校内实训基地信息化系统建设实践研究

摘要:建设高质量的信息化、智能化校内实训基地是培养高技能人才的重要保障。本文系统阐述了山西水利职业技术学院校内节水灌溉实训基地的建设实践探索。

关键词:校内实训基地;信息化系统;智能化;节水灌溉

投资253万元、占地80亩的山西水利职业技术学院节水灌溉实训基地和示范园由水源工程、管理中心、节水研发项目、灌溉渠系和12个节水灌溉区域组成,区间林路按园林标准设计,每个区的面积40×42m2,分别展示不同的节水灌溉技术和设备。这里集中了国内外各种节水技术与设备,为水利类专业开展校内节水灌溉技术实训和水利信息化管理提供了理想的平台。我院利用最新的网络技术将分散的所有田间现场终端控制系统(数据采集和控制器、灌溉设备、传感器)和视频监控系统、中央控制系统组成一个功能强大、使用方便的数据和控制网络,实现了全区的智能控制。

2007年4月,北京嘉源易润工程技术有限公司与学院签定合同,在实训基地设立“北京嘉源易润工程技术有限公司技术推广、试验、培训基地”,利用基地的资源优势研发节水灌溉产品,该公司将他们最新的节水技术、最新的节水产品,试用、让利或捐赠于实训基地,利用基地的示范作用推广他们的技术与产品。同期,全国水利信息化管理先进单位山西省夹马口引黄管理局与学院签定校外实训基地协议,并对校内节水灌溉实训基地信息化建设提供专家咨询与现场指导。运城市水利局与学院签定合同,把实训基地作为全市节水灌溉技术的示范园区,并给学院拨付专项资金作为前期费用,有计划地安排全市水利部门来园参观,由实训基地进行节水灌溉技术示范和提供技术服务,并对相关人员进行培训。通过校企合作,校内节水灌溉实训场进行了如下几个方面的建设。

数据库建设数据库建设在灌溉实训场信息化系统建设过程中处于核心地位,是信息化建设十分关键的一环。信息化是指以计算机与通讯网络为主体的数字化、网络化、智能化和可视化的过程,其中数字化主要是指传统的信息载体向数字载体的转变,这有利于信息的处理、传输和应用。在实践中,数据库的内容是根据灌溉实训场的实际情况,使用数据库管理系统提供的录入工具录入的灌溉实训场的实际资料,这使数据库成为一个具有丰富资料的数据仓库。我们建立了包括灌区基本信息、实时水情、水文气象资料、管网分布、灌溉制度、需配水方案、超文本信息、图像等的综合数据库系统,为实训场信息管理、灌水决策和办公自动化系统提供数据支持。同时,数据库有灵活的数据定义、输入、查询和统计分析功能,能够满足灌溉实训场日常管理和决策支持的要求。

信息采集系统建设灌溉实训场的数据库数据按照更新时限的长短分为三类,即静态数据、动态数据和实时数据。静态数据指基本不变化的资料,如灌溉实训场的区划、实训功能、各种已建工程资料等,录入后是基本不用更新的。动态数据指不定期更新的资料,如作物的种植结构和种植面积每年发生的变化,需要根据其具体特点在教师指导下由学生定期或不定期进行数据采集、录入数据库。实时数据指实时更新的资料,如田间含水量、降雨期间的雨情资料等,对于实时数据,由于其更新非常快,从实际生产及工学结合的需要出发,又需要实时地掌握这些数据,所以靠人工采集已不能适应灌区现代化的需要,必须采用现代的自动化、光电、计算机等技术进行自动、实时的采集,即必须建立自动信息采集系统。当然,学生还要同步用常规方法(如土壤含水量测量、气象观测等)进行部分信息的人工采集,并将人工采集和自动采集的结果进行比较、验证。灌溉实训场大田由WHQ-9型室外自动气象站、视频监控、4个水位传感器、4个水压传感器、4个土壤湿度传感器、4个地温传感器、2个土壤盐分传感器、1个渠道流量传感器、10个电子水表组成的实时信息采集系统,对灌溉引水、渠道用水、地下水、土壤墒情、土壤盐分、降雨量、蒸发量及其他气象信息作动态监测,为配水调度提供基本依据。灌溉实训基地信息流程如图1所示。

