農業灌區閘門遠程智能測控系統研究與開發*
——以甘肅省景電灌區為例

李君香 ，劉 斌

（甘肅省景泰川電力提灌水資源利用中心，甘肅 白銀 730400）

引黃灌區是我國重要的農業灌溉區域之一，為我國糧食和經濟作物的生產提供了農業灌溉水資源[1]。景電灌區是引黃灌區甘肅段重要的農業灌區，灌區閘門控制系統主要采用傳統的人工操作方式，存在效率低下、安全風險高的問題。黃河水泥沙含量高、淤積嚴重的特性，給景電灌區農田灌溉閘門的控制與管理帶來了一定的難度，研發一套閘門遠程智能測控系統，實現灌區灌溉閘門的遠程智能控制，對提高農業灌區灌溉閘門的運行效率和安全性，具有十分重要的現實意義。

1 景電工程概況

甘肅省景泰川電力提灌工程（簡稱“景電工程”）處于甘寧蒙三省交界處，是高揚程、多梯級、跨省區的大型電力提灌工程，建有泵站43 座，干、斗、支渠共1 391 條，長度為2 422 km，設計灌溉面積為97.67 萬畝，在2022 年實際灌溉面積為140 萬畝，總投資8.56 億元。景電工程分期建設：景電一期工程在1969 年開工，1971 年上水，年提水量為1.39 億m3，設計灌溉面積為30.42 萬畝。景電二期工程在1984年開工，1987 年上水，共有泵站30 座，年提水量為2.66 億m3，設計灌溉面積為52.05 萬畝。景電二期延伸向民勤調水工程在1995 年開工，2000 年建成，投入使用后共恢復灌溉面積30 萬畝[2]。自景電工程建成以來，該工程累積提水已達到160 億m3，具有顯著的經濟效益、生態效益和社會效益，成為當地近60 萬人民群眾的致富依托，也成為當地灌溉區域經濟社會發展的命脈，被當地人民譽為“救命工程、翻身工程、生態工程、德政工程、致富工程”。

2 遠程智能測控技術

遠程智能測控技術是一種基于信息化和智能化的遠程控制和監測技術，通過物聯網、云計算、傳感器技術等手段，實現對遠距離設備和系統的智能化控制和實時監測[3]，該技術在工業、農業、水利等領域廣泛應用，具有提高工作效率、降低系統運維成本、增強安全性的優勢。閘門遠程智能控制測控系統主要由遠程智能測控終端、閘門控制器、通信系統、太陽能供電系統、中心調度系統等組成[4]。閘門控制器和遠程智能控制終端利用太陽能供電、利用計算機對閘門進行遠程控制，同時將閘門處的信息通過網絡上傳至監控中心，可方便管理人員進行實時監控。

3 景電灌區閘門控制系統現狀

傳統的閘門控制系統采用傳統的人工操作方式，存在水資源浪費、不均勻分配、操作不便、實時調度困難等問題。1）人工操作方式效率低下，需要人員實地操作，導致工作效率不高，容易受到外界環境的影響，從而增加了工作的風險和困難。2）數據采集和監測不完善，傳統的閘門控制系統缺乏對關鍵參數和狀態數據的實時監測和采集，由于缺乏實時數據的支持，對閘門運行狀態的判斷和控制往往依賴于人工經驗，容易導致誤判和延誤處理。3）傳統系統中的數據采集方式多為手動記錄或定期檢查，無法實現對運行狀況的持續監測和分析。4）傳統的閘門控制系統缺乏遠程操作和監管能力，由于人工操作的局限性，傳統系統無法實現遠程操作和監測，使得對閘門的控制和管理受限，特別是在面對緊急情況或突發事件時，需要即時遠程操控閘門。

4 景電灌區農業灌溉閘門需求

景電灌區農業灌溉閘門作為水利工程的關鍵設施，對于提供可靠灌溉、防洪、排澇都具有重要意義。1）遠程控制需求。閘門的遠程控制能力是系統設計中的重要要求。該功能能夠在不需要人工實地操作的情況下，通過遠程操作終端或網絡實現對閘門的啟停、調節和控制，如實現遠程閘門開關、電源控制、運行參數的設置和調整等功能。2）實時監測需求。系統需要具備實時監測能力，能夠對關鍵參數和狀態進行實時采集和監測。如對閘門漏水情況、水位變化、閘門開啟程度等進行實時監測，以提供準確的運行數據和狀態信息。3）數據采集與分析需求。系統能夠采集閘門的運行數據并進行分析，通過傳感器和數據采集模塊，實時采集設備的各項參數和狀態數據，并將其傳輸到監控中心或云平臺進行分析和處理，這樣可以有效提供對閘門運行狀況的持續監測和數據分析支持。4）故障診斷與報警需求。系統需要具備故障診斷和報警功能，在出現閘門故障或異常情況時，能夠及時識別并發送報警信息。通過對實時數據的分析和算法模型的應用，能夠判斷閘門的運行狀態是否正常，并在出現故障、漏水或其他異常情況時進行報警和預警。5）安全性需求。景電灌區農業灌溉閘門作為水利設施，安全性是系統設計中的重要要求。因此，系統需要具備相應的安全保護機制，保障閘門的安全運行，包括對閘門操作權限的管理、遠程操控的安全性、故障診斷和報警的準確性等方面。

