排灌泵閘站智能管理控制系統及其效益分析

胡獻明,鄭江波,姜漢清,馮志剛,張良浩

(1.桐鄉市水利局,浙江 桐鄉 314500; 2.桐鄉市崇福鎮農業經濟服務中心,浙江 桐鄉 314511)

我國南方地區河網密布,排灌區內小型農田水利設施自身體積小、分布散、數量多。近年來,國內許多學者、專家開展了灌區信息化、智能化管理模式研究,主要有供水信息自動化采集系統、灌區用水信息管理系統、灌區GSM通信方式等[1-2]。這為解決農村排灌區高效管理提供了現代化手段。但是對大范圍內布置分散、數量眾多的泵閘站的管理大多還是以人工現場操作為主,這給高效實時管理和決策帶來了很大困難。本文在分析排灌區泵閘站管理中存在問題的基礎上,探討泵閘站智能化管理系統的結構體系,并通過實例分析智能系統的應用效益。

1 排灌區泵閘站管理中存在的主要問題

a.泵閘站自動化程度低。小型泵閘站數量極多,分布零散,以人工操作為主,操作人員無法及時準確地判斷灌溉、排澇等情況,往往出現農田灌溉不充分或者排澇不及時的情況,浪費了大量的水資源和電資源,不利于農田產出[3]。同時人工現場操作,需要大量人力資源,不僅給鎮里的財政帶來較大壓力,而且這些資源的占用間接影響了全鎮的經濟發展。

b.泵閘站管理不到位。隨著國家對農業生產的重視,農田水利設施逐步新建,但是配套管理措施沒有跟上建設速度。管理人員對設施管護意識薄弱,專業技術知識缺乏;面對新建設備、新引進的技術,管理員以往的經驗無法滿足新的要求[3]。這些都影響著泵閘站的使用壽命和農業效益。

c.管護資金投入不足。許多鎮、村干部主觀上存在重建設、輕管理的思想,認為只要建好了水利設施,就能服務于農民,不注重水利設施的管理和養護。每年在水利設施管護上的資金投入十分有限,沒有條件去雇專業的管理和養護人員。這就必然導致設備使用不規范、不能及時發現設備損壞、長時間不保養等問題,最終降低泵閘站的使用壽命,減弱其本來應該發揮的效用,損害農民的利益。

d.排灌區管理辦法混亂。各行政村排灌區內都制定各自的管理制度,上級無法統一調度,造成管理混亂,主要體現在:①沒有明確的水費收取人,容易產生漏收、多收現象,給村里財務管理帶來困難;②發生事故時,容易混淆責任,難以明確責任人;③上級部門針對不同的管理制度,無法明確共同的考核辦法。

2 排灌區泵閘站智能管理控制系統構成

2.1 系統的結構

利用廣電寬帶網對所有泵房進行遠程管理和控制,系統采用B/S架構設計,用戶無須安裝任何客戶端軟件,只需打開瀏覽器即可進行所有操作[1,4-5]。系統支持多級操作權限設置,如片級管理員只能控制本片內的泵房，村級管理員只能管理和控制本村泵房，鎮級管理員只能管理本鎮內泵房。每個泵房需安裝智能嵌入式控制主機,以保證在極端狀況下,如村與鎮網絡中斷、鎮與廣電中心網絡中斷、中心服務器出現故障,泵房管理員可直接登入智能嵌入式控制主機進行水泵遠程控制;如村與泵房網絡中斷或嵌入式控制主機設備出故障,泵房管理員可以使用原有的手動現場操作模式。系統結構如圖1所示。

圖1 系統結構圖

2.2 系統的功能

泵閘站智能管理控制系統主要通過引入專業的監控設備和軟件,以及網絡服務,由一臺中央控制器對所有泵閘站進行遠程管理和控制,來實現水利灌溉及排澇的智能遠程控制管理、視頻監控及水位監測[3,5-6]。具體分為3個功能模塊:水泵遠程控制、視頻監控及水位監測。

a.水泵遠程控制。分泄洪泵控制、灌溉泵控制及引水泵控制,與視頻監控模塊進行無縫接合,可遠程控制、監測水泵的開關及工作狀態。并可按實際需求自行設定水泵的工作流程,如:先開啟引水泵多少時間后,灌溉泵開啟,同時引水泵停止工作,水泵開啟時間和使用時間可由用戶自行設定。在灌溉泵的控制中,需與泵房內現有的變頻器系統相結合,通過遠程控制變頻器的頻率來控制灌溉泵出水量的大小。