通信系统建设在学生的就业岗位群中,通信是无处不在的,尤其是随着现代通信技术的发展,对于灌区尤其是大型灌区而言,无论是灌区各部门的联系、数据的传输,还是灌区管理部门间的指挥调度,建设计算机网络系统,建立准确、通畅的通信系统都是非常重要的。校内灌溉实训场选用的通信系统主要有光纤、数字数据网络系统、CDMA手机模块通信、现场无线遥控等。通信系统将信息采集系统采集到的信息及其他必要信息及时传输到控制中心,控制中心再下达调度命令。同时,现场用无线遥控或用手机短信都可下达灌溉命令,做到了灌溉管理的现代化和多样化。

控制中心及网络系统建设针对专业教学培养方案要求学生有较好的计算机和网络使用能力,我们在校内灌溉实训场信息化建设过程中精心构建了灌溉实训场的控制中心。控制中心由中心控制机、路由器、网络集线器、ADSL Modem、投影机、打印机以及四台大屏显示器共同联网组成,完成系统的日常操作和管理、数据处理、网络通讯调度等功能,控制中心及网络系统框图如图2所示。这是一个智能型网络测控系统,系统利用最新的网络技术将分散的所有田间现场终端控制系统(数据采集和控制器、灌溉设备、传感器)和视频监控系统、中央控制系统组成一个功能强大、使用方便的数据和控制网络,可以方便地实现:(1)本地控制、数据处理及设备运行状态显示;(2)系统内实时数据测量及设备控制;(3)IP地址访问和远程控制。采用基于TCP/IP协议的以太网结构。系统的各个组成部分都具有自己的IP地址,可通过网络进行相互通讯。此网络是标准的以太网络,即可以单独形成自己的体系,并作为校园网的一个组成部分,还通过路由器连接到Internet广域网上。这样,无论师生在世界的什么地方都可以通过Internet对系统进行查询、操作、设置和管理。四台大屏幕显示器分别负责显示本系统中的视频监控画面、各种实时测量数据以及其他控制和管理功能界面。加入无线访问点(Access Point)后还可以通过无线网络使用本系统。通过建设控制中心的计算机局域网,能使实训数据和文本信息的传输更便捷,实现办公自动化,提高办公效率和管理水平。

用水管理决策支持系统建设随着现代决策技术和智能技术的发展,现代决策支持系统在辅助管理部门决策上发挥着越来越重要的作用。建立灌溉实训场用水管理决策支持系统,对于提高实训学生的用水管理水平,提高用水效率,节约用水具有重要意义。用水管理决策支持系统主要包括灌区需配水计算及模拟、水量调度及决策支持、测水量水及水费征收等方面的内容。学院教师和北京嘉源易润工程技术有限公司技术人员共同开发了先进的需配水模型和“山西水利职业技术学院节水灌溉实训场信息管理系统”,在综合数据库及综合数据库管理系统的基础上,系统可以自动进行灌水调度。除了学习专业的节水灌溉控制软件、水泵现地控制软件、大田现地控制软件、大棚现地控制软件、阀门现地控制软件、渠道自动监测软件、视频监控软件、自动气象站软件,实训基地的学生还要通过管理决策系统,在教师和企业专家的指导下,做出各灌水区域的配水方案,进行适时调度。根据程序的不同设置,控制中心可以实现不同数据信息条件下的控制运行情况的实际模拟演示,达到各种条件的实际教学演示效果,运行结果反馈和数据条件都可以实时显示、存储、分析。

