節水灌溉示范區中心試驗站綜合信息化技術研究與設計

馬傳波，陳 丹

（1.遼寧省水利水電科學研究院，遼寧沈陽110003；2.遼寧省國土資源調查規劃局，遼寧沈陽110032）

節水灌溉示范區中心試驗站綜合信息化技術研究與設計

馬傳波1，陳 丹2

（1.遼寧省水利水電科學研究院，遼寧沈陽110003；2.遼寧省國土資源調查規劃局，遼寧沈陽110032）

根據遼寧省灌溉中心試驗站的特點，采用以計算機智能灌溉控制為核心，以試驗區設施農業、水田、旱田、排水站和綜合安防等各類智能監測信息為基礎，以氣象、蒸發等環境因素為輔助手段，以自愈環網為傳輸通道，構建省級中心試驗站節水灌溉示范區綜合信息化系統，為我省農田水利信息化建設提供全面技術支撐。

灌溉試驗站；信息監測；網絡通訊；系統

引言

隨著我國經濟社會發展，用水需求不斷變化，水資源短缺已成為制約我國經濟和社會發展的瓶頸，而農業灌溉是我國的用水大戶，為促進農業灌溉科學高效用水，強化農田水利基礎保障和科技支撐，亟需通過建設現代化、高標準節水灌溉示范區，開展農業節水灌溉信息化相關技術研究，推動農業節水灌溉技術的發展。本文以遼寧省水利灌溉中心試驗站作為節水灌溉示范區開展綜合信息化技術研究，并進行系統方案設計，為我省農田水利建設和發展、節水灌溉普及與推廣、農業用水總量控制和定額管理等提供全面技術支撐。

1 概述

遼寧省水利灌溉中心試驗站地處沈陽市沈北新區黃家鄉，距沈陽市50km，該區域地勢平坦、開闊，海拔高度48m左右，占地面積128畝。已建成水工模型試驗大廳（3700m2），設施農業區（4136m2），45m2土壤理化分析實驗室，625m2氣象觀測場，24個水田測坑區及遮雨棚，18個60m2水田對比試驗小區和36個測筒區及遮雨棚等的基礎設施；正在進行旱田灌溉試驗場和風力提水灌溉試驗區的建設。本文在《全國灌溉試驗站網建設規劃》要求的指導下，進行節水灌溉示范區綜合信息化技術研究，構建綜合信息化系統，實現設施農業區、旱田灌溉試驗區、水田灌溉試驗區、排水站等試驗信息的自動采集、控制和監視，并在智能中心監控室進行全面展示。

2 總體系統架構技術研究與設計

遼寧省水利灌溉中心試驗站節水灌溉示范區綜合信息化系統，由試驗區信息監測與控制、綜合安防與視頻監控、網絡綜合通訊布設以及綜合管理與決策支持等部分組成。根據系統特點，按照信息采集層、傳輸層、網絡數據層和業務應用層等進行整體結構設計。系統結構見圖1。

3 信息監測與控制系統技術研究與設計

信息監測與控制包括設施農業試驗區、水田灌溉試驗區、旱田灌溉試驗區、排水站等子系統的監測與控制，以及測坑區地下水位模擬、試驗站氣象觀測、蒸發站觀測等。

3.1設施農業試驗區監控系統

該子系統是信息監測與控制的核心，也是“節水灌溉示范區”綜合信息化系統的中心建設內容。主要是對18個（全部）溫室大棚內的空氣溫度、濕度，土壤濕度、溫度，大棚內二氧化碳含量、灌溉流量、電子閥開關狀態等參數進行實時監測與控制，通過信息傳輸網絡傳輸至集中監控中心，進行數據分析、處理和存儲；并結合監測信息，給出大棚區灌溉方案，實現現地和遠程智能化灌溉控制；為設施農業區的灌溉模式、水量平衡、作物產量等研究提供詳實的數據，滿足試驗需求。