5 閘門遠程智能測控系統技術方案

5.1 確定技術參數

在閘門遠程智能測控系統中，流量和動力是最關鍵的兩個參數。其中，閘孔流量的大小取決于閘孔過流面積和閘前水的實際深度。在設計過程中，工作人員需要結合當前的最低深度和支渠運行需要的最大流量，根據閘孔出流公式對閘孔的高度e和閘孔的寬度b進行計算，其中，U1=0.76（e/H）0.038。之后需要對閘門的受力情況進行分析，對啟閉所需的力矩進行計算，根據計算得出的最大力矩選擇啟動電動機功率。以景電一期工程為例，工作人員經過實際計算得出需要以0.857 kN 的力完成靜水壓力為3 154 kN的閘門啟閉操作[5]。

5.2 研發新型閘門

在閘門遠程智能測控系統研制過程中，傳統的平板閘門的漏水和卡阻問題是制約系統研發的重點問題。因此，在閘門遠程智能測控系統研發中，工作人員需要研發新型結構閘門，對于結構設計，可以探索采用新型材料和結構形式，以提升閘門的承載能力、耐久性和運行穩定性。例如，可以引入復合材料和增強型結構設計，以提高閘門的抗壓和抗彎強度。對于材料選用，可以選擇具有良好防腐蝕性和耐候性的材料，以應對閘門常遇到的水、氣候和環境要求。同時，還需對新型結構閘門進行性能優化，包括減小阻力、提高開關靈活性和節約能耗等方面，以實現系統的高效運行。在本系統研發過程中，工作人員克服了傳統平板閘門的問題，發揮弧形閘門省力和拍門密封性好的優點，引入新型的復合材料，研發了拍弧式結構閘門。

5.3 設計遠程智能控制終端

遠程智能控制終端的設計和開發旨在實現對閘門的遠程操控和實時監測。在景電工程中，遠程控制終端具備定時、串口、開關量輸入和本地存儲的能力。工作人員可以通過操作按鍵和人機界面對現場進行遠程管理。對于遠程智能控制終端的技術方案確定，需要考慮硬件設備選用和布置、通信方式、人機界面等方面的內容。對于硬件設備選用，可以選擇具有良好性能和穩定性的工控機或嵌入式系統作為終端設備，并根據實際需求配置相應的處理器、內存、存儲器和接口。同時，還需要設計合理的人機界面，包括顯示屏、按鍵或觸摸屏等，以方便操作員進行遠程控制和實時監測[6]。該終端在使用過程中可以對閘門運行數據進行實時采集，并且可以實現監控中心的遠程通信，具備良好的易維護性和擴展性。此外，在這個系統中，各個子系統具有一定的獨立性，當系統采集功能中斷時對通信系統沒有影響。遠程智能控制終端的結構框架如圖1所示。

圖1 遠程智能控制終端結構框架

5.4 優選閘門控制設備

閘門控制器的功能是實現對閘門精確、可靠的遠程控制和監測。對于閘門控制器的技術方案確定，需要考慮其硬件設計和軟件功能實現方面的內容。在硬件設計方面，閘門控制器需要選擇合適的控制芯片或控制模塊，以滿足閘門的控制需求。控制器還應該具備適當的輸入輸出接口，以便與其他設備進行通信和數據交換。

閘門控制器研發中的技術參數確定需要考慮多個方面，包括但不限于以下方面：1）控制精度。確定控制器的控制精度，即控制閘門開閉、調節水位等操作的精確度，這將影響到系統的穩定性和準確性，需要通過合適的控制算法和校準方式來實現。2）數據采集和傳輸速度。確定控制器對閘門狀態和參數數據的實時采集和傳輸速度。3）遠程控制響應時間。確定控制器對來自監控中心的遠程控制指令的響應時間要求。4）靈活性和可擴展性。確定控制器的靈活性和可擴展性，以適應不同閘門的控制需求和系統的升級擴展能力。

AD-ZK-2009 閘門控制器可以實現精確的閘門開關控制，并且其控制芯片能夠對閘門的上下限、力矩和力度進行精確控制，具有性能可靠、重量輕、體積小等優點。因此，在景電工程中普遍采用這種控制器作為遠程智能控制系統的執行機構[7]。

