智能灌溉系統工程案例分析

朱霞雁

（上海市城市建設設計研究總院（集團）有限公司，上海市 200125）

1 項目背景

上海國際旅游度假區核心區（內含上海迪士尼樂園；下統稱為“樂園”）一期占地范圍為390 hm2，其中綠化面積約100 hm2，綠化率超過25%。對照全球迪士尼樂園綠化灌溉的統一標準，本工程采用的樂園綠化灌溉水量遠遠大于國內設計中通常采用的標準值（日均1～3 L/m2·d）。同時考慮到不同季節植物生長特點等因素，最終確定整個園區最高日需求灌溉水量達到9 700 m3/d，最高峰值流量為764 L/s。

為此，在整個園區內布置了環狀及支狀的灌溉水供水管網系統。在園區市政道路下，埋設了灌溉水供水總管（DN110~De630），呈環狀布置。同時對各個用水地塊敷設支狀供水管網，即根據用水需求在諸如主題樂園、酒店、餐飲店以及其他配套設施等的入口處預留支管接口（De110~De450），并保證接口處的水壓為0.65~0.70 MPa。

在園區內有一個體量巨大的中心湖，湖水量達150萬m3。為保持湖水潔凈，園區內配套建設了一座綜合水處理廠，并在該廠內設有灌溉水的增壓泵房。當園區進入灌溉時段，灌溉水進水管直接從中心湖泊取水，經增壓泵加壓，再經過濾器過濾及消毒后，將灌溉水打入園區環路上的灌溉水總管，為整個園區提供灌溉水。

2 智能灌溉需求

綠化灌溉有許多方法，包括噴灌、滴灌等，其系統包括：水源取水、增壓系統、灌溉水輸水管道系統、噴頭及控制器等。目前在設計灌溉系統時，通常注重于灌溉總水量的確定、管網分布、噴頭的選擇和布置；在灌溉的控制方式上，有的雖然采用自動灌溉的控制方式，但是大多只考慮了時間控制和氣象因素等,并且是由普通的控制器程序來完成。為了有效提高水的利用率，節省勞務和日常養護開支等運行成本，并最大程度地滿足植物需水要求，維護美麗的綠化景觀，本工程采用中央控制系統對綠化灌溉進行運行控制，這種智能化灌溉控制方式是智慧城市和節能減排上工程實踐的體現。

3 智能灌溉特點

灌溉控制系統采用中央計算機控制系統，即MAXICOM2控制系統（見圖1）。如圖2所示，中央控制系統通過發出指令，并不斷地監控反饋信息來檢驗指令的執行，實現對灌溉系統的管理。計算機每天自動收集由氣象站采集的氣象數據，計算ET值，并不斷地對原有程序進行自動修改。通過專用的管理軟件，運算出植物前一天損耗的水量，并決策當天是否需要補充水分以及所需補充的水量。若需補水，中央計算機向各集群控制器發送指令并由CCU集群控制器傳送給各田間控制器，由田間控制器完成電磁閥的啟閉。在一定的時間內按一定的順序自動完成園林綠地的灌溉并自動停機。如傳感器傳來異常信息（如降雨，過分干燥，系統漏水等），將會自動中斷或暫停程序，待排除異常情況后，繼續恢復程序運行。

圖1 園區綠化灌溉（中央計算機系統控制）

圖2 智能灌溉系統設備

灌溉水系統管網除了采用人工撿漏的方法來探測漏點以外，還同時采用更為先進的撿漏儀器和更為有效快速的撿漏法。通過這種軟硬結合的方式，灌溉水自控系統集成軟件撿漏系統，分析采集的各種管線數據，包括壓力、流量、溫度、黏度、速度及摩擦力等基礎數據，并對管線的非線性、不確定性、隨機性因素引起的誤差進行補償，從而提高漏點測量的靈敏度、精度及可靠性。當供水管道發生漏損時，系統根據采集的參數發出報警信號，調度人員收到報警信息后利用系統的漏點檢測程序判斷漏點的位置。

