現(xiàn)代化灌區(qū)建設(shè)中信息化工程規(guī)劃設(shè)計架構(gòu)初探

饒遠謀

（華池縣水務(wù)局，甘肅 華池 745600）

我國是典型的農(nóng)業(yè)大國，灌區(qū)是發(fā)展農(nóng)業(yè)生產(chǎn)不可或缺的基礎(chǔ)。在農(nóng)業(yè)節(jié)水化的新要求、新形勢下，加快建設(shè)現(xiàn)代化灌區(qū)，對保障國家糧食安全、水安全和促進鄉(xiāng)村振興具有十分重要的意義。現(xiàn)代化灌區(qū)指按照“人-社會-自然”相互和諧發(fā)展的原則，通過科學合理的生產(chǎn)布局，配套適用的排灌系統(tǒng)和高效的信息化系統(tǒng)，實現(xiàn)灌區(qū)水資源開發(fā)利用及管理能效的最大化[1-3]。其中，現(xiàn)代化灌區(qū)建設(shè)中信息化工程是利用傳感器、互聯(lián)網(wǎng)、物聯(lián)網(wǎng)、云計算、大數(shù)據(jù)、5G等先進技術(shù)構(gòu)建物聯(lián)感知、數(shù)據(jù)匯聚、運算分析、科學決策及智慧應(yīng)用的智能化、網(wǎng)絡(luò)化系統(tǒng)，是實現(xiàn)灌區(qū)水、肥、氣、熱、作物等元素動態(tài)監(jiān)控和管理的重要措施，也是實現(xiàn)灌區(qū)水資源“總量控制、定額管理”的必然方向[4-8]。文章從工程設(shè)計實踐與積累著手，從灌區(qū)生產(chǎn)、管理、技術(shù)等角度進行分析，結(jié)合灌區(qū)現(xiàn)代化建設(shè)中業(yè)務(wù)發(fā)展、用戶使用、數(shù)據(jù)庫建設(shè)、運行安全等方面的實際需求，從設(shè)計層面構(gòu)建灌區(qū)信息化工程的建設(shè)架構(gòu)，以期為現(xiàn)代化灌區(qū)建設(shè)提供參考和技術(shù)支撐。

1 灌區(qū)信息化工程存在的問題及原因分析

我國從1990年開始大型灌區(qū)信息化工程的建設(shè)，特別是在2010年以后，灌區(qū)信息化建設(shè)取得了較大成就，但是從灌區(qū)運行的需求及行業(yè)發(fā)展的方面仍存在以下問題。

1.1 規(guī)劃設(shè)計不合理，需求分析不到位

在灌區(qū)信息化工程規(guī)劃設(shè)計階段，由于前期現(xiàn)場調(diào)研和需求分析不到位，使得工程規(guī)劃、設(shè)計方案、實施方案、建設(shè)內(nèi)容、技術(shù)路線、工程措施、設(shè)備配置等方面與實際需求脫節(jié)。主要原因在于，灌區(qū)新建信息化工程與已建信息化工程的銜接不夠，工程沒有與灌區(qū)管理業(yè)務(wù)實際緊密銜接。

1.2 系統(tǒng)應(yīng)用水平低，功能發(fā)揮不充分

雖然近些年灌區(qū)信息化水平得到了很大的提升，但總體水平仍然較低，相當一部分灌區(qū)僅實現(xiàn)了干渠/干管的自動化量測水功能。究其原因，主要有3點：一是缺乏數(shù)據(jù)支持，系統(tǒng)集成應(yīng)用性差；二是灌區(qū)管理體制機制老舊，信息孤島較多，一定程度上限制了應(yīng)用效能的發(fā)揮；三是信息化技術(shù)普及程度不夠，灌區(qū)管理人員在使用中存在一定的難度。

