執(zhí)行申請灌溉調(diào)度決策支持系統(tǒng)研究與設(shè)計(jì)

韓小龍，丁文捷，李桐滿，陸 陽

（1.寧夏水利科學(xué)研究院，銀川 750021；2.寧夏大學(xué)，銀川 750021）

隨著節(jié)水灌溉技術(shù)的推廣應(yīng)用，閘門操作越來越精細(xì)，灌溉管理工作越來越繁重。行水期，灌溉管理員晝夜往返于閘門口之間，工作十分辛苦，迫切需要便捷的灌溉管理系統(tǒng)。近年來，灌溉調(diào)度決策支持系統(tǒng)主要研究通過測量、人工采集（或反演）雨情、水情、工情、墑情、水文氣象和視頻等信息[1,2]，綜合灌溉預(yù)報[3,4]、農(nóng)藝措施[5,6]、多水源分配[7]、地下水位[8]等條件，決策閘門或泵站啟閉[9]、測站、用水單元、渠系建設(shè)物、管理機(jī)構(gòu)諸多輸水關(guān)聯(lián)信息[1]，達(dá)到最佳時間、最少灌水量、輸水安全、水閘運(yùn)管服務(wù)[10]等目標(biāo)，進(jìn)而減少配水矛盾，發(fā)揮水資源最大效益[9]。灌溉調(diào)度決策支持系統(tǒng)的體系結(jié)構(gòu)可以概括為數(shù)據(jù)庫、水文預(yù)報、水情分析、用水計(jì)劃、灌溉進(jìn)度、用水總結(jié)、灌排評價等子系統(tǒng)[2]。其中水利部將灌區(qū)數(shù)據(jù)庫分為基礎(chǔ)數(shù)據(jù)庫和空間數(shù)據(jù)庫、專題數(shù)據(jù)庫、工程建設(shè)管理、節(jié)水灌溉項(xiàng)目、政策法規(guī)[11]等五類。水文預(yù)報研究有SHE、SWAT、數(shù)字流域[12]等預(yù)測模型。用水計(jì)劃子系統(tǒng)有基于作物需水量靜態(tài)配水計(jì)劃[13]，基于遙感的動態(tài)配水計(jì)劃[14]等。灌溉管理子系統(tǒng)包含有制定灌溉計(jì)劃、監(jiān)督執(zhí)行、運(yùn)行評價、實(shí)時調(diào)整的動態(tài)運(yùn)行管理[15]等。然而研究目標(biāo)過于集中于“節(jié)水灌溉，減少輸水損失，縮短輸水時間，提高灌區(qū)經(jīng)濟(jì)效益”等方面[3]，存在“管理模型和軟件過于復(fù)雜，片面追求理論最優(yōu)解和算法的完美，可操作性差，通用化程度不高，用水利益沖突反映不足，用水決策協(xié)調(diào)不足”等問題，難以大面積推廣[1]。

調(diào)度決策支持來源于制造業(yè)，原意是指如何具體規(guī)劃、組織生產(chǎn)活動使各種資源得到充分合理的利用，并通過監(jiān)控、反饋執(zhí)行過程信息，調(diào)整組織過程計(jì)劃，使生產(chǎn)效益最大化[16]。本文在馬孝義研究的系統(tǒng)結(jié)構(gòu)[2]和俞揚(yáng)峰的系統(tǒng)功能[15]基礎(chǔ)上，概述了執(zhí)行申請灌溉管理過程，自動生成并更新灌溉調(diào)度計(jì)劃的方法，設(shè)計(jì)了手機(jī)APP、閘門智能鎖、調(diào)度決策支持子系統(tǒng)功能，然后介紹如何應(yīng)用這些子系統(tǒng)規(guī)劃水的時空分布，督促用水戶和管理員分工協(xié)作，最大化提升水的生產(chǎn)效率。

1 總體設(shè)計(jì)

系統(tǒng)整體采用計(jì)劃-執(zhí)行-監(jiān)測-更新計(jì)劃的過程。即：通過手機(jī)APP 收集需水信息，地理信息系統(tǒng)（GIS）展示需水的空間分布，流量圖計(jì)劃供水的時間分布，建立灌溉調(diào)度計(jì)劃；應(yīng)用閘門智能鎖管理用水戶按計(jì)劃灌溉，同時監(jiān)測并反饋水情信息；服務(wù)器根據(jù)監(jiān)測和反饋的信息更新計(jì)劃，用更新的計(jì)劃指導(dǎo)或建議灌溉作業(yè)間平穩(wěn)銜接(見圖1)。

