景泰川灌區(qū)灌水計劃信息系統(tǒng)設計與實現(xiàn)

程玉菲，胡想全，宋增芳，李 莉

(甘肅省水利科學研究院，蘭州 730000)

0 引 言

我國農業(yè)是第一大用水戶，灌區(qū)在我國農業(yè)生產乃至國民經濟中起著舉足輕重的作用。農業(yè)灌溉在缺水的同時，用水浪費現(xiàn)象也十分嚴重，灌溉水利用率和單方水效率都與國外發(fā)達國家相距甚遠[1]。雖然大部分大型灌區(qū)都具有較為完善的水源系統(tǒng)、輸配水系統(tǒng)和調節(jié)系統(tǒng)，但灌溉管理水平和信息化程度總體上講仍處于較低水平，從信息采集、傳輸、存儲和使用等全面實現(xiàn)信息化的灌區(qū)還比較少。

水利是國家經濟發(fā)展的基礎[2]。水利行業(yè)為信息密集型行業(yè)，隨著信息技術的發(fā)展，大型灌區(qū)的發(fā)展對信息化建設依賴程度越來越高[3]。灌區(qū)的信息化建設是水利信息化建設的重要組成，是實現(xiàn)灌區(qū)現(xiàn)代化的根本和必然趨勢[4-6]。灌區(qū)信息化可實現(xiàn)水資源利用的最大化，對于加快新農村建設，促進水資源的優(yōu)化配置和水利事業(yè)的長足發(fā)展，推動節(jié)水型社會的建設發(fā)揮著重要作用[7]。灌區(qū)的信息化建設有利于實現(xiàn)灌區(qū)的現(xiàn)代化發(fā)展，有利于實現(xiàn)灌區(qū)基礎水利數(shù)據(jù)的信息化，有利于提高灌區(qū)的管理水平[8]。當前灌區(qū)信息化建設可以利用計算機、手機端智能化控制、網絡通信技術[9-10]，實現(xiàn)信息共享、遠程控制。提高灌區(qū)信息化的管理與應用水平，是當前高效節(jié)水灌溉建設中的迫切需要[11]。灌區(qū)灌水計劃制定是灌區(qū)信息化建設的一個重要組成部分，灌溉計劃對確定灌溉需水量和選擇灌溉時機起著非常重要的作用[12]，準確的灌水計劃可以指導灌區(qū)有序供水，在保障作物適時灌溉，保障渠道安全運行方面具有非常重要的作用[13]，但相關的專門成果研究較少。國外研究較早，由詹森等人提出了計算機灌溉進度計劃(通常稱為USCA ARS灌溉進度計劃)，應用氣象資料、農作物數(shù)據(jù)和土壤情況來估算灌溉時機和灌溉需水量[12]。1984 年薩拉扎爾等人提出了確定灌溉進度的方法，對維持作物根部水的動態(tài)平衡及將缺水情況與允許值相比較進行了研究[1]。在國內，陳義隆等(1985)較早總結了漢中地區(qū)灌溉計劃用水的基本經驗[14]。王偉等(2004)分析了河套灌區(qū)的灌溉計劃用水，提出了灌溉計劃的原則和編制的步驟和方法[15]。康躍虎(2004)總結歸納出了適合我國國情，尤其在日光溫室、塑料大棚等設施栽培和小塊農田蔬菜栽培中使用的滴灌灌溉計劃的制定方法[16]。劉軍平(2014)介紹了灌溉計劃用水的內容和作用，分析灌區(qū)渠系輪廓、干支渠系和斗渠用水計劃的編制應注意的關鍵環(huán)節(jié)，使灌區(qū)水資源調配更趨合理，達到提高其利用效率的目的[17]。趙德芳(2018)開展了景電灌區(qū)灌水計劃編制現(xiàn)狀研究，闡述了灌水計劃的編制現(xiàn)狀與水量調度管理情況[18]。盡管灌區(qū)灌水計劃編制研究在我國已取得長足的進步和發(fā)展，但灌水計劃的信息化和自動化程度仍然不高[19]，亟須加強在灌區(qū)灌水計劃交互平臺信息傳輸和自動化控制等方面的工作。