圖1 系統總體網絡拓撲圖

系統主要由1個遠程監控中心、1個現場信息顯示和控制分中心、以及信息采集和傳輸系統組成，其中在各大棚試驗任務和監測指標如表1，監控系統結構見圖2。

圖2 設施農業區監控系統結構圖

3.2水田灌溉試驗區監控系統

該系統通過對電磁閥、脈沖水表的控制，完成對比小區灌水量的精準量測，實現水田區智能化灌溉，為灌溉制度試驗研究提供信息化技術支持。

主要構成包括信息采集、系統傳輸、遠程監控中心、以及現場信息顯示和控制分中心。

3.3旱田灌溉試驗區監控系統

本子系統主要對土壤含水量、溫度、鹽分等參數進行實時監測，通過對測坑灌溉試驗用水量智能控制設施的供水管、電磁閥、繼電器、自動計量等設備的控制，完成測坑和試驗區的用水定額、灌水時間、土壤濕度等數據的自動監測與控制管理。每次需要灌水時，自動開啟各試驗區供水，當達到試驗區設計用水量時，系統供水自動關閉，并自動傳送用水數據信息，系統同時實現現場和遠程監測與控制功能。

系統構成∶1個遠程監控中心、1個現場信息顯示和控制分中心以及信息采集和傳輸系統，本子系統功能結合地下水位模擬系統實現。

3.4排水站遠程自動監控系統

通過對排水站水泵電機運行參數3相電壓、3相電流、功率因數、轉數，以及排水站動力電運行參數電壓、電流和累積電量等信息的監測，設置現場控制器，完成排水站水泵機組的運行狀態現場顯示和控制。同時，實現水泵的遠程在線監控和啟動、停止等控制功能。當現場運行環境或電機運行參數發生異常時，在遠程監控軟件平臺，給出聲光報警，并開啟水泵電機的停止運行預案；系統可進行排水站總電量的統計，用于灌溉經濟效益分析。

表1 設施農業區試驗任務與現場監測項目列表

排水站自動控制系統原理見圖3。

3.5綜合安防與視頻監控系統

圖3 排水站自動控制系統原理圖

通過本系統，管理人員可實時、直觀地了解和掌握設施農業區、旱田測坑區、水田區、水田測坑區、排水站等試驗站內的設備、設施運行與安全情況，并能夠通過高密度數字錄像系統實時記錄現場圖像信息以作資料。同時，根據監控點反饋信息，預測某些情況，當發生異常情況時，能夠迅速做出正確判斷，并做出處理方案。主要設備由由視頻監控站（前端視頻監視設備）、傳輸設備、監控中心設備構成；通訊介質為光纜。系統結構原理如圖4∶

圖4 現場控制室中心視頻監視系統原理示意圖

4 綜合網絡與通訊技術研究與設計

綜合網絡與通訊是整個系統信息上傳下達的橋梁；其結構包括傳感器與現場監控之間、現場監控顯示與遠程監控中心、各子系統監控中心與綜合決策平臺間的網絡與通訊。根據本項目系統特點，確定信息監測與控制各子系統傳感器與現場控制中心間，采用屏蔽雙絞信息號線傳輸；信息監測與控制各子系統、綜合安防與視頻監控系統至監控中心間信息傳輸采用自愈環網模式下的光纖介質傳輸；監控中心內部各子系統監控主機與綜合決策服務器、會商展示平臺等之間的傳輸采用內部局域網傳輸方式進行，系統結構見圖1。

5 綜合管理與決策支持信息化系統

綜合管理與決策支持信息化系統是灌溉中心試驗站實時監控管理系統的核心，其目的是將自動采集到的各類監測信息，根據試驗工作需要，建立相關數據庫，將經典的水利專業技術與計算機技術結合起來，利用計算機專業的數據庫、科學計算、圖形顯示、網絡技術等手段，采用面向對象的設計原則，進行用水管理、查詢檢索、信息發布、水資源開發利用評估、經濟分析等；為緩解水資源供需矛盾和實現糧食持續穩產增產提供有力支撐。信息化平臺系統邏輯結構見圖5。

6 結語

當前，水資源短缺問題日趨凸現，而農業灌溉所占水資源消耗比重一直較高。因此，加強農業灌溉試驗，適應新時期農業用水需求已成當前迫切需解決的問題。灌溉試驗是農村水利工作的一項重要內容，是保障水資源合理開發、高效利用、優化配置及農業用水科學管理的一項基礎性工作。本文在自愈環網模式下，開展了省級灌溉中心試驗站綜合信息化系統技術研究，并進行了方案設計，以期通過構建現代化科學灌溉模式，推動高效節水灌溉工程運行的自動化、智能化水平，為我省農業水利灌溉綜合信息化建設提供技術支撐。

圖5 信息化平臺系統邏輯結構圖

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S274

：B

：1672-2469（2016）05-0093-05

D0I∶10.3969/j.i s s n.1672-2469.2016.05.034

2016-02-17

馬傳波（1978年—），男，高級工程師。