基于物联网的灌区智能管理系统研发

蒋 力，马福恒，汪建宏

(1.浙江省水利水电勘测设计院，浙江 杭州 310002；2.南京水利科学研究院，江苏 南京 210029；3.水文水资源及水利工程科学国家重点实验室，江苏 南京 210098)

基于物联网的灌区智能管理系统研发

蒋 力1，马福恒2，3，汪建宏1

(1.浙江省水利水电勘测设计院，浙江 杭州 310002；2.南京水利科学研究院，江苏 南京 210029；3.水文水资源及水利工程科学国家重点实验室，江苏 南京 210098)

针对灌区建筑物和信息点分散、监测数据散乱、信息孤岛严重、时效性差等问题，结合河南省人民胜利渠及浙江省铜山源水库等大型灌区实际，将智能化的物联网和云计算技术引入灌区智能信息感知和管理系统研发中，利用短距离无线联网技术，建立以ZigBee无线网络技术为基础的灌区各水利设施的物联网系统架构，分析不同层次特征信息的融合需求，制定各级数据融合及其控制方法，研发了基于物联网的灌区智能管理系统，对提高灌区高效、安全管理具有重要的实用价值。

物联网；云计算；智能信息感知；管理系统；大型灌区

1 问题的提出

我国是世界上从事农业灌溉、兴修水利最早的国家，都江堰、郑国渠等水利工程至今仍在发挥重大灌溉效益。作为农业大国，我国的灌溉面积大，灌区是我国农业生产、农村经济可持续发展的基本保障，在整个国民经济和社会发展中具有举足轻重的地位。20世纪70年代初，我国已开始研发农业灌区自动控制技术，并对自动计量、自动预测预报也进行了探索，但由于受当时技术、经济等条件的制约，原本粗放的灌区自动化技术一直停留在初期阶段。随着灌区信息化技术的高速发展，相对于国外发达国家，我国的灌区目前仍存在管理手段落后、信息化建设投入不足、信息化系统建设缺少统一的标准规范及接口、信息采集传输水平较低等问题。国外发达国家的灌区信息化建设发展较早，信息化建设水平也高于我国，如美国、澳大利亚、以色列、日本等，在灌区水管理领域中大量采用计算机、自动化技术来调控渠系输水与配水，集信息采集、处理、决策、信息反馈、监控为一体，从而实现水资源的合理配置和灌溉系统的优化调度[1]。2002年，我国启动了全国大型灌区信息化建设试点工作，至今已有多座大型灌区实现了信息化管理，提高了灌溉保证率，社会经济效益显著。但由于灌区建筑物和信息点的分散、监测数据散乱等现状，造成已建灌区的信息化系统信息采集效率低、资源共享能力弱、软件通用化程度不高等，需要采用物联网和云计算技术，研发可灵活配置且扩展性强的灌区信息管理系统。

为加强灌区水资源统一管理，合理配置、高效利用水资源，科学协调供需矛盾，提高灌区工作人员业务水平及现代化管理水平，进一步提高用水调度水平和灌溉保证率，拓宽信息共享程度，增强灌区信息化程度，保障灌区的可持续发展，有必要研发基于物联网和云计算平台的灌区智能化管理系统。

2 系统目标及架构

2.1 灌区信息化目标及业务流

依据灌区现代化管理的需求，信息化应用系统是一种集灌区水利信息管理、现代化办公和灌溉决策支持于一体的综合信息系统[2]。水利信息管理包括实时采集灌区内各站点的水雨情、水资源、水利工程运行等信息，处理后存入综合数据库，保证反映水雨情、工情、墒情、水质、地理信息等数据的统一和协调；现代化办公包括信息发布、费用征收、办公自动化、档案数字化等业务； 灌溉决策支持主要依据实时采集的数据，从用水和工程安全的角度出发，开展防汛抗旱预警、灌区工程安全预警、水资源配置调度等综合决策，以实现灌区水资源的优化配置、提高灌区管理效率的现代化管理目标，构成具有日常工作处理能力、知识管理能力、科学决策支持及集成综合业务处理能力。灌区的信息化业务流程见图1。