1.3 工程建設(shè)缺標準，運行管理不規(guī)范

灌區(qū)信息化工程建設(shè)過程中，無論軟件開發(fā)還是硬件選型，均是參考其他行業(yè)標準，且這些標準也存在不一致性，特別在量測水設(shè)備選型中表現(xiàn)得尤為嚴重。同時，灌區(qū)信息化工程管理也缺乏相應(yīng)的規(guī)范，導致工程在使用過程中難以有效地維修和養(yǎng)護，造成使用壽命短。

2 規(guī)劃設(shè)計中如何進行需求分析

在灌區(qū)信息化工程規(guī)劃設(shè)計中，需要重點對灌區(qū)計量監(jiān)控、用戶及產(chǎn)業(yè)發(fā)展、灌區(qū)數(shù)據(jù)庫建設(shè)以及運行安全等幾個方面進行重點分析。

2.1 計量監(jiān)控需求

現(xiàn)階段，我國灌區(qū)信息化程度相對較低，計量監(jiān)控設(shè)施明顯不足[9]。一方面，滿足灌區(qū)管理的水情（水位、流量、流速等信息）、雨情（降雨量、降雨頻率等信息）、墑情（土壤含水量信息）、工情（測控一體閘門、電磁閥、田間控制器等工作信息）等“四情”監(jiān)控系統(tǒng)不夠完善，嚴重制約著灌區(qū)管理水平及工作效率的提升；另一方面，缺乏能夠?qū)崟r監(jiān)控灌區(qū)內(nèi)作物長勢需求、病蟲害防治需求的信息化系統(tǒng)，也限制了作物種植水平和產(chǎn)出效率的提高。這與發(fā)達國家還具有較大差距。因此，在規(guī)劃設(shè)計中，對灌區(qū)管理層面應(yīng)注重對“四情”監(jiān)控系統(tǒng)的需求分析；在作物層面應(yīng)側(cè)重于對農(nóng)作物生長、病蟲害統(tǒng)防統(tǒng)治的需求分析。

2.2 多方用戶及產(chǎn)業(yè)發(fā)展需求

灌區(qū)中與農(nóng)業(yè)生產(chǎn)相關(guān)的生產(chǎn)主體，主要包括農(nóng)民、農(nóng)場主、種植大戶、專業(yè)化種植企業(yè)等，這些主體迫切需要通過灌區(qū)信息化工程來獲取生產(chǎn)資料、農(nóng)技信息、市場動向等，用以降低生產(chǎn)和市場風險，從而提高農(nóng)業(yè)生產(chǎn)效益。灌區(qū)中與農(nóng)業(yè)生產(chǎn)相關(guān)的服務(wù)主體，主要包括農(nóng)資供應(yīng)商、植物保護服務(wù)商、農(nóng)機服務(wù)商等，這些社會化服務(wù)組織也需要通過信息化手段來匹配服務(wù)對象，為農(nóng)業(yè)生產(chǎn)提供生產(chǎn)資料。從政府層面來看，水行政主管部門或灌區(qū)管理單位也需要通過灌區(qū)信息化手段來掌握轄區(qū)內(nèi)灌區(qū)動態(tài)和生產(chǎn)情況。同時，農(nóng)產(chǎn)品經(jīng)銷商、消費者等也需要運用信息化工程來加速農(nóng)產(chǎn)品的流通、實現(xiàn)農(nóng)產(chǎn)品溯源等。可見，灌區(qū)信息化工程的用戶涉及生產(chǎn)主體、服務(wù)主體、政府管理者、經(jīng)銷商、消費者等，應(yīng)從多角度開展需求分析。

2.3 灌區(qū)數(shù)據(jù)庫建設(shè)需求

現(xiàn)階段，有相當一部分灌區(qū)的水文氣象、灌溉作業(yè)、農(nóng)業(yè)生產(chǎn)等數(shù)據(jù)仍采用手抄、報表等方式采集，無法長期有效儲存和實時快速分析，更無法支撐現(xiàn)代化灌區(qū)的建設(shè)，亟待通過信息化工程來搭建海量數(shù)據(jù)匯聚、快速查詢、統(tǒng)計分析、公開透明的灌區(qū)數(shù)據(jù)庫，為灌區(qū)發(fā)展規(guī)劃、農(nóng)業(yè)產(chǎn)業(yè)布局、農(nóng)事生產(chǎn)等提供支撐。因此，在需求分析中更應(yīng)注重對灌區(qū)數(shù)據(jù)庫的建立。通過物聯(lián)平臺將灌區(qū)雨情、水情、工情、墑情、安全等多元數(shù)據(jù)采集匯聚、篩選加工、標準化處理后，按業(yè)務(wù)需求建立相應(yīng)的數(shù)據(jù)庫，打破信息孤島，服務(wù)于各方用戶。