景泰川灌區(qū)是甘肅省運行較為成功的大型電力提灌區(qū)[20]。目前，灌區(qū)灌水計劃上報仍采用傳統(tǒng)紙質或者Excel電子表格填報，人工匯總計算的原始辦法作為灌區(qū)灌水計劃制定資料收集方式，耗時、費力、效率低下，同時也一定程度上影響著灌區(qū)水資源的高效配置和農業(yè)生產的增產提質能力。因此，為優(yōu)化調配灌區(qū)水資源，提高農業(yè)水分生產效率，提升現(xiàn)有灌水計劃制定手段勢在必行。本研究選擇景泰川灌區(qū)作為研究對象，調查并分析景泰川灌區(qū)灌水計劃信息化現(xiàn)狀，在深入學習先進技術的基礎上，結合計算機和互聯(lián)網技術，建立面向Web的B/S模式灌區(qū)灌水計劃精準制定系統(tǒng)，為農戶、用水者協(xié)會和灌區(qū)水管理機構提供高效交互平臺，提升水資源管理能力，提高水資源配置水平，提升水資源管理能力，提高水資源配置水平，從而促進農業(yè)用水效率提升，為今后灌區(qū)自動化控制和精準灌溉創(chuàng)造條件[21,22]。

1 灌區(qū)灌水計劃信息系統(tǒng)需求分析

1.1 系統(tǒng)擬實現(xiàn)的目標

景泰川灌區(qū)灌水計劃信息系統(tǒng)以實現(xiàn)灌水計劃制定的便捷、高效和精準為目標而開發(fā)研制的，以現(xiàn)狀灌溉制度和種植計劃為基礎，利用計算機和互聯(lián)網技術，農戶-組(莊)-配水點-渠段-水管所-灌溉處逐級上報和審核，實現(xiàn)灌水計劃制定的便捷、高效和精準。這一系統(tǒng)的應用與發(fā)展，將極大提高灌水計劃制定的精確程度，為農戶和灌區(qū)水資源管理者提供高效交互平臺，提升水資源管理能力，提高水資源配置水平，為實現(xiàn)灌區(qū)信息化管理提供支撐。

1.2 系統(tǒng)設計思想

灌區(qū)灌水計劃精準制定系統(tǒng)的主要設計思想是灌溉用水戶能夠通過瀏覽器或手機App訪問本系統(tǒng)，并及時、便捷、快速、準確的填報本年度的種植計劃。系統(tǒng)基本信息包括種植結構、作物類型、種植面積、灌水時間、灌水次數(shù)、灌溉所需水量以及各灌溉地塊所屬斗渠、支渠、干渠等主要信息，結合目前灌區(qū)由組(莊)、配水點、渠段、水管所等基層灌溉管理機構逐級審核并上報流程，利用計算機和互聯(lián)網技術，開發(fā)灌水計劃精準制定系統(tǒng)，實現(xiàn)灌溉管理處精確、快速和高效的統(tǒng)計出全灌區(qū)的年度種植計劃，為統(tǒng)一制定灌水計劃及水量調度方案提供第一手資料，灌水計劃審批流程見圖1。

圖1 景泰川灌區(qū)灌水計劃審批流程

系統(tǒng)基于DB數(shù)據(jù)庫，開發(fā)兩個登錄端，分別為PC(電腦)端和手機App(端)，邏輯結構見圖2。PC(電腦)農戶可登錄填報自己當年的需水計劃，管理人員可登錄對農戶需水計劃進行審批及相關操作；手機APP(端)僅開發(fā)農戶登錄端，農戶可登錄對自己當年需水計劃進行上報。