图1 灌区信息化业务流程图

2.2 基于物联网与云计算的灌区智能管理系统体系架构

物联网（Internet of Things，IOT）技术将感知技术、传输技术、互联网技术与现代化控制技术紧密结合，从而实现智能化识别、定位、跟踪、监控和管理[3]，包括感知层、网络（传输）层、应用层（决策支持与信息发布）。感知层是智能管理系统的神经末梢，主要功能是识别物体，获取信息。由感知渠道闸门开度、水位、流量、水质，灌区水雨情、墒情、建筑物安全监测、视频等信息的感知终端（如水位计、闸位计等），以及闸门、排涝设备、提水设备、电动机、光源等控制设备构成。网络层负责传递感知层获取的数据信息、视频监测信息至决策层，并将服务层信息、指令下达到感知设备，由光纤、同轴、网线等有线传输线路及传输设备，微波、ZigBee、GPRS、3G、4G等无线传输链路、网络安全管理系统等组成。应用层包括云计算平台（信息融合与决策）、信息发布和系统管理等，是灌区管理信息化系统的集中体现。云计算平台是信息管理系统的中枢，可实现信息数据处理、交换及共享，并将决策结果向下发送到网络层和感知层；信息发布分为公众发布和业务发布，前者面向社会公众，后者仅对灌区管理机构和上级主管部门开放，实现资源共享和按需服务，避免“信息孤岛”。基于物联网和云计算技术的灌区智能信息感知和管理系统的整体架构见图2。

图2 灌区智能信息感知和管理系统架构图

3 系统信息感知及云融合

3.1 信息感知组织方法

由于灌区建筑物和信息点的分散、数据散乱，单一的感知方法已不能满足信息采集的准确性，需要对不同类型传感器进行分类。灌区信息可分为建筑物安全监测、水雨情和墒情监测、闸门远程监控、实时视频监测等信息。针对不同信息源采取相应的感知方法。

3.1.1 建筑物安全监测

建筑物安全监测包括取水闸、节制闸、泵站等建筑物的变形、渗流和应力监测，传感器的类型有振弦式、差阻式等，其数据采集可通过现地测控单位（MCU）自动召测获得，结构见图3。

图3 安全监测结构图

3.1.2 水雨情、墒情等监测

水雨情、墒情监测主要包括渠首水位、渠道流量、灌区降雨量、地下水位、含水量、水质等监测内容，监测仪器有水位计、流量计、渗压计、土壤水分监测仪、水质监测仪等，这些区域的电力保障差，主要利用太阳能供电，利用RTU采集装置进行自动召测获得，其站点结构见图4。

图4 遥测站点结构图

3.1.3 闸门远程监控系统

闸门远程监控系统由站控级和远控级协作完成。站控级的各现地控制单元（LCU）负责对闸门进行现地测量、监视，并向监控主机发送各种测量数据，同时接受监控主机发来的控制命令和参数，完成控制逻辑的实施；远控级计算机实现全局（分局）的运行监视、事件报警、数据统计和记录、与上级系统的通信等功能，并向各现地控制单元发出控制、调节命令。系统采用开放式分级分布式结构，分成远控级和站控级。远控级由监控主机兼操作员工作站、数据管理服务器及打印机等设备组成。站控级由各现地控制单元、各种智能测控装置、传感元件组成。

3.1.4 实时视频监视系统

实时视频监视系统由前端设备、传输设备、控制设备、记录和显示设备4部分组成。前端设备由高分辨率彩色摄像机、全方位云台、控制解码器、室内外防护罩等组成，负责图像和数据的采集及信号处理。所有的视频信号和数据复接在一起，选择合适的信道进行传输。

3.2 信息传输方式及特征分类

灌区基础信息监视点分散，若全部采用有线通讯不仅造价高，维护也较困难，这就需要探索多种传输模式。目前无线传输分为短距离无线联网技术（如ZigBee、WiFi、RFID等）、远距离传输技术（如GPRS、CDMA、3G、4G、超短波等）。由于灌区基础信息的多样性，如闸门远程控制需要可靠性高，视频监视需要流量大、实时性强等特点。灌区信息传输初步分为以下几类。