2.4 運行安全需求

現(xiàn)代化灌區(qū)建設(shè)中，灌區(qū)設(shè)施設(shè)備的運行安全顯得越來越重要。一方面，按照“統(tǒng)一規(guī)劃、統(tǒng)一設(shè)計”的原則，結(jié)合灌區(qū)測控設(shè)備和業(yè)務(wù)應(yīng)用系統(tǒng)的需求情況，在可信通信網(wǎng)絡(luò)、可信接入邊界、可信計算環(huán)境、安全管理規(guī)則等方面進行重點分析；另一方面，應(yīng)從灌區(qū)信息化工程設(shè)備運行情況、服務(wù)啟用情況、故障報修情況等分析總結(jié)規(guī)律，在灌區(qū)信息化工程架構(gòu)設(shè)計中，提高系統(tǒng)的正常運行率，實現(xiàn)運行管理工作的可管、可控、可優(yōu)化。

3 灌區(qū)信息化工程設(shè)計架構(gòu)

3.1 架構(gòu)設(shè)計

圍繞現(xiàn)代化灌區(qū)建設(shè)中對計量監(jiān)控、農(nóng)業(yè)產(chǎn)業(yè)發(fā)展、數(shù)據(jù)庫建設(shè)及運行安全等多元化、復雜性的需求，面向用戶、農(nóng)場主、種植企業(yè)、社會化服務(wù)組織及政府等多方面、多目標對象，初步設(shè)計了現(xiàn)代化灌區(qū)信息化工程架構(gòu)，如圖1所示。從下到上，可劃分為物聯(lián)感控、網(wǎng)絡(luò)通信、數(shù)據(jù)、智慧應(yīng)用、科學決策共5個層級和管理制度、標準規(guī)范、運維體系、安全體系共4個體系，從而形成信息感控全面、科學調(diào)度合理、智能管理高效、科學決策迅速、災害預警及時、產(chǎn)業(yè)鏈接可靠的現(xiàn)代化灌區(qū)智慧信息工程系統(tǒng)模型。

3.2 系統(tǒng)描述

3.2.1 物聯(lián)感控層

物聯(lián)感控層通過劃分不同的控制單元，運用3S技術(shù)、視頻技術(shù)、物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)等通過匯聚多種類型的智能傳感終端、視頻監(jiān)控終端、計量控制終端、氣象數(shù)據(jù)采集終端、自動控制系統(tǒng)等，為現(xiàn)代化灌區(qū)提供全面的數(shù)據(jù)感知能力。作為信息化工程的基礎(chǔ)層，物聯(lián)感控層感知的內(nèi)容主要包括水情信息、工情信息、墑情信息、水質(zhì)信息、氣象信息、岸線信息、庫壩信息、閘閥信息、泵站信息等。在規(guī)劃設(shè)計中，通過需求分析對物聯(lián)感控設(shè)備進行優(yōu)化布局，能夠?qū)崿F(xiàn)對現(xiàn)代化灌區(qū)范圍內(nèi)全對象、全要素的數(shù)據(jù)采集，為上層數(shù)據(jù)中心提供全面準確有效的感知數(shù)據(jù)。