圖2 系統(tǒng)邏輯結構

2 系統(tǒng)總體技術設計

2.1 系統(tǒng)開發(fā)環(huán)境

本系統(tǒng)開發(fā)過程中，運用的語言、開發(fā)工具、數(shù)據(jù)庫和編譯運行環(huán)境如下所示：

(1)軟件環(huán)境：Windows系統(tǒng)(PC端)，安卓系統(tǒng)(手機端)。

(2)開發(fā)語言：JAVA、JavaScript、vue.js、jquery、HTML 、mybatis。

(3)開發(fā)工具：IDEA +MYSQL+ JDK。

(4)項目架構：B/S架構。

(5)開發(fā)框架：spring boot。

(6)項目運行環(huán)境：Tomcat容器。

(7)數(shù)據(jù)庫：MySQL(版本號：5.1.1.7)。

(8)瀏覽器：IE瀏覽器(IE9及以上版本)、谷歌瀏覽器、火狐瀏覽器。

2.2 系統(tǒng)硬件要求

本系統(tǒng)開發(fā)和運行過程中，對硬件的要求：

(1)硬件環(huán)境：阿里云服務器。

(2)版本：Windows Server2012R2。

(3)處理器：Intel(R)Xeon(R)CPU E5-2682 v4 @2.50 GHz 2.49 GHz，內存16.0 GB。

(4)系統(tǒng)類型：64位操作系統(tǒng)。

(5)手機：安卓系統(tǒng)手機。

3 系統(tǒng)功能模塊設計和角色分配

3.1 系統(tǒng)功能模塊設計

模塊化是一個一般概念，這一概念也適用于軟件開發(fā)。系統(tǒng)的模塊化設計更易于系統(tǒng)的開發(fā)、測試與維護，也可給項目管理帶來方便。根據(jù)總體設計結果，把系統(tǒng)劃分為功能相互獨立的4個模塊。

(1)種植計劃模塊。主要用于各級部門(農戶、村、配水點、渠段、水管所、灌溉處)對種植作物、面積、需水量的上報和對下屬部門上報信息的審核。

(2)報表管理模塊。為方便用戶對統(tǒng)計信息進行自動化操作，系統(tǒng)設計了報表管理模塊，主要配水點以上部門對下級各個部門的需水量和各個渠系的需水量進行統(tǒng)計、導出和打印。報表的類型主要是灌水計劃表，可將每年灌溉需水信息以Excel的格式輸出到系統(tǒng)頁面或存儲到數(shù)據(jù)庫中。用戶根據(jù)時間、渠系或者種植作物進行數(shù)據(jù)統(tǒng)計，統(tǒng)計出全年需水信息、種植計劃等。

(3)系統(tǒng)管理模塊。主要管理部門對下屬單位、渠系基本信息的增加、刪除、修改和查詢；設置各個部門或渠系上下級之間的關系；對作物類型和相應的灌溉制度進行修正。

(4)權限管理模塊。管理系統(tǒng)用戶，對系統(tǒng)用戶進行增、刪、改、查操作。用戶是整個系統(tǒng)的操作者，又是面向Web的B/S模式系統(tǒng)，而且系統(tǒng)可通過網絡進行遠程訪問，為保證系統(tǒng)安全穩(wěn)定，使用用戶權限設定對用戶操作進行約束，采用了高級權限和普通權限管理的雙權限系統(tǒng)管理模式。系統(tǒng)管理員用戶可以使用系統(tǒng)全部功能，而其他用戶只能對系統(tǒng)進行查詢訪問，瀏覽數(shù)據(jù)，不能對數(shù)據(jù)庫數(shù)據(jù)進行添加、修改和刪除。系統(tǒng)管理員可以對其他用戶權限進行修改。

