū)管理單位也需要通過灌區(qū)信息化手段來掌握轄區(qū)內灌區(qū)動態(tài)和生產情況。同時，農產品經銷商、消費者等也需要運用信息化工程來加速農產品的流通、實現農產品溯源等?？梢姡鄥^(qū)信息化工程的用戶涉及生產主體、服務主體、政府管理者、經銷商、消費者等，應從多角度開展需求分析。

2.3 灌區(qū)數據庫建設需求

現階段，有相當一部分灌區(qū)的水文氣象、灌溉作業(yè)、農業(yè)生產等數據仍采用手抄、報表等方式采集，無法長期有效儲存和實時快速分析，更無法支撐現代化灌區(qū)的建設，亟待通過信息化工程來搭建海量數據匯聚、快速查詢、統(tǒng)計分析、公開透明的灌區(qū)數據庫，為灌區(qū)發(fā)展規(guī)劃、農業(yè)產業(yè)布局、農事生產等提供支撐。因此，在需求分析中更應注重對灌區(qū)數據庫的建立。通過物聯平臺將灌區(qū)雨情、水情、工情、墑情、安全等多元數據采集匯聚、篩選加工、標準化處理后，按業(yè)務需求建立相應的數據庫，打破信息孤島，服務于各方用戶。

2.4 運行安全需求

現代化灌區(qū)建設中，灌區(qū)設施設備的運行安全顯得越來越重要。一方面，按照“統(tǒng)一規(guī)劃、統(tǒng)一設計”的原則，結合灌區(qū)測控設備和業(yè)務應用系統(tǒng)的需求情況，在可信通信網絡、可信接入邊界、可信計算環(huán)境、安全管理規(guī)則等方面進行重點分析；另一方面，應從灌區(qū)信息化工程設備運行情況、服務啟用情況、故障報修情況等分析總結規(guī)律，在灌區(qū)信息化工程架構設計中，提高系統(tǒng)的正常運行率，實現運行管理工作的可管、可控、可優(yōu)化。

3 灌區(qū)信息化工程設計架構

3.1 架構設計

圍繞現代化灌區(qū)建設中對計量監(jiān)控、農業(yè)產業(yè)發(fā)展、數據庫建設及運行安全等多元化、復雜性的需求，面向用戶、農場主、種植企業(yè)、社會化服務組織及政府等多方面、多目標對象，初步設計了現代化灌區(qū)信息化工程架構，如圖1所示。從下到上，可劃分為物聯感控、網絡通信、數據、智慧應用、科學決策共5個層級和管理制度、標準規(guī)范、運維體系、安全體系共4個體系，從而形成信息感控全面、科學調度合理、智能管理高效、科學決策迅速、災害預警及時、產業(yè)鏈接可靠的現代化灌區(qū)智慧信息工程系統(tǒng)模型。

3.2 系統(tǒng)描述

3.2.1 物聯感控層

物聯感控層通過劃分不同的控制單元，運用3S技術、視頻技術、物聯網技術等通過匯聚多種類型的智能傳感終端、視頻監(jiān)控終端、計量控制終端、氣象數據采集終端、自動控制系統(tǒng)等，為現代化灌區(qū)提供全面的數據感知能力。作為信息化工程的基礎層，物聯感控層感知的內容主要包括水情信息、工情信息、墑情信息、水質信息、氣象信息、岸線信息、庫壩信息、閘閥信息、泵站信息等。在規(guī)劃設計中，通過需求分析對物聯感控設備進行優(yōu)化布局，能夠實現對現代化灌區(qū)范圍內全對象、全要素的數據采集，為上層數據中心提供全面準確有效的感知數據。

3.2.2 網絡通信層

網絡通信層是利用通信技術、無線技術和網絡安全技術等，通過灌區(qū)控制專用網、業(yè)務管理網、公共通信網、互聯網、衛(wèi)星通信等為灌區(qū)提供容量大、覆蓋廣、安全可靠的網絡通信設施，實現灌區(qū)數據快速安全地傳輸與匯聚。作為信息化工程的安全傳輸通道，在規(guī)劃設計中按照感控信息點和自動控制現地站的實際需求合理布設通信設備。一般布設原則是，日常通道和備用通道采用不同的通信技術，現地設備自檢通信異常時自動切換通信通道，且設計中還應加設臨時備用電源切換設備。

3.2.3 數據層

數據層是利用云技術、大數據技術、數據倉庫技術、數據挖掘技術和GIS技術等，構建由基礎的云設施、各數據庫和支撐系統(tǒng)組成的數據中心，為現代化灌區(qū)提供數據高效存儲和運算能力。其中云設施包括機房網絡、云計算、云存儲等，實現數據的存儲和計算；數據庫包括基礎數據庫、業(yè)務數據庫、科研數據庫、市場數據庫、共享數據庫等灌區(qū)數據資源；支撐系統(tǒng)主要包括報表服務、數據服務、地圖服務、模型服務等，為上層應用提供標準的數據、地圖、應用服務等支撐。