（1）渠首枢纽与管理局通讯采用光纤连接，光纤沿主干渠敷设，中途与各分水（节制闸）枢纽连接，传输各枢纽的闸控、视频、建筑物安全监测信息，以及办公自动化系统。

（2）灌区墒情、地下水、降雨量等水文信息的数据量小，单独建设微波或其它无线方式费用高，且维护困难，可采用GPRS技术将信息发送至管理局监控中心。

（3）各枢纽建筑物自成分中心，采用ZigBee技术将闸控、视频、建筑物安全监测、水位等信息传输到分中心监控主机，通过主干光纤传输至管理局监控中心，实现资源共享。ZigBee技术是一种近距离、低复杂度、低功耗、低速率、低成本、容量大的双向无线通讯技术，主要用于距离短、功耗低且传输速率不高的各种电子设备之间进行数据传输以及典型的有周期性数据、间歇性数据和低反应时间数据传输的应用。

灌区基础信息是表征灌区排灌建筑物的结构、组织结构、用户类型、区域经济与环境、地理特征、灌区水源特征等的基础数据。整体上包括灌区管理系统、用水系统、灌区排灌系统3个大方面，经聚类分析与E - R分析，得出数据分类体系见图5。

图5 灌区基础信息数据库特征分类体系图

3.3 信息融合处理方法

由于灌区基础信息的多样性、随机性、复杂性，目前信息融合处理过程中信息的一致性、融合感知系统的容错性和稳健性等关键技术亟待解决[4]。为此，首先针对灌区多源信息的随机性、模糊性、盲性等特征进行研究，建立信息融合层、特征融合层、决策融合层的3层梯度结构的多源信息融合框架体系。在此基础上，对渠首闸、节制闸等水利设施的基础属性信息，灌渠流量、水位、雨情、墒情、水质、气象等多源信息进行功能辨识、数据清洗、数据分离，按系统需求对收集整理的数据进行设计并构建数据库。系统数据库设计采用Microsoft SQL Server 2008作为数据库存储数据，再采用改进的融合算法（聚类分析、贝叶斯估计等）对数据进行融合，确定多源信息度量函数、有效数据提取准则，建立灌区多源信息最优特征融合模型，保证融合处理过程中信息的一致性。研究统计决策理论、专家系统、SD证据推理、自适应决策，人工神经网络和模糊推理等理论和方法，选择最优决策方法，建立智能决策感知模型，对灌区实时准确监测、科学预测、应急调度、综合决策，并及时发布。采用的主要技术路线见图6。

图6 信息数据融合处理技术路线图

4 系统实现及功能

4.1 工程概况

人民胜利渠灌区位于黄河北岸，是解放初期在黄河中下游兴建的第一个大型引黄灌溉工程，1951年开工兴建，1952年开闸放水。主要承担焦作市、新乡市、安阳市3市的9个县(市、区)、47个乡(镇)的农田灌溉、以及新乡市城市供水等任务，是河南省粮食主产区之一[5]。自建成以来，经过多年的建设与管理，为我国引黄事业的发展积累了宝贵的经验，同时也为社会创造了巨大的经济效益和社会效益。人民胜利渠灌区由灌溉、排水、机井、沉沙4套工程系统组成。灌溉系统由总干、干、支、斗、农5级渠道组成，总干渠1条，长52.70 km，干渠5条，长82.50 km，各种建筑物4 767座；灌区排水系统以卫河为总承泄区，内有东孟姜女河、西孟姜女河2条干排；井灌系统由机井13 000多眼和相应的田间工程组成；沉沙系统有沉沙池、引水渠、退水渠及建筑物组成，自流沉沙，1987年后开始浑水灌溉。已逐步形成“以自流灌溉为主、井渠结合为辅”的灌溉网络和干、支、斗齐全的排水体系，成为当地工农业经济可持续发展的基础。