3.2.2 網(wǎng)絡(luò)通信層

網(wǎng)絡(luò)通信層是利用通信技術(shù)、無線技術(shù)和網(wǎng)絡(luò)安全技術(shù)等，通過灌區(qū)控制專用網(wǎng)、業(yè)務(wù)管理網(wǎng)、公共通信網(wǎng)、互聯(lián)網(wǎng)、衛(wèi)星通信等為灌區(qū)提供容量大、覆蓋廣、安全可靠的網(wǎng)絡(luò)通信設(shè)施，實現(xiàn)灌區(qū)數(shù)據(jù)快速安全地傳輸與匯聚。作為信息化工程的安全傳輸通道，在規(guī)劃設(shè)計中按照感控信息點和自動控制現(xiàn)地站的實際需求合理布設(shè)通信設(shè)備。一般布設(shè)原則是，日常通道和備用通道采用不同的通信技術(shù)，現(xiàn)地設(shè)備自檢通信異常時自動切換通信通道，且設(shè)計中還應(yīng)加設(shè)臨時備用電源切換設(shè)備。

3.2.3 數(shù)據(jù)層

數(shù)據(jù)層是利用云技術(shù)、大數(shù)據(jù)技術(shù)、數(shù)據(jù)倉庫技術(shù)、數(shù)據(jù)挖掘技術(shù)和GIS技術(shù)等，構(gòu)建由基礎(chǔ)的云設(shè)施、各數(shù)據(jù)庫和支撐系統(tǒng)組成的數(shù)據(jù)中心，為現(xiàn)代化灌區(qū)提供數(shù)據(jù)高效存儲和運算能力。其中云設(shè)施包括機房網(wǎng)絡(luò)、云計算、云存儲等，實現(xiàn)數(shù)據(jù)的存儲和計算；數(shù)據(jù)庫包括基礎(chǔ)數(shù)據(jù)庫、業(yè)務(wù)數(shù)據(jù)庫、科研數(shù)據(jù)庫、市場數(shù)據(jù)庫、共享數(shù)據(jù)庫等灌區(qū)數(shù)據(jù)資源；支撐系統(tǒng)主要包括報表服務(wù)、數(shù)據(jù)服務(wù)、地圖服務(wù)、模型服務(wù)等，為上層應(yīng)用提供標準的數(shù)據(jù)、地圖、應(yīng)用服務(wù)等支撐。

3.2.4 智慧應(yīng)用層

智慧應(yīng)用層屬于現(xiàn)代化灌區(qū)信息化工程的核心，主要在上述3個功能層級的基礎(chǔ)上，借助各種先進水利技術(shù)、虛擬現(xiàn)實技術(shù)、AI技術(shù)等構(gòu)建灌區(qū)管理、水資源管理和農(nóng)作物管理等智能應(yīng)用，為灌區(qū)高效運轉(zhuǎn)提供支撐，也為科學決策層提供應(yīng)用成果數(shù)據(jù)。其中，灌區(qū)管理包含日常、設(shè)備、人員、財產(chǎn)、物資、用戶等管理；水資源管理主要包括計量計費、水量配置、閘閥集控、岸線監(jiān)控、預警預報、水權(quán)交易等方面的管理；農(nóng)作物管理包含長勢監(jiān)控、水肥方案、植物保護、綠色飛防、流通加工、產(chǎn)品溯源等方面的管理。

3.2.5 科學決策層

科學決策層則以調(diào)度決策、大屏展示、專家咨詢和綜合會商4個中心為依托，綜合利用大屏技術(shù)、專家決策支持技術(shù)、大數(shù)據(jù)可視化技術(shù)、虛擬現(xiàn)實技術(shù)等建設(shè)灌區(qū)“一張圖”，是現(xiàn)代化灌區(qū)調(diào)度指令發(fā)布、綜合信息展示、用戶交互及查詢會商的窗口。科學決策層為現(xiàn)代化灌區(qū)多方用戶提供更加直觀形象的監(jiān)測數(shù)據(jù)和成果數(shù)據(jù)，能夠?qū)鄥^(qū)管理工作動態(tài)和發(fā)展趨勢進行全景展示，為管理決策者提供科學、實時的數(shù)據(jù)支撐。

3.2.6 體系建設(shè)