3.2.4 智慧應用層

智慧應用層屬于現代化灌區(qū)信息化工程的核心，主要在上述3個功能層級的基礎上，借助各種先進水利技術、虛擬現實技術、AI技術等構建灌區(qū)管理、水資源管理和農作物管理等智能應用，為灌區(qū)高效運轉提供支撐，也為科學決策層提供應用成果數據。其中，灌區(qū)管理包含日常、設備、人員、財產、物資、用戶等管理；水資源管理主要包括計量計費、水量配置、閘閥集控、岸線監(jiān)控、預警預報、水權交易等方面的管理；農作物管理包含長勢監(jiān)控、水肥方案、植物保護、綠色飛防、流通加工、產品溯源等方面的管理。

3.2.5 科學決策層

科學決策層則以調度決策、大屏展示、專家咨詢和綜合會商4個中心為依托，綜合利用大屏技術、專家決策支持技術、大數據可視化技術、虛擬現實技術等建設灌區(qū)“一張圖”，是現代化灌區(qū)調度指令發(fā)布、綜合信息展示、用戶交互及查詢會商的窗口?？茖W決策層為現代化灌區(qū)多方用戶提供更加直觀形象的監(jiān)測數據和成果數據，能夠對灌區(qū)管理工作動態(tài)和發(fā)展趨勢進行全景展示，為管理決策者提供科學、實時的數據支撐。

3.2.6 體系建設

灌區(qū)信息化工程設計架構中的5個功能層級的建設和運行均需要配套科學的管理制度體系和標準規(guī)范體系，構建完善的運維體系和安全體系，用以保障現代化灌區(qū)信息化工程效益能夠最大化長久發(fā)揮。在規(guī)劃設計中，管理制度體系應從灌區(qū)管理體制機制改革著手，力求滿足信息化工程的運行需求。標準規(guī)范體系是現代化灌區(qū)建設的重要基礎，規(guī)劃設計中應遵循并完善標準規(guī)范，確保各系統(tǒng)的互聯互通、信息共享和業(yè)務協(xié)同。從信息化工程的全生命周期來看，運維階段是持續(xù)時間最長的，也是體現和發(fā)揮信息化價值最重要的階段。建立完備的運維體系，強化信息基礎設施的智能運維，是保障整個信息化工程正常運行的重要手段。信息化工程作為現代化灌區(qū)重要的組成部分，應該在國家相關法律法規(guī)的約束指導下，積極采用多種方法措施建立安全體系，如邏輯隔離、入侵檢測、系統(tǒng)訪問控制、惡意代碼防護、國產密碼等，確保其可靠運行。

3.3 投資分析

分別以渠灌區(qū)、井灌區(qū)各66.67 hm2及實現基本功能為原則進行現代化灌區(qū)信息化工程投資分析。不同配置等級的信息化工程建設投資相差較大，一般隨用戶配置要求的升高而增大。其中，渠灌區(qū)信息化工程建設每公頃投資11 625～30 255元，首部控制、四情監(jiān)測、遙感系統(tǒng)及田間控制系統(tǒng)投資占總投資的4.6%～8.2%、1.6%～3.0%、1.5%～2.9%和85.9%～92.4%。與渠灌區(qū)相比，井灌區(qū)低配型和高配型信息化工程建設投資分別提高了41.8%和3.7%，每公頃投資達到16 500～31 350元，首部控制、四情監(jiān)測、遙感系統(tǒng)及田間控制系統(tǒng)投資占總投資的22.3%～34.3%、1.8%～2.3%、1.5%～3.8%和59.5%～74.4%，見表1。由此可見，從投資角度看，渠灌區(qū)信息化工程設計中應重點關注田間控制系統(tǒng)，盡力做到閘、閥配置合理、集控便捷；而井灌區(qū)由于增加機井控制等系統(tǒng)，首部控制部分投資增加，在進行信息化工程設計中，則需要綜合考慮首部和田間兩套控制系統(tǒng)的布局和配置，力求在達到目標需求的同時盡量降低投資。

表1 現代化灌區(qū)信息化工程建設投資分析表

4 結語

現代化灌區(qū)是現代化農業(yè)生產的基礎，而信息化工程是現代化灌區(qū)中不可或缺的“中樞神經”，在最嚴格水資源管理、農業(yè)水價綜合改革、高標準農田建設等方面發(fā)揮著越來越重要的作用?，F代化灌區(qū)信息化工程基礎架構需要在灌區(qū)管理中充分研究應用和不斷優(yōu)化，更需要重點運用5G、云計算、大數據、人工智能等新興科技，打造因地制宜的現代化信息系統(tǒng)和智慧云平臺，推動灌區(qū)管理方式轉變，逐步提高灌區(qū)自動化控制水平、智能決策能力和運行服務效率，加快推進灌區(qū)現代化改造，有力提升國家糧食安全。