铜山源水库灌区位于浙江省西部、金衢盆地西端、衢江北岸，受益范围为衢江县、龙游县、柯城区的16个乡镇及十里丰农场的7个农业大队，灌溉农田2万多公顷（30.00多万亩）、经济林1.67万hm2（25.00万亩）。灌区土质肥沃，雨量充沛，平原主要种植双季水稻，黄土丘陵主要种植柑桔等经济林果，是衢州市的主要产粮区，同时也是浙江省最大的自然灌区之一。由于低地山丘陵区，常年枯旱，大面积黄土丘陵水源缺乏，长期得不到开发利用。该灌区建设始于20世纪70年代，其骨干工程铜山源水库是一座以灌溉为主的综合性大型水利工程，于1958年10月动工，1974年主体工程完成，1978年配套工程建成通水。水库建成后，使衢江区、龙游县和柯城区的14个乡镇和十里丰农场的7个农业大队的1.56万hm2（23.46万亩）耕地实现自流灌溉。受当时经济条件和技术条件限制，灌区内量水设施极少且落后，水量的计量采用经验估算法，水量的控制基本采用人工方式。铜山源水库灌区节水续建配套项目自1998年8月通过国家立项并批复实施。目前，灌区内有大型水库1座（铜山源水库），中型水库1座，小(1)型水库14座，小(2)型及以下水库山塘2 341个，总库容23 831万m3。其渠系分为东干渠和西干渠2条主线，干渠总长65.29 km，大小建筑物979处。另有支渠25条，总长277.00 km，引水堰坝416处，提水工程608处。

由于灌区管理范围大、工程多、渠系复杂，管理工作仍依靠人工管理，任务繁重，手段落后，严重影响了灌区效益的发挥。有必要建设一套基于物联网和云计算技术的信息化管理平台。

4.2 系统研发

结合河南省人民胜利渠及浙江省铜山源2个灌区的实际需求，利用物联网和云计算技术，研发了灌区智能管理系统，包括信息采集系统（水位、雨量、流量、墒情、地下水位、闸门开度、视频等）、决策支持系统（灌区配水优化方案、灌区配水测控与在线调度系统、远程视频会商系统）、水费征收管理系统、办公自动化系统和综合信息管理平台等系统组成。人民胜利渠系统结构见图7。

图7 人民胜利渠灌区智能感知和管理系统结构图

考虑到软件功能模块的定制性和复用性，本系统基于B/S模式进行开发，该模式是目前软件开发的主流结构，开发技术可采用JAVA的J2EE技术[6 - 8]，其逻辑关系见图8。该系统已通过有关部门审批，近期将组织实施。

图8 智能感知和管理系统软件逻辑关系图

4.3 系统功能

该系统采用先进的物联网技术，节约了网络建设投资，利用云计算技术对各类信息进行感知和融合，实现了对灌区基础信息的采集与处理，建筑物安全测控与仿真，调水及防汛抗旱的决策支持、优化调度，以及灌区管理局的办公自动化，人事、财务、工程、档案等管理的电子化。其主要功能有：

（1）根据灌区建筑物基础信息的表征，建立了反映灌区水雨情、墒情、工情、用户数据、地理数据、情报资料等的公共数据库系统，保证系统感知信息共享，消除了“信息孤岛”。

（2）从用水需求角度出发，实现科学配水计划、防汛抗旱优化调度的实时决策支持，提升了灌区管理局对水资源的监管能力，便捷及时地为企业和公众提供灌区综合信息服务，充分发挥灌区的社会经济效益。

（3）按照用水计划和其它相关计划与要求，实现对闸门的实时调控与监视，完成对设备的在线状态监测、实时报警等。

（4）实现灌区管理局、管理分局、管理站的办公自动化，包括人事管理、财务管理、工程管理、物资管理等职能部门专项管理的信息化；实现水费管理信息化和网上视频会议功能。通过WEB网站向外部展现灌区风采。