5.5 設計供電系統

系統供電方面，由于景電工程灌溉面積廣袤、支斗較為分散，所以可以采用太陽能供電的方式為各個子系統進行能源供應。太陽能供電系統的設計可以實現系統的獨立運行和可持續性發展。設計人員需要根據閘門遠程控制測控系統的電能消耗情況和工作周期，估算出系統每天需要的電能，確定所需電力的儲備容量。同時，需要評估所在區域的太陽輻射情況和太陽能資源，以確保太陽能供電系統能夠滿足系統的電力需求。根據這些分析結果，確定太陽能電池板的數量和布置方式，以便最大限度地捕獲太陽能。景電灌區具有豐富的太陽能資源，年日照時數在3 000 h以上，具有良好的太陽能供電條件[8]。

選擇合適的太陽能電池板和儲能設備。太陽能電池板需具有高效的太陽能轉換率和穩定的性能，以獲得充足的電力輸出。儲能設備可以選擇太陽能電池組或鋰電池等，以存儲白天捕獲的太陽能，并在夜間或陰天時供應電力給閘門控制系統。同時，設計合理的電力分配系統，將太陽能供電系統的電能分配給閘門遠程智能測控系統，包括適當的電壓轉換和穩壓措施，以確保電能的穩定供應。在設計過程中，還需要考慮安全措施，以防止太陽能供電系統故障導致閘門系統停電，從而影響系統的正常運行。

5.6 設計通信系統

通信系統設計需要綜合考慮景電工程的實際情況，由于測控地區較為偏僻，且當地無線通信信號較差，為了保證遠程控制系統的整體通信質量，因此選擇了CDMA的方式進行通信[9]。

CDMA 通信系統通過分配不同的碼片給每個用戶，實現多用戶同時使用一條頻譜進行通信。對于CDMA 通信系統的應用，需要選擇合適的CDMA 通信芯片或模塊，并設計與系統需求相匹配的通信協議和通信接口。通信芯片或模塊的選用需要根據系統的通信距離、數據傳輸速率和抗干擾能力進行評估。同時，還需要設計合理的通信協議和通信接口，以實現與其他設備的連接和數據傳輸。

在CDMA 通信系統的研發中，需要考慮多個方面的技術參數。1）確定通信距離和通信覆蓋范圍，根據閘門系統的布置和通信需求，選擇合適的通信模塊和天線。2）評估通信系統的帶寬和數據傳輸速率，確保通信系統能夠滿足閘門數據的實時傳輸需求。3）對通信系統的抗干擾能力進行測試和評估，以應對可能存在的干擾源和信號衰減現象[10]。

6 閘門遠程智能測控系統的實驗性能與實施效果

設計完成之后，對該系統進行了仿真測試，具體如下：1）閘門遠程控制功能測試。在實際使用中，工作人員需要通過遠程終端對閘門進行遠程操作，而系統借助統一的CDMA 通信系統，能夠利用互聯網實現不同距離的遠程控制。在測試過程中，登錄系統之后，在控制中心外面對閘門的開、關、流量控制等功能進行了測試，測試結果發現系統的反應時間會受到網絡通信信號的限制，當移動終端信號充足的時候，系統的反應時間在0.1 s 以下，而當移動通信網絡不好時，其響應時間則會適當延長，但是如果是在控制中心里面對閘門進行操作，則沒有此問題，證明了該系統的遠程控制功能良好。2）系統水量自動檢測、預警等測試。按照實際使用的功能需要，對渠道中水量標準值進行設定，利用灌溉水源在渠道中放入適當水量，當渠道中的水流量發生變化之后，系統會根據之前設置的預警值進行多級預警。在實驗過程中，測試人員對渠道中的水量進行了持續增加，使其超過渠道規定流量，在這個過程中系統對流量超限進行了提前預警，并在超限之前就通過智能分析系統關閉了閘門，證明了該系統具有良好的預警能力。3）系統現場手動控制功能檢測。首先，測試人員暫停了測控系統，使其突然失去電力供應，然后測試人員在現場通過終端手動對閘門的升降進行了控制，這樣即使遇到突發情況，工作人員也能夠通過機械結構對閘門進行控制，進而提升了系統的安全性[11-12]。

遠程智能測控系統的應用，極大地提高了排澇泵站的管理效率，大大解放了人力，實現了現場無人值守和設備自動化運行。系統的預警、報警機制，一方面顯著提升了汛期排澇的應對能力；另一方面又做到了及時發現并處理設備故障，做到了防患于未然，得到了業主單位和排澇泵站管理人員的高度肯定。

7 結語

綜上所述，閘門遠程智能測控系統能夠實現對閘門的遠程控制和實時監測，顯著提高了引黃灌區閘門的運行效率和安全性。同時，該系統具備穩定可靠的性能，能夠適應不同環境和工作條件，為解決農業灌溉高效管理和水資源高效利用提供了技術支撐。