b.視頻監控。包含:①泵房內全景及部分儀表監控,攝像頭需有遠程云臺控制功能;②泵房外內河水位監控;③泵房外蓄水池水位及灌溉泵出水口監控;④本地/遠程實時視頻監控;⑤本地/遠程視頻錄像查閱;⑥支持自定義監控通道組合;⑦支持用戶權限管理;⑧預留門禁接口,當用戶查閱門禁記錄時,可實時調閱1 min開門錄像。

c.水位監測。智能監測當前內河的水位信息,可設定警戒水位。當水位超出警戒水位時,系統自動發送手機短信報警,通知各級泵房管理員,同時報警中心進行聲光報警。

2.3 系統的特點

a.實時監測。系統能夠實現對灌區河水位動態監測,實現對水位數據的自動采集,根據遠程操作,實現灌溉自動化。

b.遠程自動控制。利用網絡技術和遠程通信技術,將分布非常分散的泵閘集中控制,實現對各泵站、閥門的實時遠程自動控制。

c.智能決策管理?？筛鶕崟r采集的水情數據,準確地判斷灌溉、排澇等情況,便于統一管理,準確做出決策。

d.高效安全的通信方式。采用靈活多變的無線和有線通信方式。支持電腦監控、手機多畫面監控,微軟認證插件,免設置,無須擔心病毒侵犯,支持市面大部分智能手機。

3 系統應用及其效益分析

選擇桐鄉市崇福鎮利順村作為該智能化管理系統應用的試驗區。該村現有14個村民小組,總人口3 904人,全村面積4.42 km2,其中排灌區涉及耕地面積154 hm2。該項目自2012年建成運行以來,取得了良好的經濟、社會和安全效益。

3.1 經濟效益

據統計,2012年該村灌溉用電46 098 kW·h,比2011年減少27 795 kW·h;排澇用電80 000 kW·h,與原來的管理模式相比約節省45 545 kW·h。電費按0.428元/(kW·h)計,可直接節約成本31 390元。使用智能化管理系統后排灌區工作人員由原來14名減少至6名,人工成本比2011年減少12 131元。2012年該村直接節約經濟成本43 521元,試驗區內成本降低282.6元/hm2,若將該項目推廣到桐鄉全市,每年可節約成本776.93萬元。

3.2 社會效益

該系統智能化管理的特性不僅降低了灌區的運行成本,同時對節省社會資源也具有很大的優越性。當前,社會經濟的快速發展和人力資源日益緊缺的矛盾已逐漸顯現。該智能化管理系統能夠縮減用工、提高灌區工作效率,節約人力資源;通過系統的智能控制,可改變灌區傳統的粗放型管理模式,減少排水、灌溉時間,節約水資源和電力資源。為社會的可持續發展增添了活力。

3.3 安全效益

經濟效益是可以計量的,而人的生命安全是至高無上的。在人人、處處都要講安全生產的今天,該智能化系統的應用,真正編織了一道沒有空洞的安全網絡,能夠消除管理人員從居住地往返泵閘站的過程中以及管理人員在現場操作過程中的一切隱患,做到農田灌溉、排澇隱患防治橫向到邊、縱向到底。

4 結 語

排灌區泵閘站智能管理控制系統能夠高效實時地控制分布分散的泵閘站,并能準確快捷地做出決策,實現泵閘站的遠程控制與決策支持。該系統已在桐鄉市崇福鎮利順村得到很好應用,并取得了較好效益。但是由于現有條件和認知水平的限制,建議加強宣傳,轉變傳統觀念,提高對泵閘站智能化管理重要性的認識。根據控制系統的特點,遵循“分級管理”的原則,設立專門的網絡管理部門,配備專業的技術人員,確立崗位,制定相關責任,保證網絡運行正常,泵閘站管理到位。逐漸取消原有混亂管理模式,建立統一的泵閘站運營管理制度。

[1]李笠,孫永飛.實時水情信息傳輸與共享網絡的研究和設計[J].水利水文自動化,2000(3):8-10.

[2]邊黨偉.水工閘門自動化監控系統的開發與應用研究[D].蘭州:蘭州理工大學,2007.

[3]錢曉峰,秦霆鎬,陳一民.水閘泵站計算機遠程監控系統的研究開發[J].上海建設科技,2005(5):61-63.

[4]周建國,曹炬,姚金斌.單片機與PC機實現電動閘門控制系統設計[J].計算機自動測量與控制,2001,9(2):33-34.

[5]馬磊.河套灌區灌溉用水量的測量及管理系統的研究[D].內蒙古:內蒙古科技大學,2011.

[6]陳慶秋,耿六成.灌區管理信息系統模塊結構設計技術研究[J].華北水利水電院學報,1997,18(3):28-32,38.