圖1 執(zhí)行申請灌溉管理概覽Fig.1 Overview Apply for irrigation

自動、迅速且靈活地建立灌溉調(diào)度計(jì)劃是執(zhí)行申請灌溉的核心。為此，先將灌溉調(diào)度計(jì)劃轉(zhuǎn)化為矩形條帶裝箱問題（2DR-SPP）[17]，即將渠道流水簡化成流量-時間構(gòu)成的矩形（寬表示流量，長表示用水時段，面積代表總水量，上下沿代表閘門操作），上游來水預(yù)測簡化成箱體，灌溉申請為矩形貨物。再依據(jù)自然結(jié)構(gòu)和權(quán)屬將灌區(qū)離散化，分為灌溉單元、渠段單元和管理單元并組成“樹”形結(jié)構(gòu)[4,18]。最后灌溉申請（Q-H矩形）沿灌區(qū)結(jié)構(gòu)（二叉樹）從下至上匯總（2DR-SBP分層裝箱）[19]，初步建立灌溉計(jì)劃。圖2展示了灌區(qū)的自然結(jié)構(gòu)抽象為灌區(qū)的邏輯結(jié)構(gòu)，再映射為灌溉調(diào)度計(jì)劃的過程。

圖2 灌溉單元到灌溉調(diào)度計(jì)劃的二次映射Fig.2 Quadratic mapping from irrigation unit to scheduling

將灌區(qū)空間結(jié)構(gòu)簡化成二叉樹邏輯結(jié)構(gòu)后，有：

A={a∈樹節(jié)點(diǎn)|a是灌溉單元}；B={b∈樹節(jié)點(diǎn)|b是渠段單元}；C={c∈樹節(jié)點(diǎn)|c是管理單元}；流量X={x∈B|x＜設(shè)計(jì)流量}。

灌溉申請審批時：

灌溉申請Y={Q,H|y∈Y,Q是申請流量，H是申請時段}；

灌溉審批D={D∈C|[0,1]y= 0拒絕,y= 1批準(zhǔn)}。

按灌區(qū)邏輯結(jié)構(gòu)逐層分解配水計(jì)劃：

按灌區(qū)邏輯結(jié)構(gòu)逐層匯總申請：

配水計(jì)劃與申請匯總之間的差反應(yīng)了供需水矛盾。調(diào)度員用矩形條帶裝箱的方法分配水資源，同時指導(dǎo)并建議各個灌溉作業(yè)的流量、持續(xù)時間、作業(yè)間銜接關(guān)系，進(jìn)而初始化灌溉調(diào)度計(jì)劃。

在執(zhí)行過程中，系統(tǒng)依據(jù)灌溉調(diào)度計(jì)劃指導(dǎo)農(nóng)戶灌溉，監(jiān)測并交互執(zhí)行過程中的信息，統(tǒng)計(jì)分析計(jì)劃和執(zhí)行之間的偏差。每一組流量都有計(jì)劃、監(jiān)測、交互3個記錄，記作計(jì)劃流量為Qs，監(jiān)測流量為Qm，通過交互推斷流量為Qi，假設(shè)隨機(jī)數(shù)Qs、Qm、Qi與實(shí)際流量為Qt之間存在固定的概率分布，如：超聲波測流儀器剛經(jīng)過率定維護(hù)后，計(jì)劃、監(jiān)測、交互流量存在β分布，則：

流量最可能為：

方均差為：

灌區(qū)環(huán)境復(fù)雜，初始的灌溉調(diào)度計(jì)劃難以一一貫之。服務(wù)器循環(huán)執(zhí)行（2DR-ODP 開維裝箱）程序[20]，依據(jù)監(jiān)測分析結(jié)果更新計(jì)劃，指導(dǎo)或建議灌溉作業(yè)間順利過渡。

最后，統(tǒng)籌規(guī)劃灌溉調(diào)度計(jì)劃，促進(jìn)灌區(qū)整體滿意。比如采用灌溉申請和實(shí)際灌溉之間的歐式距離表示用水戶滿意度，用全體用戶滿意度之和評價調(diào)度計(jì)劃。

設(shè)灌溉作業(yè)：

式中：Q表示水量；H表示開始時間。

用水戶滿意度：

總之，用水戶只需要按照APP 提示事前申請、提前到崗、按計(jì)劃執(zhí)行即可，系統(tǒng)盡量按時按量的將水配送給所有的用水戶，最大化滿足生產(chǎn)需求。