(5)实现档案的数字化管理，包括工程资料、视频资料、相关管理文件、科技情报以及科技资料，形成全灌区的多媒体数字档案系统，方便档案的保存与利用。

5 结 语

针对灌区运行现状，采用物联网与云计算技术，构建了灌区信息智能管理系统，系统按照物联网体系进行分层，采用云计算等先进技术进行信息感知和融合，分析不同层次特征信息的融合需求，研究各级数据的融合及控制方法，实现信息管理、决策支持和办公自动化的共享。结合河南省人民胜利渠灌区和浙江省铜山源灌区的实际，研发了灌区信息智能管理系统，科学配置水资源、优化供水和防汛调度方案，为灌区水资源的管理、节水灌溉、农业生产等的正确决策提供科学依据，该系统的建立对提高灌区高效、安全管理，充分发挥灌区社会经济效益等具有重要意义。

[1] 汤明玉，马巨革.浅谈我国灌区信息化建设存在问题及对策[J].华北国土资源,2015(1)：69 - 70.

[2] 王成军,陈冰峰.基于B/S模式的大型灌区信息化应用系统分析与设计[J].西安建筑科技大学学报(自然科学版)，2004， 36(3) : 325 - 327.

[3] 王长生,马福恒,何心望，等.基于物联网的燕山水库大坝智能巡检系统[J].水利水运工程学报，2014(2)：48 - 53.

[4] 李子阳,马福恒,华伟南.多源信息融合诊断大坝安全监测资料合理性[J].水利水运工程学报，2013(1)：41 - 46.

[5] 杨丽莉,马细霞,路振广,等.人民胜利渠灌区水资源高效利用调控技术研究[J].中国农村水利水电，2013(7)：64 - 68.

[6] 刘海燕,王光谦,魏加华,等.基于物联网与云计算的灌区信息管理系统研究[J].应用基础与工程科学学报，2013，21(2)：195 - 202.

[7] 马福恒,李永江,刘成栋.燕山水库信息管理自动化系统集成技术[J].水电能源科学,2009(6)：188 - 189，65.

[8] 张希斌,马福恒.基于WEB技术的湖漫水库综合自动化系统集成方案[J].南水北调与水利科技,2008(6)：34 - 36，39.

（责任编辑 黄 超）

Research and Development of Irrigation Intelligent Management System Based on the Internet of Things

JIANG Li1，MA Fu - heng2，3，WANG Jian - hong1

（1.Zhejiang Design Institute of Water Conservancy and Hydroelectric Power（ZDWP）Hangzhou310002，Zhejiang，China；2.Nanjing Hydraulic Research Institute，Nanjing 210029，Jiangsu，China；3.State Key Laboratory of Hydrology - Water Resources and Hydraulic Engineering，Nanjing 210098，Jiangsu，China）

To solve the problems of scattered buildings，scattered monitoring data，serious information island and poor timeliness in irrigation district，etc., combining with the actual situation of People's Victory Canal in Henan Province and Tongshanyuan Reservoir in Zhejiang Province，and other large irrigation areas，this paper introduced intelligent internet of things and cloud computing technology into the research and development of irrigation intelligent information perception and management system. Water conservancy facilities IOT (Internet of Things) system architecture of irrigation regions was established by using short - range wireless networking technology，which is based on ZigBee wireless network technology. The study analyzed the integration needs of feature information in different levels，formulated data fusion in different grades and its control method，developed the intelligent management system in irrigation areas based on the IOT， which have important practical value for the irrigation areas in improving efficiency and safety management.

internet of things；clouding computing；intelligent information perception；management system；large - scale irrigation area

S274

A

1008 - 701X(2016)06 - 0059 - 05

10.13641/j.cnki.33 - 1162/tv.2016.06.019

2016-01-19

国家自然科学基金资助项目(51139001、51409167)；水利部公益性行业科研专项经费（201401022、201501036）

蒋 力(1963 - )，男，高级工程师，大学本科，主要从事水利规划与信息化工作。E-mail：jllnjjs@aliyun.com