灌區一體化斗口閘門智能測控系統

張 欣， 劉敏昊， 翟林鵬， 李 勝

(1.南京津碼智能科技有限公司， 江蘇 南京 210046； 2.江蘇省水利廳， 江蘇 南京 210029)

我國灌區大多興建于20世紀50—70年代，老化失修嚴重，處于超期服役或帶病運行狀態，致使灌區水資源浪費嚴重，灌溉水利用率低，灌溉效益大幅度衰減。國際上唯一一家完全專注于改善大規模自流灌溉系統的公司是澳大利亞的潞碧墾公司，該公司生產的一體化測控槽閘占有全世界絕大部分的市場份額。由于所有設備和材料都需要進口，因此單套設備的成本已經達到人民幣8萬元，對于我國目前的灌區管理[1]來說會帶來非常大的成本。因此，研發并推廣灌區斗口設備自動化及其軟件平臺，構建一體化斗口閘門測控系統[2-5]，對于實現農業用水的智慧管控具有重大戰略意義和實際應用價值。

江蘇省里下河地區是我國典型河網密布區域，分布著各類大中小型灌區。灌區的渠道分為干、支、斗、壟、毛等5個級別，目前即使大中型灌區也只在干支一級進行了流量監測，無法進行農業灌溉用水精準計量，每個大中型灌區平均260個左右的斗口，因此斗口監控設備的研發生產是國家實現水利信息化和農業用水精準計量與控制的關鍵。在廣泛消化吸收國內外先進技術的基礎上，研發了一體化斗口閘門智能測控系統，將與閘門相關的所有設備都集成在一起，遠程控制閘門開關以及開度大小和傾角，支持流量自動監測，數據回傳和云端灌區用水決策分析。作為智慧灌區末端控制設備，能真正做到農業用水智慧管控[6]，極大提升灌區取用水管理信息化、智能化水平。

1 總體設計

現代農水智慧管控系統包括一體化閘門測控裝置和智慧灌區管理軟件兩大部分。其中流量分析計算的嵌入式軟件集成在一體化閘門測控裝置中；各種傳感器數據的高級應用計算、閘門控制[6-7]及其相關數據的分析處理放在上位機(控制中心的服務器)上運行，與手機APP同屬于智慧灌區管理軟件。整個系統的組成部分和數據關系如圖1所示。

圖1 系統的組成部分和數據關系

一體化閘門測控裝置的閘門分為平板閘門和槽型閘門2種，采用統一的接口、數據結構、通信協議、控制方式，控制模塊能夠兼容。平板閘門具有水頭損失小，可替換現有閘門的優勢，適合南方平坦地區。槽型閘門在各流量情況下有固定流量寬度，流速均勻，流量測量較準確，但實際應用需要一定高差，水頭損失大，適合北方地區。智慧灌區管理軟件包括PC端和手機APP端兩個版本，分別側重不同的功能模塊。主要功能模塊如圖2所示。

圖2 軟件系統的主要功能模塊

2 帶自清潔功能的斗口閘門設計

為了適應南北方不同含沙量水質特點，我們的斗口閘門測控系統，包括2層外框架：第一層外框架為支撐和固定框架，可根據地形結構采用相適應的船舶級鋁，聚苯乙烯泡沫塑料夾層，橡膠輔助樹脂傳遞模塑工藝，三元乙丙橡膠止水材料等，組成測流槽底座、側墻、槽型閘門極其第一電機等設施；第二層外框架主要安裝流水口、平板閘門和第二電機等設施。在兩層框架之間設置電機控制模塊、測量模塊、通信模塊、電源模塊等。

獨特的泥沙和小型水生植物淤積等沖洗裝置[8]，安裝在第二層外框架的內測，防止水流緩慢時測流槽內的雜物淤積造成水位誤差大、測流精度下降等問題。該功能通過自制一種輕量級水下超聲波振動單元實現，由超聲波換能器、升壓模塊、控制模塊、電源接口、信號接口、金屬底板和密封盒組成。該電路可將低壓直流經漏電保護芯片檢測后，被MOSFET晶體管開合轉換成高頻低壓交流電，再經過變壓器升壓至超聲波工作電壓，阻抗調整后為超聲波換能器供電，然后通過換能器高頻振動產生超聲波，最后超聲波經金屬底板傳導輻射至底板雜質。振動單元工作時長和工作間隔受延時芯片控制，可通過控制接口的信號配置，配合泥位計、水位計、沖刷管路等裝置和軟件，構成小型灌渠測流設備的自動泥沙雜質清除系統，見圖3。

圖3 自動泥沙雜質清除系統結構

該裝置振動附著在底板上的泥沙等雜質不易沉積、板結、固結，容易被渠道水流和沖刷管路沖洗清除，其獨立低壓供電超聲波振動單元，可自由分布布置并配置同時工作或交替工作，兼容各種頻率超聲波換能器，單一模塊故障不影響整體系統工作，配備漏電保護功能，確保系統的安全可靠性。整體安裝示意圖，見圖4。

圖4 帶自清潔功能的斗口閘控系統安裝示意圖

3 數據采集與處理方法

本系統的數據采集與處理以智能采集終端為中心，支持攝像頭數據回傳，支持有線通信和無線通信。圖2所示的軟件系統主要功能模塊主要部署在數據中心云平臺，與之配套的前端數據采集和處理，采用物聯網和邊緣計算技術，在自主研發的智能RTU和現場處理機上增加一定的數據判定和控制命令解析執行功能，增強現場運行控制的敏捷性。

其中前端的數據采集子系統部署在渠首和斗口站房內，由閘門模塊、氣象模塊、攝像頭模塊、墑情模塊和控制模塊組成，各模塊可根據實際需求與灌區內部署氣象傳感器、墑情傳感器、雨量傳感器等配合工作。斗口設備自帶SRTU，提供接口可外接傳感器，將所采集上述傳感器信息通過無線信道上傳到灌區管理委員會或數據中心(數據中心可設在各省水利廳，也可就設在灌區管理委員會)。

數據中心云平臺完成視頻、流量信息的監控，灌溉調度計劃監督，用水控制等；其數據匯集處理層包括實時數據接收、報文解析、質量控制、存儲與轉換處理等功能；數據庫層將預處理后的數據分類保存到相關數據庫中，為上層應用提供數據服務；應用層主要包括數據展示、智能管理、灌溉調度計劃制定、APP服務等功能，可利用大數據分析和人工智能等輔助決策技術，綜合利用氣象、水文、農作物生長等模型，對灌區各環境因素和農作物產量做出中長期預報，為灌溉方案的制定提供可靠數據支撐，更好地控制水資源、作物和生態環境之間的平衡。

4 結 語

本文提出的灌區一體化斗口閘門智能測控系統解決方案，將前端斗口閘門測控從傳統的水位、流量數據擴展到氣象、土壤信息的時空同步上報，同時增加了測流槽的自清潔功能，大大降低了設備使用維護成本。利用智能RTU將灌水量、降水和土壤墑情信息同時上傳到智慧灌區管理平臺，支持灌區實時數據的查詢、歷史數據的統計分析、灌溉調度計劃的智能生成、用水量統計分析、告警等多種應用，并能遠程接收智慧灌區管理平臺給出的控制指令，自動控制斗口流量，為提升灌區業務高水平集成應用創造了條件。