4 MAXICOM2中央計算機自動控制系統配置

（1）中央控制器

中央控制軟件是一個可以安裝在灌溉運行管理人員的辦公室電腦上的軟件包。中央控制器的電腦可以通過預先裝有的軟件實現對其他電腦的遠程訪問，可在任何地方進行遠程控制。

（2）集群控制器（CCU）

集群控制器（CCU）是一臺沒有鍵盤和顯示屏的電腦。它是中控軟件和每個區域田間設備的中間管理員。它負責控制和監測田間衛星站和其它如流量、雨量傳感器等設備。

由中央計算機發出的灌溉指令自動從中央控制器下傳到CCU。下傳之后再從CCU發送到對應的衛星控制器。CCU不間斷的監測系統狀況，并將結果在用戶設定的時間（通常設在灌溉循環結束后）自動上傳到中央控制器。

（3）衛星控制器

衛星控制器包含 12、16、24、32和 40站等幾種配置，可安裝在室內或室外。

（4）通訊路徑

在系統中有兩個重要的通訊路徑：中央控制器數據通訊路徑和衛星站數據通訊路徑。中央控制器通訊路徑是指從中央控制器到CCU的路徑，它可以采用電纜、電話、移動電話或者無線電、光纜等多種通訊方式。衛星數據通訊路徑是指從CCU到衛星控制器的路徑，它可以采用電纜或無線電兩種通訊方式。

（5）解碼器

解碼器有兩種類型：脈沖解碼器和傳感解碼器。

脈沖解碼器檢測由傳感設備（比如流量傳感器）所引起的脈沖信號來進行相關的控制。傳感解碼器則用于監測開/關設備，比如雨量傳感器或濕度傳感器等。通過解碼器記錄在CCU中的田間狀況并反映給計算機中央控制器。

（6）流量傳感器和主閥

在一個由MAXICOM2控制的灌溉系統中，流量傳感器和主閥可安裝在每個節點位置。傳感器通過脈沖解碼器向CCU或區域衛星報告當前流量，CCU將實際流量與預計中的理論值進行比較。當發生流量異常時，不僅檢查問題出現的區域并將有問題區域隔離，從而保證在檢修時不會影響到整個系統的正常運行。流量傳感器也能夠記錄每個區甚至整個區域的用水總量。

（7）雨量計

雨量計通過收集降雨量信息并向CCU發出信息報告。根據用戶設定的界限值，監測程序運行或中斷灌水程序。

（8）氣象站

氣象站通過收集氣溫、風速、降雨、太陽輻射和濕度等數據，在用戶設定的時間，由MAXICOM2中央控制器從氣象站下載數據，并根據這些數據計算出E T值，用以調整所有灌溉程序的運行時間。

（9）遙控系統

遙控系統允許通過無線電或電話在遠處訪問MAXICOM2，操作員可通過無線電或電話的數字按鍵鍵盤啟動、停止、暫停、優先運行程序或某站點等。

圖3為上海迪士尼綠化灌溉示意圖。

圖3 上海迪士尼綠化灌溉示意圖

5 自動控制系統的運行

園區中主題樂園、酒店等地塊內所有自動灌溉設備均由這套中央控制系統統一管理。不同區域灌溉設施的控制均接入此套中央控制系統內接受程序的統一管理，無須另外建設中央控制系統和氣象站。

由中央計算機到終端電磁閥的工作過程為：中央計算機編程，并將程序下達到CCU，CCU再將各輪灌區灌溉控制程序發到相關區域控制器，區域控制器依照中央計算機制作的程序啟閉各輪灌區電磁閥。

灌溉水系統管網事故狀況主要是由于管網爆管所引起。當供水管網水力條件發生較大變化，比如新增加一個大的突發流量時，供水管網的全部節點的水壓都會受到大小不等的影響。通過接受由灌溉自控系統實施回傳的管網信息（包括測壓電水壓、管段流量及各水源供水量），對管網的狀態進行連續不斷地監視，分析運行狀態的動態變化過程，發現新增突發流量及突發流量的位置。并且通過和以往的用水數據比對，判斷新增突發流量是否為異常流量，從而及時找到爆管發生區域或爆管點，并通過相應的程序關閉這些區域灌溉設備，通過報警通知管理人員進行維修。另通過流量管理軟件來實現整個系統的流量最優分配和最大利用率。

6 結語

本工程中全系統、大規模的智能精細化的綠化灌溉理念徹底顛覆了粗放化的傳統綠化灌溉模式。這類大規模的智能灌溉控制系統的應用實例在國內類似項目中屬首次新實踐。