3.2 系統(tǒng)角色分配

灌區(qū)灌水計劃精準制定系統(tǒng)面向農戶、組(莊)、配水點、渠段、配水點、水管所、灌溉管理處等用水戶和水資源管理人員。角色分配根據(jù)部門的結構層級所設計，農戶上報作為一個模塊，它是數(shù)據(jù)信息的來源，農戶可以在電腦(PC端)或是手機(app端)頁面進行基本數(shù)據(jù)信息的錄入，填寫完成之后上報給村組一級，經村組審核，審核通過后，在村組上報頁面，把所有農戶上報的信息，進行匯總上報給配水點，審核不通過說明原因，退回給農戶，農戶修改后再次進行上報。依次類推，直到灌溉處完成審核。根據(jù)審核程序，角色分為系統(tǒng)管理員、灌溉處人員角色、水管所人員角色、配水點人員角色、渠段人員角色、莊(組)人員角色和用水戶角色。對應不同的角色，其權限不同。角色相互關系如圖3所示。

圖3 角色分配及相互關系圖

4 灌區(qū)灌水計劃信息系統(tǒng)功能與實現(xiàn)

4.1 PC端用戶系統(tǒng)功能與實現(xiàn)

系統(tǒng)登錄界面是進入系統(tǒng)的屏障。由于系統(tǒng)可通過網絡進行遠程訪問，為保證系統(tǒng)安全穩(wěn)定，用戶必須以合法的密碼才能登錄系統(tǒng)，訪問系統(tǒng)資源。

系統(tǒng)登錄分為管理人員和農戶兩個登錄界面，系統(tǒng)管理員、灌溉處人員、水管所、配水點、渠(段)和村(組)登錄均選擇管理人員。管理人員、農戶登錄前，請先選擇用戶類別，然后填寫用戶名、密碼、驗證碼，之后點擊“登錄”按鈕，登錄界面如圖4所示。

圖4 系統(tǒng)登錄界面

當從登錄界面正確輸入用戶名、登錄密碼和驗證碼后，就可以進入主程序界面，角色不同對應的系統(tǒng)主程序界面不同。當農戶從登錄界面輸入正確用戶名、登錄密碼和驗證碼后，就可以進入主程序界面，農戶主程序界面只包含1個種植計劃模塊；每個組(莊)指定1名組(莊)管理員，組(莊)管理員主程序界面包含2個模塊，分別為種植計劃模塊和權限管理模塊；每個配水點指定1名管理員，并且每個配水點只能分配1個管理用戶名，配水點管理員主程序界面包含2個模塊，分別為種植計劃模塊和報表管理模塊；每個渠段指定1名管理員，并且每個渠段只能分配1個管理用戶名，渠段管理員主程序界面包含2個模塊，分別為種植計劃模塊和報表管理模塊；每個水管所指定1名管理員，并且每個水管所只能分配1個管理用戶名，水管所管理員主程序界面包含2個模塊，分別為種植計劃模塊和報表管理模塊；景泰川灌區(qū)(景電管理局)灌溉處設1名管理員，灌溉處管理員主程序界面包含3個模塊，分別為種植計劃模塊、報表管理模塊和系統(tǒng)管理模塊；在實際應用中，根據(jù)景泰川灌區(qū)工作分工情況，在灌溉處或調度室設1名系統(tǒng)管理員，系統(tǒng)管理員主程序界面包含4個模塊，分別為種植計劃模塊、報表管理模塊、系統(tǒng)管理模塊和權限管理模塊，見圖5。

圖5 系統(tǒng)管理員登錄系統(tǒng)主界面

4.2 手機App開發(fā)

App在Windows系統(tǒng)上使用Android studio工具進行開發(fā)，手機端使用HTML5，采用java開發(fā)語言作為后臺接口程序，利用html5、CSS3、JavaScript、Ajax、node.js等前端技術和mysql數(shù)據(jù)庫。通過阿里云服務器，將手機端和后臺放入阿里云服務器同一tomcat容器中，保證手機端和后臺在同一作用域下。目前僅僅開發(fā)了安卓系統(tǒng)農戶上報系統(tǒng)，各管理單位審核與上報均在PC端完成，App端主要用于農戶對種植作物、面積、所屬渠系的上報。