灌區(qū)信息化工程設(shè)計架構(gòu)中的5個功能層級的建設(shè)和運行均需要配套科學的管理制度體系和標準規(guī)范體系，構(gòu)建完善的運維體系和安全體系，用以保障現(xiàn)代化灌區(qū)信息化工程效益能夠最大化長久發(fā)揮。在規(guī)劃設(shè)計中，管理制度體系應(yīng)從灌區(qū)管理體制機制改革著手，力求滿足信息化工程的運行需求。標準規(guī)范體系是現(xiàn)代化灌區(qū)建設(shè)的重要基礎(chǔ)，規(guī)劃設(shè)計中應(yīng)遵循并完善標準規(guī)范，確保各系統(tǒng)的互聯(lián)互通、信息共享和業(yè)務(wù)協(xié)同。從信息化工程的全生命周期來看，運維階段是持續(xù)時間最長的，也是體現(xiàn)和發(fā)揮信息化價值最重要的階段。建立完備的運維體系，強化信息基礎(chǔ)設(shè)施的智能運維，是保障整個信息化工程正常運行的重要手段。信息化工程作為現(xiàn)代化灌區(qū)重要的組成部分，應(yīng)該在國家相關(guān)法律法規(guī)的約束指導下，積極采用多種方法措施建立安全體系，如邏輯隔離、入侵檢測、系統(tǒng)訪問控制、惡意代碼防護、國產(chǎn)密碼等，確保其可靠運行。

3.3 投資分析

分別以渠灌區(qū)、井灌區(qū)各66.67 hm2及實現(xiàn)基本功能為原則進行現(xiàn)代化灌區(qū)信息化工程投資分析。不同配置等級的信息化工程建設(shè)投資相差較大，一般隨用戶配置要求的升高而增大。其中，渠灌區(qū)信息化工程建設(shè)每公頃投資11 625～30 255元，首部控制、四情監(jiān)測、遙感系統(tǒng)及田間控制系統(tǒng)投資占總投資的4.6%～8.2%、1.6%～3.0%、1.5%～2.9%和85.9%～92.4%。與渠灌區(qū)相比，井灌區(qū)低配型和高配型信息化工程建設(shè)投資分別提高了41.8%和3.7%，每公頃投資達到16 500～31 350元，首部控制、四情監(jiān)測、遙感系統(tǒng)及田間控制系統(tǒng)投資占總投資的22.3%～34.3%、1.8%～2.3%、1.5%～3.8%和59.5%～74.4%，見表1。由此可見，從投資角度看，渠灌區(qū)信息化工程設(shè)計中應(yīng)重點關(guān)注田間控制系統(tǒng)，盡力做到閘、閥配置合理、集控便捷；而井灌區(qū)由于增加機井控制等系統(tǒng)，首部控制部分投資增加，在進行信息化工程設(shè)計中，則需要綜合考慮首部和田間兩套控制系統(tǒng)的布局和配置，力求在達到目標需求的同時盡量降低投資。

表1 現(xiàn)代化灌區(qū)信息化工程建設(shè)投資分析表

4 結(jié)語

現(xiàn)代化灌區(qū)是現(xiàn)代化農(nóng)業(yè)生產(chǎn)的基礎(chǔ)，而信息化工程是現(xiàn)代化灌區(qū)中不可或缺的“中樞神經(jīng)”，在最嚴格水資源管理、農(nóng)業(yè)水價綜合改革、高標準農(nóng)田建設(shè)等方面發(fā)揮著越來越重要的作用。現(xiàn)代化灌區(qū)信息化工程基礎(chǔ)架構(gòu)需要在灌區(qū)管理中充分研究應(yīng)用和不斷優(yōu)化，更需要重點運用5G、云計算、大數(shù)據(jù)、人工智能等新興科技，打造因地制宜的現(xiàn)代化信息系統(tǒng)和智慧云平臺，推動灌區(qū)管理方式轉(zhuǎn)變，逐步提高灌區(qū)自動化控制水平、智能決策能力和運行服務(wù)效率，加快推進灌區(qū)現(xiàn)代化改造，有力提升國家糧食安全。