2 子系統(tǒng)設(shè)計(jì)

2.1 執(zhí)行申請灌溉APP設(shè)計(jì)

根據(jù)需求分析，執(zhí)行申請灌溉管理APP 應(yīng)至少包含三類用例，分別是灌溉申請審批、灌溉過程交互、灌溉結(jié)果通知，如圖3所示。

圖3 執(zhí)行申請灌溉APP用例Fig.3 Apply for irrigation APP use cases

灌溉申請審批：用水戶通過APP 提出灌溉申請，管理員匯總申請水量并層層審批，調(diào)度員根據(jù)申請和年度配水計(jì)劃等確定輸水時間和水量，審批灌溉調(diào)度計(jì)劃。

灌溉過程交互：用水戶根據(jù)批準(zhǔn)的灌溉調(diào)度計(jì)劃，在規(guī)定的時間內(nèi)操作閘門達(dá)到批準(zhǔn)的流量，自助管理閘門。灌溉過程中及時將流量、灌溉進(jìn)度、預(yù)計(jì)結(jié)束時間等信息反饋給服務(wù)器，并接受服務(wù)器監(jiān)督管理。

灌溉結(jié)果通知：本輪灌溉結(jié)束后，服務(wù)器將用水時段、用水總量，是否按計(jì)劃操作閘門等信息發(fā)送給用水戶，并收繳水費(fèi)。

2.2 閘門智能鎖設(shè)計(jì)[21]

閘門智能鎖包括：鎖結(jié)構(gòu)，單片機(jī)、閘門高度霍爾傳感器、鎖銷、鍵盤、通信模塊、超聲波流量儀等。結(jié)構(gòu)如圖4所示。

圖4 閘門智能鎖結(jié)構(gòu)Fig.4 Smart Sluice lock structure

閘門智能鎖主要功能包括按照計(jì)劃管理閘門開啟時間和開度，并將監(jiān)測的水位、流速、流量等信息和用戶操作信息傳回服務(wù)器（見圖5）。設(shè)計(jì)簡潔、耐用適合農(nóng)業(yè)生產(chǎn)管理。

圖5 閘門智能鎖活動圖Fig.5 Smart Sluice lock Activity diagram

2.3 灌溉調(diào)度決策支持系統(tǒng)設(shè)計(jì)

每級灌溉管理單元都需要為下級灌溉單元提供灌溉調(diào)度決策支持服務(wù)，所以系統(tǒng)整體采用B/S 結(jié)構(gòu)，Supermap Object10i 搭建水利一張圖架構(gòu)，SQLServer 作為數(shù)據(jù)庫（系統(tǒng)主界面如圖6所示），主要功能包括灌溉單元注冊、管理單元配置、配水計(jì)劃、灌溉計(jì)劃、進(jìn)度跟蹤、流量統(tǒng)計(jì)分析等。

圖6 灌溉調(diào)度決策支持系統(tǒng)主界面Fig.6 Main interface of irrigation scheduling decision support system

灌溉單元注冊：在GIS底圖中將管理區(qū)域分為若干灌溉單元，與渠段建立樹形結(jié)構(gòu)，注冊面積、土壤屬性、權(quán)屬等基本信息。

管理單元配置：將渠管理處、農(nóng)村用水協(xié)會、閘門、泵站、蓄水池等抽象為灌溉管理單元[4,18]。每個管理單元都應(yīng)配置管理制度、年度配水計(jì)劃、管理員/用水戶權(quán)責(zé)、節(jié)水灌溉計(jì)劃、運(yùn)維管理計(jì)劃，協(xié)商協(xié)作方式、沖突解決辦法、水費(fèi)糾紛調(diào)解方案等。

灌溉配水計(jì)劃：綜合灌溉申請審批、年度計(jì)劃、來水預(yù)測多方面信息[3-15]，結(jié)合本區(qū)域的輸水損失、灌溉管理制度、值班計(jì)劃等制定本輪灌溉調(diào)度計(jì)劃。

監(jiān)督并指導(dǎo)灌溉作業(yè)：監(jiān)測水情并指導(dǎo)農(nóng)戶依計(jì)劃灌溉，收集灌溉進(jìn)度信息，根據(jù)監(jiān)測和交互的信息更新灌溉計(jì)劃，督促灌溉作業(yè)順利銜接。

流量統(tǒng)計(jì)分析：綜合灌溉計(jì)劃、水情監(jiān)測、用水戶交互等信息，實(shí)現(xiàn)一數(shù)一源，多元核算[20]的流量統(tǒng)計(jì)分析功能。