首先在安卓手機上安裝景泰川灌區(qū)種植計劃上報系統(tǒng)(種植計劃通)，安裝后啟動，進入登錄頁面，見圖6，農戶填寫用戶名、密碼，點擊登錄，進入系統(tǒng)。

圖6 種植計劃通啟動界面

登錄成功后跳轉到首頁面，首頁顯示上報信息，審核結果為“不通過”可對本條數(shù)據(jù)作修改，審核已通過或者待審核狀態(tài)該條數(shù)據(jù)只能查看，不能修改。手機系統(tǒng)主頁及上報界面見圖7。點擊“新建”按鈕，填寫表單信息，選擇種植作物，輸入種植面積和地塊所屬配水點，選擇所在干渠、支渠、斗渠，點擊右上角“保存”按鈕，點擊“提交”按鈕完成上報，也可繼續(xù)點擊右上角“新建”按鈕，添加其他作物信息。

圖7 手機系統(tǒng)主頁及上報界面

5 結 語

本系統(tǒng)設計基本信息包括種植結構、作物類型、種植面積、灌水時間、灌水次數(shù)、灌溉所需水量以及各灌溉地塊所屬斗渠、支渠、干渠等主要信息，結合目前灌區(qū)由組(莊)、配水點、渠段、水管所等基層灌溉管理機構逐級審核并上報流程，利用計算機和互聯(lián)網技術，開發(fā)了灌水計劃精準制定系統(tǒng)，實現(xiàn)了灌溉管理處年度灌水計劃制定的精確、快速和高效，為統(tǒng)一制定灌水計劃及水量調度方案提供第一手資料。PC端景泰川灌區(qū)灌水計劃信息系統(tǒng)利用JAVA、JavaScript、vue.js、jquery、HTML 、mybatis等計算機語言，以IDEA +MYSQL+ JDK為開發(fā)工具，采用B/S架構和J2EE平臺，選用MySQL開源數(shù)據(jù)庫，在Tomcat應用服務器上運行，灌溉用水戶能夠通過瀏覽器或手機App訪問本系統(tǒng)并及時、便捷、快速、準確的填報本年度的種植計劃。景泰川灌區(qū)手機App種植計劃上報系統(tǒng)在Windows系統(tǒng)上使用Android studio工具進行開發(fā)，手機端使用HTML5，采用java開發(fā)語言作為后臺接口程序，利用html5、CSS3、JavaScript、Ajax、node.js等前端技術和mysql數(shù)據(jù)庫。通過阿里云服務器，將手機端和后臺放入阿里云服務器同一tomcat容器中，保證手機端和后臺在同一作用域下。目前僅僅開發(fā)了安卓系統(tǒng)農戶上報系統(tǒng)，各管理單位審核與上報均需在PC端完成，App端主要用于農戶對種植作物、面積、所屬渠系等信息的上報。

本研究提出的景泰川灌區(qū)灌水計劃信息系統(tǒng)已開發(fā)完成，目前處于試用階段，為農戶、用水者協(xié)會和灌區(qū)水管理機構提供了高效的交互平臺，初步實現(xiàn)了從農戶-組(莊)-配水點-渠段-水管所-景泰川灌區(qū)的種植計劃的逐級審核和逐級上報，為灌溉管理處年度灌水計劃制定提供了精確、快速和高效的信息化手段，為統(tǒng)一制定灌水計劃及水量調度方案提供第一手資料。下一步將針對各級用戶的使用反饋信息，對系統(tǒng)進行補充和完善，從而為促進農業(yè)用水效率提升，為今后灌區(qū)自動化控制和精準灌溉創(chuàng)造條件。