灌水自动控制系统建设广义的渠系自动化系统包括渠道测水量水、用水决策、闸门自动化或管道自动控制等在内的完整测控系统,而狭义的渠系自动化系统则仅指闸门自动化、管道自动控制。闸门自动化和管道自动控制在西方发达国家有较多的应用,如美国农场的管灌系统多采用自动控制方式,而在我国尚处于起步阶段。本着先进性和适度超前的原则,我们在建设资金有限的情况下,采用了渠道系统灌水用人工控制,管道系统灌水用自动系统控制的建设方案,实现了闸阀快速、及时、准确地启闭,提高了系统运行的可靠性,并可由实训学生进行自动控制和科学管理,强化了学生运用高科技的意识。灌溉实训场管道灌水首部枢纽位于学院自备机井附近,主要由二级水泵、逆止阀、控制阀门、过滤系统、施肥系统、压力表、排气阀等组成。为了保证水泵在不同压力情况下正常运行,在二次加压水泵处设变频供水系统。相应的传感器分别将水井水位、水池水位、出水压力、流量、水泵状态以及渠道水位和流量等信息通过智能传感器变送模块传入供水控制器中,由控制器根据内置的控制逻辑和方法对水井及水池的水泵进行相应的控制。十个节水灌溉区域分为三大部分,前4个区由灌溉控制器1负责,灌水量、土壤湿度及阀门状态信息均被读入控制器1中,并据此由其控制相应阀门的运行,中间2个区由灌溉控制器2负责,对第5区增加地温、作物生长信息的采集和显示。最后4个区由灌溉控制器3负责控制,控制中心依据授权对整个系统进行全面的实时监控,并随时完成对温室和灌溉系统内的各项数据进行分析和评估。灌溉及施肥智能控制系统如图3所示。

办公自动化系统与信息共享建设在工程实践中,办公自动化系统与计算机网络系统的建设密切相关,计算机网络系统的建设是办公自动化系统建设的前提和基础,办公自动化系统是计算机网络系统的一个重要应用内容。灌溉实训场办公自动化系统包括实践教学文件管理、实训班级档案管理、实训教学成绩管理、技能鉴定培训考核管理、新闻宣传等工作。信息共享建设主要指灌溉实训场对外的信息披露和信息服务。灌溉实训场利用网站对外进行信息的披露和信息服务,对实训班级或学生等“用水户”披露水量、虚拟水费等信息。学生通过校园网可以随时查询本人在灌溉实训场的信息。实训场网站还提供一些灌溉知识等方面的服务,对校内其他相关单位提供相应的信息,让师生监督,也宣传实训场自身。

IC卡灌溉管理系统建设为了增强学生的节水意识,我们还在实训场设置了一套IC卡灌溉管理系统,它是将计算机、IC卡自动控制技术应用于农业灌溉的系统。其工作原理是:利用IC卡,对每个用水户进行建档管理,配合计算机进行控制。具体做法是:IC卡写有用户的名字和密码,用户预交水费写入卡中,在管理机上插卡开机提水,系统自动计时计费,从卡中扣除所需费用。若卡中水费用尽或卡取出或关机,则自动停机,无法提水灌溉。在工作实践中,采用IC卡灌溉管理系统,具有预先收费、收费标准公开、减费过程动态可见、不需专人值守等特点,从而较好地解决了水费计收困难、争水抢水现象发生、水资源浪费、计量失真、收费经常发生纠纷等突出问题,对提高群众自觉节水意识和密切干群关系,具有重要的意义。

该实训基地通过对灌溉实训场内雨量、水量、水源站水位、水质、土壤墒情、气象、地下水水位等信息的远程信息采集,实现了水资源智能调度决策方案的选定、调配灌水管路的远程自动启闭控制、实训基地现场图像监视、管理和办公自动化等功能,实现了信息发布与信息查询网络化,数据处理信息化,分析、决策、调度智能化,水量计算、水费征收电子化,配水调度、办公自动化,管理信息化、灌水控制自动化,实训场成为了高效环保的数字节水灌溉技术实训场。2007年,我校实训基地被山西省水利厅命名为“山西省节水灌溉技术示范基地”,2008年,又被山西省教育厅命名为“山西省高职高专实践教学示范基地”,为学院通过教育部人才培养工作水平评估和成为水利部示范院校做出了突出贡献,很好地带动了全院实践教学基地建设和课程建设。

参考文献:

[1]白继中,淮占民,李庆东.校内节水灌溉技术实训基地功能建设的实践与创新[J].职教论坛,2008,(11).

[2]张学会.山西省夹马口灌区的水利管理信息化[J].中国农村水利水电,2004,(1).

[3]李发鹏,徐宗学,李景玉.基于MODIS数据的黄河三角洲区域蒸散发量时空分布特征[J].农业工程学报,2009,25(2).

作者简介:

白继中(1971—),男,山西山阴人,在读博士研究生,山西水利职业技术学院副教授,研究方向为生态水利学与环境水利、高职教育实践教学基地建设。

(本文责任编辑:谢良才)