3 系統(tǒng)應(yīng)用

執(zhí)行申請灌溉調(diào)度決策支持系統(tǒng)主要功能包括協(xié)助調(diào)度員制定灌溉調(diào)度計(jì)劃，根據(jù)計(jì)劃指導(dǎo)用水戶灌溉；應(yīng)用閘門智能鎖管理灌溉過程，根據(jù)監(jiān)測交互等信息動態(tài)更新調(diào)度計(jì)劃；對比計(jì)劃與實(shí)際灌溉進(jìn)度；收集并適時分發(fā)消息，督促灌溉作業(yè)平穩(wěn)交接；統(tǒng)計(jì)分析用水計(jì)量，提高用水戶滿意程度等。它是灌溉信息收集分發(fā)、轉(zhuǎn)換處理、存儲展示、計(jì)劃監(jiān)督、統(tǒng)計(jì)分析的工具。只要用戶正確使用該系統(tǒng)，就能在便利農(nóng)民生產(chǎn)生活的同時提出科學(xué)、精準(zhǔn)、高效的輸配水建議。圖7是調(diào)度員、管理員、用水戶、以及閘門智能鎖、調(diào)度決策支持系統(tǒng)之間消息傳遞轉(zhuǎn)換，分工管理的協(xié)作圖。

圖7 執(zhí)行申請灌溉系統(tǒng)協(xié)作圖Fig.7 Apply for irrigation collaboration diagram

綜上所述，在灌溉管理的過程中，利用通信技術(shù)將灌溉過程中的數(shù)據(jù)集中在服務(wù)器端，系統(tǒng)通過循環(huán)裝箱程序持續(xù)更新水的時空分布計(jì)劃，管理員通過崗位、角色、職責(zé)分工協(xié)作減少灌溉管理工作量，調(diào)度員通過系統(tǒng)與設(shè)備、人員之間交互協(xié)同灌溉進(jìn)度，進(jìn)而達(dá)到節(jié)水灌溉，提高灌溉管理工作效率等應(yīng)用目標(biāo)。

4 結(jié)果與結(jié)論

執(zhí)行申請灌溉調(diào)度決策支持系統(tǒng)采用手機(jī)APP 申請審批用水需求操作簡單，易于擴(kuò)展，用地理信息系統(tǒng)展示需水的時空分布，用矩形條帶裝箱反應(yīng)供需水矛盾，將灌區(qū)自然結(jié)構(gòu)抽象為樹形邏輯結(jié)構(gòu)，采用二叉樹拓?fù)浼s束下的矩形條帶裝箱算法自動生成并動態(tài)更新灌溉調(diào)度計(jì)劃，采用閘門智能鎖管理灌溉過程，改善了系統(tǒng)的通用性、靈活性和易用性。再通過對比灌溉計(jì)劃與執(zhí)行過程之間的差異，監(jiān)督灌溉作業(yè)間平穩(wěn)交接，促使理論計(jì)劃轉(zhuǎn)換實(shí)際行動。最后通過用戶滿意度評價，明渠測流統(tǒng)計(jì)分析方法，用水糾紛調(diào)節(jié)制度等，實(shí)現(xiàn)“以人為本，實(shí)時監(jiān)測，多元核算，智能分析，動態(tài)預(yù)測，精準(zhǔn)服務(wù)”的數(shù)字灌區(qū)的總目標(biāo)[20]。

信息技術(shù)的飛速發(fā)展，萌生了針對精量化節(jié)水灌溉需求的執(zhí)行申請灌溉管理，迅捷地建立灌溉調(diào)度計(jì)劃是調(diào)度決策支持的核心。雖然僅考慮了灌區(qū)空間結(jié)構(gòu)的調(diào)度算法難以適應(yīng)田間復(fù)雜的運(yùn)行環(huán)境，相應(yīng)的配套管理制度、協(xié)作機(jī)制、評價統(tǒng)計(jì)方法等也缺實(shí)際的檢驗(yàn)，但是它擴(kuò)展了數(shù)字化灌區(qū)研究和建設(shè)方向，在降低現(xiàn)代化灌區(qū)建設(shè)成本，提高水資源利用效率等方面有著良好的應(yīng)用前景。隨著用水戶協(xié)作能力的提升，以及治水管水等服務(wù)水平的進(jìn)步，必然會深入改變傳統(tǒng)的灌溉管理模式。